Сохранение энергии - Вселенная - От плоской Земли до квазаров

Вселенная

От плоской Земли до квазаров
Главная


Земля


Солнечная система


Звезды


Галактика


Размеры Галактики


Другие галактики


Возраст Земли


Энергия Солнца


Типы звезд


Эволюция звезд


Взрывы звезд


Эволюция галактик


Удаляющиеся галактики


Наблюдаемая Вселенная


Начало Вселенной


Бомбардировка частицами


Фотоны большой энергии


Радиоастрономия


Окраины Вселенной



Сохранение энергии

В 40-х годах XIX в был твердо установлен новый закон природы, даже еще более всемогущий, чем закон сохранения момента количества движения. Это был закон сохранения энергии. В выведении его участвовали многие ученые, но первым его четко сформулировал в 1847 г. немецкий физик Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (1821 — 1894).
Закон сохранения энергии гласит, что энергия может переноситься из одного места в другое, но не может создаваться из ничего или уничтожаться.
Солнечная система обладает не только огромным запасом момента количества движения, но также и колоссальным запасом энергии. Возникает вопрос: откуда берется эта энергия?
Однако вопрос о происхождении энергии, которой обладает солнечная система, принципиально отличается от вопроса о происхождении ее момента количества движения. Можно просто сказать, что момент количества движения солнечной системы возник при ее образовании (как описывалось в предыдущем разделе), и этим вполне удовлетвориться. Момент количества движения солнечной системы практически не убывает. Он может уменьшиться только в результате взаимодействия с бесконечно удаленными от нас звездами или с невероятно разреженными клочками межзвездного вещества. Но такие процессы отнимали бы или добавляли бы ничтожно мало момента количества движения по сравнению со всем имеющимся в солнечной системе запасом, и их вообще можно не принимать во внимание даже для очень больших периодов. По-видимому, мы с достаточной уверенностью можем предположить, что солнечная система сейчас обладает точно таким же запасом момента количества движения, как, скажем, несколько миллионов лег назад, и таким же, каким она будет обладать через несколько миллионов лет.

Рис. Небулярная гипотеза


С энергией дело обстоит совсем иначе Энергия существует в солнечной системе во многих формах, и одна из этих форм — излучение, которое непрерывно испускается Солнцем. Количество энергии, содержащейся в излучении, поистине колоссально, и буквально вся она стремительно изливается во всех направлениях в бескрайние пространства за пределами солнечной системы. Более того, насколько мы можем судить, обратно не возвращаются даже самые малые доли ее.
Это означает, что общее количество энергии в солнечной системе должно постоянно уменьшаться. И когда-нибудь оно должно настолько приблизиться к нулю, что солнечная система такая, какой мы ее знаем прекратит свое существование. Если обратиться в прошлое, то количество энергии в солнечной системе должно быть все больше и больше по мере того, как мы будем все дальше и дальше уходить назад. Если только мы не примем, что вначале количество энергии было бесконечным (а на это не согласится ни один астроном), то придется признать, что должен был существовать какой-то определенный момент, когда солнечная система возникла с первоначальным запасом энергии, намного превосходящим тот, которым она располагает сейчас.
Первым об этом подумал сам Гельмгольц, он поставил вопрос об источнике энергии, которую Солнце так беззаботно расточает в столь царственных количествах, что ничтожнейшая ее часть, получаемая крохотной Землей на расстоянии в 150 000 000 км, вполне и с огромным избытком покрывает все энергетические нужды человечества.
В XIX в. наиболее обычным для человека способом добывания энергии было сжигание угля. В этом случае тепло и свет получались за счет химической энергии, связывающей атомы. Когда уголь соединялся с кислородом, для поддержания целости получившихся молекул двуокиси углерода требовалось меньше химической энергии, чем для исходных молекул угля и кислорода. Избыток энергии, не нужный больше для связывания атомов, выделялся в виде света и теплоты.
Количество энергии, которую можно получить при соединении определенных масс угля и кислорода, было уже известно, так же как и количество энергии, ежесекундно излучаемой Солнцем. Нетрудно было подсчитать, что если бы вся масса Солнца (величина тоже известная) состояла из угля и кислорода в нужной пропорции, то возникший в результате угольный костер мог бы поддерживать существование Солнца при нынешних темпах его излучения всего лишь 1500 лет.
Известны химические реакции, при которых выделяется больше энергии на единицу массы, чем при горении угля, но ни одна из известных нам реакций не могла бы поддерживать горение Солнца даже на протяжении истории человечества, не говоря уже о доисторических временах. Гельмгольцу пришлось искать какой-то другой источник энергии.

