Нурбей Гулиа - Удивительная физика

• Название: Удивительная физика
• Автор: Нурбей Гулиа
• Жанр: Физика
• Год: 2005

В увлекательной форме изложены оставшиеся за рамками школьных учебников сведения по основным разделам физики, описаны драматические истории великих научных открытий, приведены нестандартные подходы к пониманию физических явлений, нетрадиционные взгляды на научное наследие известных ученых.

Для учителей, старшеклассников, студентов, а также для всех, кто желает открыть для себя незнакомую, полную тайн и парадоксов физику.

---

А наиболее тяжелые звезды, сгорая, иногда превращаются в самые таинственные тела Вселенной – черные дыры. Звезда сжимается почти в точку, но притяжение ее настолько огромно, что свою «жертву» черная дыра уже не упустит и не подавится ею, как нейтронная. Любая звезда, другое космическое тело, которое «осмелится» приблизиться к черной дыре, будет поглощено ею. Как говорится, только его и видели. Хотя и видеть-то уже ничего нельзя будет – на то дыра и черная, что туда все «проваливается» бесследно. Даже луч света и тот затягивается в черную дыру, пропадая там. «Поедает» она даже магнитное поле, что сопровождается вспышками излучения, в частности рентгеновского. Ничего не выпустит от себя это космическое чудовище, если приблизиться к нему на близкое расстояние. Так и существует невидимый зловещий круг, обычно несколько километров радиусом (так называемым гравитационным), а в центре его, как паук, сидит всепоглощающая космическая «хищница» (рис. 5).

Рис. 5. «Черная дыра» в паутине магнитного поля

Видимо, кто-то очень добрый и мудрый постоянно заботится о нас с вами – и Землю подобрал с подходящим климатом, и Солнце не большое и не малое, а как раз такое, какое нужно!

Земля – избранница природы?

Прежде чем перейти к планете – избраннице природы, поговорим о Солнце и о планетах – сестрах нашей Земли.

Оказывается, огромное Солнце среди звезд считается карликом; оно возникло около 5 миллиардов лет назад. Астрономы обозначают Солнце знаком. Эта звезда-«карлик» в сто с лишним раз больше Земли по диаметру и почти в треть миллиона раз тяжелее. Вот тебе и «карлик»! И это огромное, тяжеленное небесное тело почти целиком состоит из самого легкого газа – водорода, того, которым надувают воздушные шары. Правда, есть там еще один легкий газ – гелий, но его почти в десять раз меньше, чем водорода. Казалось бы, Солнце как большой воздушный шар нужно за веревку держать, чтобы не улетело, а оно такое тяжеленное! Но самое удивительное в том, что в центре Солнца, где температура около 1,6 ⋅107 °C и огромное давление, водород особым образом превращается в гелий и выделяет при этом громадную энергию. Совсем как в водородной бомбе, но бомба эта огромных размеров и взрывается не сразу, а постепенно! Термоядерная энергия постоянно разогревает Солнце, так что поверхность его, которую мы видим, раскалена до 6 000 °C, вот и греемся мы, выходит, на энергии большой термоядерной бомбы, и вроде все в порядке! Солнечная атмосфера – корона (рис. 6) – имеет значительно большую температуру, и об этом мы поговорим позже. Теперь о планетах. Самая близкая к Солнцу планета – Меркурий. Меркурий в 2,5 раза меньше Земли, год на нем длится всего 88 дней, а период собственного вращения – 58,6 наших земных суток. Из-за близости этих значений друг к другу «день» на Меркурии длится достаточно долго – около меркурианского года, и сторона, обращенная к Солнцу, сильно нагревается; противоположная же сторона – охлаждается. Можно предположить, что через некоторое время из-за торможения вращения планеты Меркурий будет постоянно обращен к Солнцу одной стороной, как, например, Луна к Земле. Еще недавно астрономы считали, что так оно и есть уже. По внешнему виду Меркурий похож на Луну (рис. 7).

Рис. 6. Солнечная атмосфера – корона, видная во время затмений Рис. 7. Пейзаж планеты Меркурий

Следующей идет Венера – ее знак (рис. 8). По размерам она похожа на Землю, год там длится 224 дня. Но жить там тоже нельзя, жара – как в печи, а давление – как на дне моря. Атмосфера тоже не для нас – почти целиком из углекислого газа, которым дышать не стоит.

Рис. 8. Венера: а – в фазе серпа; б – приближенная карта ее полушарий

А вот третья планета – наша родная Земля, избранница природы. О ней мы поговорим попозже.

За Землей идет загадочная красная планета Марс, ее значок. Марс почти вдвое меньше Земли, год там длится 678 суток, поверхность его похожа на лунную – те же «моря» и кратеры. Есть атмосфера, но разреженная, как у нас на высоте 20 км, и для дыхания непригодна, даже ядовита. Раньше подозревали, что на Марсе есть жизнь и разумные существа, но это пока не подтвердилось, по крайней мере, существа у нас на Земле разумнее. Хотя в телескоп заметны какие-то каналы (рис. 9), но их техногенное происхождение тоже пока не подтверждено. В самом жарком месте на Марсе – плюс 10…20 °C, в холодном – минус 70 °C, наблюдается выпадение и таяние снегов на полюсах. Конечно, с грехом пополам там прожить можно, но пока лучше не надо…

Рис. 9. Марс и более подробная карта части его поверхности

Далее за Марсом идут планеты-гиганты: Юпитер (рис. 10) – самая большая из планет; Сатурн (рис. 11) – таинственная планета с кольцами вокруг себя; Уран – отличающаяся от других планет тем, что вращается в противоположную им сторону, и Нептун – планета, названная почему-то в честь бога морей, даже трезубец тот же. Все планеты-гиганты состоят почти целиком из горючих газов, в частности метана, что горит у нас на кухне в газовой плите, а также аммиака. Однако эти газы там в замороженном виде – на планетах-гигантах так холодно, что горючие газы просто замерзли, как у нас на Земле замерзает вода. Для жизни там условия, мягко выражаясь, не из лучших – холодно, до 200 градусов мороза, дышать нечем, да и гравитация огромная – раздавит в блин!

