Книга Смерть в черной дыре и другие мелкие космические неприятности - Нил Деграсс Тайсон

Каждая встреча с космическими бродягами даст нам весьма конкретные сведения, которые позволят сделать выводы о формировании и эволюции Солнечной системы, о том, какие небесные тела ее населяют, о том, возможно ли, что органические молекулы попали на Землю на метеоритах, а также о размерах, форме и плотности соседних объектов. Как всегда, глубокое понимание зависит не от того, насколько хорошо удается описать тот или иной конкретный объект, а от того, как этот объект связан с массивом накопленных знаний и как новые знания влияют на вечно расширяющуюся границу этого массива. Если речь идет о Солнечной системе, то вечно расширяющаяся граница знаний лежит в области поиска иных солнечных систем. Теперь ученые стремятся всесторонне сравнить Землю с космическими бродягами – астероидами и с экстрасолярными планетами. Только тогда мы сумеем наконец разобраться, можно ли считать наш домашний уклад нормальным или мы живем в неблагополучной космической семейке.

Глава девятая

Пять точек Лагранжа

Первым пилотируемым космическим кораблем, покинувшим околоземную орбиту, был «Аполлон-8». Этот прорыв до сих пор остается одним из самых значительных, но малоизвестных рекордов XX столетия. Когда настал назначенный миг, астронавты включили третью, последнюю ступень мощной ракеты «Сатурн-V», и командный отсек корабля вместе с тремя его обитателями разогнался до скорости почти в 11 километров в секунду. На то, чтобы добраться до орбиты Земли, была растрачена половина энергии, необходимой, чтобы долететь до Луны.

После сброса третьей ступени двигатели были больше не нужны – только в середине полета необходимо было слегка скорректировать траекторию, чтобы астронавты не промахнулись мимо Луны. На протяжении 90 % путешествия почти в 400 тысяч километров командный отсек постепенно замедлялся под влиянием слабеющей земной гравитации. Тем временем по мере приближения к Луне ее притяжение становилось все сильнее. Поэтому где-то на пути неизбежно должна была быть точка, где взаимное притяжение Земли и Луны уравновешено. Когда командный отсек проходил эту точку в пространстве, его скорость снова возросла и он двинулся в сторону Луны с ускорением.

Если бы при этом приходилось учитывать одну лишь силу гравитации, эта точка была бы единственным местом в системе «Земля-Луна», где противодействующие силы уравновешивают друг друга. Однако Земля и Луна вращаются еще и вокруг общего центра тяжести, который находится примерно в полутора тысячах километров под поверхностью Земли на воображаемой линии, соединяющей центры Луны и Земли. Когда тела движутся по кругу любого радиуса и на любой скорости, они создают новую силу, которая направлена от центра вращения наружу. Именно эту «центробежную» силу вы и ощущаете, когда закладываете крутой разворот в машине или зачем-то соглашаетесь сходить на аттракцион вроде центрифуги или скоростной карусели. Классический пример подобных тошнотворных в буквальном смысле развлечений – это когда вы встаете по периметру большой круглой панели, прижавшись спиной к бортику. Когда все это устройство приходит в движение и раскручивается все быстрее и быстрее, вы чувствуете, как вас все сильнее и сильнее прижимает к бортику. На большой скорости эта сила не даст вам даже пошевелиться. И в этот-то момент у вас из-под ног убирают пол и начинают качать и переворачивать эту конструкцию в разные стороны. Когда я в детстве катался на таком аттракционе, то даже пальцами пошевелить не мог – они словно приклеились к бортику вместе со всем остальным моим телом.

Если во время подобного развлечения вас по-настоящему вырвет и вы успеете повернуть голову вбок, рвотные массы улетят под углом. Или тоже прилипнут к бортику. А вот если все будет еще хуже и вы не успеете повернуть голову, не исключено, что рвотные массы останутся у вас во рту, поскольку мощная центробежная сила подействует на них в противоположном направлении. (Тут мне пришло в голову, что я давненько не видел именно таких аттракционов. Неужели их наконец-то запретили?)

