Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек

Возможно, это покажется в какой-то степени странным и необычным, но все фундаментальные физические законы, вскрывшие тайны космоса, послужили базисом не только для астрономии. На их основе сформировалась современная космонавтика, т. е. были изобретены технические средства для дальнейшего познания Вселенной. Получается замкнутый круг, в котором положительный эффект от одного события увеличивается последующим. Цепочка взаимосвязанных открытий и изобретений проложила человечеству дорогу в космос, которую писатели давно образно окрестили дорогой к звездам.

Открытие количества движения

Первооткрывателем количества движения явился великий французский ученый и мыслитель XVII столетия, основатель дедуктивного метода мышления P. Декарт. Он предположил, что при столкновении двух движущихся тел происходит обмен движениями. Одно из тел ускоряется, а второе, напротив, замедляется. Но в целом количество движения остается неизменным. То есть сумма количеств движения обоих тел сохраняет свое прежнее значение.

Например, примем количество движения тела А за 5 единиц, а тела Б — за 10 единиц. Естественно, абстрактные единицы здесь взяты вместо реальных для большей наглядности. При обмене количеством движения во время столкновения тела приобрели новые значения количества движения: для А оно равно 7, для Б — 8. Сумма, однако, не изменяется, она остается равной 15 единицам. Названная физическая величина представляет собой произведение массы тела на его скорость.

Обычно ученые называют количество движения импульсом тела. Не следует путать импульс тела с импульсом силы, который равен произведению силы на время ее действия. Читателя может удивить, откуда взялись столь странные величины. Они выведены из второго закона Ньютона. Согласно этому фундаментальному закону механики, под действием силы массе можно сообщить некоторое ускорение, причем масса и ускорение прямо пропорциональны значению силы.

Отсюда становится ясно, что за время, пока действует сила, происходит изменение скорости (ускорение) массы. Так как произведение времени на силу есть импульс силы, а произведение массы на скорость есть количество движения, то получается, что изменение количества движения равно импульсу силы.

Разумеется, все это было открыто не сразу. Сначала И. Ньютону предстояло сформулировать законы динамики. К слову, когда великий англичанин открыл второй закон динамики, то выразил его посредством декартовой величины — импульса тела. В формуле Ньютона ускорение полностью отсутствует, будучи замененным на более корректное выражение — изменение импульса тела за единицу времени. Ускорение ввели другие ученые, развивавшие классическую механику в посленьютоновский период. Они же тем самым невольно все испортили.

Формула Ньютона легко преобразуется в релятивистское выражение, которое учитывает изменение массы на больших скоростях. Релятивизм (теория относительности), предсказывает, что масса тела, движущегося на околосветовой скорости, существенно меняется. Ньютон не мог предвидеть этого открытия, сделанного на рубеже XIX–XX вв., но гениальный ученый подобрал наиболее верную и удобную форму для выражения физического закона и тем самым опередил научную мысль своего времени.

Если через второй закон динамики в механике закрепляется понятие импульса тела, то через третий закон обосновывается сохранение этой величины. Но все же не будем умалять заслуг Декарта. Он, конечно, не мог сформулировать понятие импульса тела так, как это сделали впоследствии Ньютон и другие механики. Однако заслуга выдающегося французского мыслителя состоит в другом. Он открыл универсальный закон природы, который послужил отправной точкой и для Ньютона, и для других физиков.

Наиболее существенным следствием из закона сохранения количества движения является закон сохранения материи. Впервые этот закон вывел М. В. Ломоносов, выразив его в виде химического закона сохранения количества вещества: «Все перемены, в натуре [в природе] случающиеся, такого суть состояния, что сколько у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому». Ломоносов обосновывает этот закон по аналогии с декартовым законом сохранения импульса тела:

В настоящее время материя признана естествознанием неуничтожимой, постоянной. Поэтому законы сохранения всегда справедливы, они являются следствием сохранения количества материи во всех ее формах. Физиками выведены на сегодняшний день законы сохранения количества движения, момента количества движения, работы, механической энергии, полной энергии, зарядов (электрического и др.), изоспина.

Интересно одно удивительное следствие из закона сохранения импульса тела. Если тело обладает способностью отбросить значительную часть своей массы, то перед нами уже система из двух тел, обменивающихся импульсом. Существуют ли в природе такие необычные тела? Да, они существуют. Более того, эти тела вполне обычны. В их числе стоит и человеческое тело. Оно неразрывно связано с Землей, образуя как бы единое целое. Однако силой мышц человек способен… отбросить от себя планету. На самом деле люди отталкиваются от Земли, но эффект получается равный.

Идущий по тротуару пешеход ежесекундно отбрасывает от себя земную массу, что и позволяет ему двигаться. Чем выше скорость отделения земной массы, тем выше скорость нашего движения. Отдача оружия основана на том же принципе. Ружье выбрасывает снаряд со столь большой скоростью, что и само начинает двигаться в противоположную сторону. Некоторые изобретатели в конце XIX столетия задались вопросом, что произойдет, если стрелять постоянно. Очевидно, можно будет двигаться вместе с оружием, чуть ли не лететь на винтовке или пушке!

В 1897 г. академик И. В. Мещерский вывел уравнения для движения тела, постоянно отбрасывающего часть своей массы. Само движение такого рода получило название реактивного. Из уравнений Мещерского следует, что на тело переменной массы действует т. н. реактивная сила, прямо пропорциональная массе отброшенного вещества и скорости удаления последнего относительно тела. Направление этой силы противоположно движению отброшенного вещества и создает реактивную тягу, заставляющую тело двигаться в том же направлении, что и сила. Вот почему оружие отдает при стрельбе в сторону, противоположную полету снаряда. Открытие реактивной тяги позволило сконструировать принципиально новый род техники — космические ракеты.

Изобретение реактивного двигателя

Реактивное движение впервые было открыто самой природой. Оно широко применяется многими живыми существами. Медузы, например, перемещаются в толще воды, порождая реактивную тягу своими колоколами. Ритмично расширяя и сжимая колокол, медуза то вбирает в него воду, то выталкивает ее. В результате выброса из своего тела большой массы вещества (воды), медуза толкает сама себя вперед. Тем самым примитивное морское животное более успешно повторяет трюк барона Мюнхгаузена, якобы вытащившего себя за волосы из болота.

