Новая занимательная астрономия

У Земли единственный естественный спутник — Луна.

Впрочем, надо еще уточнить, что называть спутником. Мы привыкли к тому, что наша Луна — шаровидное тело, но ведь, вообще говоря, спутники планет могут быть и иными. Важно только, чтобы они были связаны с данной планетой силами тяготения.

В каких же состояниях вообще может находиться в космосе твердое вещество? В виде отдельных бесформенных глыб и в виде… пыли, пылевых облаков. Что касается отдельных глыб, то вполне возможно, что у Земли есть несколько таких спутников. Но зарегистрировать их никому не удавалось, хотя некоторые косвенные свидетельства их существования имеются.

А спутники пылевые?

Еще в XVIII столетии знаменитый французский математик Лагранж, исследуя задачу движения трех взаимодействующих тел, пришел к заключению, что при определенных условиях эти тела могут образовать в пространстве весьма любопытный равносторонний треугольник.

Само собой разумеется, что с течением времени каждое из трех тел будет перемещаться по своей орбите относительно общего центра масс. Но все дело в том, что при этих перемещениях они все время будут оставаться в вершинах равностороннего треугольника. Сам этот треугольник непрерывно видоизменяется, то сжимаясь, то растягиваясь и поворачиваясь относительно центра масс. Но при этом он всегда остается равносторонним. Таким образом, в системе трех тел могут существовать своеобразные «точки равновесия».

А если система состоит только из двух тел, как, например, система «Земля — Луна»? Тогда в ней все равно есть, так сказать, потенциальная «точка равновесия», образующая вместе с двумя другими телами вершины равностороннего треугольника. А так как в плоскости, в которой уже происходит движение двух тел, всегда можно построить пару равносторонних треугольников с двумя совпадающими вершинами, где находятся эти два тела, то, очевидно, в системе двух тел всегда должны существовать две «точки равновесия». Хотя до поры до времени эти точки могут оставаться и незанятыми.

Однако если какое-либо тело окажется в точке Лагранжа и при этом мгновенно потеряет скорость относительно Земли и Луны, то оно попадет как бы в гравитационную «ловушку» и останется в ней навсегда или, во всяком случае, очень надолго.

На первых порах, пока «ловушка» еще пуста, она работает плохо — частицы беспрепятственно пролетают через «зону равновесия» и уходят своей дорогой. Но по мере заполнения «ловушки» веществом процесс «захвата» будет ускоряться. Теперь пролетающие частицы могут сталкиваться с теми, которые уже попались в невидимые сети, и, теряя скорость, пополнять «улов».

Хотя процесс этот чрезвычайно медленный, можно было ожидать, что за многие сотни миллионов лет в точках Лагранжа системы «Земля — Луна» должно было накопиться заметное количество вещества: ведь в околоземном пространстве движется множество пылинок, а возможно, и более крупных тел.

Еще в начале текущего столетия были обнаружены спутники, расположенные в точках Лагранжа системы «Солнце — Юпитер». Вблизи каждой из этих точек астрономы обнаружили по нескольку астероидов.

Всем им были присвоены имена героев древнегреческого эпоса о Троянской войне. Большую группу стали называть «греками», меньшую — «троянцами».

Однако аналогичные спутники Земли, возможное существование которых вытекало из теории, долгое время обнаружить не удавалось. Дело в том, что увидеть подобный спутник можно только тогда, когда соответствующая точка Лагранжа располагается в области небосвода, противоположной Солнцу, и в то же время достаточно далеко от светлой полосы Млечного Пути. И ко всему этому надо, чтобы ночь была безлунной…

Подобные благоприятные сочетания осуществляются в природе крайне редко. Астрономы многие годы фотографировали точки Лагранжа, но никаких следов твердого вещества не обнаруживали. И только несколько лет назад наконец удалось сфотографировать «невидимые» спутники нашей планеты. Они оказались довольно внушительными: поперечник каждого из них сравним с поперечником Земли.

