Как возникает черная дыра
Радиус звезды, из которой может сформироваться черная дыра, должен составлять около 1,5 миллиона километров, однако после ее коллапса радиус горизонта событий будет не больше 15 километров. Поскольку к нему можно подойти намного ближе, чем к обычной звезде, гравитация будет во много раз больше, ведь сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния. Таким образом, если дистанция сокращается вдвое, то сила тяготения увеличивается в четыре раза. Объекты, притягиваемые к черной дыре, по мере приближения к горизонту событий будут достигать почти световой скорости.
Черная дыра заставляет также по-новому задуматься о приливной силе. Эта сила образуется за счет разных значений гравитации в различных точках пространства. Приближаясь к черной дыре, вы будете испытывать на себе колоссальные приливные силы. Ваше тело станет объектом уникального гравитационного эксперимента.
Представьте, что вы в космическом скафандре приближаетесь к черной звезде ногами вперед. Ваши ноги, находящиеся ближе к черной дыре, будут испытывать значительно большее притяжение, чем голова. Эта разность сил, направленная вдоль оси тела, вытянет вас, превратив в длинную тонкую макаронину. Этот процесс так и называется – "спагеттификация" (вопреки бытующим представлениям, у ученых иногда есть чувство юмора).
Правда, такой смертельный трюк необязательно произойдет до пересечения горизонта событий. Вы можете достигнуть его еще живым, так как начало процесса спагеттификации зависит от размеров черной дыры. Сверхмассивная черная дыра вроде тех, что встречаются в центрах галактик, не дает такого резкого увеличения гравитации. Вы можете даже проскочить горизонт событий, не заметив этого. Но по мере приближения к центру черной дыры ваше тело все равно вытянет в струну, если, конечно, вы к тому времени переживете смертельную дозу радиации, вызванной быстрым движением вещества к центру.
Я уже говорил, что центр черной дыры, представляющий собой сингулярность, теоретически не имеет размеров. И в этом заключается еще одна странность черных дыр. Сингулярность с научной точки зрения – это точка не в пространстве, а во времени. Общая теория относительности, предсказывающая возможность существования черных дыр, утверждает, что гравитация искривляет как пространство, так и время. В сердце черной дыры время искривлено до предела. Миновав горизонт событий, вы устремляетесь к точке во времени, а не в пространстве. В этот момент время для вас перестает существовать.
Черные дыры и квазары относятся к числу самых экзотических обитателей Вселенной, но в ней есть и много более знакомых объектов, которые непрерывно направляют к вам потоки фотонов, когда вы вглядываетесь в ночное небо. Мы уже упоминали о галактиках – огромных скоплениях звезд. В одной галактике может насчитываться от нескольких миллиардов до 100 триллионов звезд, а мы полагаем, что во Вселенной имеется примерно 150 миллиардов галактик. Она поистине необъятна.
В нашей галактике – Млечном Пути – насчитывается около 300 миллиардов звезд. Ясной ночью мы можем видеть их как светлую размытую полосу в черном небе. Но значительно лучше видны ближние к нам звезды и планеты нашей Солнечной системы. Невооруженным глазом мы можем разглядеть пять планет: Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн, причем Венера и Юпитер являются самыми яркими светилами ночного неба после Луны. Правда, фотоны, доходящие к нам от планет, вынуждены проделывать двойной путь. Сначала они доходят до планет от главного источника света – Солнца – и только потом возвращаются к Земле.
Солнечный свет не вечен
Лишь глядя на Солнце (не в буквальном смысле, конечно, так как это повредит вашим глазам), можно понять, какое чудо представляют собой миллиарды миллиардов звезд во Вселенной. На самом деле ничего особенного в Солнце нет. Это середнячок и по размерам, и по яркости. Возраст у него тоже средний: ему 4,5 миллиарда лет, и оно прожило уже примерно половину отпущенного срока.
Солнце дает нам исключительно белый свет (на самом деле белый – это не цвет, а смесь всех видимых цветов). И все же, рисуя Солнце, мы обычно изображаем его желтым. А на закате, садясь в дымку, оно выглядит вообще красным. Похоже, мы немного запутались, но все дело опять-таки в фотонах света, взаимодействующих с материей.
В данном случае материей является воздух. Многие фотоны, идущие от Солнца, попадающие в атмосферу, пронизывают ее насквозь, не встречая препятствий, но достаточное количество поглощается молекулами газов в воздухе, а затем повторно излучается. Если при этом происходит смена направления, такое явление называется рассеиванием. Данный процесс происходит избирательно: сильнее всего рассеиваются лучи голубого участка спектра. Именно поэтому дневное небо имеет голубой цвет. Чем ближе мы к красной части спектра, тем слабее рассеивание.
