Здесь мы подходим к ошибке настолько распространенной, что с ней необходимо разобраться раз и навсегда. Многие полагают, что астронавты ничего не весят, потому что находятся далеко от Земли и до них не доходит ее гравитация. Нет-нет-нет! Космическая станция находится совсем недалеко от Земли, ближе, чем Дублин от Лондона, и гравитация Земли действует на нее почти так же сильно, как и на уровне моря. Нет, астронавты ничего не весят в том смысле, что если они встанут на весы, те покажут, что их вес равен нулю. И астронавт, и весы свободно парят внутри станции, поэтому тело астронавта не оказывает на весы никакого давления. Поэтому вес астронавта равен нулю.
Астронавт и весы, космическая станция и все, что в ней находится, парят в невесомости, потому что находятся в состоянии свободного падения. Они постоянно падают. Падают вокруг света. Сила гравитации действует на них по-прежнему, притягивает к центру Земли. Но одновременно они мчатся вокруг планеты на огромной скорости, так быстро, что каждый раз, когда падают на Землю, промахиваются. Это и означает, что они на орбите. Космическая станция на орбите парит совсем по другой причине, чем воздушный шар в состоянии аэродинамического равновесия. Воздушный шар поддерживается давлением окружающего воздуха. Поэтому воздушные шары не падают. А астронавты на орбите, наоборот, падают. Непрерывно. Луна все время падает – причем уже более четырех миллиардов лет. Падает вокруг света, падает на вечной орбите.
Невесомы ли аэронавты на воздушном шаре? Конечно, нет. Они прочно стоят ногами на полу корзины и не проявляют склонности плавно вылететь из нее, как будто астронавты на орбите. Если бы их взвесили на весах в корзине, весы показали бы их полный вес. Таким образом, настоящая невесомость для нас – последний способ преодолеть гравитацию. Невесомости можно достичь только благодаря последним достижениям научно-технического прогресса. Но постойте! Разве это правда, строго говоря? Давайте подумаем об этом с другой стороны.
Первым астронавтом на орбите был Юрий Гагарин. Он полетел в космос в 1961 году. США, стремясь поспеть за Советским Союзом, запустили в космос Алана Шепарда в том же году. Он не вышел на орбиту, а совершил, в сущности, очень высокий прыжок в высоту – больше 180 километров – ив конце концов плюхнулся обратно в Атлантический океан. Во время фазы ускорения Шепард был далеко не в невесомости. Если бы он тогда встал на весы, те показали бы в 6,3 раза больше его нормального веса.
Он на самом деле был в 6,3 раза тяжелее. Однако после того, как ракетные двигатели отключились, то есть основную часть подъема и почти весь спуск, пока не раскрылись парашюты, астронавт и его капсула были в состоянии свободного падения. И если бы он взял с собой весы, они бы на протяжении большей части этого поразительного прыжка показывали бы, что его вес равен нулю.
Теперь вернемся к вопросу, достигали ли невесомости другие животные, кроме людей. Предварительный ответ – нет, поскольку в ходе эволюции ни у кого не возник ракетный двигатель, позволяющий развить первую космическую скорость. Мы только что видели, что Алан Шепард, в отличие от Юрия Гагарина, не достиг первой космической скорости. Тем не менее оба испытали невесомость. А теперь вспомним о лучшей прыгунье на свете – блохе – и зададимся вопросом, чем она отличается от Алана Шепарда. В отсутствие ракетного двигателя блохе приходится задействовать мышцы.
Кстати, интересный вопрос, имеющий лишь косвенное отношение к нашей теме: мышцы не могут двигаться достаточно быстро, чтобы обеспечить такое внезапное взрывное ускорение, которое нужно, чтобы прыгнуть высоко, как блоха. Энергия блошиных мышц (неизбежно медленных) запасается в упругой пружине. Принцип здесь тот же, что и у рогатки, лука или арбалета. Рогатка способна запустить камень со скоростью намного большей, чем давали бы одни лишь мышцы руки, которые натягивают резинку. Натянутая резинка запасает энергию мышц. Блохи, как и другие прыгающие насекомые, например кузнечики, снабжены восхитительным эластичным материалом под названием резилин. Это эквивалент резинки в рогатке, но лучше, поскольку он суперэластичен. Мышцы блохи “заряжают” резилин, и на это нужно время. Затем запасенная упругая энергия резко высвобождается сразу в обеих ножках, и блоха прыгает высоко в воздух.
