Увлекательно о космосе. Межпланетные путешествия

Глава 4

Можно ли ослабить земную тяжесть?

Если несбыточны надежды укрыться от силы тяжести, то, быть может, существуют способы хотя бы ослабить тяжесть на земной поверхности?

Казалось бы, закон тяготения не допускает подобной возможности даже в теории: сила притяжения зависит ведь от массы земного шара, уменьшить которую мы не в состоянии. Однако это не так. Речь идет о напряжении тяжести на поверхности нашей планеты, а оно, как известно, зависит не от одной лишь массы, но и от расстояния до центра земного шара, то есть от величины земного радиуса. Если бы мы могли разрыхлить земной шар настолько, чтобы, увеличившись в объеме, он приобрел радиус, например, вдвое больше, чем теперь, то напряжение тяжести на поверхности такого шара стало бы вчетверо меньше. В самом деле, находясь на поверхности Земли, мы были бы вдвое дальше от притягивающего центра (шарообразные тела притягиваются так, словно вся их масса сосредоточена в центре). Выгода от подобного переустройства обитаемой нами планеты получилась бы еще и та, что поверхность земного шара увеличилась бы в четыре раза. Людям жилось бы на Земле буквально вчетверо «свободнее» и вчетверо «легче»…

Разумеется, современная и даже будущая техника не в состоянии осуществить ничего подобного.

Механика указывает и другой путь к ослаблению земной тяжести. Он состоит в том, чтобы ускорить быстроту вращения Земли вокруг оси. Уже и теперь центробежный эффект вращения земного шара уменьшает вес каждого тела на экваторе на ?90 долю. В соединении с другой причиной (вздутием земного шара у экватора) вращение Земли действует так, что все тела на экваторе весят на 0,5 % меньше, чем близ полюсов. Паровоз, весящий в Москве 60 т, становится по прибытии в Архангельск на 60 кг тяжелее, а в Одессу – на столько же легче. Партия угля в 5000 т, доставленная со Шпицбергена в экваториальный порт, уменьшилась бы в весе на 20 т, если бы приемщику пришла фантазия принять груз, пользуясь пружинными весами, выверенными на Шпицбергене. Линкор, весящий в Архангельске 20 000 т, становится по прибытии в экваториальные воды легче на 80 т; но это, конечно, неощутительно, так как соответственно легче делаются и все другие тела, не исключая и воду в океане. Разницу веса похищает главным образом центробежный эффект: на экваторе он несколько больше, чем в удаленных от него широтах, где точки земной поверхности при вращении Земли описывают гораздо меньшие круги.

Нетрудно доказать, что если бы Земля вращалась в 17 раз быстрее, чем теперь, то центробежный эффект на экваторе увеличился бы в 17 ? 17, то есть почти в 290 раз. Вспомнив, что теперь центробежный эффект похищает у тел как раз ?90 долю их веса, вы поймете, что на экваторе столь быстро вращающейся Земли тела совсем не имели бы веса. Стоило бы тогда лишь достичь экватора, чтобы, слегка оттолкнувшись там, ринуться в мировое пространство. Задача звездоплавания разрешалась бы крайне просто. А если бы Земля вращалась еще быстрее, мы сделались бы небесными странниками поневоле, так как инерция при вращении сама отбросила бы нас в бездонную глубь неба. Людям приходилось бы задумываться уже над проблемой земных, а не межпланетных странствований…

Но мы чересчур далеко забрели в область фантазии. Все сказанное лежит, конечно, за гранью достижимого. Если бы в наших силах и была возможность ускорить вращение земного шара, то, вертясь достаточно быстро, Земля расплющилась бы (в плоскости своего экватора), а быть может, даже еще ранее разлетелась бы на части, как чересчур быстро заверченный жернов. Возможность путешествовать в межзвездных пространствах приобретена была бы слишком дорогой ценой…

Глава 5

Вопреки тяжести – на волнах света

Из трех мыслимых способов борьбы с тяготением мы рассмотрели и отвергли два: способ защиты от тяготения и способ ослабления земной тяжести. Ни тот ни другой не дают надежды успешно разрешить заманчивую проблему межпланетных перелетов. Бесплодны всякие попытки укрыться от силы тяготения; безнадежно стремление ослабить напряжение тяжести. Остается одно: вступить с тяготением в борьбу, искать средство преодолеть его и покинуть нашу планету вопреки притяжению.

