Загадки космоса - Кирилл Федорович Огородников Страница 8

Таким образом, если условно Считать микромир й макромир первыми двумя этажами Вселенной, то космос представляет собой третий этаж. И подобно тому как в каждом из первых двух этажей действуют свои собственные законы природы, так и в космосе действуют свои законы. И если исследование микромира в первую очередь задача лабораторных наук физики и химии, то исследование космоса первоочередная задача науки о Вселенной, то есть астрономии. Что удалось в этом направлении сделать астрономам, мы увидим из дальнейшего рассказа.

ЗАГАДКА ВРЕМЕНИ РЕЛАКСАЦИИ

Не всегда бывает легко установить точный смысл какого-нибудь слова или понятия, даже если оно по своей сути совсем простое. Так обстоит дело с понятием «релаксация», которая играет очень большую роль в современной науке. Если «посмотреть в энциклопедический словарь, то там это понятие объясняется как процесс постепенного перехода какого-нибудь тела к первоначальному свободному, ненапряженному состоянию (к состоянию равновесия), если перед этим оно было приведено в напряженное, неравновесное состояние.

Проще ©сего это объяснить на примере обыкновенной заводной пружины. Когда мы заводим пружину, то тем самым приводим ее в напряженное состояние. Если затем пружину отпустить, то она начнет раскручиваться и постепенно придет в свое нормальное расслабленное состояние. Процесс расслабления пружины и будет ее релаксацией. Скорость этого процесса различна для разных пружин и зависит в первую очередь от работы, совершаемой пружиной, например вращение колеса часов или заводной игрушки. Но даже свободная (то есть не связанная ни с какими колесиками) пружина имеет свою собственную скорость релаксации. Эта скорость зависит от длины и толщины пружины, ее упругости и других причин. Для каждой пружины существует свое собственное время релаксации, то есть промежуток времени, необходимый для ее полного расслабления.

Понятие релаксации применимо не только в механике, но и ё физике. Если к.находящемуся в плотно закупоренном сосуде газу добавить некоторое количество другого газа, то через некоторое время газ сам собой перемещается и снова станет однородным. Это объясняется тем, что мельчайшие частицы газа – молекулы находятся в быстром и беспорядочном движении. Они часто сталкиваются между собой и отскакивают друг от друга. Благодаря этому молекулы газа перемешиваются между собою и наступает равновесное состояние газа. Если газ снова вывести из равновесного состояния, то по прошествии некоторого времени, измеряемого для газов долями секунды, он снова вернется к исходному равновесному состоянию. Это время называется временем релаксации для газа. Чем больше плотность газа, тем чаще происходят в нем соударения молекул и тем короче время релаксации.

Оказывается, понятие времени релаксации применимо и к галактикам. Уже давно многие ученые указывали, что галактики похожи на облака «звездного газа». В самом деле галактики состоят из множества звезд, которые подобно молекулам в газе, обладают беспорядочными движениями. Правда, в отличие от молекул, звезды не сталкиваются друг с другом. Но астрономы точными вычислениями показали, что роль соударений среди звезд играют их сближения. Дело в том, что хотя расстояния между звездами в галактиках очень велики, тем не менее изредка возможны кратковременные сближения звезд. Тогда сила взаимного притяжения между сблизившимися звездами станет больше воздействия на них всех остальных звезд галактики. Сблизившиеся звезды пройдут недалеко друг от друга по искривленным траекториям и снова разойдутся. При этом окончательный результат сближения получится таким же, как если бы звезды столкнулись, как два бильярдных шара. К этому нужно еще добавить, что в наши дни соударение молекул понимается не в буквальном смысле, как это думали физики прошлого века. Теперь нам известно, что молекулы имеют очень сложное строение и совсем не похожи на шары. Лобовое соударение молекул часто приводит к их разрушению, раопаду на заряженные электричеством частицы – ионы. Иначе говоря, молекулы тоже, по-видимому, не соударяются, а лишь сближаются, как звезды. На самом же деле, в мире молекул тоже происходит взаимодействие сил притяжения, сходных по результатам с теми, которые возникают при звездных сближениях. Итак, галактики действительно можно уподобить облакам «звездного газа».

Мы не случайно так подробно остановились на времени релаксации и на роли звездных сближений. Ведь именно с ними связана первая из тех трех загадок космоса, о которых мы будем говорить.

Представим себе на минуту, что звездных сближений не происходит вовсе, а если они и происходят, то настолько редко, что их действие не сказывается заметным образом на движении звезд в галактике. Тогда каждая звезда в галактике будет двигаться по вполне определенной кривой, которую называют регулярной орбитой. Каждая из таких орбит будет совершенно самостоятельна, то есть она не будет зависеть от движения остальных звезд.

Тогда возникает вопрос: каким образом двигающиеся независимо друг от друга звезды ухитряются расположиться так, что образуют галактики, обладающие правильным строением и формой? Кроме того, почему галактики вращаются, как твердые тела? Ведь не можем же мы предполагать, что галактики при своем зарождении имеют совершенно готовый вид! А если галактики не рождаются готовыми, то предполагать их образование в результате лишь удачного совпадения движения отдельных звезд по независимым траекториям означает почти то же самое, что ожидать образования в воздухе правильной фигуры дробинками, выброшенными выстрелом из ружья.

Совсем по-другому будет решен этот вопрос, если мы предположим, что звездные сближения играют заметную роль. В этом случае каждая звезда при своем движении будет все время испытывать нечто вроде неожиданных и беспорядочных толчков от окружающих звезд и сама при этом тоже будет «раздавать» ответные толчки своим соседкам. В результате ни одна звезда не будет двигаться по своей регулярной траектории, и в движениях звезд установится своеобразный закон беспорядочного движения. Этот закон непустая выдумка, он действительно существует и проявляет себя повсеместно.

Какой самый простой способ убедиться в существовании закона беспорядочного движения? Установим почти вертикально гладкую фанерную доску с вбитыми в нее гвоздиками, расположенными горизонтальными рядами в шахматном порядке. Приготовим около двух десятков шариков, диаметры которых в полтора раза меньше рао стояний между соседними гвоздиками. Будем пускать шарики вниз по доске из точки А, расположенной посредине верхнего края доски. Скатываясь вниз, шарики бу-* дут все время натыкаться на гвоздики и отскакивать от них в сторону. Очевидно, что толчки шариков о гвоздики будут носить случайный характер. Никаким способом невозможно предсказать заранее, какие толчки испытает шарик по дороге вниз. Поэтому, выйдя из точки А, шарик упадет не обязательно в точку В, лежащую