Чтение онлайн

Но хотя вы будете невесомы, ваша масса будет Но будет далеко не нулевой. Если бы вы энергично отпрыгнули от «пола» космической станции, вы отлетели бы к потолку (хотя не было бы очевидно, где пол, а где потолок!), и, независимо от того, насколько далеко потолок, вы ударились бы головой, и ушибли бы её, как если бы упали на голову. И все остальное на космической станции точно так же по — прежнему имело бы свою собственную массу. Если бы у вас в каюте было пушечное ядро, то оно плавало бы в невесомости, что могло бы заставить вас думать, что оно лёгкое, как надувной мяч такого же размера. Но если бы вы попытались бросить его через каюту, вы скоро узнали бы, что оно не такое лёгкое, как надувной мяч. Это была бы тяжёлая работа — отбросить ядро, и вы отлетели бы назад в противоположном направлении, если бы попытались. Пушечное ядро ощущалось бы тяжёлым, даже притом, что оно не демонстрирует особой тенденции лететь «вниз» к полу космической станции. Если бы вам удалось бросить пушечное ядро через каюту, оно вело бы себя как любой тяжёлый предмет, когда он ударяет что-то на своём пути, и было бы не хорошо, если бы оно ударило одного из ваших коллег — астронавтов по голове, либо прямо, либо после отскакивания от стены. Если оно ударит другое пушечное ядро, оба отскочат друг от друга с соответствующим «тяжёлым» чувством, в отличие, скажем, от пары шариков пинг — понга, которые также отскакивают друг друга, но легко. Я надеюсь, что это даёт вам почувствовать разницу между весом и массой. В космической станции, пушечное ядро имеет гораздо большую массу, чем шарик, хотя оба имеют одинаковый вес — ноль.

Давайте вернёмся к нашей пушке на вершине горы, и сделаем её ещё более мощной. Что произойдёт? Ну, теперь нам нужно познакомиться с открытием великого немецкого учёного Иоганна Кеплера, который жил как раз перед Ньютоном. Кеплер показал, что изящная кривая, по которой предметы вращаются вокруг других предметов в космосе, является на самом деле не кругом, а чем-то другим, известным математикам со времён древних греков как 'эллипс'. Эллипс имеет как бы яйцевидную форму (только «как бы»: яйца не являются идеальными эллипсами). Круг представляет собой частный случай эллипса — представьте себе очень тупое яйцо, яйцо столь короткое и толстое, что оно выглядит как шарик для пинг — понга.

Существует простой способ нарисовать эллипс и, в то же время, убедить себя, что круг представляет собой частный случай эллипса. Возьмите верёвку и сделайте из неё петлю, связав концы в настолько аккуратный и маленький узел, какой вы только сможете сделать. Теперь воткните булавку в блокнот, закрепите петлю вокруг булавки, прикрепите карандаш к другому концу петли, сильно натяните петлю и прочертите все вокруг булавки при полном натяжении петли. Конечно, вы нарисуете круг.

Затем, возьмите вторую булавку и воткните её рядом с первой булавкой так, чтобы они соприкасались. Вы по — прежнему нарисуете круг, потому что две булавки настолько близко друг к другу, что они считаются единой булавкой. И вот теперь самое интересное. Переместите булавки друг от друга на несколько сантиметров. Теперь, когда вы прочертите фигуру при полном натяжении петли, нарисованная вами форма не будет кругом, это будет «яйцевидный» эллипс. Чем дальше друг от друга вы разместите булавки, тем уже эллипс. Чем ближе вы помещаете две булавки друг к другу, тем шире — и круглее — будет эллипс, пока две булавки не станут одной булавкой, а эллипс не станет кругом — частным случаем.

Теперь, когда мы познакомились с эллипсом, мы можем вернуться к нашему супермощному орудию. Оно уже выпустило пушечное ядро на орбиту, которая, как мы предполагали, почти круговая. Если теперь сделать его более мощным, произойдёт то, что орбита станет более «растянутой», все менее круговой. Это называют ‘эксцентричной’ орбитой. Наше пушечное ядро проделывает довольно долгий путь от земли, а затем разворачивается и возвращается обратно. Земля — одна из двух 'булавок'. Другой 'булавки' как твёрдого объекта в действительности не существует, но вы можете представить её себе как воображаемую булавку там в космосе. Воображаемая булавка помогает сделать математику понятной для некоторых людей, но если это смущает вас, просто забудьте о ней. Важно понимать, что Земля не находится в центре 'яйца'. Орбита простирается гораздо дальше от Земли с одной стороны (стороны 'воображаемой булавки'), чем с другой (стороны, где сама Земля — булавка).

Мы продолжаем делать наше орудие более мощным. Пушечное ядро теперь путешествует далеко — далеко от Земли и едва удерживается, чтобы возвратиться к Земле. Эллипс теперь очень длинен и сильно растянут. И, в конце концов, наступит момент, когда он перестаёт быть эллипсом вообще: мы стреляем пушечным ядром ещё быстрее, и теперь дополнительная скорость просто выталкивает его за точку, откуда нет возврата, где гравитация Земли не может вернуть его обратно. Оно достигает второй космической скорости и исчезает навсегда (или пока не будет захвачено гравитацией другого тела, например, Солнца).