Колоссальным источником энергии является само поле тяготения. Когда метеорное тело врезается в земную атмосферу, двигаясь с огромной скоростью, порожденной тяготением Земли и Солнца, энергия движения превращается в свет и теплоту. Даже частица величиной с булавочную головку способна светиться так, что ее видно с расстояния в несколько сот километров.
Предположим, что метеорные тела постоянно врезаются в Солнце и что энергия их порожденного тяготением движения превращается в излучение. Можно подсчитать, что, если бы такой метеорный дождь имел интенсивность, необходимую для поддержания солнечного излучения на нынешнем уровне, Солнце на протяжении истории человечества не претерпело бы каких-либо видимых изменений. Такая бомбардировка увеличила бы его массу за 300 000 лет всего на 1%.
Эти расчеты казались обнадеживающими, но одно соображение портило всю картину. В результате такой метеорной бомбардировки, которая необходима для поддержания деятельности Солнца, его масса возрастала бы очень медленно, но достаточно для того, чтобы заметно увеличивалось его тяготение. Земля, притягиваемая с каждым годом все сильнее, стала бы двигаться все быстрее и быстрее, так что каждый год был бы на 2 сек короче предыдущего. Это, конечно, очень мало, но астрономы без всякого труда сразу заметили бы такое сокращение года. А раз его обнаружено не было, от теории метеорного дождя пришлось отказаться.
В 1853 г. Гельмгольц обратился к другому предположению. А что, если само Солнце сжимается и его внешние слой, так сказать, падают по направлению к его центру? Энергия этого движения, вызванного тяготением, могла бы преображаться в излучение точно так же, как и энергия падающих метеорных тел, но масса Солнца при этом не менялась бы и продолжительность земного года оставалась бы прежней.
Вопрос: какая скорость сжатия требуется для того, чтобы обеспечить нынешнюю интенсивность солнечного излучения? Ответ весьма незначительная.
Можно было высчитать, что за все 6000 лет истории цивилизации диаметр Солнца уменьшился бы только на 900 км, а это в сравнении с его нынешним диаметром в 1 390 600 км было бы совершенно незаметно. Уменьшение диаметра Солнца за 250 лет, протекших со дня изобретения телескопа до эпохи Гельмгольца, составило бы только 37 км — величину, которую нельзя было бы обнаружить даже с помощью самых точных астрономических инструментов того времени.
Источник солнечной энергии был, таким образом, объяснен вполне приемлемо для той эпохи. К тому же гельмгольцевская гипотеза сжатия прекрасно сочеталась с небулярной гипотезой Лапласа — можно было представить себе, как энергия производилась все то время, пока сжималась первоначальная туманность. А теперешнее сжатие Солнца можно было считать заключительной фазой общего сжатия туманности.
Более того, предположив, что энергия на протяжении всего этого периода сжатия излучалась в тех же количествах, что и теперь, можно было вычислить, когда именно первоначальная туманность достигала той или иной степени сжатия по мере своего превращения в нынешнее относительно небольшое и раскаленное Солнце.
Например, 18 000 000 лет тому назад первоначальная туманность имела бы диаметр примерно в 300 000 000 км и этот огромный шар занимал бы пространство, включавшее нынешнюю орбиту Земли. Именно 18 000 000 лет назад (согласно гипотезе Лапласа) от нее и должно было отделиться то кольцо, которое затем сгустилось в Землю. Следовательно, возраст Земли не мог превышать 18 000 000 лет.
Согласно такому ходу рассуждений, планеты, расположенные к Солнцу ближе, чем Земля (Венера и Меркурий), образовались заметно позже, а Марс, Юпитер и т.д. — раньше. Продолжительность же всей жизни солнечной системы, начиная с возникновения туманности, могла составлять несколько сот миллионов лет.

 
< Пред.   След. >