Небеса необетованные часть 1

               
***

Мало кто помнит о том, как в одно из ясных и тихих утр 1908 года по небу всей Центральной Сибири пронесся сверкающий и ранее невиданный объект, который был принят за метеорит. Сопроводив свой стремительный полет оглушительным гулом, он молниеносно исчез из поля зрения за горизонтом. И тут же, почти сразу, раздались несколько оглушительных ударов и грохотов, слышимых на расстояниях тысячи километров. А в районе реки Подкаменная Тунгуска вспыхнул огненный шар. Взрыв был такой силы, что во многих селениях и домах полопались стекла.
Под обстрел неизвестного пришельца попали Иркутск, Ташкент, Тифлис, город Йен в Германии пережил сотрясение земной коры, а барографы в Лондоне зафиксировали взрывную волну. Помимо этого, в Европе и на севере Африки три ночи подряд не наступала ночь. Она и не могла наступить, поскольку все небо было озарено ярким, пугающим светом.
Однако, что касается метеорита, то, после многих потрясений прошлых лет, связанных с революцией, с гражданскими войнами и иными бедствиями, пережитыми страной в 1927 году в район Тунгуски, была отправлена первая научная экспедиция. За ней последовали и другие. Но ни одной из них никаких следов метеорита или его осколков найти не удалось. Странный вид имели и леса поваленные в лежку на месте падения, и свидетельства, которые указывали на огромную силу энергии взрыва.
Домыслов всякого рода в том числе и фантастических, связанных с инопланетными космическими кораблями, со взрывами антивещества и взрывами ядерного характера, что абсолютно не вязалось само по себе и было не характерно для 1908 года. Однако новая версия, предложенная английским журналом «Нейчур», оказалась самой продвинутой и любопытной, поскольку в ней утверждалось, что причиной катастрофы 1908 года явилось столкновение Земли с «черной дырой».
Почему?
Потому что, судя по характеру разрушений, «дыра» имела такую же массу, как астероид диаметром в шестьдесят километров, но в то же самое время сжатая до размеров чуть больше атома. Так начиналась история «черных дыр». При этом следует вспомнить, что масса в физике — это фундаментная физическая величина, которая характеризует два ключевых свойства. Первое – это инертность или способность сопротивляться изменению скорости, например сдвинуть с места тяжелый грузовик гораздо сложнее, чем легковой автомобиль, потому что у грузовика значительно больше масса, а значит больше инертность: и второе – гравитационное взаимодействие или способность притягиваться к другим телам, что вытекает из закона всемирного тяготения – чем больше масса, тем сильнее тело притягивается к другим объектам.

***
И хоть сенсационное заявление, сделанное англичанами, в 1908 году прозвучало во внешнем мире впервые, это вовсе не значит, что никто о подобном явлении понятия не имел.  Поэтому как бы это странно ни прозвучало, но историю открытия таких сложных небесных объектов как «черные дыры», следует начать со времен Исаака Ньютона, а точнее с того момента, когда он вывел закон всемирного тяготения – закон, которому подчиняются абсолютно все тела во Вселенной, независимо от того малы они или велики. Даже такая мелкая и скромная частичка света, как фотон, подвластна этому закону!
Исаак Ньютон (1642-1727 гг.) родился в усадьбе Вулсторп графства Линкольншир в Англии. Известен как английский физик, математик, механик и астроном. Признан одним из создателей классической физики и математического анализа. В своем фундаментальном труде «Математические начала натуральной философии», написанной в 1687 году, заложил основы классической механики и сформулирован бессмертный «Закон всемирного тяготения».

***
Другой не менее знаменитый французский ученый Пьер Симон Лаплас предсказал еще в конце XVIII века появление истинно «черных дыр», но вскользь, мимолетно, не задумываясь о своем предсказании.
Пьер Симон Лаплас (1749 – 1827 гг.) – родился в зажиточной крестьянской семье в Бомон-ан-Ож (Нормандия), поступил и закончил университет города Кан, выдающийся французский математик, астроном, физик, член Парижской академии наук, член шести иностранных академий наук, в том числе Петербургской.
Интересовался вовсе не «черными дырами», а совсем другими вопросами, а именно, как велика должна быть звезда, чтобы свет не мог покинуть ее, чтобы притяжение огненного гиганта не отпускало от себя порожденное им же самим излучение.
Вывод, к которому он пришел оказался весьма интересным. И вот что о том известно!
«Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли, и диаметром в 250 раз больше диаметра Солнца не даст ни одному световому лучу достичь нас из-за своего тяготения. Возможно, по этой самой причине, самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются невидимыми». Казалось бы, что данное утверждение весьма парадоксально по своим выводам! Но это только на первый взгляд.
А на второй взгляд следует вспомнить законы гравитации великого Ньютона.
Что из них известно?
Первое и основное это то, что любое тело притягивается другим. Причем, чем больше его масса, тем сильнее притяжение. А значит, и скорость, необходимая для того, чтобы небесному телу или частице, находящейся на его поверхности, порвать узы тяготения и уйти в космос, должна быть тоже больше.
Так искусственному спутнику Земли, чтобы покинуть нашу планету и отправиться в путешествие к Луне или Венере, надо разогнаться до второй космической скорости величиной до 11,2 километров в секунду. Но это с Земли! А для старта с более массивной планеты или объекта той же плотности, что и Земля, нужны и большие скорости.