Наша все более и более мощная пушка проиллюстрировала все стадии до и после образования орбиты. Сначала ядро просто шлёпается в море. Затем, по мере того как мы последовательно стреляем ядрами с увеличивающейся силой, кривая их движения становится все более и более горизонтальной, пока пока ядро не достигнет скорости, необходимой чтобы выйти на почти круговую орбиту (помните, что круг — частный случай эллипса). С увеличением скорости стрельбы орбита становится все менее круглой и более удлинённой, более эллиптической. Наконец, эллипс становится настолько вытянутым, что он перестаёт быть эллипсом вообще: ядро достигнет второй космической скорости и исчезает совсем.

Орбита Земли вокруг Солнца в техническом отношении является эллипсом, но она почти частный случай — круг. То же самое касается всех других планет, кроме Плутона (который в настоящее время не считается планетой вообще). Кометы, с другой стороны, имеют орбиты, похожие на очень длинные, вытянутые яйца. 'Булавки', используемые вами для рисования эллипсов, весьма далеки друг от друга.

Одна из двух 'булавок' для кометы — солнце. Ещё раз, другая 'булавка' — не реальный объект в космосе: вы только должны вообразить её. Когда комета находится на наибольшем расстоянии от Солнца (так называемый «афелий»), она движется с наименьшей скоростью. Она находится в свободном падении все время, но время от времени она падает от Солнца, а не к нему. Она медленно поворачивает в афелии, затем падает в направлении Солнца, все быстрее и быстрее, пока не облетит вокруг Солнца (другой 'булавки') и не достигнет своей самой высокой скорости, будучи в самой близкой от Солнца точке, называемой перигелий. («Перигелий» и «афелий» приходят от имени греческого бога солнца Гелиоса, пери по — гречески «рядом», а афо означает «далеко».) Комета быстро проносится вокруг Солнца в перигелии и улетает от него на большой скорости на другую сторону перигелия. Проносясь вокруг Солнца, комета постепенно теряет скорость по мере удаления от Солнца к афелию, где скорость наименьшая, и цикл повторяется снова и снова.

Космические инженеры используют так называемый эффект рогатки для улучшения топливной экономичности своих ракет. Космический зонд Кассини, спроектированный, чтобы посетить отдалённую планету Сатурн, полетел туда чем-то похожим на окольный маршрут, который был на самом деле удачно спланированным, чтобы использовать эффект рогатки. Используя гораздо меньше ракетного топлива, чем было бы необходимо, чтобы полететь прямо к Сатурну, Кассини заимствовал силу тяжести и орбитальное движение трёх планет по пути — Венеры (дважды), затем обратный поворот вокруг Земли, а затем заключительный могучий бросок от Юпитера. В каждом случае он падал на планету как комета, получая скорость, повиснув на её гравитационных фалдах, как планета, проносящаяся вокруг Солнца. Эти четыре космические рогатки вышвырнули вышвырнули Кассини к системе 62 лун и колец Сатурна, откуда до сих пор он отсылает ошеломляющие снимки.

Большинство планет, как я сказал, вращается вокруг Солнца по почти круговым эллипсам. Плутон необычен не только тем, что слишком маленький, чтобы больше не называться планетой, но также и наличием заметно эксцентричной орбиты. Большую часть времени он находится за пределами орбиты Нептуна, но в перигелии оказывается внутри и фактически ближе к Солнцу, чем Нептун с почти круговой орбитой. Даже орбита Плутона, однако, совсем не столь эксцентрична, как орбиты комет. Самая известная из них, комета Галлея, становятся видимой для нас только вблизи перигелия, когда она ближе всего к Солнцу и отражает солнечный свет. Её эллиптическая орбита увлекает её далеко — далеко, и она возвращается в наши окрестности окрестности только каждые 75–76 лет. Я видел её в 1986 году и показал её моей маленькой дочери Джульетте. Я прошептал ей на ухо (она, конечно, не могла понять, что я говорю, но я упрямо шептал ей), что я никогда больше не увижу комету снова, но она будет иметь ещё один шанс, когда та вернётся в 2061.

'Хвост' кометы, между прочим, представляет собой шлейф пыли, но он не развевается позади головы кометы, как мы могли бы подумать. Вместо этого он сдувается потоком частиц, поступающих от Солнца, который мы называем солнечным ветром. Так что хвост кометы всегда направлен в сторону от Солнца, независимо от того, куда комета движется. Существует захватывающее предложение, когда-то ограниченное лишь научно — фантастическими рассказами, но сейчас осуществляемое японскими космическими инженерами, использовать солнечный ветер для движения космического корабля, оборудованного гигантскими парусами. Подобно парусным яхтам, использующим обычный ветер на море, космические яхты с солнечными парусами могли бы теоретически предоставить очень экономичный способ путешествия к далёким мирам.

Теперь, когда мы имеем понятие об орбитах, можно вернуться к вопросу о том, почему существуют зима и лето. Некоторые люди, как вы помните, неверно думают, что это из-за того, что летом мы ближе к солнцу, а зимой — дальше. Это было бы неплохим объяснением, если бы орбита Земли была похожа на орбиту Плутона. Действительно, зима и лето на Плутоне (которые гораздо холоднее тех, что мы переживаем на Земле) вызваны именно этим.

Однако земная орбита является практически круговой, из-за чего близость планеты к Солнцу не может стать причиной смены сезонов. Что ещё более интересно, Земля, на самом деле, ближе всего к Солнцу (находится в перигелии) в январе, а дальше всего от него (в афелии) — в июле, но эллиптическая орбита нашей планеты настолько близка к круговой, что это не имеет какой-либо значимой разницы.