Проектов подобного рода существует несколько. Они, без сомнения, интереснее всех других, так как их авторы не измышляют фантастических веществ вроде «экрана тяготения», не предлагают переделать земной шар или изменить скорость его вращения.

Один из проектов рассматриваемой категории предлагает воспользоваться для межпланетных перелетов давлением световых лучей. Лицам, мало знакомым с физикой, должно казаться невероятным, что нежные лучи света оказывают давление на озаряемые ими предметы. Между тем одной из величайших заслуг нашего гениального физика П.Н. Лебедева было то, что он на опыте обнаружил и измерил отталкивающую силу лучей света.

Всякое светящееся тело, будь то свеча на вашем столе, электрическая лампа, раскаленное Солнце или даже темное тело, испускающее невидимые лучи, давит своими лучами на озаряемые тела. П.Н. Лебедеву удалось измерить силу давления, оказываемого солнечными лучами на освещаемые ими земные предметы: в мерах веса она составляет около ? мг для площади в квадратный метр. Если умножить ? мг на площадь большого круга земного шара, мы получим для давления солнечных лучей на Землю весьма внушительный итог: около 60 000 т.

Такова величина силы, с которой Солнце давлением своих лучей постоянно отталкивает нашу планету. Сама по себе взятая, сила эта велика. Но если сравнить ее с величиною солнечного притяжения, то окажется, что отталкивание в 60 000 т не может иметь заметного влияния на движение земного шара: сила эта в 60 биллионов раз слабее солнечного притяжения. Далекий Сириус, от которого свет странствует к нам 8 лет, притягивает Землю с гораздо большей силою – 10 000 000 т, а планета наша словно не чувствует этого. Не забудем, что 60 000 т – это вес только одного большого океанского парохода. (Вычислено, что под давлением солнечных лучей земной шар должен удаляться от Солнца на 2? мм в год.)

Однако чем тело меньше, тем большую долю силы притяжения составляет световое давление. Вы поймете, почему это, если вспомните, что притяжение пропорционально массе тела, световое же давление пропорционально его поверхности. Уменьшите мысленно земной шар так, чтобы поперечник его стал вдвое меньше. Объем, а с ним и масса Земли уменьшается в 2 ? 2 ? 2 = 8 раз, поверхность же уменьшится лишь в 2 ? 2 = 4 раза; значит, притяжение ослабнет в 8 раз, пропорционально уменьшению массы; световое же давление уменьшится соответственно поверхности, то есть всего лишь в 4 раза. Вы видите, что притяжение ослабело заметнее, чем световое давление. Уменьшите Землю еще вдвое – получится снова выгода в пользу светового давления.

Если будете продолжать и далее это неравное состязание кубов с квадратами, то неизбежно дойдете до таких мелких частиц, для которых световое давление наконец сравняется с притяжением. Подобная частица не будет уже приближаться к Солнцу – притяжение уничтожится равным отталкиванием. Вычислено, что для шарика плотности воды это должно иметь место в том случае, если поперечник его немного менее тысячной доли миллиметра.

Ясно, что если подобный шарик будет еще меньше, то световое отталкивание превзойдет силу притяжения и крупинка будет уже стремиться не к Солнцу, а от Солнца. Чем крупинка меньше, тем сильнее должна она отталкиваться от Солнца. Перевес светового давления над тяготением, конечно, выражается ничтожной величиной, но ведь и ничтожность относительна. Масса пылинки, которую эта сила движет, также чрезвычайно мала; и мы не должны удивляться тому, что маленькая сила сообщает весьма маленькой массе огромную скорость – в десятки, сотни и тысячи километров в секунду…[6 - «Однако закон обратной пропорциональности радиусу не имеет больше силы, когда радиус становится слишком малым в сравнении с длиной волны отталкивающих световых лучей: при некотором радиусе, близком к 0,0001 мм, отношение давления к притяжению начинает быстро уменьшаться» (Пойнтинг).]

Как читатель узнает позже, достаточно сообщить телу секундную скорость около 11 км, чтобы отослать его с земной поверхности в мировое пространство, а при начальной скорости в 17 км/с тело сможет свободно странствовать по планетной системе. Значит, если ничтожная земная пылинка очутится почему-либо за пределами атмосферы, она будет подхвачена там световым давлением и увлечется им в мировое пространство, навсегда покинув породившую ее Землю. Она будет мчаться с возрастающей скоростью все далее и далее к окраинам нашей планетной системы, пересекая орбиты Марса, астероидов, Юпитера, и через каких-нибудь полторы декады будет уже у крайней границы нашей Солнечной системы.