Удачливее оказались кальмары. В процессе эволюции эти головоногие моллюски приобрели мощную водометную установку, способную быстро выбрасывать большую массу воды через специальное сопло. Благодаря такому приспособлению кальмары развивают невиданные скорости. Некоторые виды даже научились искать спасения от хищника в воздушной среде. Уплывая прочь от преследователя, эти т. н. летучие кальмары разгоняются до скорости, позволяющей им выпрыгнуть из родной водной стихии и лететь некоторое время в воздухе.

О существовании реактивной тяги люди догадывались давно. Доказательством тому служит способ надувания парусов, который сводится к следующему. Кормчий судна устанавливает на корме мехи, в которые закачивает воздух. Полными мехами затем надувается парус, и судно таким способом приводится в движение. До открытия законов реактивного движения люди поняли, что способ неосуществим и судно двигаться не будет.

Сформулированный позднее закон реактивного движения объясняет, почему так происходит. Сила ветра, производимого мехами, равна реактивной тяге, развиваемой этими же мехами и направленной в противоположную сторону. Результирующая двух равных по модулю и противонаправленных сил всегда равна нулю. Стало быть, судно должно было неподвижно стоять на месте.

Одним из наиболее примечательных устройств, сконструированных Героном, была реактивная сфера. В ней находилась вода, которая на пламени доводилась до кипения. Пар выходил из сферы через изогнутые трубки и силой отдачи заставлял сферу вращаться. Это устройство отдаленно напоминает сегнерово колесо и фактически является первой в истории паровой турбиной.

Ньютон, опираясь на свой закон противодействия, развил идею реактивного автомобиля. Впервые такие автомобили были сконструированы в 1928 г. и работали на сложном химическом топливе. Автомобиль Ньютона был оснащен паровым двигателем. Нагретый пар с силой выбрасывался из сопла и приводил устройство в движение. В начале Нового времени изобретатель Ремзи предлагал проект парохода, который под напором выбрасывает из специальных резервуаров воду, чем приводит себя в движение. Проект Ремзи так и не был осуществлен, но зато натолкнул P. Фултона на идею создания обыкновенного парохода.

Китайские хроники сообщают, что ракетное летательное устройство было изобретено задолго до настоящего времени. Пятьсот лет тому назад, в 1500 г., человек по имени Ван-Ху изготовил аппарат, поднимаемый над землей силой реактивной тяги. Тягу создавали 47 пороховых ракет, использовавшихся китайцами для организации фейерверков. Ракеты были привязаны Ван-Ху к обыкновенному плетеному стулу, на котором изобретатель мечтал совершить полет.

По приказу Ван-Ху все 47 ракет были одновременно зажжены. Если верить хроникам, стул поднялся вместе с изобретателем и улетел высоко в небо, после чего этого человека никто больше не видел. Затем в течение длительного времени люди изобретали массу всевозможных устройств, предназначенных для полета, преимущественно нереальных, фантастических, а подчас и просто комических. Даже в произведениях великого французского фантаста XIX в. Ж. Верна нет ни намека на использование реактивной тяги для космических полетов, о которых он так много писал.

Идея ракетного двигателя зародилась на рубеже XIX–XX вв. Она заинтересовала одновременно нескольких ученых и инженеров. Наиболее полно она была проработана в трудах замечательного ученого-самоучки К. Э. Циолковского. В 1900–1903 гг. он окончательно обосновал необходимость использования реактивного двигателя для осуществления межпланетных перелетов и прочих космических путешествий. Аэропланы и дирижабли не могут совершать полетов в пустоте межпланетного пространства, поскольку они опираются на воздух, а в пустоте опираться не на что. Необходимо, чтобы движущая сила исходила из самого тела.

Если оно станет ежесекундно терять большую часть своей массы и на высокой скорости ее отбрасывать, то в результате придет в движение в любой среде — воздухе, воде и даже вакууме. Запасом такой балластной массы послужит топливо. Оно будет непрерывно сжигаться и выбрасываться через сопло. Возникнет реактивная тяга, и ракетный снаряд будет увлечен ею в направлении, обратном потоку газов от сгоревшего топлива. Интерес к ракетным летательным устройствам возник в обществе после научного признания трудов Циолковского.

Ученый активно сотрудничал с энтузиастами ракетной техники. Приверженцем идей Циолковского и его последователем был М. К. Тихонравов — изобретатель первой в мире жидкостной ракеты ГИРД-09. Естественно, этот снаряд не был предназначен для полетов в космическое пространство. Он был рассчитан на полеты в высшие слои атмосферы. Аббревиатура ГИРД расшифровывается как Группа изучения реактивного движения. В состав этой группы, помимо Тихонравова, входили замечательные конструкторы ракетной техники ФА. Цандер и С. П. Королев.

Дальнейшая история отечественной и мировой космонавтики связана с именем Королева, под руководством которого проводилось создание и запуск первых искусственных спутников Земли, первых орбитальных биолабораторий, первых лунников и первых пилотируемых космических кораблей. Современные космические ракеты представляют собой сложные, высокотехничные устройства.

Эти снаряды имеют четыре т. н. ступени — блоки с реактивными двигателями и запасами топлива. Дело в том, что пустые, отработавшие топливные баки создают балластную массу для ракеты. Поэтому понадобилось оснащать ее отделяемыми ступенями. Как только одна из ступеней истратит свой запас горючего, она отбрасывается. Это значительно уменьшает массу ракеты.

Среди последних крупных достижений мировой космонавтики следует отметить создание Международной орбитальной станции, сборка и заселение которой начались в 2001 г. Примечательны также и другие проекты, например полет зонда «Галилей» к Юпитеру в 1989–1995 гг. Работа зонда на орбите вокруг этой планеты продолжалась по 2000 г. В 1997 г. был запущен и подключился к нему Зонд «Кассини», окончательной целью путешествия которого является прибытие к Сатурну и детальное обследование его спутника Титана. Прибытие к этой планете произойдет в 2004 г.

Интересны полеты автоматических станций (АС) «Лунар Проспектер» в 1998 г. и «Марс Одиссея-2001», продолжающиеся в настоящий момент (2001–2002 гг.). На каждой из этих станций был установлен детектор нейтронов, необходимый для поиска грунтовых вод. Детектор АС «Лунар проспектер» обнаружил ледяные шапки в полярных районах Луны. Детектор АС «Марс Одиссея-2001» ведет поиск грунтовых вод на красной планете.

