Вы когда-нибудь задумывались, а почему мы до сих пор не превратились в гигантский шашлык? Я имею в виду, Солнце притягивает Землю с такой чудовищной силой, что, по идее, наша планета должна была давно в него врезаться. Возьмите любое яблоко — оно падает вниз. Спрыгните с табуретки — гравитация тут же вернет вас на место. Логика подсказывает: раз есть притяжение, значит, объект должен лететь к источнику. Но Земля, вопреки этой бытовой логике, уже 4,5 миллиарда лет крутится себе спокойно и не думает сталкиваться со звездой. Так в чем же фокус?
С точки зрения физики, Земля действительно падает на Солнце. Прямо сейчас. С каждой секундой. Но она постоянно… промахивается. Я понимаю, звучит как бред сивой кобылы, но давайте разбираться. Это ключ к пониманию того, как устроена вообще вся наша Солнечная система.
Иллюзия вечного падения: как работает орбита
Представьте себе старинную пушку на вершине высокой горы. Вы заряжаете ядро и стреляете строго горизонтально. Ядро летит вперед, но гравитация тянет его вниз. В итоге оно опишет дугу и упадет где-то у подножия. Теперь представьте, что вы зарядили больше пороха. Ядро летит быстрее и падает уже за горизонтом. А теперь сделайте скорость такой бешеной, что ядро будет лететь вперед быстрее, чем поверхность Земли уходит вниз из-за своей кривизны. Тогда ядро будет падать вечно, догоняя горизонт. Оно никогда не столкнется с Землей, потому что планета под ним постоянно "убегает". Это и есть орбита.
Земля — это то самое пушечное ядро. Только вместо пушки — Большой взрыв и эволюция протопланетного облака. Она непрерывно падает к Солнцу под действием его гравитации, но ее боковая скорость настолько велика, что она просто пролетает мимо, закручиваясь в бесконечную спираль. Солнце искривляет ее траекторию, заставляя описывать эллипс, но никогда не может ее догнать и остановить.
Откуда у Земли взялась эта бешеная скорость?
Тут у любого нормального человека возникает второй, еще более каверзный вопрос: а откуда, собственно, у Земли взялась эта скорость? Если это пушечное ядро, то кто его выстрелил? Кто дал планете этот гигантский пинок, чтобы она разогналась до 30 километров в секунду? Ведь по законам Ньютона, чтобы тело двигалось, на него должна действовать сила. Кто же раскрутил этот гигантский камень на невидимой веревке?
В моем детстве этот вопрос долго не давал мне спать. Казалось, что это какой-то космический парадокс. Но ответ, как обычно, лежит в прошлом, а точнее — в рождении самой Солнечной системы.
Вначале было не Слово, а гигантское, ленивое облако из газа и пыли. Оно медленно дрейфовало в космосе, совершая один оборот за миллионы лет. Но затем рядом взорвалась сверхновая. Ударная волна встряхнула облако, сжала его и, самое главное, придала ему ничтожный, но очень важный момент импульса — тот самый "пинок".
Дальше сработал закон сохранения момента импульса. Вспомните фигуриста, который начинает медленно вращаться с вытянутыми руками, а затем прижимает их к телу и превращается в волчок. Наше облако, сжимаясь под действием гравитации, делало то же самое. Оно сплющилось в диск, вещество в котором вращалось уже с гигантской скоростью. Из этого вращающегося диска и родились Солнце и планеты. Они просто унаследовали скорость того материала, из которого сформировались. Таким образом, скорость Земли — это не результат постоянного "кручения" извне. Это законсервированная энергия изначального хаоса, запертая в орбитальном движении.
Вечный танец: гравитация против инерции
Так почему же эта конструкция не разваливается? Потому что существует идеальный баланс. С одной стороны — гравитация Солнца, которая тянет Землю к себе. С другой — инерция, то есть свойство Земли двигаться по прямой линии. В космическом вакууме, где нет сопротивления, это свойство проявляется идеально. Земля хочет лететь прямо, по касательной к своей орбите, прочь от Солнца. Но гравитация постоянно искривляет этот прямолинейный путь, заставляя планету поворачивать. Если бы гравитация исчезла, Земля улетела бы в межзвездное пространство. Если бы исчезла скорость (что невозможно без внешнего воздействия), она бы камнем рухнула на звезду.
Математически этот баланс смерти и жизни выражается в орбитальной скорости. Для Земли она составляет примерно 30 км/с, или 107 000 км/ч. С этой скоростью мы мчимся в космосе каждую секунду. И что самое удивительное, для каждой планеты эта скорость своя. Чем дальше планета от Солнца, тем слабее гравитация и тем меньшая скорость ей нужна.
Посмотрите на этот порядок: Меркурий, ближайший к Солнцу, несется с дикой скоростью 47,4 км/с. Венера — 35 км/с. Наша Земля — 29,8 км/с. А далекий Нептун тащится еле-еле, со скоростью 5,4 км/с — почти в 10 раз медленнее Меркурия. Это похоже на космическую гонку, где каждый бежит со своей скоростью, чтобы не упасть и не улететь.
И вот почему это работает миллиарды лет. В космосе почти нет трения. На Земле качение колеса или полет мяча затухают из-за сопротивления воздуха. В космическом вакууме терять энергию практически нечему. Поэтому орбитальное движение сохраняется почти вечно. МКС, например, вращается на высоте 400 км, где еще есть следы атмосферы. Это создает трение, и станция постепенно теряет скорость. Без регулярных коррекций орбиты она бы упала на Землю за пару лет. Но планеты находятся в идеальном вакууме, поэтому им ничто не мешает продолжать свое бесконечное падение мимо Солнца.
Гравитационное поле имеет спиральную структуру. Тело, идущее по орбите - никуда и ни к кому не притягивается. Оно идет в невесомости по коридору-орбите. Это - одно из свойств полей. У полей имеются разрешенные орбиты, как у атома. Механизм тот же самый.