Сергей Бердышев - Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек
Недавние открытия убеждают ученых, что релятивистские эффекты придется в обозримом будущем учитывать также при составлении орбит для спутников и орбитальных станций. Выше уже говорилось, что единое четырехмерное пространство-время представляет собой особую форму материи, неразрывно связанную с полем и веществом. Поэтому гравитационные поля могут искривлять пространство, в результате чего оно преображается и приобретает кривизну. Земля не обладает достаточной массой, чтобы сколько-нибудь значительно искривлять пространство. Оттого для исследования всей Солнечной системы справедливо применение евклидовой геометрии.
Однако Земля вращается вокруг своей оси, чем создает дополнительное воздействие на мировую материю. В процессе такого вращения планета значительно закручивает близлежащее пространство-время. Сходным образом возникают завихрения в креме, который сбивают лопаточки миксера. Вязкая кремовая масса закручивается и как бы наматывается на лопаточки по мере их вращения. Пока невозможно количественно измерить наматывание пространства-времени «на земную ось», т. е. закручивания в виде водоворота вокруг вращающейся планеты.
Но уже сегодня можно обнаружить данный эффект, поскольку он сказывается на обращении орбитальных искусственных спутников Земли (ИСЗ). Ученые провели анализ орбит двух долговечных сателлитов «Лагеос-I и II» за четырехлетний период. В течение столь длительного срока обращения релятивистские эффекты, вызванные закручиванием пространства-времени в окрестностях планеты, становятся доступны измерению. Необходимо помнить, что пространственно-временные завихрения крайне слабы и возмущают орбиты ИСЗ в 1 млн раз слабее, чем Луна.
Физики проанализировали элементы орбит и смещение сателлитов «Лагеос». Посредством ньютоновой механики было учтено действие лунной и солнечной гравитации, неоднородность поля тяжести Земли, тормозящее влияние разреженного воздуха, который присутствует вплоть до высот около 10–15 тыс. км над земной поверхностью. Все эти факторы возмущают орбиты спутников и заставляют сателлиты смещаться. Оказалось, что, помимо указываемых классической физикой, существуют неопознанные факторы, влияющие на околоземные орбиты.
Очевидно, эти «икс-факторы» являются вышеназванными релятивистскими эффектами. Закручивание пространства-времени вызывает прецессию плоскости спутниковых орбит, иными словами, смещение их плоскости на 2 м за год. Длительные космические программы, осуществление которых на околоземной орбите запланировано на ближайшие несколько лет, не смогут быть успешно реализованы без учета предсказанного Эйнштейном завихрения пространства-времени. Другим примером того, как использовалось учение Эйнштейна в космонавтике, служат реализованные в 1986 г. проекты полета к комете Галлея. Аппарат европейского космического агентства «Джотто» совершил очень сложный маневр и прошел в 1000 км от кометного ядра. Еще более сложный маневр выполнили отечественные аппараты «Вега», которые использовали приобретенное у Венеры ускорение, чтобы достичь кометы Галлея и пройти вблизи ее ядра.
Как видно, теория относительности уже в наши дни, несмотря на сравнительную неразвитость космической техники, вышла за рамки чистой теории. Это прикладная наука, которая все чаще и чаще применяется при проведении вычислений, связанных с прокладкой космических трасс.
5. Открытия в области оптики
В древности оптикой называлась наука о зрении. Тогда предполагалось, что из глаз человека исходят некие невидимые лучи, которые ощупывают предметы и тем самым сообщают людям информацию об окружающем мире. Впоследствии оптика тесно сотрудничала с геометрией, архитектурой и живописью, а также другими науками и искусствами, в которых рассматривалось движение лучей и зрительное восприятие человека. Однако со временем позиция ученых переменилась, после того как им удалось доказать, что свет не зависит от зрения, а наоборот — зрение существует благодаря свету. Законы лучей были пересмотрены, и оптика получила второе рождение, став физикой света.
