Летающая тарелка – аппарат для исследования сверхтяжелых звезд
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Невозможно придумать принцип, позволяющий аппарату летать, ни от чего не отталкиваясь: это противоречило бы законам физики. Однако выяснилось, что возможен замечательный компромисс между законами природы и нашими желаниями. Законы физики не возражают против отталкивания от самого пространства, пустого пространства, где и происходит движение. Работы специалистов по теоретической физике прокладывают путь к созданию аппаратов для исследования таких областей Вселенной, куда заведомо не сможет никогда проникнуть человек. Об одной такой работе, рассказывает эта статья.
Все знают, что наше пространство евклидово. Любая окружность в нем больше своего диаметра ровно в n раз, сумма углов треугольника равна развернутому углу (180°). И вообще, в нем справедлива евклидова геометрия. Это кажется настолько самоочевидным, что философы прошлого, да и математики тоже, не могли и мыслить как-нибудь по- иному. Иммануил Кант, например, считал евклидовость пространства априорным, то есть доопытным, «от века» существующим свойством. Однако Кант был не прав. Через 22 года после его смерти Н. Лобачевский сообщил об открытии неевклидовой геометрии. Оказалось — математика допускает существование пространства, где отношение длины окружности к ее диаметру не равно n, а сумма углов треугольника не равна развернутому углу.
Как это может получаться в трехмерном пространстве, понять довольно трудно. Но на помощь приходит двухмерная аналогия. Если мы нарисуем треугольник на поверхности шара, то сумма его углов будет больше 180°. Про такую поверхность говорят, что у нее положительная кривизна. Искривленным может быть и трехмерное пространство. Если у трехмерного пространства положительная кривизна, то в нем просто невозможно провести плоскость, на которой сумма углов треугольника была бы равна развернутому углу. На любой, как угодно расположенной плоскости эта сумма будет больше 180°.
Итак, математика допускает существование как евклидовых пространств, так и неевклидовых. Но каково все-таки наше пространство? На этот вопрос может окончательно ответить только опыт. А он как будто говорит в пользу евклидовости пространства. Действительно, фактические измерения дают ровно n для отношения длины окружности к ее диаметру. Но, может быть, измерения недостаточно точны? А может быть, отклонений от евклидовости не наблюдали потому, что не подозревали о такой возможности. Ведь психологически трудно заметить явление, которое не ожидаешь. Н. Лобачевский хорошо это понимал, и потому он, «чистый математик», собственноручно предпринял экспериментальное определение суммы углов большого треугольника. Он считал невероятным, что наше пространство окажется в точности евклидовым. Но у него получилось 180°. Никаких отклонений Лобачевскому заметить не удалось (в пределах точности его измерений).
Конечно, этим вопрос об евклидовости нашего пространства не был снят. Он остался открытым. Как говорят физики, была лишь установлена верхняя, довольно высокая, граница для возможного отклонения свойств пространства от евклидовости.
В 1916 году А. Эйнштейн создал общую теорию относительности, согласно которой наше пространство действительно может быть неевклидовым. Причем отклонения от евклидовости вызываются материальными телами. Вблизи больших масс, например Земли, пространство искривлено сильнее, чем вдали от них. Теория предсказала и сам характер искривления. Оказалось, что если провести окружность на горизонтальной (относительно Земли) «плоскости», то отношение длины окружности к диаметру будет меньше, чем n, как на выпуклой сфере. Правда, нельзя сказать, на сколько процентов это отношение меньше нормы, так как само уменьшение зависит от размера окружности. И разумеется, оно чрезвычайно мало. Его нельзя заметить современными приборами в земных условиях. Однако в астрономических масштабах неевклидовость пространства обнаруживает себя.
Знаменитое отклонение луча света от прямолинейности вблизи Солнца только наполовину объясняется тем, что свет, как всякая масса, притягивается к Солнцу. Вторая половина эффекта обязана своим происхождением как раз искривлению пространства вблизи Солнца.
А как еще может проявляться искривление пространства? Оказывается, в пространстве с переменной кривизной даже простое перемещение тел выливается в серьезную проблему. Допустим, в некотором месте сделана металлическая отливка. Разумеется, при этом отношение длин окружностей, нарисованных на ее плоской поверхности, соответствует геометрии пространства в месте выплавки.
Попробуем теперь перенести отливку в другое место, туда, где это отношение иное. Сохраняют ли окружности на отливке свои отношения? Нет! Пространство деформирует отливку так, чтобы эти отношения соответствовали новому месту.
