Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек

При релятивистском изучении гравитации физику приходится иметь дело не столько с гравитационным потенциалом, сколько с зависящим от него параметром ||/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.

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.