***
Вторая космическая скорость.
Нередко ее называют еще параболической скоростью, скоростью освобождения или скоростью убегания. На самом деле это минимальная скорость, которую нужно сообщить объекту, например космическому аппарату, чтобы он преодолел гравитационное притяжение небесного тела и навсегда покинул его орбиту. Предполагается, что после достижения этой скорости объект движется по инерции – двигатели выключены, а сопротивление среды отсутствует.
При этом вторая космическая скорость будет возрастать не только с увеличением массы планеты, но и с возрастанием ее плотности. Иными словами, масса тела будет сохранятся, а размеры небесного тела уплотняться и уменьшаться. Так если диаметр Земли сократится вдвое, то, согласно расчетам, сила тяжести на ее поверхности возрастет в четверо. Сжимая ее все больше и больше, случится только одно – свет не сможет вырваться из объятий сверхплотного карлика.
Относительно Земли.
Для Земли эта скорость и составляет 11,2 км/с. Причем объект, стартующий с этой скоростью с поверхности Земли не вернется обратно никогда, а станет, например, спутником Солнца. При этом вторая космическая скорость не зависит от массы тела, которое покидает земной стационарный объект. То есть, будь то песчинка или ракета, каждый их них для того, чтобы покинуть Землю, должен достичь этой скорости. Разница кроется только в одном и это очевидно, что ракете для подобного подвига потребуется значительно больше энергии и топлива.
И еще.
Вторая космическая скорость достигает скорости света на горизонте событий черной «дыры», но никогда не превышает ее. Превысить скорость света невозможно ни для какого материального объекта. Но если бы (несбыточное теоретическое предположение) небесное тело с плотностью равной плотности Земли и диаметром в 250 раз больше диаметра Солнца (расчеты Лапласа), то вторая космическая скорость превысила бы скорость света. И тогда никакие световые сигналы не могли бы покинуть этот гигантский объект. Он бы оставался невидимкой, даже и тогда, когда бы он сиял ярче тысячи Солнц.
Что касается траектории движения?
При старте со второй космической скоростью траектория объекта в гравитационном поле будет параболической. Но если энергии чуть больше, траектория станет гиперболой, а если меньше – превратится в эллипс. Впервые вторая космическая скорость была достигнута космическим аппаратом «Луна-1» 2 января 1959 года. И это исторический факт!

***
Уравнение Лапласа.
Это одно из фундаментальных уравнений математической физики. Оно описывает многие явления – гравитацию, электростатику, стационарные процессы диффузии. Где диффузия – это самопроизвольное взаимное проникновение частиц (молекул, атомов, ионов) одного вещества между частицами другого. Это непрерывный и хаотичный процесс движения частиц того или иного вещества, который так или иначе заканчивается постепенным выравниванием этого вещества по всему занимаемому объему.
Многие из фундаментальных идей и методов Лапласа описаны в его известном труде, названном «Трактат о небесной механике». В нем автор подвел окончательные итоги своим исследованиям в астрономии, то есть проанализировал движения планет, спутников, комет, свою же теорию приливов и фигуры планет. Вывод, к которому он пришел заключался в следующем: Солнечная система устойчива или, иными словами, среднее расстояние планет от Солнца практически не меняется, а колебания других элементов и орбит остаются в очень узких пределах.
С какой целью это было сделано?
Возможно, что целей было несколько!
И одна из них состоит в том, что данное заявление начисто опровергло расхожее мнение о том, что для поддержания порядка в системе нужны какие-то внешние сверхъестественные силы.

***
Демон Лапласа.
Сразу надо отметить, что это никакое ни неведомое существо, ни «демон», а мысленный эксперимент, предложенный Пьером Симоном Лапласом в 1814 году в его научном эссе «Философский опыт вероятностей». Суть идеи сводится к фантастике, к представлению некоего фантастического существа, которое в любой момент времени будет знать положение и скорость каждой частицы во Вселенной, а также знать все законы физики. Обладая таким чудесным свойством всеведением данное существо вполне могло бы с абсолютной точностью не только реконструировать всю историю развития Вселенной с момента ее возникновения, но и предсказать путь ее дальнейшего развития вплоть до конца времен.
В чем заключалась суть данной концепции?
Первое и главное, что надо в этом аспекте понимать, это то, что «демон Лапласа» — это яркое выражение классического детерминизма или учения о том, что каждое событие имеет единственную причину и неизбежное следствие, в то время как случайность – это лишь следствие нашего незнания. Лаплас утверждал, что вероятность существует в нашем сознании лишь по причине недостатка информации, в то время как в реальности все предопределено. Иными словами, Лаплас утверждает, что если мы точно знаем текущее состояние системы (положение частиц, скорость и другие показатели) то можем однозначно предсказать будущее, а прошлое – восстановить. Очень часто эту идею не только связывают с именем Пьера Симона Лапласа, но и нередко называют лапласовским детерминизмом. Сам Лаплас слово «демон» никогда не использовал
Остается только добавить.
Эта современная идея стала логическим завершением механической картины мира, основанной на законах Ньютона. В то время как идеи Лапласы позже со временем были восприняты как предвосхищение концепции «черных дыр». Это произошло в конце XVIII века, в 1790-х годах в работе «Изложение системы мира».
В современном переосмыслении концепция «демона Лапласа» упоминается в контексте теории вычислений и искусственного интеллекта. Например, если представить «демона», как сверкающий компьютер, то его существование ограничивается теоремой Тьюринга о неразрешимости и теоремой Геделя о неполноте. Также идея «демона» иногда связывается с гипотезой симуляции.