Два американских ученых Никольс и Гулл, изучавшие световое давление одновременно с П.Н. Лебедевым, произвели следующий чрезвычайно поучительный опыт. В абсолютно пустую стеклянную трубку, имеющую перехват, как в песочных часах (рис. 8), они насыпали смесь прокаленных грибных спор и наждачного порошка. Прокаленные и, следовательно, превращенные в уголь споры необычайно малы и легки; они имеют не более 0,002 мм в поперечнике и в 10 раз легче воды. Поэтому если направить на них сильный свет, сосредоточенный с помощью зажигательного стекла[7 - Сосредоточенный пучок лучей, естественно, должен оказывать более сильное давление, нежели обыкновенный.], то можно ожидать, что пылинки будут отталкиваться световыми лучами. Так и происходило в опыте: когда смесь пересыпалась сквозь шейку перехвата, то направленный сюда свет (вольтовой дуги) отталкивал угольные пылинки, между тем как более тяжелые частицы наждачного порошка падали отвесно.

Загадочная особенность кометных хвостов, словно отталкиваемых Солнцем, по всей вероятности, объясняется именно лучевым давлением.

Рис. 8. Опыт Никольса и Гулла, обнаруживающий давление световых лучей

Об этом догадывался гениальный Кеплер, законодатель планетной системы, писавший три века назад следующие строки в своем трактате о кометах:

«По натуре всех вещей полагаю, что когда материя в пространстве Вселенной извержена бывает и сия пропускающая свет голова кометы прямыми лучами Солнца ударяется и пронизывается, то из внутренней материи кометы нечто им следует и тою же дорогою исходит, которой солнечные лучи пробивают и тело кометы освещают… Указание на причину, что из материи кометного тела нечто непрерывно изгоняется солнечными лучами силою оных, подал мне хвост кометы, о коем известно, что он всегда удаляется в сторону, противоположную Солнцу, и лучами Солнца формируется… Итак, нимало не сомневайся, читатель, что хвосты комет образуются Солнцем из материи, из головы изгнанной».

Рис. 9. Фантастическое путешествие давлением световых лучей

Не может ли и человек воспользоваться тою же силою для межпланетных путешествий? Для этого не надо было бы непременно уменьшаться до микроскопических размеров; достаточно устроить аппарат с таким же выгодным отношением поверхности и массы, как у мельчайших пылинок, отталкиваемых лучами Солнца. Другими словами, поверхность аппарата должна быть во столько же раз больше поверхности пылинки, во сколько раз вес снаряда больше веса этой пылинки.

Автор одного астрономического романа перенес своих героев на другие планеты именно в подобном аппарате. Его герои соорудили каюту из легчайшего материала, снабженную огромным, но легким зеркалом, которое можно было поворачивать наподобие паруса. Помещая зеркало под различными углами к солнечным лучам, пассажиры небесного корабля, смотря по желанию, либо ослабляли отталкивающее действие света, либо же сводили его на нет, всецело отдаваясь притягательной силе. Они плавали взад и вперед по океану Вселенной, посещая одну планету за другой. В романе все выходит правдоподобно и заманчиво. Но точный расчет разрушает эту мечту, не оставляя надежды на осуществление подобного проекта. Ведь зеркало площадью в 1 кв. м должно обладать массою не менее килограмма; мы хотим, чтобы под действием светового давления оно приобрело скорость, дающую ему возможность свободно странствовать в Солнечной системе, то есть – как узнаем далее – 17 км/с. Легко рассчитать, что такая скорость может накопиться под действием светового давления только в… 130 лет!

Правда, изготовив зеркало из легчайшего металла – лития, при толщине 0,1 мм, мы имели бы на квадратный метр его массу только в 50 г. Срок накопления космической скорости для такого зеркала (но не для увлекаемого им аппарата!) сокращается в 20 раз. Практически это, однако, не меняет дела: ясно, что при подобных темпах изменения скорости маневрирование космическим кораблем невозможно. К тому же не надо упускать из виду, что световое давление должно двигать, кроме зеркала, также и весь соединенный с ним аппарат, пассажиров и груз.

Использовать световое давление можно было бы, пожалуй, лишь для перемещения так называемой внеземной станции, о которой речь будет у нас впереди (см. далее главу «Искусственная луна. Внеземная станция»).