Преломление и отражение света
Первым оптическим приспособлением следует считать отражатель, построенный древнегреческим механиком Архимедом из боевых щитов. С помощью такого отражателя ученый, как гласит легенда, сфокусировал солнечные лучи и поджег ими римские корабли, осаждавшие его родной город Сиракузы. Сегодня ученые ставят под сомнение справедливость легенды. Скорее всего, она описывает событие, которое никогда не имело места в действительности. Однако подлинная, лишенная прикрас история оптики ничуть не уменьшает достоинств этой науки. В первую очередь это касается т. н. геометрической оптики, которая позволила создать технику, открывшую перед человеком новые миры — бесконечный космос и микромир.
Человек открывает законы светового луча
Некоторые ученые убеждены, что приблизились к разгадке таинственных появлений в старинных замках привидений. Причиной необъяснимого возникновения призраков является устойчивое расслоение воздуха внутри обширных помещений такого рода зданий. Феодальные замки, как известно, невероятно холодны. Их комнаты, слишком высокие и просторные, располагаются таким образом, что неспособны аккумулировать тепло. Воздух внутри помещений замка холоден и тяжел. Камины, однако, давали мощные потоки легкого теплого воздуха. Он не перемешивался с холодным, т. к. система внутренних помещений замка не была на это рассчитана.
Легкий воздух вытеснялся холодным вверх и скапливался у потолка. Постепенно в комнатах с каминами возникали большие скопления легкого воздуха поверх тяжелого. Происходило сложное вертикальное расслоение воздушных масс, чему способствовали высокие потолки. Так как плотность этих слоев была различна, то получалась настоящая воздушная линза, обладающая за счет своей многослойности еще и зеркальными свойствами.
Такие линзы отлично отражали свет, попутно искажая его. Достаточно было войти в комнату со свечой, как под потолком возникало размытое отражение ее тусклого света. Появлялось дрожащее призрачное видение. Возможно, кому-то такое объяснение покажется надуманным и далеким от действительности. Что ж, проверить справедливость этой интересной гипотезы можно только опытным путем. Однако сама природа почти каждый день ставит сходные опыты и охотно демонстрирует их людям.
Речь идет о миражах, в естественном происхождении которых ни у кого не возникает сомнений. Миражи обычны в пустынях, поскольку там земля за день чрезвычайно раскаляется и сильно нагревает прилегающий к ней слой воздуха. Периодически этот легкий слой отрывается и вытесняется вверх более тяжелым холодным. Но это происходит довольно медленно, отчего над пустынями выстраивается целый ряд слоев разной плотности, а приземной воздух обычно оказывается менее плотным.
В таком толстом зеркале возникают самые причудливые изображения. Как бы то ни было, чаще всего люди видят в пустыне обширные озера с чистейшей пресной водой. Эта иллюзия подкрепляется изнуряющим ощущением жажды. Появление озер неизбежно, потому что над сухими песчаными морями раскинулось знойное голубое небо. Оно чаще всего и отражается в воздушных зеркалах. Отраженную небесную синеву люди принимают за далекое озеро. Миражи в пустынях погубили немало путешественников, доверчиво поддавшихся обману.
Возникновение миражей и прочие оптические явления, наблюдаемые людьми в природе, тесным образом связаны с физикой лучей света. Световой луч является в известной степени абстрактным понятием, служащим для обозначения направления потока лучистой энергии. Это геометрическая линия, возможно, самая идеальная прямая в природе. Еще древние греки это прекрасно поняли. Они же первыми догадались, что в воздухе свет распространяется прямолинейно, причем лучи идут параллельно друг другу.
Древнегреческий геометр Евклид первым дал четкую формулировку закону прямолинейного распространения света. Евклид утверждал, что световые лучи, не пересекаясь, движутся по кратчайшему пути, т. е. по самому короткому расстоянию между двумя точками — прямой линии. Этот же ученый впервые сформулировал закон отражения света: угол падения световых лучей равен углу отражения.
Оба закона, как ни странно, были выведены задолго до Евклида эмпирически, из опыта. Опираясь на эти законы, геометр дал научное объяснение многим оптическим явлениям. Последовательно применяя методы геометрии при восстановлении пути лучей, Евклид заложил основы т. н. геометрической оптики, просуществовавшей почти без изменений вплоть до XVII в. Ключевое положение данной науки — о прямолинейном ходе лучей — верно лишь отчасти.
