Глава четырнадцатая

Два слова о плотности

Когда я учился в пятом классе, один вредный одноклассник спросил меня: «Что больше весит, пуд железа или пуд пуха?» Нет-нет, я, конечно, не поддался на розыгрыш, но тогда я еще не подозревал, какую важную роль играет плотность в жизни и во Вселенной. Само собой, обычно плотность рассчитывают как отношение массы тела к его объему. Однако бывают и другие разновидности плотности, например сопротивление мозга доводам здравого смысла или количество жителей экзотического острова Манхэттен на квадратный километр.

Мы измерили во Вселенной огромное множество самых разных плотностей. Самые высокие плотности обнаружены внутри пульсаров, где нейтроны упакованы так плотно, что одна щепотка весит как целое стадо в 50 миллионов слонов. А когда фокусник уверяет вас, будто кролик «растворился в воздухе», никто не уточняет, что воздух этот уже содержит свыше 10 000 000 000 000 000 000 000 000 (десяти септиллионов) атомов на кубический метр. Межпланетное пространство куда менее плотно, здесь на кубометр содержится всего около 10 000 000 (десяти миллионов) атомов, а в межзвездном – еще того меньше, всего 500 000 атомов на кубометр. Однако премию за полную ничтожность, пожалуй, следует присудить межгалактическому пространству, где на каждые 10 кубических метров еле-еле удается наскрести с десяток атомов.

Диапазон плотностей во Вселенной охватывает сорок четыре степени десятки. Если классифицировать космические объекты только по плотности, проявятся весьма яркие закономерности. Например, все компактные плотные объекты вроде черных дыр, пульсаров и белых карликов создают сильную гравитацию и собирают вещество на свои поверхности, часто создавая при этом воронкообразный диск. Еще один пример – свойства межзвездного газа. Куда бы мы ни посмотрели, и на Млечном Пути, и во всех других галактиках новенькие звезды возникают именно в газовых облаках самой большой плотности. Пока что мы еще не до конца понимаем, как устроен процесс формирования звезд, однако практически все теории формирования звезд включают изменение плотности газа при коллапсе протозвездных облаков.

* * *

В астрофизике, особенно в физике планет, часто удается прикинуть состав астероида или спутника, зная лишь его плотность. Каким образом? Многие распространенные в солнечной системе ингредиенты обладают плотностями, которые сильно отличаются друг от друга. Если пользоваться как единицей измерения плотностью жидкой воды, то водяной лед, аммиак, метан и углекислый газ – обычные составляющие комет – обладают плотностью меньше 1, каменистые материалы, из которых часто состоят внутренние планеты и астероиды, обладают плотностями от 2 до 5, а железо, никель и некоторые другие металлы, которых много в ядрах планет, а также в астероидах, имеют плотности больше 8. Если средняя плотность объекта попадает куда-то между этими отметками, принято считать, что он состоит из смеси распространенных ингредиентов. Для Земли у нас припасены приемы получше: скорость звуковых волн, которые распространяются в земных недрах, свидетельствует о распределении плотности Земли от центра к поверхности. Самые надежные сейсмические данные дают плотность ядра около 12, а далее плотность понижается и в коре составляет примерно 3. В среднем плотность Земли составляет около 5,5.

В уравнении плотности участвуют сама плотность, масса и объем (размер), поэтому, если удается измерить любые две величины, можно легко вычислить третью. Масса и орбита планеты, которая вращается вокруг звезды 51 Пегаса, похожей на Солнце и видной невооруженным глазом, вычислены непосредственно на основании имеющихся данных. А затем можно выдвинуть гипотезу, что эта планета газовая (едва ли) или каменистая (скорее всего) – и примерно вычислить ее размер.

Когда говорят, что одно вещество тяжелее другого, как правило, имеют в виду не вес, а именно плотность. Например, кто угодно сразу поймет, что простое, однако с научной точки зрения нестрогое утверждение «Железо весит больше пуха» относится именно к плотности, а не к весу. Однако в некоторых весьма существенных случаях такой очевидный вывод приводит к заблуждениям. Густые сливки легче (менее плотные), чем снятое молоко, а все мореходные суда, в том числе «Куин Мэри 2» весом 150 000 тонн, легче (менее плотные), чем вода. Если бы эти утверждения были ложны, сливки и океанские лайнеры тонули бы в жидкостях, на которых они в действительности плавают.