Если бы солнечный свет состоял из всех цветов в равной степени, небо было бы фиолетовым, так как из всех видимых цветов фиолетовый рассеивается сильнее всего, но в солнечном свете голубых лучей намного больше, чем фиолетовых, поэтому голубой является доминирующим. Но если из изначально белого света забрать часть голубых фотонов, оставшиеся приобретают желтоватый оттенок. Именно таким мы обычно и воспринимаем Солнце. А когда солнечным лучам приходится проделывать в земной атмосфере значительно более долгий путь (это происходит на закате, когда лучи проходят по касательной по отношению к поверхности планеты), то они становятся почти красными.
Может быть, Солнце ничем не выделяется среди других звезд, но среди небесных тел Солнечной системы это настоящий гигант. Диаметром 1,4 миллиона километров, оно превосходит Землю в 100 раз по размеру и более чем в 330 тысяч раз по весу. Почти 99 процентов всей массы вещества Солнечной системы сосредоточено в Солнце. Кроме того, всем известно, что оно очень горячее. Если на его поверхности царит относительно "прохладная" температура 5500 °С, то в центре она приближается к 10 000 000 °С.
Источник жизни
Если уж мы решили использовать свое тело как инструмент для познания научных истин, то важно понимать, что без Солнца его существование было бы невозможным. Во-первых, вы не могли бы ничего видеть, но это еще не самое главное, что дает нам солнечный свет. От Солнца Земля получает основную часть тепла. Правда, некоторое количество тепла поступает из ядра планеты, но подавляющая часть приходит с солнечным светом. Без этого постоянного источника энергии наша планета была бы слишком холодной для жизни.
Более того, без Солнца мы не могли бы дышать. Кислород, необходимый для дыхания, дают нам растения. Они производят его как побочный продукт фотосинтеза. Световая энергия используется в фотосинтезе для создания различных химических веществ (главным образом углеводов), которые служат топливом для всех форм жизни. Процесс фотосинтеза гораздо сложнее, чем фотоэлектрический эффект, используемый в солнечных батареях, где свет выбивает электроны из атомов специально подобранных материалов, давая в результате электроэнергию. Химические процессы фотосинтеза не только сложны, но и невероятно быстры. Некоторые реакции происходят быстрее, чем за 1/1 000 000 000 000 секунды.
При поглощении света растениями энергия электронов накапливается в специальных пигментах вроде хлорофилла, который придает растениям зеленую окраску. Это напоминает фотоэлектрический эффект, хотя на самом деле рассматриваемый процесс намного сложнее. Энергия света передается в химической форме в центр фотосинтеза, где происходят фундаментальные химические реакции, в ходе которых вырабатывается кислород, которым мы дышим. Способность производить кислород у разных растений неодинакова. Хотя мы часто слышим, что тропические леса называют легкими планеты, самый большой вклад в производство кислорода вносит океанический планктон.
Животные (в том числе и мы) не обладают способностью трансформировать световую энергию в питательные вещества. Мы вынуждены использовать промежуточные звенья, поедая либо растения, либо других животных (которые, в свою очередь, тоже питаются либо растениями, либо другими животными). Тем не менее источником практически любой жизни прямо или опосредованно является Солнце.
Оно дает нам не только тепло, кислород и пищу, но и подавляющее большинство всех используемых источников энергии. Залежи ископаемого топлива сформировались из растений, которые когда-то выросли благодаря Солнцу. То, что солнечная энергия исходит от Солнца, очевидно, но то же самое можно сказать и об энергии ветра, поскольку все климатические явления происходят из-за его непосредственного влияния. Единственными исключениями являются геотермальная и атомная энергия.
Есть ли кто-то кроме нас?
Для существования нам, как и всем другим живым существам, требуется энергия. А ее во Вселенной более чем достаточно. Глядя на звездное небо, невозможно не задуматься о том, что в других местах космоса тоже возможна жизнь. Солнце всего лишь одна из миллиардов звезд нашей Галактики, а во Вселенной есть еще миллиарды других галактик. Есть все шансы на то, что где-то еще существует жизнь, но я не стал бы слишком вас обнадеживать, так как она еще не обнаружена.
Другие планеты Солнечной системы – не самое привлекательное место для жизни. На заре научной фантастики писатели часто изображали жизнь на Луне, Венере и Марсе. Но упомянутые небесные тела мало пригодны для этого. Венера представляет собой раскаленный ад, где течет жидкий свинец, а небо покрыто облаками из серной кислоты. На Луне и Марсе слишком ограничены запасы воды и почти нет атмосферы. Кроме того, там слишком холодно. Правда, есть вероятность, что какие-то бактерии могут существовать в уютных защищенных уголках этих планет, но она слишком мала. Другие планеты еще менее пригодны для жизни.
