Филип Плейт - Смерть с небес. Наука о конце света

С математической точки зрения притяжение, которое вы ощущаете от объекта, уменьшается с квадратом расстояния до него; удвойте свое расстояние до объекта, и его притяжение, которое вы ощущаете, упадет в 2 × 2 = 4 раза. Отойдите в десять раз дальше, и притяжение упадет в 10 × 10 = 100 раз. Отдаляйтесь на сколь угодно большое расстояние — притяжение продолжает действовать, и эта сила никогда на самом деле не снижается до нуля [38] Это означает, что астронавты, находящиеся на орбите Земли, невесомы не потому, что они вне пределов притяжения Земли; они невесомы потому, что они падают. Когда вы сидите на стуле, вы ощущаете притяжение как силу, тянущую вас вниз, на сиденье, которое удерживает ваш вес. Если ваш вес нечему удерживать, вы не ощущаете силы тяготения, так что, когда вы падаете, вы невесомы. Именно поэтому кажется, что астронавты на орбите находятся в невесомости — свободном падении. На орбите обычной высоты (около 500 км) силы тяготения Земли всего на 10 % слабее, чем на ее поверхности. Представьте это так: если бы силы тяготения Земли не притягивали астронавтов, они бы улетели в дальний космос! .

Итак, представьте, что вы находитесь на поверхности Земли (это должно быть достаточно просто) и держите в руках мяч. Вы подбрасываете его в воздух. Летящий вверх мяч тянет вниз сила тяготения, замедляя его скорость. В конце концов мяч останавливается (скорость = 0), после чего начинает падать на Землю, постоянно ускоряясь, пока вы не поймаете его.

Теперь представьте, что вы подбросили мяч очень высоко, скажем, на несколько километров. Он летит вверх, а сила тяготения тянет его вниз, замедляя движение, но чем выше он поднимается, тем слабее становится сила тяготения, потому что он удаляется от Земли . Поэтому да, он замедляется, но чем выше он поднимается, тем медленнее он начинает замедляться, потому что с высотой притяжение ослабевает.

Это означает, что, если вы сможете подбросить мяч с подходящей скоростью, силы тяготения будут замедлять его с такой же интенсивностью, с какой сами будут ослабевать. Мяч будет постоянно замедляться, но так никогда и не достигнет нулевой скорости. Он будет постоянно удаляться от Земли, но все медленнее и медленнее.

Это определение второй космической скорости , или скорости убегания, — начальная скорость, которую вы должны придать подброшенному телу, такая, при которой оно будет постоянно удаляться от объекта (такого как Земля), постоянно замедляясь, но никогда не останавливаясь и не падая обратно на поверхность.

Если вы подбросите мяч со скоростью чуть меньше второй космической, он улетит далеко, но в конце концов вернется. Если вы подбросите его сильнее, он просто улетит. При второй космической скорости — 11,18 км/с на поверхности Земли — мяч как раз сможет преодолеть притяжение Земли.

Однако, так как притяжение ослабевает с расстоянием, вторая космическая скорость также уменьшается с расстоянием. Если бы вы стояли на вершине очень высокой горы, скорость, с которой вам нужно было бы подбросить мяч, была бы чуть меньше скорости, которую вам нужно придать ему на уровне моря. Кроме того, вторая космическая скорость — это импульс; то есть это скорость, которую вам нужно сразу придать объекту, чтобы он смог преодолеть притяжение. Если каким-то образом вам удастся продолжать увеличивать скорость летящего вверх тела, тогда концепция второй космической скорости становится немного сложней.

Например, вы действительно можете улететь от Земли на более низкой скорости, чем вторая космическая, — по крайней мере, вторая космическая скорость на поверхности. Предположим, у вас есть ракета с неистощимым запасом топлива. Вы запускаете ее со скоростью, скажем, 96 км/ч и регулируете тягу так, чтобы поддерживать именно такую скорость, не замедляясь и не ускоряясь. В конце концов ракета отойдет от Земли на такое расстояние, где притяжение планеты гораздо слабее и скорость убегания упала до 96 км/ч. [39] Это расстояние составляет примерно 1100 млн км от Земли, поэтому поддерживать тягу придется долгое время: больше 1000 лет. Не забудьте взять с собой обед. В этот момент вы преодолели притяжение, но вовсе не на скорости 11,18 км/с — второй космической скорости на поверхности Земли.

Значит, мы можем экстраполировать это на черные дыры, так? Если бы я провалился в черную дыру и имел достаточно большую ракету, то мог бы использовать ее тягу и улететь достаточно далеко от дыры, туда, где скорость убегания становится более приемлемой. И тогда я свободен!

Печально, но это не сработает. Если бы черные дыры были лишь еще одним массивным объектом, с вами все было бы в порядке, именно как в примере выше. Но черные дыры не просто какой-то привычный объект!

Одним из больших достижений Альберта Эйнштейна в науке была идея, что пространство — это объект . Оно не пустое; оно подобно ткани, в которой находятся массивные объекты. Объект, обладающий массой, обладает силами тяготения, и эти силы тяготения изгибают пространство (примером в прошлой главе был шар для боулинга, лежащий на матрасе и прогибающий его). Траектория любого объекта, проходящего мимо более массивного, будет искривлена таким прогибом пространства за счет силы тяготения.

ВАЖНОЕ ПРИМЕЧАНИЕ. Когда кто-то объясняет идею черных дыр, искривляющих пространство, он неизбежно использует сравнение с плоской поверхностью, изгибаемой тяжелым объектом, как матрас под шаром для боулинга. К сожалению, это ведет к ошибочному представлению, что черные дыры — это круги в искривленном в виде воронки пространстве. Но это не так: реальность трехмерна, а в этой аналогии используются только два измерения (поверхность матраса можно считать двухмерной, но шар для боулинга прогибает ее, придавая ей третье измерение). Черные дыры — сферические [40] То есть невращающиеся черные дыры имеют сферическую форму. В действительности большинство черных дыр образуются из вращающихся звезд, а когда ядро звезды коллапсирует в черную дыру, это вращение ускоряется. Как и любой быстро вращающийся объект, черные дыры могут расширяться в районе экватора под действием центростремительного ускорения. , а изогнутое пространство не похоже на воронку. На самом деле форму изогнутого пространства невероятно сложно описать, потому что мы живем в этих измерениях, и описывать их — это все равно что пытаться описать красный цвет тому, кто слеп от рождения. Мы можем описывать искривление математическими формулами, делать прогнозы о нем и, вероятно, даже использовать его для понимания других явлений физики, но мысленно представить его если не совершенно, то практически невозможно.

Так что все следующие описания водопадов, утесов и всего такого — это сравнения, двухмерные представления искривленной трехмерной реальности. Вам от этого, вероятно, легче не станет, но Вселенная умеет причинять нам неудобства. Если бы это было не так, эту книгу было бы не о чем писать.