* * *

А вот и еще несколько интересных фактов о плотности.

Горячий воздух поднимается кверху не просто потому, что он горячий, а потому, что он не такой плотный, как окружающий воздух. Подобным же образом можно объявить, что холодный воздух, более плотный, опускается вниз – так и есть, и без этого во Вселенной не было бы конвекции.

Вода в твердом состоянии (ее принято называть льдом) не такая плотная, как жидкая вода. Если бы было верно обратное, то зимой озера и реки промерзали бы насквозь, до самого дна, и вся рыба в них погибала бы. Рыба спасается благодаря тому, что верхний слой менее плотного льда, который плавает по поверхности или покрывает ее целиком, изолирует более теплую воду внизу от холодного зимнего воздуха.

Кстати, о дохлой рыбе, которая, если в аквариуме случится катастрофа, плавает брюхом вверх: да, дохлая рыба на время становится менее плотной, чем ее живые товарки.

Средняя плотность Сатурна меньше плотности воды, и этим он отличается ото всех прочих известных нам планет. То есть если бы вы бросили к себе в ванну ком вещества Сатурна, он бы не утонул. С тех пор, как я это узнал, я мечтаю заполучить себе в ванну вместо желтой резиновой уточки желтый резиновый Сатурн.

Если подкормить черную дыру, ее горизонт событий (граница, из-за которой не может вырваться даже свет) расширяется прямо пропорционально массе, а следовательно, при увеличении массы черной дыры средняя плотность в пределах ее горизонта событий на самом деле уменьшается. Между тем, насколько мы можем судить по уравнениям, вещество черной дыры сжимается в точку почти бесконечной плотности в ее центре.

А теперь настал черед величайшей тайны мироздания: невскрытая жестяная банка диетической пепси-колы плавает в воде, а невскрытая жестяная банка обычной пепси-колы тонет.

* * *

Если удвоить количество стеклянных шариков в коробке, плотность их, само собой, останется прежней, поскольку удвоятся и масса, и объем, а в сочетании это не оказывает никакого воздействия на плотность. Однако во Вселенной есть объекты, сравнение плотности которых с их массой и объемом приводит к неожиданным результатам. Если бы у вас в коробке были мягкие пушистые перышки и вы удвоили их количество, те, что ближе ко дну, оказались бы примяты. Вы удвоили бы массу, но не объем, и в результате общая плотность увеличилась бы. Так ведут себя все сжимаемые тела под воздействием собственного веса. И атмосфера Земли – не исключение: половина всех ее молекул упакована в нижние пять километров у самой поверхности. Астрофизики недолюбливают земную атмосферу, она дурно влияет на качество наблюдательных данных, вот почему вы, наверно, частенько слышите, как мы сбегаем вести исследования высоко в горы, чтобы оставить как можно больше атмосферы внизу.

Атмосфера Земли кончается там, где она смешивается с крайне разреженным газом межпланетного пространства так, что и не отличишь. Обычно эта смешанная область лежит в нескольких тысячах километров над поверхностью Земли. Обратите внимание, что и космический шаттл, и телескоп имени Хаббла, и прочие спутники, которые вращаются по орбите в пределах всего нескольких сотен километров над поверхностью Земли, рано или поздно свалились бы с орбиты из-за сопротивления остатков атмосферного воздуха, если бы периодически их не подпитывали энергией. Однако во время пиков солнечной активности, то есть каждые 11 лет, верхние слои земной атмосферы получают повышенную дозу солнечного излучения и от этого волей-неволей нагреваются и расширяются. В этот период атмосфера может раздаться на лишние полторы тысячи километров в космос, и спутники на ближних орбитах станут тормозиться и снижаться сильнее обычного.

* * *

Пока в лабораториях не научились создавать вакуум, ближе всего к пустоте был просто воздух – ничего другого никто и вообразить не мог. Воздух вместе с землей, огнем и водой входил в число четырех аристотелевых стихий – составляющих всего известного мира. Была, правда, и пятая стихия – ее называли квинтэссенцией, то есть «пятой сущностью». Предполагалось, что эта потусторонняя разреженная стихия, легче воды и эфирнее огня, составляет ткань небес. Очень изысканно.

