Физика в картинках

2021-04-12 10:12:00 ​Мы тут время от времени говорим о чёрных дырах, но выяснилось, что некоторые наши подписчики не очень хорошо понимают, что они вообще такое. Попытаюсь объяснить максимально просто.

В механике существует понятие второй космической скорости, или скорости убегания – скорости, которую нужно придать объекту, находящемуся вблизи небесного тела для того, чтобы оно покинуло орбиту этого тела и улетело в открытый космос. Эта скорость пропорциональна массе небесного тела и обратно пропорциональна расстоянию между небесным телом и объектом. В случае сферических объектов, таких как звёзды или планеты, имеется в виду расстояние до его центра масс.

Отсюда следует, что при определённом расстоянии до объекта скорость убегания станет равной скорости света и даже превысит её. А так как превысить скорость света нельзя, то такая ситуация означает, что ничто не сможет покинуть орбиту этого небесного тела – даже свет, излучаемый этим телом.

Расстояние до центра масс небесного тела, на котором убегание становится невозможным, называется гравитационным радиусом данного небесного тела.

Образуется как бы «область неубегания», попав в которую так или иначе любой другой объект уже никогда не сможет вылететь обратно, как бы ни двигался. Вот эту область и называют чёрной дырой, а её внешнюю границу – горизонтом событий.

Другой вопрос, что для подавляющего большинства встречающихся нам объектов гравитационный радиус существенно меньше их реального радиуса, и такая ситуация на практике не реализуется. Для того, чтобы гравитация объекта реально породила «область неубегания», масса объекта должна быть упакована в очень небольшой объём: скажем, масса Земли должна уместиться в сферу радиусом всего в 0,9 сантиметра.

Так вот: любое тело, гравитационный радиус которого превосходит его реальный размер, образует «область неубегания», т.е. чёрную дыру. Иными словами, чёрная дыра возникает вокруг любого достаточно сильно сжатого объекта. Теоретически центральные объекты чёрной дыры могут иметь различное происхождение и пребывать в различном состоянии – разницы мы всё равно не заметим. Более того, для нас, находящихся снаружи чёрной дыры, принципиально невозможно узнать что-либо о состоянии этого объекта, так как мы не можем получить о нём никакой информации: любые сигналы навеки «запечатаны» внутри чёрной дыры и не могут выйти за пределы горизонта событий.

Поэтому зачастую говоря, к примеру, о "плотности чёрной дыры", астрономы говорят не о плотности её "родительского объекта", а о массе чёрной дыры делённой на объём "сферы неубегания" под горизонтом событий.

Но что же сжимает вещество до столь чудовищной плотности, что его гравитация «выгрызает» в пространстве чёрную дыру? Похоже, что на это способна гравитация наиболее массивных звёзд, хотя как происходит это сжатие и что получается в результате, мы пока не представляем.

Чёрная дыра по определению является объектом-невидимкой: обнаружить её можно лишь по её влиянию на окружающее пространство – например, по искажению ею света от других источников. Подробнее о том, как можно увидеть чёрную дыру, мы поговорим в следующий раз. Открыть/Комментировать

2021-04-09 21:46:49 Ну и минутка юмора.

Это реальная рассекреченная стенограмма с борта "Аполллона-11". Предмет обсуждения космонавтов - кусочек.... м-м-м-м...твёрдого продукта человеческой жизнедеятельности, или, проще говоря, какашка, которую заметили парящей посреди кабины космического корабля.

Дело в том, что туалета как такового на "Аполлоне" не было, а естественны потребности космонавты справляли в, по сути, высокотехнологичные памперсы особой конструкции. Со всеми вытекающими (а точнее, вылетающими - происходит-то всё в невесомости!) последствиями.

К чести советских космических конструкторов, полноценный туалет имелся даже на первом космическом корабле "Восток-1", на котором отправился в космос Гагарин. Открыть/Комментировать

2021-04-09 20:42:52 ​Продолжаем рассуждать о том, зачем нужно лететь на Луну. Один из интересных вариантов – промежуточный космодром для более дальних космических полётов.

Действительно, гравитация Луны в 6 раз меньше, чем на Земле. Соответственно, на разгон космического корабля для набора им второй космической скорости нужно потратить примерно в 36 раз меньше энергии, чем при старте с Земли.

План такой, для полёта, скажем, к Марсу, мы сначала летим на Луну, где пересаживаемся в другой космический корабль, и на нём уже летим к цели.

Ракетное топливо для второго этапа полёта можно будет получать прямо на Луне: там есть вода в виде льда, которую можно разделять на водород и кислород, получая топливо для водородных двигателей. А значит, при старте с Земли нам нет необходимости нагружать себя топливом для полёта непосредственно к Марсу - вместо него можно будет взять с собой что-то полезное.