Впрочем, масса этих пылевых облаков по космическим меркам довольно незначительна — всего около 20 тыс. тонн. И уж вовсе не велика их плотность — одна пылинка на кубический километр. Не удивительно, что их так трудно было обнаружить.

Тем не менее с облаками космической материи, расположенными вблизи «точек равновесия», видимо, придется всерьез считаться при выборе траекторий движения космических кораблей.

С другой стороны, весьма заманчиво создать в точках Лагранжа космические орбитальные станции. Их положение в пространстве длительное время почти не придется корректировать. Но тогда, вероятно, возникнет необходимость каким-то образом избавиться от скопившегося в этих районах вещества. Оно может оказаться опасным для сооружений станции и мешать научным наблюдениям.

Бывает ли движение по инерции?

Очень важную роль в понимании движений небесных тел, в частности планет Солнечной системы, сыграло открытие Галилеем закона инерции.

В те времена, когда этот закон был еще неизвестен, великий Кеплер, пытаясь найти причину, заставляющую планеты безостановочно обращаться вокруг Солнца, искал загадочную силу, подталкивающую планеты и не дающую им остановиться.

Теперь хорошо известно, что круговое движение планет складывается из двух движений — прямолинейного и равномерного движения по инерции и падения на Солнце под действием солнечного притяжения.

Но вот несколько неожиданный вопрос: существует ли в реальном мире движение по инерции?

На всю жизнь запомнился мне поучительный случай. Я тогда учился в школе, кажется, в восьмом классе, и мы проходили на уроках физики три закона Ньютона.

На заключительное занятие наш учитель, человек изобретательный и отлично знавший физику, пришел с проекционным фонарем и коробкой диапозитивов.

— Сейчас я буду показывать картинки, — сообщил он. — На них изображены различные ситуации. А вы должны внимательно в них всматриваться и говорить, какой из трех законов Ньютона в них проявляется. Начнем…

На экране появилась первая картинка. Бегущий мальчик зацепился за камень и стремительно падает, выставив вперед руки.

— Итак, о каком законе Ньютона идет речь?

— О первом, — ответили мы дружным хором.

Рис. 12. Мнимая иллюстрация первого закона Ньютона.

И у нас были основания для подобного ответа: дело в том, что за несколько дней до этого нам попалась на глаза пояснительная записка к комплекту диапозитивов «Три закона Ньютона». Уж не знаю, кем она была составлена, но в аннотации к номеру первому — «падающему мальчику» — говорилось:

«Иллюстрация к первому закону Ньютона — закону инерции. Мальчик на бегу зацепился ногой за камень, но верхняя часть его тела продолжает двигаться по инерции. В результате мальчик падает…» Или что-то в этом роде.

— Допустим, — сказал учитель. И вызвал меня к доске.

Я бодро начал:

— Мальчик на бегу зацепился ногой…

— Так… значит, первый закон?

Я кивнул.

— Хорошо. В таком случае вспомним, как он читается?

— Тело находится в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается внешними силами изменить это состояние, — без запинки отбарабанил я ньютоновскую формулировку.

— Верно… А теперь переведем это на привычный физический язык. Если на тело не действуют внешние силы, его ускорение равно нулю. Не правда ли?..

— А покой? — спросил кто-то с места. — Вы о нем ничего не сказали?

— Покой — частный случай движения, когда скорость равна нулю… Итак, о чем же говорит и о чем не говорит первый закон? Он говорит только о том случае, когда силы равны нулю. И ни о чем другом! А если силы не равны нулю — первый закон об этом ничего не «знает».

Это было нечто новое. До того дня мы просто старались запомнить формулировки трех законов и научиться решать задачи. Теперь же первый закон Ньютона как бы приоткрылся для нас и с другой своей стороны. Вдруг мы поняли, что «падение мальчика» на картинке не имеет к первому закону ровным счетом никакого отношения.