Искать разреженные среды не обязательно на небесах. Достаточно верхних слоев атмосферы. На уровне моря воздух давит с силой примерно в 1,013 кг на квадратный сантиметр. Так что если вы возьмете малюсенькую формочку для печенья и вырежете из атмосферы столб толщиной в квадратный сантиметр и высотой во всю атмосферу от уровня моря, а потом взвесите этот столб на весах, окажется, что этот столб весит всего 1,013 кило. Для сравнения, колонна воды с сечением в квадратный сантиметр будет весить 1,013 кило при высоте всего чуть больше 10 метров. На горных вершинах и на самолетах высоко в небе эта вырезанная колонна воздуха становится короче и поэтому меньше весит. На вершине Мауна-Кеа, гавайского вулкана высотой в 4200 метров, где обретаются самые мощные телескопы на свете, давление падает до 704 граммов на квадратный сантиметр. Когда астрофизики ведут там наблюдения, они время от времени прикладываются к кислородным баллонам, чтобы сохранить ясность мысли.

Выше 150 километров, где астрофизики не водятся, воздух так разрежен, что молекулы газа пробегают достаточно большие расстояния, прежде чем столкнутся друг с другом. Если между столкновениями в молекулу попадет прилетевшая из космоса частица, молекула на время перейдет в возбужденное состояние и до следующего столкновения будет излучать уникальный спектр. Если попадающие в молекулу частицы – это составляющие солнечного ветра, например протоны и электроны, то в результате излучения получаются колеблющиеся завесы света, которые мы называем северным сиянием. Когда ученые только начали изучать спектр северного сияния, оказалось, что у него нет аналогов, которые можно было получить в лабораторных условиях. И мы так и не могли установить личность сияющих молекул, пока мы не узнали, что во всем виноваты самые обычные молекулы кислорода и азота, просто в возбужденном состоянии. На уровне моря они сталкиваются друг с другом так часто, что избыток энергии поглощается задолго до того, как у молекулы появляется возможность испустить собственный свет.

Загадочный свет порождают отнюдь не только верхние слои земной атмосферы. Астрофизики долго не могли разобраться в некоторых спектральных особенностях короны Солнца. Корона – крайне разреженная – это тот самый прекрасный пылающий ореол вокруг Солнца, который видно во время полного солнечного затмения. Новооткрытую черту приписали еще не открытому элементу, которому дали условное название «короний». И лишь когда мы узнали, что солнечная корона раскалена до миллионов градусов, мы выяснили, что загадочный элемент – это всего-навсего сильно ионизированное железо, просто раньше мы не видели его в таком состоянии, когда большинство электронов из его оболочки вырвались и свободно двигаются в газе.

Разреженными обычно называют именно газы, однако я позволю себе смелость применить его к знаменитому поясу астероидов в Солнечной системе. Из кино и других повествований можно заключить, что это место опасное, где постоянно рискуешь столкнуться лоб в лоб с булыжниками размером с дом. Каков же настоящий рецепт пояса астероидов? Возьмите всего 2,5 % массы Луны (которая сама по себе составляет 1/81 массы Земли), растолките на тысячи обломков разного размера, однако сделайте так, чтобы три четверти всей массы были сосредоточены всего в четырех астероидах. Теперь распределите получившиеся крошки по поясу шириной в 150 миллионов километров, который тянется по траектории длиной примерно в 2,5 миллиарда километров вокруг Солнца.

* * *

Хвосты комет при всей своей скудности и разреженности превышают по плотности окружающую межпланетную среду в тысячу раз. Хвост кометы отражает солнечный свет и испускает поглощенную энергию Солнца – и благодаря этому виден на удивление хорошо, если учесть, что состоит он практически из ничего. Отцом современной науки о кометах по праву считается Фред Уиппл из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики. По его лаконичному выражению, хвост кометы – это максимум, что можно сделать из минимума.

И в самом деле, если весь объем кометного хвоста длиной в 80 миллионов километров сжать до плотности обычного воздуха, весь газ из кометы займет объем куба со стороной меньше километра. Когда в составе комет открыли очень часто упоминаемый в астрономии, однако смертельно ядовитый газ циан (CN), а после этого стало известно, что в 1910 году Земле предстоит пройти сквозь хвост кометы Галлея во время ее очередного визита в Солнечную систему, легковерная публика массово скупала у шарлатанов от фармакологии противокометные пилюли.