Самые большие шансы на возникновение жизни в Солнечной системе, помимо Земли, имеет один из спутников Юпитера – Европа. На первый взгляд, это далеко не самое лучшее место. Европа расположена слишком далеко от Солнца и получает от него мало тепла. Температура поверхности составляет примерно ‑160 °С. Однако у Европы есть одно преимущество. Под ледяной коркой, возможно, находится жидкая вода, согреваемая как мощными приливными силами в поле тяготения Юпитера, так и радиоактивными процессами, происходящими в недрах спутника.
Если на Европе действительно есть океан, температура которого находится выше точки замерзания, то существует возможность (но не гарантия), что там могла развиться какая-то базовая форма жизни. Но вода и температура – это не единственные необходимые факторы. В основе всех известных нам форм жизни лежит углерод, и, хотя кое-кто утверждает, что основой жизни может быть не только углерод, но и кремний, этот элемент не так предрасположен к образованию крупных молекул, как углерод, а это является важнейшей предпосылкой возникновения жизни. Поэтому необходимо еще наличие углерода и других элементов, но в принципе жизнь на Европе может существовать.
Тест на интеллект
Я не хочу утверждать, что разумной жизни во Вселенной не существует, но если она и есть, то, скорее всего, на одной из планет, вращающихся вокруг какой-нибудь далекой звезды. Несмотря на огромные межзвездные расстояния, мы уже нашли сотни планет за пределами Солнечной системы. Первые из них были обнаружены по колебаниям звезд, вызванным тем, что вокруг них вращаются громадные планеты типа Юпитера. С помощью других методов были найдены и планеты земного типа – меньшие по размерам и предположительно состоящие из твердого вещества. Однако до сих пор нет никаких данных о наличии на них какой бы то ни было жизни, не говоря уже о разумной.
Несмотря на большие усилия, предпринятые в поисках внеземных сигналов, мы пока не можем похвастаться успехами. Земля посылает в окружающее пространство радиосигналы уже на протяжении 100 лет, и они за это время распространились на расстояние 100 световых лет от нашей планеты. В принципе разумные существа, проживающие в этом радиусе и обладающие соответствующими технологиями, могли бы нас обнаружить. Разумеется, формы жизни, обитающие в указанном пространстве, могут не обладать разумом или еще не дошли до изобретения радио, но все же тот факт, что никто пока так и не объявился, немного разочаровывает.
Даже если мы обнаружим внеземной разум на сравнительно близком по космическим меркам расстоянии, скажем в пределах 20 световых лет (ближайшая к Солнцу звезда находится от нас в 4 световых годах), нам не удастся далеко продвинуться в общении с ним. При использовании в качестве средства коммуникации радиоволн (а это самый быстрый из всех имеющихся способов) нам придется 40 лет ждать ответа на каждый заданный вопрос. Да к тому же еще надо понять, как вообще наладить общение с внеземным разумом!
Что же касается посещения внеземных цивилизаций, то вопрос об этом вообще не стоит. У нас возникают серьезные технические трудности даже с отправкой людей на Марс, который при удачном взаимном расположении планет находится от нас всего в четырех световых минутах . Считается, что полет пилотируемого корабля на Марс займет шесть месяцев. Вместе с тем расстояние до ближайшей к Солнцу звезды в полмиллиона раз больше. Если мы не придумаем, как превзойти скорость света (наверное, это достижимо, но пока лежит далеко за гранью наших технических возможностей), о полетах на другие звезды можно даже не мечтать.
Мы изолированы, а может быть, и одиноки
То же самое можно сказать и о пришельцах из других миров. Существует много подтвержденных сведений об НЛО, однако в большинстве случаев речь идет об оптическом обмане или действительно о каком-то летательном аппарате, который просто не был опознан. Но перед любым внеземным космическим кораблем встанут те же проблемы с расстоянием, что и перед нами. Поэтому, вероятнее всего, любые сообщения о пришельцах – это либо жульничество, либо самообман, либо ошибка.
Даже сам термин "летающая тарелка" весьма противоречив. Впервые он был использован в 1947 году в газетной заметке о том, что американский пилот Кеннет Арнольд увидел необычный летательный аппарат. Арнольд не говорил о том, что этот аппарат имел форму тарелки. Он лишь рассказывал, что его движение напоминало "прыжки тарелки, запущенной по поверхности воды". Однако это слово было подхвачено газетчиками, а затем ошибочно интерпретировано. С тех пор начались массовые сообщения об обнаружении чужих космических кораблей, имеющих форму тарелки.
Возможно, мы и не одни во Вселенной, но уж, во всяком случае, надежно изолированы на Земле.