Столь же безнадежно обстоит вопрос с проектом применить для этой цели радиоволны, посылаемые с Земли в мировое пространство. Во-первых, за внешние пределы земной атмосферы может пробиться в лучшем случае только незначительная часть посылаемых электромагнитных лучей (см. Приложение 11). Если для движения звездолета оказывается недостаточной механическая энергия солнечного излучения, то что сказать об излучении земных радиостанций? Что же касается управления межпланетным кораблем по радио, то и об этом тоже говорить не приходится, потому что такое управление возможно было бы лишь в случае, если бы корабль имел в себе механизм для движения в безвоздушном пространстве, а в этом ведь и вся задача.

Глава 6

Из пушки на Луну. Теория

Небесные силы отказали нам в помощи. Остается рассчитывать лишь на могущество человеческой техники, преодолевшей уже немало природных препятствий. Найдем ли мы в ней орудие достаточно могучее, чтобы разорвать оковы тяжести и ринуться в простор мироздания для исследования иных миров?

Надо было обладать оригинальным умом Жюля Верна, чтобы в смертоносном орудии – в пушке – усмотреть средство «вознестись живым на небо». Большинство людей не отдает себе отчета в том, что с механической точки зрения пушка – самая мощная из всех машин, созданных до сих пор человеческой изобретательностью. Пороховые газы, образующиеся в канале орудия при выстреле, оказывают на снаряд давление в 2000–3000 кг на квадратный сантиметр: это в несколько раз превышает чудовищное давление водных масс в глубочайших пучинах океана. Чтобы оценить работоспособность современной пушки в единицах мощности, то есть в лошадиных силах, рассмотрим 40-сантиметровое орудие, выбрасывающее снаряд в 600 кг со скоростью 900 м/с. «Живая сила» такого снаряда – полупроизведение массы на квадрат скорости – составляет около 24 000 000 кгм. Если принять во внимание, что столь огромный запас работы развивается в течение небольшой доли секунды – в данном случае 30-й, – то окажется, что секундная работа, выполняемая пушкой, то есть ее мощность, определяется числом 10 000 000 л. с. Между тем мощность машин величайшего океанского парохода[8 - «Куин Мэри» («Королева Мария»).] только 200 000 л. с.; понадобилось бы полсотни двигателей подобного исполина, чтобы выполнить механическую работу, совершаемую пороховыми газами орудия в течение секунды.

Не без основания, как видим, предлагал французский романист именно с помощью пушки разрешить проблему заатмосферных полетов. В своих романах он оставил нам самый популярный проект межпланетных путешествий. Кто в юности не путешествовал с его героями на Луну внутри пушечного ядра?

Остроумная идея, разработанная романистом в двух произведениях – «От Земли до Луны» и «Вокруг Луны»[9 - Имеется русский перевод под редакцией и с примечаниями Я.И. Перельмана.], заслуживает большего внимания, чем то, которое обычно ей уделяется. Увлекшись фабулой произведения, читатели склонны превратно оценивать его основную мысль, считая ее фантастичной там, где она реальна, и осуществимой там, где она несбыточна. Рассмотрим же поближе проект Жюля Верна как техническую идею.

Признаюсь, не без волнения приступаю я к строгому разбору пленительных повестей увлекательного романиста. За десятки лет, прошедших со времени появления (1865–1870 гг.) этих произведений, увенчанных премией Академии, они успели стать любимым чтением молодежи всех стран. В годы моей юности они зажгли во мне впервые живой интерес к астрономии; не сомневаюсь, что тем же обязаны им и многие тысячи других читателей. И если я решаюсь вонзить анатомический нож в поэтическое создание романиста, то утешаю себя мыслью, что следую лишь примеру его даровитого соотечественника, известного физика Шарля Гильома[10 - См. последнюю главу его Initation ? la Mеchanique (есть русский перевод под заглавием «Введение в механику»).].

Рис. 10. Проект Жюля Верна. «Снаряд будет представлять собою алюминиевую гранату…»

Вы имеете превратное представление о науке, если думаете, что она безжалостно подсекает крылья воображению и обрекает нас пресмыкаться в обыденности повседневной жизни. Бесплодной Сахарой было бы поле научных исследований, если бы ученые не прибегали к услугам воображения, не умели отвлекаться от мира видимого, чтобы создавать мысленные, неосязаемые образы. Ни одного шага не делает наука без воображения; она постоянно питается плодами фантазии, но фантазии научной, рисующей воображаемые образы со всею возможною отчетливостью.