Итак, возможен ли полет к звездам, о котором никто никогда не слышал? Вполне возможен, причем как в теории, так и на практике. В такой полет было отправлено уже несколько автоматических станций, проводивших исследования дальних планет Солнечной системы.

Американский аппарат «Пионер-10» удалился за орбиту Плутона 15 февраля 1986 г., став первым устройством, покинувшим пределы Солнечной системы. Это устройство несет на борту рисованное послание разумным обитателям других миров, которых когда-нибудь, возможно, достигнет. В настоящее время межзвездные перелеты осуществляют, кроме «Пионера-10», несколько других аппаратов, запрограммированных на полет за пределы Солнечной системы: «Пионер-11», «Вояджеры-1 и 2» и «Улисс» (Улисс — латинизированное имя мифического царя Итаки, путешественника Одиссея).

Разумеется, человек мечтает о гораздо более значительных событиях — о пилотируемых полетах к звездам. К сожалению, они почти неосуществимы. Во-первых, такой полет будет длиться как минимум сотни тысяч лет. До ближайшей к нам звезды Проксимы Центавра полет на максимальной скорости, которую может развить современная космическая ракета (11,2 км/с), затянется на 112,5 тыс. лет.

Впрочем, теоретически эта проблема разрешима, если погрузить космонавтов в состояние анабиоза. Но значение этого полета для земной науки будет ничтожным, т. к. за 112 тысячелетий добытые звездоплавателями измерения и фотоснимки окажутся малоинформативными.

Во-вторых, полеты на световой или субсветовой скорости технически невозможны. Теоретически вполне реально сконструировать воспетый фантастами фотонный двигатель, который «сжигает» антивещество и порождает чудовищную тягу. Но летательный аппарат, движущийся на столь большой скорости, немедленно взорвется под действием космических лучей, которые поступают из глубин Галактики и пронизывают космическое пространство насквозь. Для обычной ракеты они не опасны, но для фотонной губительны. Если им навстречу движется на субсветовой скорости какой-то объект, то эти лучи для него уплотняются и превращаются в непробиваемый поток разрушительной энергии. С таким потоком предстоит столкнуться фотонной ракете. Способов защиты от него не существует даже теоретически.

В 1609 г. немецкий астроном и математик И. Кеплер издал свой труд «Новая астрономия», в котором обосновал вращение Земли и остальных планет вокруг Солнца. Еще раньше, в 1543 г., это сделал великий польский астроном и врач Н. Коперник, но он не мог найти объяснения некоторым странностям планетных орбит.

Кеплер справедливо заключил, что планетные орбиты имеют форму немного вытянутого эллипса, оттого движение этих светил на небе представляется земному наблюдателю неправильным.

Открытие немецкого астронома значительно продвинуло науку вперед и упорядочило систему физических знаний человечества. За формулировку законов обращения светил Кеплеру присудили полушутливый, но торжественно звучащий титул «законодателя неба». Однако астроном не смог ответить на главный вопрос: что заставляет космические тела двигаться вокруг Солнца и почему это движение происходит по столь необычной, замкнутой траектории. Ответ на него был найден спустя более чем полвека гениальным английским физиком И. Ньютоном.

Закон Всемирного тяготения

О Ньютоне, как и о любом великом человеке, существует множество удивительных легенд. Говорят, что еще в детстве он проявлял неординарные способности, например, соорудил занимательную игрушку, двигателем которой служило беличье колесо.

Естественно, никаких книг или журналов «Сделай сам» под рукой у мальчика не было. Говорят также, что маленький Ньютон не любил учиться, но поставил перед собой цель стать первым учеником школы, чтобы превзойти заносчивых отличников. И это мальчику удалось.

Этому ученому приписывают постройку деревянного моста в Кембридже, собранного без единого гвоздя. Имеются также сведения о том, что Ньютон был крайне рассеян. Как-то раз, например, он, задумав сварить яйцо, опустил в кипяток свои часы.

Рассеянность гения — явление обычное, т. к. научная работа требует максимальной концентрации и не позволяет отвлекаться на посторонние вещи. Сам физик признавался, что успех в изысканиях возможен лишь тогда, когда ум не занят ничем другим, кроме поиска ответа к поставленной задаче. Насколько сложен был этот поиск, легко судить каждому, кто помнит приемы дифференцирования из школьной программы. Если ученики в школе решают дифференциальные уравнения по готовым формулам, то Ньютон так сделать не мог. Формул в те времена не существовало, равно как и самого дифференцирования. Оно было открыто самим Ньютоном. А решал он свои задачи (бывшие гораздо сложнее школьных) путем геометрических построений и расчетов. Геометрические приемы великого физика, по выражению одного из его биографов, напоминают старинное рыцарское оружие, которое современный человек не в силах ни поднять, ни представить, как с его помощью можно сражаться. Без дифференциальных же уравнений Ньютон никогда не смог бы получить желаемого результата.

Он измерял связанное с силой ускорение, которое является производной скорости, а скорость представляет собой производную от пройденного расстояния. Точное определение понятию «сила» дал именно Ньютон. Сила — это действие одного тела на другое (пассивное), вызывающее ускорение или деформацию пассивного тела. Если тело под действием силы приобретает ускорение, то оно направлено одинаково с вектором силы. Обе величины тесным образом взаимосвязаны и даже пропорциональны друг другу.

Интересно в таком случае, какая сила заставляет тела падать на Землю. Эта сила должна быть направлена к центру Земли и сообщать падающим телам одинаковое ускорение свободного падения практически в любом месте планеты. На самом деле, как сейчас достоверно установлено, ускорение свободного падения сильно меняется в зависимости от широты и массы вещества в данном участке планеты. По этой причине земной шар не является идеальным шаром. Он сильно сжат в Северном полушарии, имеет отчасти грушевидную, а отчасти картофелевидную форму, за что называется среди географов не шаром, а геоидом. Впрочем, из-за сходства с картофелиной некоторые предлагают называть форму нашей планеты потатоидом (буквально «картошковидный»).

Мысли о существовании такой силы зародились у Ньютона, когда ему было 23 года. Если верить дошедшей до нас истории, поводом для столь глубоких мыслей послужило яблоко, которое упало на голову молодому гению во время его отдыха в саду. Четко сформулировать закон всемирного тяготения Ньютон смог, когда занялся астрономией. Сила притяжения наглядно проявляется в космосе, где одни тела обращаются вокруг других.