В связи с этим использование поверхности Луны в качестве «космодрома подскока» выглядит боле привлекательным, чем, скажем, космодром, размещённый на её орбите (предусмотренный, например, американским проектом Lunar Orbital Platform-Gateway). Да и вообще преимуществ масса: к примеру, для строительства зданий и сооружений космодрома можно будет использовать материалы, добытые непосредственно на Луне, а не везти их с Земли.
Другой вопрос, куда и зачем нам нужно лететь с этого космодрома? Но до этого вопроса мы ещё дойдём. Открыть/Комментировать

2021-04-08 22:37:35 ...но основным коммерческим интересом на Луне всё-таки считаются планы по добыче там гелия-3. Это такой лёгкий изотоп гелия, в котором на 1 нейтрон меньше, чем в обычном гелии-4.

Гелий-3 на Земле не встречается, его производят искусственно. На Луне же он лежит просто так.

Гелий-3 является почти идеальным топливом для термоядерного синтеза. Проблема в том, что пока мы не умеем инициировать в нём термоядерные реакции, но мы активно учимся.

По оценкам учёных, эта задача будет решена через 20-30 лет. И если окажется, что гелий-3 нужен уже, а взять его негде, будет обидно.

Так что если мы всерьёз нацелены на термоядрный синтез как новый источник энергии, то лететь на Луну надо, причём как можно быстрее.

На фото - одна из визуализаций процесса добычи гелия-3 на луне в открытых карьерах с помощью горного комбайна. Открыть/Комментировать

2021-04-07 21:36:48 ​Зачем нам лететь на Луну? Например, за дешёвой электроэнергией

И я говорю сейчас не о гелии-3 – идеальном топливе для термоядерных реакторов, которое на Земле не встречается. Возможно, Луна сможет давать нам электричество в значительных объёмах и до того, как мы освоим термоядерный синтез: речь идёт о проекте так называемого лунного энергетического пояса – полосы из солнечных электростанций, которая протянется вдоль всей окружности Луны по её экватору.

Солнечные батареи на Луне будут работать куда эффективнее их земных аналогов: на Луне нет рассеивающей и поглощающей свет атмосферы, кроме того, по той же причине там не бывает пасмурных дней. Там также нет ветра, который будет поднимать в воздух загрязняющую батареи пыль – в общем, КПД будет существенно выше, чем у земных солнечных станций.

По имеющимся оценкам, Лунный пояс шириной в 400 километров будет производить около 10 петаватт электроэнергии – это около половины всей потребляемой на Земле электрической мощности.

Правда, в теории все те же плюсы мы получим и при размещении батарей на орбите Земли. Но по сравнению с этим у лунного варианта есть одно колоссальное преимущество: в теории мы можем наладить производство батарей на Луне из местных материалов. По сути нам будет достаточно доставить на Луну лишь технику и, возможно, ограниченное количество материалов, которые всё-таки проще привезти с Земли. В результате стоимость создания Лунного пояса существенно уменьшится: по существующим оценкам, она составит около 200 триллионов долларов, что примерно в 6-15 раз меньше, чем стоимость строительства электростанций аналогичной мощности на Земле.

Доставлять произведённую на Луне электроэнергию на Землю можно посредством направленных пучков радиоволн или же мощных лазеров, «нацеленных» на специальные приёмники на поверхности Земли.

Разумеется, для того, чтобы начать реализацию такого проекта, на Луне предстоит построить весьма развитую инфраструктуру, и даже при максимальном применении робототехники для создания и обслуживания комплекса потребуется работа на Луне сотен человек в течение долгого времени.

Проработать соответствующие технологии помогут проекты лунных баз, разрабатываемые США, Россией, Китаем и другими странами – к сожалению, отдельно друг от друга, а не совместными силами.

На картинке – иллюстрация того, как это всё может выглядеть, а также того, как будет выглядеть «окольцованная» Луна с Земли. Открыть/Комментировать

2021-04-07 20:43:47 Это дрон "Индженьюити" - вероятно, первый человеческий летательный аппарат, который совершит управляемый полёт в атмосфере другой планеты - а точнее, Марса.

Разработанный НАСА "марсолёт" уже доставлен на Марс и благополучно пережил первую марсианскую ночь. Сейчас он заряжает батареи перед первым полётом, пока учёные с Земли проводят диагностику всех систем дрона.

Первый полёт "Индженьюити" запланирован на 11 апреля. Это будет первым полётом земного летательного аппарата в разреженной атмосфере Марса.

Фото сделано марсоходом "Пресервенс". Открыть/Комментировать

2021-04-06 21:22:54 Небольшое дополнение к предыдущей публикации.

Проблема трёх тел получила довольно широкую известность благодаря одноимённому фантастическому роману китайского автора Лю Цысиня, в котором Земля оказывается под угрозой нашествия инопланетян из тройной звёздной системы, страдающих от катастроф, связанных с катастрофической нестабильности движения звёзд этой системы: планета то перегревается, то, наоборот, оказывается полностью замороженной.