Научный разбор романа Жюля Верна не есть поэтому столкновение действительности с фантазией. Нет, это соперничество двух родов воображения – научного и ненаучного. И победа остается за наукой вовсе не потому, что романист слишком много фантазировал. Напротив, он фантазировал недостаточно, не достроил до конца своих мысленных образов. Созданная им фантастическая картина межпланетного путешествия страдает недоделанностью. Нам придется восполнить эти недостающие подробности, и не наша вина, если упущенные черты существенно изменяют всю картину.

Надо ли пересказывать содержание романа, который у всех в памяти? Напомню лишь вкратце, словами самого Жюля Верна, главнейшие из интересующих нас обстоятельств.

В 186… году весь мир был в высшей степени взволнован одним научным опытом, первым и совершенно оригинальным в летописях науки. Члены Пушечного клуба, основанного артиллеристами в Балтиморе после американской войны[11 - Северных и южных штатов.], вздумали войти в сношение с Луной, – да, с Луной, – послав в нее снаряд. Их председатель, Барбикен, инициатор предприятия, посоветовавшись с астрономами Кэмбриджской (в Сев. Америке) обсерватории, принял все необходимые меры, чтобы обеспечить это необыкновенное предприятие.

Согласно указаниям, данным членами обсерватории, пушка, из которой будет сделан выстрел, должна быть установлена в стране, расположенной между 0 и 28° северной или южной широты, чтобы можно было навести ее на Луну в зените. Снаряду должна быть дана первоначальная скорость в 16 тысяч метров в секунду. Выпущенный 1 декабря в десять часов сорок секунд вечера, он должен достичь цели через четыре дня после своего отправления, 5 декабря ровно в полночь, в тот самый момент, когда Луна будет находиться в своем перигее, т. е. в ближайшем расстоянии от Земли.

Решено было, что 1) снаряд будет представлять собою алюминиевую гранату диаметром в 275 см, со стенками толщиной в 30 см и будет весить 9 т; 2) пушка будет чугунная, длиною 275 м, и будет вылита прямо в земле; 3) на заряд будет взято 107 т пироксилина, который, развив под снарядом шесть миллиардов литров газа, легко добросит его до ночного светила.

Когда эти вопросы были разрешены, председатель клуба, Барбикен, выбрал место, где после чудовищной работы была вполне успешно отлита эта колумбиада (пушка).

В таком положении находились дела, когда случилось событие, во сто раз увеличившее интерес, возбужденный этим великим предприятием.

Один француз, фантаст-парижанин, умный и отважный, попросил заключить его в снаряд, так как он хочет попасть на Луну и познакомиться с земным спутником[12 - В романе он фигурирует под именем Ардана – прозрачный псевдоним известного французского аэронавта и фотографа Надара (Феликса Турнашона), который и послужил прообразом этого персонажа.]. Он помирил председателя Барбикена с его смертельным врагом, капитаном Николаем, и в залог примирения уговорил их отправиться вместе с ним в снаряде. Предложение было принято. Изменили форму снаряда. Теперь он стал цилиндроконическим. Этот род воздушного вагона снабдили сильными пружинами и легко разбирающимися перегородками, которые должны были ослабить силу толчка при выстреле. Захватили съестных припасов на год и воды на несколько месяцев, газа на несколько дней. Особый автоматический аппарат изготовлял и доставлял воздух, необходимый для дыхания трем путешественникам.

1 декабря в назначенный час, в присутствии необычайного скопления зрителей, начался полет, – и в первый раз три человеческих существа, покинув земной шар, понеслись в мировое пространство с полной уверенностью, что достигнут своей цели.

Прежде всего нам предстоит обсудить, конечно, вопрос о том, насколько реальна самая идея закинуть пушечное ядро на Луну. Мысль о возможности бросить тело с такой скоростью, которая навсегда унесла бы его с Земли, кажется многим совершенно нелепой. Большинство людей привыкло думать, что всякое брошенное тело непременно должно упасть обратно. Таким людям идея Жюля Верна о посылке ядра на Луну представляется абсурдной и беспочвенной. Мыслимо ли, в самом деле, сообщить земному телу такую скорость, чтобы оно безвозвратно покинуло нашу планету? Механика дает на этот вопрос безусловно положительный ответ.

Предоставим слово Ньютону. В своих «Математических началах физики», фундаменте современной механики и астрономии, он писал (кн. I, отд. I, определение V):