Согласно математической теории, абсолютная высота, на которую способно прыгнуть насекомое, никак не связана с его размером. На практике, разумеется, наблюдается колоссальное разнообразие, поскольку одни животные, скажем, блохи и кенгуру (и олимпийские прыгуны в высоту), специализируются на прыжках, а другие, к примеру, слоны и бегемоты (и я) этого не делают. Блоха прыгает на 20 сантиметров в высоту, что не слишком отличается от прыжка обычного человека на месте из положения стоя. Однако пропорционально размерам тела блохи этот прыжок – примерно то же самое, что для человека перепрыгнуть Эйфелеву башню. Другой пример чемпионов-прыгунов – пауки-скакунчики, очаровательные крошки, которые, чтобы подпрыгнуть, резко закачивают жидкость в свои полые лапы. Паук-скакунчик крупнее блохи, а прыгает примерно на такую же высоту, следуя правилу, что абсолютная высота прыжка не зависит от размеров.
ГИГАНТСКИЙ ПРЫЖОК АЛАНА ШЕПАРДА
И прыжок блохи – гораздо ниже, но не менее восхитительный.
Обе траектории – параболы, но с осложняющими факторами.
Теоретически, если пренебречь осложняющими факторами вроде сопротивления воздуха, траектория блохи, как и траектория паука-скакунчика, должна представлять собой изящную кривую, которую математики зовут параболой. Траектория Алана Шепарда – это просто увеличенная версия параболы блошиного прыжка с тем лишь уточнением, что во время первой части подъема его активно толкали вверх двигатели. А работа блошиного двигателя прекращается в тот миг, когда насекомое отрывается от земли. Кроме того, траектория Шепарда осложнялась различными маневрами, которыми он управлял вручную при помощи тормозной двигательной установки, а в конце еще и парашюта.
В научной среде принято по-дружески подшучивать над привычкой физиков-теоретиков (совершенно разумной) излишне упрощать реальность ради облегчения вычислений – мол, они решают все задачи “для сферического коня в вакууме”. Давайте поймем эту шутку буквально и с радостью пренебрежем всеми осложняющими факторами и для блохи, и для Шепарда. Оба описали изящную параболу. Разница лишь в том, что прыжок блохи в высоту достиг 20 сантиметров, а прыжок астронавта – 186 километров; блоху запустила в воздух мышечная энергия, запасенная в резилине, а астронавта – ракетный двигатель. Оба ощутили невесомость: блоха – меньше чем на секунду, астронавт – на несколько минут. Теперь представьте себе, что блоха сидит на крошечных весах. Трудно представить себе весы, подходящие блохе по размеру, но мы как физики имеем полное право на такие допущения. И блоха, и весы, на которых она сидит, в свободном падении (снова пренебрежем сопротивлением воздуха и прочими осложнениями) будут весить ровно столько же, сколько астронавт в том же состоянии: нуль.
Теперь введем в нашу теоретическую волшебную сказку Гагарина на современной космической станции. Невесомость Гагарина на орбите ничем не отличается от невесомости Шепарда или блохи. Это касается не только спуска, когда они очевидно падали. На самом деле блоха, едва оторвавшись от земли, начинает падать, но движется вверх. Как только ракетные двигатели Алана Шепарда перестали толкать его вверх, он начал падать (опять же вверх). И стал невесомым. Невесомость Гагарина просто продлилась дольше. А невесомость астронавта на космической станции длится еще дольше. А невесомость Луны длится вот уже миллиарды лет. Итак, мы делаем вывод, что астронавты – не единственные живые существа, которые преодолели гравитацию, буквально став невесомыми. Как поется в песне: “Это под силу даже ученой блохе”[12].