Рис. 10. Юпитер со своими крупными спутниками

И наконец, последняя планета по удаленности от Солнца – Плутон. Открыта она совсем недавно – в 1930 г. Эта планета так далеко от нас, что даже из чего она состоит, неизвестно. Сейчас сомневаются, планета ли она вообще. Знаем только, что она почти вдвое меньше Земли и вращается вокруг Солнца очень медленно – один оборот за 250 лет. То есть год там длится четверть тысячи наших земных лет!

Рис. 11. Сатурн со своим знаменитым кольцом в различных положениях

Но вернемся опять к Земле. Вот, действительно, планета, созданная для комфортной жизни. Температура – нормальная, где-то, правда, придется приодеться, а где-то – искать тени. Но это не Меркурий и не Плутон! Атмосфера – лучше не бывает! Будь больше кислорода – мы бы сгорели, меньше – задохнулись. Азот, из которого она состоит на 80 %, нейтрален, дышать не мешает, это вам не аммиак какой-нибудь! Воды – сколько угодно! Если не на самой поверхности в виде реки, озера или моря, то на глубине ее в любом месте полно, только пробурить надо. Почвы – плодородные, не то что на Луне! Даже пустыня Каракумы весной цветет необычайно пышно, а что говорить о курско-воронежских черноземах! Не будь только лентяем, пессимистом, нытиком – живи и радуйся, что родился не на Меркурии или Плутоне!

Но не все так радужно даже на Земле. И беглый взгляд на ее строение говорит о зыбкости и хрупкости всей нашей жизни здесь. Земля образовалась около 4,5 миллиардов лет назад, и поначалу она представляла собой огромный клубок пыли и газов. Потом все это сжалось, разогрелось от этого и расплавилось, после чего поверхность поостыла (чего нельзя сказать о внутренности!). Из мощных облаков хлынули проливные дожди и затопили поверхность Земли, создав первые моря, конечно, совсем не те, что мы имеем сейчас. Кстати, первые моря были пресными, так как произошли они из дождевой воды; это уже позже реки, постепенно размывая соли Земли, сделали их солеными.

Вот тут-то и начала активизироваться на Земле жизнь, запрограммированная, несомненно, еще во время Большого взрыва. Плавали, перемещались по поверхности Земли материки, расходясь от единого праматерика – Гондваны, извергались вулканы, падали, протыкая кору Земли, огромные метеориты, вызывая глобальные похолодания, нарождались и вымирали динозавры, но жизнь цепко держалась за свою Землю, можно сказать, «обетованную». Даже при всех катаклизмах слишком уж хороши были на ней условия для развития и продолжения жизни! И вот наконец, кажется, уже все на Земле нормализовалось, пришло в совершенный вид – живи спокойно и радуйся!

Рис. 12. Строение Земли:

1 – атмосфера (свыше 1 000 км); 2 – стратосфера (11—80 км); 3 – тропосфера (до 11 км); 4 – гидросфера (свыше 10 км); 5 – гранитный слой (до 10—15 км); 6 – базальтовый слой (до 50—60 км); 7 – подкорковая часть внутренней оболочки Земли; 8 – внутренняя оболочка Земли; 9 – ядро Земли

Но немного подпортим эту идиллическую картину только для того, чтобы показать, насколько бережно нужно сохранять эту стабильность на Земле. Земной шар (рис. 12) состоит из коры, толщиной в среднем около 35 км, а под ней около 12 тыс. км сплошного раскаленного, расплавленного кошмара – мантии, ядра внешнего и внутреннего. Да это же 0,3 % диаметра Земли! Даже яйцо имеет скорлупу относительно в несколько раз более толстую. И мы дырявим эту скорлупу где надо и где не надо, выбираем из этой коры все, что нам сегодня полезно. Сжигаем топливо, затрачивая кислород и загрязняя дымом и гарью все вокруг, в том числе и воздух, которым мы дышим. Продукты горения (и в первую очередь водяные пары) создают парниковый эффект, прогрессивно повышая температуру биосферы. Начинают таять ледяные шапки Антарктиды и Гренландии, вызывая наводнения и потопы. Еще несколько градусов потепления – и может наступить нарушение стабильности термодинамического состояния атмосферы, и нежданно-негаданно мы окажемся как бы на Венере – сотни градусов тепла и десятки атмосфер давления! Если, конечно, не успеем до этого заразить все радиоактивностью или химическим мусором. Что, страшно? Недаром кое-кто подумывает о проектах перелета на другие планеты для ПМЖ – постоянного места жительства. Как кочевники – загадили эту территорию, превратили ее в пустыню и пошли гадить другую.