Так вот. При всей безусловной годности первой книги, являющей собой хороший образец редкой в наши дни настоящей научной фантастики, и условной годности второй книги трилогии (в третьей автора, на мой взгляд, понесло куда-то не туда), уже в первой книге содержится, к сожалению, большая научная ошибка. Трисолярис, родная система инопланетян, не мог бы оставаться тройной звездой долгое время: средний срок жизни плотных тройных систем оценивается в 10 миллионов лет, по истечение которых они как правило избавляются от третьего компонента (его выбрасывает "гравитационная рогатка"), превращаясь в довольно стабильные двойные системы.

Для сравнения, для развития жизни на Земле до появления человека понадобилось около 3,5 миллиарда лет.

Не факт, что условия жизни на планете в такой системе в результате станут более пригодными для жизни. Однако важен факт: вряд ли тройная система сможет существовать достаточно долго для того, чтобы на ней успела развиться разумная жизнь (даже если это вообще возможно).

А так-то книга, повторюсь, рекомендуется к прочтению ценителями жанра. Открыть/Комментировать

2021-04-06 20:39:31 ​Так называемая проблема трёх тел - одна из вещей, которые в своё время поразили моё воображение при изучении физики: оказывается, что в принципе невозможно рассчитать в общем виде траекторию движения трёх тел, находящихся в гравитационном взаимодействии друг с другом.

То есть, мы можем записать уравнение (дифференциальное, разумеется) движения этих точек. Но проблема в том, что в общем виде оно не решается. Мы можем, впрочем, численно решить его для частного случая такой системы (зная массы, начальные положения и начальные скорости точек, описать эволюцию этой системы за какой-то промежуток времени), но не более того. И это не потому, что мы плохо знаем математику: доказано, что общего решения такой задачи не существует в принципе.

Другой вариант - попытаться поискать такие наборы начальных условий, при которых движение трёх лет будет устойчивым: то есть, они не будут сталкиваться или разлетаться, а будут описывать некую одну и ту же орбиту, пусть подчас и весьма сложную.

До 21 века было известно всего 8 таких решений. Шесть из них касались случая, когда все три тела в начальный момент времени находятся на одной прямой. Ещё одно решение, так называемое решение Лагранжа, описывает движение тел равной массы, находящихся в углах равностороннего треугольника (Лагранж показал, что этот треугольник остаётся равносторонним и в ходе эволюции системы).

В 2013 году с помощью суперкомпьютеров сербские учёные Милован Шуваков и Велько Дмитрашинович нашли ещё 13 таких решений для тел равной массы. А в 2018 году в Шанхайском университете обнаружили ещё 234 новых решения.

Между тем, системы из трёх тел (например, трёх гравитационно связанных звёзд) в космосе встречаются не то чтобы редко: ближайшая к нам звёздная система Альфа Центавра, например, является тройной.

Интересным свойством таких систем является их неустойчивость: в результате сложных взаимных перемещений частей системы одна из них может в определённый момент времени обрести значительную скорость и быть как бы выброшенной за пределы системы. Частным случаем наличия таких решений задачи трёх тел является манёвр, известный как гравитационная праща, который уже сегодня применяют в космических полётах.

На картинке - орбиты движения тел в том самом решении Лагранжа с треугольниками. Открыть/Комментировать

2021-04-05 20:20:09 Почему полосы на Юпитере более яркие, чем на Сатурне? Чтобы ответить на этот вопрос, сначала надо разобраться, почему эти полосы вообще возникают? Причина - тот же механизм циркуляций в атмосфере, который мы видим и на Земле: в одних точках планеты более горячий воздух поднимается вверх, в других - более холодный опускается вниз. Так вот: контрастный цвет полос объясняется тем, что в более горячих полосах аммиак, содержащийся в атмосфере планеты, замерзает, образуя отражающие солнечный свет ледяные облака.

Но почему тогда полосы на Юпитере заметно контрастнее чем на Сатурне?

Причина в том, что Сатурн находится дальше от Солнца, и средняя температура на нём ниже: порядка -170 Цельсия против примерно -110 у Юпитера. Из-за этого аммиак на Юпитере в различных зонах атмосферы то замерзает, то тает, существенно меняя оптические свойства атмосферы в той или иной атмосферной ячейке. На Сатурне же он весь находится в твёрдом состоянии во всех зонах, и поэтому столь резкого чередования не происходит, хотя оно есть. Открыть/Комментировать

2021-04-03 22:56:36 "Вселенский глобус", на котором отмечены 45 тысяч галактик, расположенные в пределах 380 миллионов световых лет от Млечного Пути (в центре). Открыть/Комментировать