Центробежная сила – это просто следствие того, что любой предмет имеет тенденцию, придя в движение, двигаться дальше равномерно и прямолинейно, поэтому на самом деле это и не сила вовсе. Однако в расчеты ее можно включать как самую настоящую. И тогда – как сделал гениальный французский математик XVIII века Жозеф-Луи Лагранж (1736–1813) – откроешь во вращающейся системе «Земля-Луна» точки, где гравитация Земли и Луны и центробежные силы уравновешивают друг друга. Это особые места, и называются они точками Лагранжа.

Их пять.

Первая точка Лагранжа, которую ласково называют L1, находится между Землей и Луной – чуть ближе к Земле, чем точка простого гравитационного равновесия. Любой объект, попавший туда, будет вращаться по орбите вокруг центра тяжести системы «Земля-Луна» с тем же периодом в один месяц, как и Луна, и поэтому покажется, будто он застрял в пространстве на линии от Земли до Луны. Хотя все силы в этой точке словно бы перестают действовать, первая точка Лагранжа – это точка весьма ненадежного равновесия. Стоит телу чуть-чуть сместиться в сторону в любом направлении, совокупное воздействие трех сил вернет его на прежнее место. Однако если оно даже на самую малость сдвинется по линии «Земля-Луна», то неизбежно упадет или на Землю, или на Луну – словно шарик, с трудом уравновешенный на вершине крутого холма, который скатится либо по одному, либо по другому склону, если сдвинется хотя бы на волосок.

Вторая и третья точки Лагранжа (L2 и L3) тоже лежат на линии «Земля-Луна», однако L2 расположена далеко по ту сторону Луны, а L3 – далеко по ту сторону Земли. Там опять же действуют три силы – гравитация Земли, гравитация Луны и центробежная сила вращающейся системы. И опять же тело, помещенное в одну из этих точек, будет обращаться вокруг центра тяжести системы «Земля-Луна» с тем же периодом в один месяц, что и Луна.

Гравитационные «площадки» в точках L2 и L3 гораздо просторнее, чем в L1. Так что если вы случайно отклонитесь в сторону Луны или Земли, самой чуточки топлива хватит, чтобы вернуться на место.

Точки L1, L2 и L3 пользуются заслуженным уважением, однако премия «Лучшие точки Лагранжа» достается точкам L4 и L5. Одна расположена далеко слева от центральной линии системы «Земля-Луна», другая на таком же расстоянии справа, и каждая представляет собой вершину равностороннего треугольника, две другие вершины которого – Земля и Луна.

Точки L4 и L5, как и три их сестры, – это точки равновесия всех сил. Однако в точках L1, L2 и L3 равновесие лишь неустойчивое, а в L4 и L5 – устойчивое, и в какую сторону ни подашься, куда ни отклонишься, силы не дадут отклониться еще больше: это словно долина между двумя холмами.

Если тело, находящееся в любой точке Лагранжа, расположено не в точности в том месте, где уравновешиваются все силы, оно будет колебаться в окрестностях точки равновесия и траектория его колебаний называется либрацией. (Не путайте их с определенными точками на поверхности Земли, где умы колеблются под воздействием либаций, то есть возлияний.) Либрации похожи на колебания шарика, который скатывается в лунку, но по инерции проскакивает дальше нижней точки, а потом возвращается обратно.

Мало того что L4 и L5 – это особые точки орбиты, это еще и места, где в принципе можно создать космические колонии. Нужно всего лишь доставить туда строительные материалы, добытые не только на Земле, но, возможно, и на Луне или на каком-нибудь астероиде, оставить их там, не рискуя, что они разлетятся, а потом вернуться с очередной партией. Накопив в точке с нулевой гравитацией достаточно материалов, можно построить огромную космическую станцию размером в десятки километров, причем напряжение в ее конструкции будет минимальным. А если станция будет вращаться, центробежная сила создаст искусственную гравитацию для сотен (а может быть, и тысяч) ее обитателей.