И все же мы имеем возможность наблюдать за фотонами, пришедшими к нам из глубин Вселенной от квазаров и далеких галактик, а также от Солнца – источника жизни. Но настало время спуститься на землю, причем в самом прямом смысле. Возможно, после долгого разглядывания звезд у вас уже урчит в желудке. Если ваши глаза устремлены к звездам, то у желудка вполне земные заботы.
5. Путешествие в желудок
Если ваш желудок издает звуки, то, возможно, просто настала пора перекусить, однако это может свидетельствовать и о проблемах с пищеварением. Допустим, изжога – это не самое страшное в жизни, но и приятного тоже мало. Поэтому вы сразу хватаетесь за таблетку, которая на самом деле является вовсе не лекарством, а компонентом простой химической реакции.
Физики изучают, что такое атомы, а химики объясняют нам, как они соединяются друг с другом. Иногда можно услышать, что химия – это наука об электронах, потому что химические реакции обычно включают в себя обмен электронами между внешними слоями атомов различных веществ.
Химия у вас внутри
В желудке человека содержится сильная кислота – соляная. Это одна из тех кислот, на необходимость осторожного обращения с которой вам всегда указывали учителя, так как она может причинить серьезный вред здоровью. Но вашему желудку она необходима. С помощью соляной кислоты съеденная пища расщепляется, чтобы организм мог ее усвоить и выработать энергию. Кроме того, она способствует выведению отходов из организма.
Уровень кислотности в желудке постоянно меняется, и иногда это может вызвать дискомфорт. Порой кислота из желудка попадает в такие места пищеварительного тракта, где ей быть не положено. В качестве примера можно привести так называемый рефлюкс, когда кислота выталкивается из желудка в пищевод. Такие проблемы обычно возникают в результате неправильного режима питания (например, переедания или приема пищи прямо перед сном), хотя порой могут вызываться и физическими причинами вроде грыжи пищеводного отверстия диафрагмы.
Вы хотите как можно быстрее избавиться от неприятных ощущений? Примите антацид. Его действие представляет собой простую химическую реакцию.
Хотя существуют различные виды антацидов, большинство из них содержат соли угольной кислоты, например карбонат кальция или магния. Частью любого карбоната является атом углерода, соединенный с тремя атомами кислорода.
Съешьте кусок камня
Карбонат кальция – очень распространенный минерал. Он придает твердость яичной скорлупе и является главной составляющей частью известняка, мрамора и мела. Таким образом, принимая средство от изжоги, вы фактически едите растолченный камень (правда, я бы не рекомендовал пользоваться такими дешевыми заменителями).
Карбонаты отлично взаимодействуют с кислотами. К сожалению, мы наблюдаем это в случае выпадения кислотных дождей. Сооружения из мрамора и особенно из более мягкого известняка разрушаются буквально на глазах. Скульптуры теряют очертания, а надписи полностью исчезают, из-за чего на могильных плитах порой ничего нельзя прочитать.
Но то, что плохо для камней, полезно для желудка.
Карбонат кальция вступает в реакцию с соляной кислотой. Простейшая химическая реакция заключается в том, что части молекул различных веществ меняются местами. В основе этого явления лежат энергетические причины. Для соединения атомов внутри молекулы всегда необходима энергия, но межатомные связи бывают разными. Если при переходе от одной конфигурации атомов к другой происходит высвобождение энергии, то реакция осуществляется без труда. Это то же самое, что бросить с высоты некий предмет. Не составляет никакого труда скатить валун с вершины к основанию холма, потому что при этом высвобождается потенциальная энергия. Совсем другое дело – закатить валун на вершину, потому что здесь надо вложить массу энергии.
Эксперимент: химия в желудке
Положите в стакан таблетку антацида (выберите самое
простое средство, а не дорогостоящий препарат двойного действия) и добавьте немного уксусной кислоты. Вы увидите, как из таблетки выходят пузырьки. Такая же реакция происходит и у вас в желудке. При этом выделяется углекислый газ. Уксусная кислота намного слабее соляной, поэтому эффект не столь бурный. Если реакция не происходит, то вы, возможно, взяли таблетку, покрытую защитной оболочкой.
Повторите эксперимент, разломив таблетку надвое. Реакция идет более активно. Отчасти это объясняется тем, что вы разрушили защитную оболочку, но причина также и в увеличении площади взаимодействия карбоната с кислотой.
При соединении карбоната кальция и соляной кислоты возникает бурная реакция, которая заканчивается образованием трех молекул. Соляная кислота состоит из одного атома водорода и одного атома хлора. В ходе реакции хлор связывается с кальцием, образуя хлорид кальция, а пары атомов водорода присоединяются к атому кислорода, образуя воду. От молекулы карбоната остается только двуокись углерода, то есть углекислый газ. В результате уровень кислотности снижается и ваш желудок успокаивается (будем надеяться).