Недра Солнца, где генерируется вся термоядерная энергия, – не то место, где можно найти вещество с низкой плотностью. Однако само ядро составляет всего 1 % от объема Солнца. Средняя плотность всего Солнца составляет всего четверть плотности Земли и лишь на 40 % плотнее обычной воды. То есть чайная ложка солнечного вещества утонет у вас в ванне, но не очень быстро. Тем не менее, за ближайшие 5 миллиардов лет ядро Солнца пережжет почти весь свой водород в гелий, а вскоре после этого начнет пережигать гелий в углерод. Яркость Солнца будет при этом увеличиваться в тысячи раз, а температура на поверхности упадет до половины нынешней. Законы физики учат нас, что тело может светиться ярче и при этом остывать только в одном случае – если оно увеличится в размерах. Как мы увидим в части V, в конце концов Солнце раздуется в исполинский шар разреженного газа, который захватит пространство далеко за орбитой Земли, а средняя плотность Солнца упадет при этом меньше чем до одной десятимиллиардной нынешнего значения. Океаны и атмосфера Земли к тому времени, конечно, испарятся в космос, все живое тоже, однако нас это тревожить не должно. Внешняя атмосфера Солнца, пусть и разреженная, будет тормозить движение Земли по орбите и вынудит нас мало-помалу устремиться по спирали к гибели в термоядерном котле.

* * *

Мы уже заглядываем за пределы Солнечной системы в межзвездное пространство. Человечество отправило туда четыре космических аппарата, скорости которых хватит для подобного путешествия: это «Пионер-10», «Пионер-11», «Вояджер-1» и «Вояджер-2». Самый быстрый из них – «Вояджер-2» – примерно за 25 000 лет улетит на расстояние, равное расстоянию до ближайшей к Солнцу звезды.

В межзвездном пространстве, конечно, пусто. Однако там есть газовые облака, столь же броские и заметные вопреки всему, как и хвосты комет: их плотность выше плотности окружающего пространства в 100–1000 раз, и они охотно заявляют о себе в присутствии ярких звезд. И здесь история повторилась: когда ученые только начали исследовать эти красочные туманности, они обнаружили незнакомые узоры в их спектрах. До поры до времени, в качестве метки на этом пробеле в наших познаниях поставили гипотетический элемент «небулий». В конце XIX века стало понятно, что в периодической таблице Менделеева свободного места для этого элемента не осталось. Методы получения разреженных сред в лаборатории постоянно совершенствовались, а незнакомые особенности спектров, как правило, оказывались связаны со знакомыми элементами, так что крепли подозрения, что небулий – это привычный кислород в непривычном состоянии; впоследствии так и оказалось. Что же это было за состояние? Все эти атомы были лишены двух электронов и обретались в практически идеальном вакууме межзвездного пространства.

Если покинуть пределы галактики, почти весь газ, пыль, звезды, планеты и космический мусор останутся позади. Мы очутимся в невообразимой космической пустоте. Поясню на примере, что такое пустота: в кубе межгалактического пространства со стороной в 200 000 километров содержится примерно такое же количество атомов, что и в полезном объеме внутри вашего холодильника. Глубокий космос не просто любит вакуум – он вырезан из него, словно скульптура.

Увы, абсолютного, идеального атома нигде не найдешь и никак не создашь. Как мы видели в части II, среди прочих удивительных прогнозов квантовой механики есть и такой, что подлинный космический вакуум содержит целое море «виртуальных» частиц, которые постоянно то возникают, то исчезают в парах со своими двойниками из антивещества. «Виртуальны» эти частицы потому, что срок их жизни так краток, что их существование не удается непосредственно зарегистрировать. Это явление принято называть «энергией вакуума», и оно способно оказывать антигравитационное давление, которое в конечном итоге и заставляет Вселенную расширяться по экспоненте, все быстрее и быстрее, отчего межгалактический вакуум становится еще более разреженным.

А что же находится еще дальше?

Некоторые метафизики-дилетанты выдвигают гипотезу, что вне Вселенной, где нет пространства, все же есть что-то другое. Это гипотетическое место нулевой плотности можно назвать, например, «ничегошное ничто», хотя именно там мы, конечно, обнаружим сонмы исчезнувших кроликов.