Во-первых, причиной столь отчетливой выраженности являются колоссальные массы тел, сопоставимые с массой земли. Два человека притягиваются слабо из-за своей ничтожной массы, тогда как тяжелые планеты обладают колоссальной гравитацией (от латинского gravis — «тяжелый»). В зависимости от массы тело способно развивать определенную силу притяжения и таким образом взаимодействовать с другими телами. Верно ли это суждение? Ньютон попытался найти закономерности в движении Луны по околоземной орбите.

Луна обращается вокруг нашей планеты под действием силы тяжести, которая направлена к центру планеты. Сила сообщает спутнику ускорение, которое нетрудно замерить астрономическими методами.

Затем ученый сравнил ускорение Луны с ускорением свободного падения, которое сообщается падающим телам у земной поверхности. Оказалось, что ускорение убывает пропорционально квадрату расстояния, а значит, точно так же ведет себя и сила тяготения. Ньютон задается новым вопросом: как будет двигаться тело под действием силы тяжести, убывающей пропорционально квадрату расстояния?

Над этим вопросом работал и английский астроном Э. Галлей. Он предположил, что яркие кометы, наблюдаемые учеными вот уже 6 столетий подряд с четким интервалом во времени, — это периодические появления одной и той же кометы. Она находится в Солнечной системе и обращается вокруг Солнца, как и планеты. Ныне этот небесный объект называется кометой Галлея.

Астроном вычислил, что комета должна двигаться по эллиптической орбите с периодом около 76 лет, однако ничем более доказать свои суждения не смог. Тогда Галлей решил обратиться за помощью к Ньютону, о работах которого случайно услышал. Ньютон к тому времени уже точно знал, что сила, обратно пропорциональная квадрату расстояния, заставляет тело двигаться по эллипсу или подобным фигурам, относящимся к т. н. коническим сечениям. Между учеными завязалась дружба, и впоследствии их исследования во многом дополняли друг друга, что, несомненно, их значительно обогащало.

Современные астрономы могут точно сказать, что все тела в пределах Солнечной системы движутся по коническим сечениям. Преимущественно орбиты имеют эллиптическую форму, но есть гиперболические и параболические (у комет вблизи Солнца), а также приближенно круговые (у Луны и галилеевых спутников Юпитера). Подтвердилась и другая догадка Ньютона. Он первым предположил, что Вселенная бесконечна, иначе она бы сжалась под действием гравитации в точку. Мир действительно не имеет границ, он беспределен.

Ньютон утверждал: «Тяготение универсально», т. е. всемирно. Оттого его закон гравитации вошел в физику как закон всемирного тяготения. Если следовать научной строгости, то закон не соблюдается одинаково во всем бесконечном пространстве Вселенной. Но в каждой отдельно взятой точке космоса закон действует безупречно, а сама гравитация распространена повсеместно. Она представляет собой поле, отдаленно напоминающее магнитное. Через это поле массы обмениваются гравитационным взаимодействием и за счет этого взаимно притягиваются.

Притягивают и притягиваются все физические тела. Яблоко, например, тоже притягивает Землю, а наша планета падает на яблоко. К сожалению, мы не можем наблюдать подобный процесс. И этому существует объяснение. Два тела своими гравитационными полями приводятся в движение, протекающее относительно общего центра масс. Для системы тел Земля — Луна центр масс лежит внутри земного шара. Для Солнечной системы он лежит глубоко в горячих недрах Солнца. Для системы тел Земля — яблоко он находится почти в центре планеты. Туда и стремится попасть яблоко.

Если бы яблоко и планета имели примерно равные массы и размеры, то оба обращались бы вокруг общего центра масс.

Они не служили бы фокусом орбиты. Так происходит с двойными звездами. Находясь на поверхности Земли, люди могут видеть лишь действие земного тяготения, собственного притяжения мы не ощущаем. А оно существует.

Подсчитаем, с какой силой притягиваются два человека. Пусть это будут Дон Жуан и Красавица. Если они стоят в 100 м друг от друга, то величина силы составит 3 на 10^-11 Н (ньютонов). Для сравнения отметим, что ручная сила, т. е. сила сжатия кисти, 18-летнего юноши равна 485 Н. Будучи в космосе, Дон Жуан приблизился бы к Красавице примерно за 8 с, не прилагая при этом усилий мышц благодаря гравитации. Но на Земле осуществить такой полет никак нельзя, поскольку тяготению между столь малыми массами здесь препятствует сила трения, равная 200 Н. Для преодоления трения Дон Жуану придется совершить мышечную работу.

Возвращаясь к разговору о Ньютоне, хочется отметить, что, в отличие от многих других ученых, он заслужил признание еще при жизни. На закате дней имя Ньютона было озарено лучами славы, он пользовался заслуженным почетом и уважением со стороны знати, коллег-ученых, простолюдинов. Однако гениальный ученый не испытывал головокружения от неожиданного признания, но скромно объяснял: «Я и видел далеко лишь потому, что, как карлик, стоял на плечах гигантов». Эти слова физика — своего рода дань уважения предшественникам, благодаря научному опыту которых стали возможными и его открытия.

Важнейшие изобретения баллистики

Законы, сформулированные Ньютоном, позволяют человеку не только изучать Вселенную на расстоянии, но и разрабатывать технику космических полетов. Чтобы создать аппарат, способный покинуть поле земного тяготения и уйти к другим планетам, требуется сначала рассчитать особенности его движения. Ведь без математики инженеры не смогут узнать о скоростях, ускорениях, нагрузках и энергетических затратах, с которыми предстоит столкнуться проектируемому реактивному снаряду во время намеченного полета.

Нужно установить, при какой оптимальной массе возможны наилучшие условия старта, наиболее экономичная и целесообразная траектория на том или ином участке полета и т. д. Прикладная физическая дисциплина, занимающаяся вычислениями такого рода и описанием полета реактивных снарядов, носит название космической баллистики. Баллистика вообще представляет собой науку о движении снарядов под действием на них всевозможных сил.