А раз отливка будет деформироваться, то в ней возникнут внутренние напряжения и появится энергия деформации. Другими словами, для простого перемещения жесткого тела в неоднородно искривленном пространстве необходимо совершить работу. Отливке энергетически невыгодно находиться в чуждой ей области пространства, где она имеет внутренние напряжения. При возвращении «на родину», то есть в место, где отливка изготовлена, внутренние напряжения снимаются. Так что, если не держать отливку в «неестественном» месте насильно, то она сама будет двигаться ускоренно «на родину».
Высвобождающаяся при этом энергия деформации будет превращаться в кинетическую энергию отливки, движущейся как целое. Ускоряющей силой будет результирующая сила внутренних напряжений. Обычно эта сила равна нулю, но только потому, что обычно мы имеем дело с однородным пространством, в котором телу безразлично, где находиться. В неоднородном, искривленном пространстве сумма внутренних сил не равна нулю и она всегда направлена к месту рождения.
Равнодействующую силу внутренних напряжений можно значительно увеличить, если тело будет предварительно напряжено. Например, можно взять обычный диск, разрезать его по радиусу, а затем забить в разрез клин. Тогда материал диска будет сильно сжат по окружности и растянут вдоль радиусов. Такой диск, расположенный горизонтально над Землей, будет обладать некоторой подъемной силой (правда, гораздо меньшей его веса), поскольку области пространства, расположенные над ним, менее кривые, чем внизу. При подъеме сжатые окружности диска смогут несколько удлиниться, а радиусы одновременно получат возможность сократиться. Энергия деформации, затраченная при забивании клина, будет уменьшаться при подъеме.
Здесь можно воспользоваться совсем простым сравнением. Представьте себе две направляющие рейки, расположенные почти вертикально, и только немного сходящиеся вверху. На каждой рейке находится ползунок, который может скользить по ней без трения. Ползунки соединены между собой растянутой резинкой. Что произойдет? Если ползунки и резинка достаточно легкие, то, желая сократиться, резинка будет поднимать себя и ползунки вверх, туда, где расстояние между рейками меньше. В каком-то месте подъемная сила сделается равной весу. Там система сможет оставаться неподвижной. Если теперь сильнее натянуть резинку, например, завязав на ней узелок, то система поднимется вверх до нового положения равновесия за счет энергии, которую пришлось потратить, чтобы завязать узелок на растянутой резинке. Но если потом развязать узелок, то система опустится на прежнее место, а затраченную энергию при желании и умении можно получить обратно.
Это совсем не та ситуация, с которой приходится сталкиваться, когда имеешь дело с реактивным двигателем. Ракета, даже висящая неподвижно в поле тяжести, должна непрерывно затрачивать большую мощность на создание реактивной силы, компенсирующей вес. А при возвращении с орбиты спутника на Землю расход энергии в принципе такой же, как и при подъеме на нее (если не используется торможение о воздух). В отличие от этого двигатель «на внутренних напряжениях» имеет 100 процентов к. п. д, так что в результате космического полета «туда и обратно» энергия вообще не будет затрачена.
К сожалению, из-за слишком малой кривизны нашего пространства нет надежды использовать описанный эффект ни сейчас, ни в близком будущем. Чтобы диск, о котором сказано выше, висел неподвижно над Землей — чтобы его подъемная сила равнялась весу, он должен быть очень легким и иметь колоссальные напряжения. Настолько колоссальные, что они невозможны даже теоретически при той небольшой массе, которая допустима. Так что летающее блюдце, как мы его себе представляем, воссоздать на этом принципе все-таки нельзя. Однако сама идея о возникновении подъемной силы за счет внутренних напряжений в неоднородно искривленном пространстве верна. Летательный аппарат на этом принципе может, например, переходить с одной орбиты спутника на другую, но в очень сильном гравитационном поле. Дело в том, что чем больше сила тяжести, тем больше неоднородность пространства, а значит, при одних и тех же напряжениях подъемная сила растет пропорционально весу.
Поэтому двигатель на внутренних напряжениях начинает работать эффективно в гравитационном поле только большой напряженности. И наверняка есть такие области пространства, где реактивные двигатели со свойственной им расточительностью энергии окажутся беспомощными. Если когда-нибудь люди будут исследовать пространство вблизи «черных дыр», двигатели на внутренних напряжениях станут незаменимыми и единственно возможными. Во всяком случае, доказано, что внутренне напряженная конструкция может безнаказанно подойти на такое близкое расстояние к «черной дыре» или нейтронной звезде, на котором обычный спутник безвозвратно захватывается ею.
Автор: Р. Храпко.