Баллистика занимается, кроме прочего, изучением полета боевых снарядов. Само название орудия восходит к латинскому слову «баллиста». Так древние римляне окрестили метательное осадное орудие, применявшееся при штурме укрепленных городов. Наиболее простейший вариант, с которым имеют дело современные баллистики, занимающиеся динамикой космических полетов, — это поведение реактивного снаряда в гравитационном поле.

Задачей ракетной техники является выведение в космическое пространство (на орбиту или межпланетную трассу) летательного аппарата и любого другого тела, которые носят название полезного груза. Полезным грузом может быть все: модуль орбитальной станции, шаттл, искусственный спутник, межпланетный зонд, сами космонавты. Полезный груз, в отличие от самого снаряда, будет выполнять работу вне Земли.

Масса полезного груза очень велика, поэтому, чтобы вынести его в космос, требуется затратить большое количество энергии. Беспредельно уменьшать массу невозможно, поскольку в этом случае многие технические узлы не станут функционировать. Если же на орбиту отправляется космонавт, то его массу и массу необходимых ему пищи и кислорода невозможно сократить ни при каких условиях. Поэтому перед баллистиками встает проблема стартовой скорости ракеты.

В течение всего полета двигаться на одной и той же скорости снаряд не может, поскольку нести большую массу, достигающую порядка 10 т минимум, можно лишь при больших запасах энергии. Однако столь внушительное количество топлива само обладает солидной массой. В итоге придется добавлять топливо для перевозки топлива и далее до бесконечности. Возможен ли полет без непрерывных энергетических затрат?

Вполне! Именно так летит с силой брошенный камень. Человек сообщает ему энергию лишь в момент броска — «старта». В дальнейшем камень летит самостоятельно. Чем большей начальной скоростью он обладает, тем больше у него шансов улететь как можно дальше. Соответственно, ракета также должна стартовать на большой скорости. Чем больше скорость, тем меньше расход топлива и меньше масса снаряда. Следовательно, ракета свободно выйдет на орбиту или даже покинет поле земного тяготения.

В первом случае, как показывают подсчеты, стартовая скорость снаряда должна равняться второй космической, т. е. 7,91 км/с. По мере возрастания начальной скорости ракета сможет приобретать все более сложную (вытянутую, эллиптическую) околоземную орбиту. Стартовав на скорости 11,19 км/с, снаряд способен беспрепятственно уйти в мировое пространство. Конечно, улететь к Марсу можно и на скорости, равной 7,9 км/с и даже 80 км/ч! Однако запасы топлива потребуются столь значительные, что колосс не пролетит и ничтожной доли пути.

Первая и вторая космические скорости были достигнуты человеком 4 октября 1957 г. при запуске первого искусственного спутника Земли и 2 января 1959 г. при запуске первой космической ракеты в направлении Луны. Оба аппарата были запущены за пределы земной атмосферы отечественными учеными. Третья космическая скорость в настоящее время не достигнута. Она необходима, чтобы преодолеть притяжение Солнца и покинуть пределы Солнечной системы. Эта скорость равна 16,67 км/с у земной поверхности. Летательные аппараты, ушедшие за пределы Солнечной системы («Пионеры», «Вояджеры»), использовали гравитационные маневры и веньерные двигатели, чтобы выйти из поля солнечной гравитации.

Заботы баллистиков не ограничиваются изучением брошенных кем-то камней. Ракету при всем желании нельзя отправлять в космос со столь большим ускорением. Реактивный снаряд приобретает необходимую скорость постепенно, поскольку большое ускорение опасно перегрузками, которые не выдержит не только человеческий организм, но и сложная техника. Таким образом, стартовая скорость подбирается весьма скрупулезно. Математически высчитывается участок траектории, на котором необходимо перейти на космическую скорость. Ускорение подбирается с учетом не только перегрузок, но и сопротивления воздуха, которое может составлять свыше 40 т.

Выход на орбиту является наиболее ответственным этапом полета. Баллистики различают несколько типов выхода, называемых схемами выведения: активный вывод, баллистический вывод и эллиптический вывод. Активный вывод имеет свои преимущества, но он наименее подходящий.

При такой схеме выведения двигатели должны работать на полную мощность в течение всего полета. Две остальные схемы используют маневры с орбитами (эллиптический) и экономят топливо (баллистический), подключая все мощности двигателей лишь на определенных участках трассы.

Чтобы объяснить содержание теории относительности А. Эйнштейна, необходимо дать характеристику инерциальной системы отсчета. Для этого сначала стоит напомнить скандальную историю, случившуюся столетие назад и связанную с высказыванием видного французского математика и физика А. Пуанкаре. Он, известный многими шокирующими заявлениями, однажды высказал в прессе мысль, что планета Земля не вращается… Разумеется, журналисты ничего не поняли и задались вопросом, что же имел в виду Пуанкаре. Земля обращается вокруг Солнца, Солнце — вокруг центра Галактики, Галактика удаляется от остальных звездных систем, но относительно мирового пространства все эти объекты неподвижны. Получается, что Земля, если не принимать в расчет ее космическое окружение, стоит на одном месте. Вот такой оригинальный парадокс. А причиной его служит относительность явлений и процессов.

Открытие законов относительности

Все в природе движется относительно чего-то. Одно из тел является точкой отсчета, с которой связана выбранная система координат. Например, спрыгнувшие с самолета одновременно и держащиеся при этом за руки парашютисты движутся относительно самолета и земной поверхности, тогда как относительно друг друга они неподвижны! Система отсчета, принятая для решения большинства задач в механике, связана с Землей. Она кажется нам неподвижной, а сами мы движемся относительно нее.

Приведенный здесь принцип относительности был сформулирован Галилеем, который утверждал, что в инерциальной системе отсчета нельзя обнаружить какими-либо физическими опытами ее движения.

Конечно, Земля не является идеальной системой отсчета. Уже древние египтяне, проводя астрономические наблюдения, смутно догадывались, что планета обращается вокруг Солнца. Циклоны, пассатные ветра, искривление течения рек под влиянием кориолисовой силы и ход маятника Фуко свидетельствуют о действительном вращении планеты.

Тем не менее подавляющее большинство механических опытов, проводимых в системе отсчета, связанной с Землей, не выдают ее космического движения. Вот почему такую систему можно с полным правом считать инерциальной. Из принципа относительности Галилея следует, что любые природные явления — химические, биологические, ядерные, электрические и пр. — протекают во всех инерциальных системах отсчета абсолютно одинаково и подчиняются общим законам. В таком случае результат наблюдений никак не зависит от наблюдателя.

Отталкиваясь от этих положений, великий немецкий физик А. Эйнштейн разработал в 1905–1915 гг. свою теорию относительности. Учение Эйнштейна в целом образовано двумя взаимодополняющими теориями — специальной и общей (СТО и ОТО). Эйнштейн выдвинул положение, согласно которому инертные и гравитационные свойства тел эквивалентны. Гравитация и инерция настолько тесно связаны, что образуют неразрывные части единого целого. Другой постулат теории относительности гласит, что скорость света постоянна во всех системах отсчета. Она неизменна и равна 300 000 км/с. Это максимальная скорость передачи взаимодействия в природе.

Из физики Эйнштейна следуют интересные выводы. Оказывается, физика Ньютона во многих положениях неверна и не может применяться для исследования Вселенной. Классическая механика представляет собой частный случай теории относительности, который допустимо применять лишь с оговорками. Одним из главных отличий ньютоновой и релятивистской (англ. relative — относительный) физик является учение о строении мирового пространства и сущности времени.

По Ньютону, пространство и время абсолютны и не зависят от материи, которая существует и реализуется в них. Для Эйнштейна пространство-время — единая форма материи, на которую влияет распределение энергии и вещества. Пространство, как сейчас установлено, расширяется, закручиваясь в виде винтовой лестницы вокруг однонаправленной стрелы времени. Это определяет видимое разбегание галактик и необратимость хода физических процессов, в т. ч. и неуклонного роста энтропии.

Гравитационные поля массивных тел и вещества в целом искривляют пространство. Оно, будучи материальным и зависимым от остальных форм материи, не может существовать без гравитации, его сила действует даже при свободном движении тел, когда прочие силы удается устранить. Вот почему искривленность является естественным и единственно возможным свойством пространства.

Таким образом, если Ньютон ошибался, то почему его все еще превозносят как великого ученого и не отказываются от его устарелой механики? Причиной тому служит один-единственный факт. Теория относительности дает точность, которая не может быть соблюдена в промышленности, да и не требуется никому. Например, если мы посредством классической формулы для измерения скорости (скорость = путь/время) получим значение, то оно будет отличаться от истинного — полученного посредством релятивистской механики — на ничтожную долю от поперечника атомного ядра.

Следовательно, погрешность ньютоновой физики настолько мала, что ошибкой можно смело пренебречь при инженерном конструировании. Всякое современное устройство представляет собой совокупность простых машин, объединенных в более сложные системы. А действие всех простых машин подробно описывается законами классической механики. Одним из наиболее любопытных доказательств правоты теории относительности является искривление световых лучей под действием гравитации. Еще Ньютон предупреждал, что световой луч отклоняется в поле тяжести и изменяет свой путь. Релятивистские эффекты вносят существенные поправки в формулы классической теории гравитации, поэтому если ученые смогли бы измерить величину такого отклонения, то сразу стало бы ясным, какая формула справедлива — Ньютона или Эйнштейна.

Поскольку в лаборатории нельзя поставить соответствующий эксперимент, то на первый взгляд проверка релятивистской механики таким способом невозможна. Однако природа предоставила человеку возможность увидеть искривление лучей, которое имеет место во Вселенной. Космос является областью сверхбольших масс и звездных лучей.

Первым решил проверить, не отклоняются ли звездные лучи под действием чудовищной гравитации крупных космических объектов, астрофизик А. Эддингтон. Этого человека в шутку называли одним из трех физиков, которые действительно понимают теорию относительности. Эддингтон выбрал для астрономических наблюдений остров Принсипи близ африканского побережья. Здесь в мае 1919 г. можно было наблюдать солнечное затмение. Сияние солнца на время снижалось, и астрономы свободно смогли увидеть звезды, находящиеся близ солнечного диска. В таком случае можно было бы заметить и измерить искривление лучей, идущих от звезды под влиянием солнечного тяготения.

Подобное искривление представляется наблюдателю как изменение положения звезды на небосводе. Светило будто бы смещается, стремится удалиться от Солнца на большее расстояние. Фотографии звезд у Солнца во время затмения показали, что лучи отклонились на 1,5 секунды дуги, что прямо следовало из формул Эйнштейна.

Несколько позднее удалось обнаружить гравитационные линзы, существование которых объясняется теорией относительности. Так названы массивные космические тела, которые не только отклоняют световые лучи, но и посредством их строят новое изображение. Сходным образом действуют обычные преломляющие линзовые системы.

Вероятно, термин «гравитационная линза» появился в 1920-е гг., хотя двойных изображений во Вселенной в то время никто не наблюдал. Только в 1927 г. американский астроном Ф. Цвикки предложил способ поиска построенных изображений. Гравитационными линзами, раздваивающими или размножающими световые лучи от космических тел, могут служить далекие галактики и гипотетические «черные дыры», обладающие фантастической массой. Но, несмотря на столь удачную рабочую гипотезу, впервые «гравитационная линза» была открыта лишь по прошествии 40 лет.

В конце 1960-х гг. астрономам удалось наблюдать два квазара — радиоисточника большой мощности неизвестной природы — на расстоянии 2500 Мпк от Земли (1 мегапарсек приближенно равен 30,86 на 10¹⁸ км). Оба квазара были удалены на абсолютно одинаковое расстояние, имели полностью тождественную структуру и спектр излучения. Различий не было никаких, как если бы объекты являлись близнецами. Поскольку столь высокого сходства между двумя удаленными космическими телами быть не может, то оставалось предположить, что перед учеными находится раздвоенное изображение далекого квазара, созданное мощной «гравитационной линзой».

К такому заключению пришли астрофизики в 1979 г. после 10 лет проверок и дополнительных наблюдений. А спустя некоторое время удалось заметить массивное тело, порождающее иллюзию. Это гигантская галактика, удаленная от Земли на 1 Мпк. Она расположена ближе к Земле и загораживает собой далекий квазар. Зато галактика компенсирует свое вредное действие, искривляя его лучи и перенаправляя их к земному наблюдателю. Ход лучей менялся таким образом, что они как бы обтекали галактику и поступали на Землю с двух позиций. В результате создавались два изображения якобы совершенно разных тел, расположенных далеко друг от друга.

Самый значительный случай гравитационного линзирования в природе — т. н. крест Эйнштейна. Массивные галактики способны не только раздваивать изображение находящегося позади объекта, но и четырехкратно его размножать. В результате по краю галактики-линзы размещаются 4 мнимых изображения, которые образуют крестообразную фигуру. Сама галактика располагается в центре креста. Один такой крест находится в 2500 Мпк от Земли. Линзирующая галактика находится гораздо ближе — примерно в 120 Мпк.

Увы, крест Эйнштейна чрезвычайно редко наблюдается, впрочем, равно как и кольца Эйнштейна. Если смотреть сквозь дно стеклянного стакана на дома, то они будут казаться кругообразно искривленными. Сходную картину заметили астрономы в космосе. Гравитационные линзы в особых условиях способны влиять на световые лучи точно так же, как дно стакана. Вот только искривляется при этом изображение не домов, а далеких галактик. В 300 Мпк от нас находится скопление звездных систем, которое своим тяготением искривило свет от более далеких объектов (1500–2000 Мпк) и превратило его в яркое колечко, окаймляющее это скопление.

В последние годы ученые все чаще подвергают критике общую и специальную теории относительности, указывая при этом различные недостатки. В роли критиков нередко выступают далекие от науки люди, узнавшие о том, будто бы Эйнштейн в чем-то ошибся и не вникающие в суть споров между физиками. Раздаются даже призывы отбросить релятивистскую физику, поскольку она тормозит науку.

Конечно, теория относительности принесла немало вреда любителям фантастики, которые увлечены межзвездными перелетами и т. п. Однако учение Эйнштейна построено верно, во многих своих положениях доказано экспериментальным путем, сформулировано четко, строго и гармонично. Один из крупнейших отечественных специалистов в данной области В. Л. Гинсбург справедливо утверждает, что эта физическая теория обладает исключительной глубиной и красотой.

Но никто не приносит учению так много пользы, как его рьяные противники, если их критика, конечно, обоснована. Нельзя сказать, чтобы ученые, выступающие против СТО и ОТО, строили свои контрверсии на пустом месте. Среди релятивистских учений, идущих вразрез с эйнштейновской физикой, найдется немало надуманных гипотез. Но есть и здравые учения. Среди них следует упомянуть как наиболее удачную и корректную в физическом плане т. н. релятивистскую теорию гравитации (РТГ).

Автор новой теории гравитации — академик А. А. Логунов, разрабатывавший свое учение на основе релятивистской физики в течение многих лет. Еще в конце 1970-х гг. Логунов выступил с критикой теории Эйнштейна и начал развивать другое релятивистское учение в противовес СТО и ОТО. В 1984 г. РТГ приняла в целом свой нынешний вид, т. е. была окончательно сформулирована как научная теория.

Один из главных недостатков теории относительности создатель РТГ видит в отсутствии в ней согласования с законами сохранения. Как известно, законы сохранения лежат в основе всей современной физики. Они настолько справедливы и неоднократно доказаны многочисленными экспериментами, что нет оснований сомневаться в их правоте. Отрицать сохранение материи бессмысленно, эти законы незыблемы. А потому они обязательно должны содержаться в теории гравитационного поля, равно как и любого другого.

ОТО не содержит в себе законов сохранения, она как бы обходится без них, хотя объясняет мировые явления. На первый взгляд учению Эйнштейна нисколько не вредит то обстоятельство, что какие-то вопросы ученый не затрагивает. Однако физическая теория с таким размахом не может себе этого позволить. Ведь при желании, как полагает Логунов, всякий ловкач сможет придумать вечный двигатель. Если перпетуум мобиле первого и второго рода невозможен, то ОТО оставляет шанс для двигателя любого другого рода. Главное, чтобы у изобретателей хватило воображения.

Релятивистская теория гравитации Логунова полностью отрицает существование «черных дыр», которые беспокоят воображение астрономов, астрофизиков, физиков-теоретиков и, конечно, фантастов. Любопытно, что некоторые ученые после знакомства с загадкой этих гипотетических объектов брались за перо. Например, знаменитый планетолог К. Саган описал в литературно-художественной форме способ межзвездных путешествий через «черные дыры» в удаленные области Вселенной. К слову, такой способ весьма эффективен и не имеет теоретических запретов. «Дыры» вполне могут поглощать материю и выбрасывать ее в другой точке искривленного пространства.

Таким образом, если бы «черных дыр» не существовало, то их следовало бы выдумать. Одним из косвенных доказательств их наличия (а значит, и правоты Эйнштейна) считаются «гравитационные линзы» и двойные звезды с невидимым карликовым компонентом. Однако непосредственные факты не подтверждают наличия во Вселенной «черных дыр».

Обнаруженные и хорошо изученные астрономами линзирующие тела оказались галактиками, а массивные звездные спутники — карликовыми звездами (коричневыми и белыми карликами). Коричневые и белые карлики являются в большинстве случаев невидимыми компонентами двойных звезд. Таким образом, существование «дыр» все еще находится под вопросом. Астрономы не имеют возможности утверждать, что предсказанные объекты реальны.

Вокруг теории относительности по-прежнему ведутся оживленные споры. Но это не должно пугать читателя, поскольку именно в таких спорах и рождается истина. Новые открытия и эксперименты в ближайшем будущем покажут, как в дальнейшем сложится судьба эйнштейновской теории. Возможно, от нее откажутся или захотят исправить, возможно, ее пополнят или определят четкие границы применимости СТО и ОТО, а затем создадут новую теорию, обладающую большим охватом. А учение Эйнштейна будет всего лишь частным случаем в этой теории, как в свое время стала частным случаем в релятивистской физике классическая механика Ньютона.

Изобретены межпланетные зонды

Ученые настойчиво пытаются найти способ проверки и перепроверки такой неудобной для многих теории относительности. Слишком ничтожны ее эффекты, чтобы поверить в их существование. Однако для науки в целом и для наших представлений о мироздании в частности слишком важны последствия того, будут ли учтены эти эффекты.

Но пока ученые настойчиво ищут истину, инженеры пытаются с пользой употребить более или менее достоверные сведения, которыми располагает физическая наука. В учебниках и популярных изданиях теория относительности преподносится в большинстве случаев совершенно неверно. Она представляется учением без недостатков, учением без ограничений в применении и, наконец, учением настолько замечательным, что ему нельзя найти применения в реальной жизни. Это в корне неверно.

Во-первых, учение Эйнштейна, конечно же, не является безупречным, иначе бы его не критиковали. Во-вторых, оно имеет ограничения, подобно любой физической теории. Астрофизики, например, установили, что сфера применения теории относительности ограничена в науке о космосе эпохой рождения Вселенной. Состояние материи, предшествовавшее становлению мирового вещества, недоступно изучению методами теории относительности. Что находится за пределами сферы применения СТО и ОТО, неизвестно. Судить об этом пока рано.

Однако такая характеристика нисколько не принижает достоинств учения, но придает ему более конкретный и строгий научный вид. А достоинства СТО и ОТО впечатляют, именно поэтому нельзя считать физику Эйнштейна далекой от нужд и требований реальности. Теория относительности (общая и специальная) — это инженерная наука, на основе которой уже давно ведутся разработки большого практического значения. Специальная теория относительности используется при проектировании и постройке ускорителей заряженных частиц — огромных ядерно-физических лабораторий, где изучаются изначальные свойства материи.

Общая теория относительности применяется в космической навигации. Поскольку данная глава посвящена изучению и покорению космического пространства с помощью летательных аппаратов, то именно последний случай применения учения Эйнштейна представляет для нас интерес. К Солнечной системе, разумеется, теория относительности мало применима, т. к. релятивистские эффекты здесь ничтожно малы. Они ощутимы только в масштабах нашей Галактики и больших.

И все же в деле навигации учет небольших цифр бывает очень полезен, поэтому именно так и поступают ученые, занимающиеся расчетом и прокладкой межпланетных трасс для автоматических станций и зондов. Полеты к другим космическим телам стали для современного человека нормой, даже школьники сегодня знают, что полет до Луны занимает по времени 3 суток, до Венеры — 4 месяца, а до Марса — 7 месяцев. Человечество направляло летательные аппараты почти ко всем планетам Солнечной системы, за исключением далекого Плутона. И никто толком не знает, какой титанический труд скрывается за этой исследовательской «рутиной».

При всем этом проложить межпланетную трассу крайне затруднительно. Средневековый мореход был в праве рассчитывать на благоприятное плавание, если заранее учитывал действие всех ветров и течений на своем пути. Современный баллистик также должен подумать о течениях и ветрах на пути следования космической каравеллы. Вот только водовороты и ураганы, которые поджидают автоматическую станцию, невидимы, неуловимы и непредсказуемы. Речь идет о гравитационных полях, генерируемых планетами и прочими массивными телами, обращающимися вокруг Солнца.

Само солнце является объектом чудовищно большой массы, и эта масса порождает значительное гравитационное поле. Притяжение различных тел отклоняет летящий в космосе аппарат. Если заранее не учесть всех возможных воздействий, то добиться точности продвижения во время полета невозможно. При прокладке маршрута для межпланетной автоматической станции баллистики опираются преимущественно на построения механики Ньютона, а именно — его теории гравитации.

Релятивистские эффекты почти не сказываются на дистанциях между планетами, поэтому классической физики для таких вычислений бывает достаточно. Например, так происходит при вычислении гравитационного потенциала. Гравитационным потенциалом называют в теории Ньютона величину, которая соответствует степени напряженности поля тяжести.

Всем известна напряженность магнитного поля. Наблюдая за металлическими опилками вблизи магнита, можно видеть, как они выстраиваются вдоль силовых линий магнитного поля. Эти силовые линии обозначают направление напряженности поля в пространстве. Напряженность гравитационного поля определяется через гравитационный потенциал. Искусственные спутники с равной силой и притягиваются планетой, и сами притягивают планету, согласно третьему закону Ньютона.

Поскольку масса и размеры сателлитов не идут ни в какое сравнение с планетными габаритами, то и гравитационное поле этих тел оказывается слабым. Оно почти никак не сказывается на напряженности поля планеты. Принято говорить, что спутник обладает пробной массой, т. е. такой, которая позволяет изучить свойства мощного поля тяжести и не вызвать в нем возмущений. Пробная масса помогает найти гравитационный потенциал поля. Он будет количественно равен квадрату скорости вращения малого тела вокруг большого.

При релятивистском изучении гравитации физику приходится иметь дело не столько с гравитационным потенциалом, сколько с зависящим от него параметром |φ|/c², т. е. модулем потенциала, деленным на квадрат скорости света. Поправка значительна, поскольку скорость света равняется 300 000 км/с! Лишь при большом значении потенциала можно получить достаточно большой параметр. Один из самых больших параметров, встречающихся в природе, характеризует взаимодействия между нейтронными звездами и равняется всего 0,1. Для космического аппарата, совершающего маневры на орбите Марса или Юпитера, параметр просто ничтожен.

Вот почему баллистики почти не принимают во внимание релятивистские эффекты в Солнечной системе. Но когда речь идет о заходе автоматической станции на околопланетную орбиту, то ученым приходится добиваться высокой точности движения аппарата. Сходным образом наши «Венеры» и американский «Магеллан» стали искусственными спутниками планеты Венера.

При этом зонду «Магеллан» предстояло выйти сначала на простейшую круговую орбиту, а затем путем баллистического маневрирования перейти на околопланетную эллиптическую орбиту. Двигаясь по эллипсу, зонд то сближался с Венерой и проводил ее картирование, то удалялся от нее и связывался с Землей, передавая собранные данные.

Во время управления аппаратом при выполнении подобных задач счет ведется на метры, тогда как сам автомат пребывает более чем в сотне миллионов километров от Земли. При таком соотношении расстояний следствия общей теории относительности играют немаловажную роль. Успех многих космических программ связан с внесением поправок ОТО в ньютоновские формулы баллистики.

Начиная с конца 1990-х гг. специалисты Национального американского агентства по аэронавтике и космическим исследованиям (НАСА) спланировали полет космического зонда к Плутону. Проект был в целом завершен в 1998–1999 гг., и теперь перед учеными стоит задача его реализации. Полет настолько длителен, что релятивистские эффекты на всем его протяжении дадут о себе знать. По изучению траектории зонда физики смогут в который раз проверить теорию Эйнштейна. Они собираются измерить влияние солнечного тяготения на тело, стремительно удаляющееся от Солнца в бесконечность.

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.