Наука Плоского Мира - Терри Пратчетт

Современная Луна всегда обращена к Земле одной и той же стороной — это означает, что период ее обращения вокруг своей оси составляет один месяц, как и время полного оборота вокруг Земли. (Если бы Луна не вращалась, она всегда была бы обращена в одну сторону, но только не по отношению к Земле. Представьте, что кто-нибудь ходит вокруг вас и все время смотрит на север. Тогда вы не будете видеть его лицо в течение всего движения, а сможете рассмотреть его со всех сторон). Но так было не всегда. В течение сотен миллионов лет в результате приливов и отливов скорость вращения как Земли, так и Луны уменьшалась. Равновесие наступило, когда вращение Луны вокруг оси синхронизировалось с ее вращением вокруг Земли. Кроме того, раньше Луна находилась ближе к Земле, но с течение времени все больше и больше отдалялась от нее.

В период с 1600 по 1900 годы три теории происхождения Луны успели набрать популярность и затем выйти из моды. Согласно первой, Луна образовалась вместе с Землей из того же пылевого облака, что и вся Солнечная система — Солнце, планеты, спутники, целый шар из воска… ну или камня, не важно. Как и первые теории происхождения Солнечной системы, эта теория пала жертвой закона сохранения вращательного момента. Если бы Луна действительно образовалась из пылевого облака, скорости вращения как Луны, так и Земли были бы меньше наблюдаемых. (Ранее мы ввели вас в заблуждение, сказав, что теория пылевого облака объясняет происхождение спутников. Это так для большей части спутников, но наша загадочная Луна — исключение. Как видите, это очередная «ложь для детей» — теперь вы готовы к более сложному объяснению).

Вторая теория утверждала, что Луна — это отделившаяся часть Земли, которая, возможно, была выброшена в космос, когда Земля находилась в расплавленном состоянии и вращалась слишком быстро. От этой теории быстро отказались, так как никто не смог найти правдоподобную причину, по которой расплавленная Земля могла отторгнуть нечто, хотя бы отдаленно похожее на Луну — даже после охлаждения.

Наконец, третья теория состояла в том, что Луна возникла в другом месте Солнечной системы и блуждала по космосу, пока не попала под влияние силы притяжения Земли и уже не смогла освободиться. Теория была довольно популярна, несмотря на то, что гравитационный захват — операция чрезвычайно тонкая. Это почти то же самое, что попасть шариком для гольфа в лунку так, чтобы он кружился на ее краю, не падая. Чаще всего шарик либо падает на дно (то есть сталкивается с Землей), либо делает то, с чем любой к собственному ужасу сталкивался любой гольфист: на долю секунды залетает внутрь, а затем вылетает обратно (то есть пролетает мимо планеты без захвата).

Лунные образцы, доставленные кораблями «Аполлон», сделали происхождение Луны еще более загадочным. В некотором отношении горные породы Луны и Земли удивительно похожи друг на друга, но этого все же недостаточно для пересмотра теории о происхождении двух небесных тел из одного пылевого облака. Лунные образцы похожи не на горные породы Земли в целом, а только на ее мантию. Современная теория, предложенная в начале 1980-х, состоит в том, что Луна когда-то была частью Земной мантии. Но отделилась она не из-за вращения Земли. Около четырех миллиардов лет тому назад небесное тело размером с Марс зацепило Землю, в результате чего фрагмент мантии оказался в космосе. Компьютерные расчеты показывают, что при подходящих условиях такой удар может вырвать приличную часть мантии и в некотором смысле размазать ее по окружающему пространству. На это требуется около 13 минут (ну разве не молодцы эти компьютеры?). Впоследствии расплавленная мантия образует кольцо из камней различного размера. Некоторые из них собираются вместе, образуя огромную глыбу, или прото-Луну, к которой затем притягивается большая часть осколков. Оставшиеся осколки некоторое время продолжают движение, но в течение 100 миллионов лет почти все они из-за силы притяжения падают либо на Луну, либо на Землю.

Первые модели, подтверждающие эту теорию происхождения Луны, имели ряд общих недостатков; в частности, для достижения правильного вращательного момента Луны удар должен был произойти достаточно рано по сравнению со временем формирования самой Земли. Если бы это действительно было так, то в результате последующих ударов и на Земле, и на Луне образовались бы значительные запасы железа. Однако на Луне (или в ее недрах) железа очень мало. Более поздние исследования разрешили эту проблему, показав, что подходящий вращательный момент мог быть достигнут и при более позднем столкновении. Но они также предсказывают, что около 80 % небесного тела, столкнувшегося с Землей, должно было стать частью Луны. Так что если Луна близка к Земной мантии, это тело также должно быть на нее похоже.

Это следствие, возможно, ставит под сомнение саму теорию, поскольку изначально именно сходство Лунных образцов с мантией Земли требовало объяснения — именно так возникла гипотеза о происхождении Луны в результате «гигантского столкновения». Любое объяснение сходства между ударившим по Земле объектом и ее мантией, например, «он возник на том же расстоянии от Солнца, что и Земля», подойдет и для объяснения Луны и без вспомогательного небесного тела. Возможно, и Земля, и Луна являются частями большего объекта, отколовшимися после его соударения с чем-то другим.

Поскольку на Земле есть погода — а раньше это была просто «Погода» с большой буквы — эрозия сравняла с землей все ударные кратеры, связанные с этим событием. На Луне же погода отсутствует, поэтому эрозия не разрушает кратеры, и большая их часть сохранилась до наших дней. Наиболее привлекательная сторона этой теории — возможность разом объяснить многие характерные особенности Луны: ее сходство с Земной мантией; тот факт, что 4 миллиарда лет назад ее поверхность, судя по всему, очень быстро нагрелась до высокой температуры; ее кратеры, ее размер, вращение, даже лунные «моря», возникшие в процессе медленного охлаждения прото-Луны. Ранняя Солнечная система отличалась своим агрессивным характером.

Так что неудавшееся солнце Декана могло и в самом деле принести нам пользу… Влияние Луны на жизнь Земных организмов включает, по меньшей мере, два или три фактора. Возможно, на самом деле их насчитывается несколько десятков, просто мы о них не знаем.

Самое очевидное влияние, которое оказывает Луна, — это приливы и отливы, поставившие в тупик волшебников. Как это часто бывает в науке, история о приливах далеко не так проста, как мы могли бы ожидать, полагаясь на свой здравый смысл. Здравый смысл подсказывает нам, что притяжение Луны воздействует на Землю — особенно на ближайшую к ней сторону планеты. Суша на это притяжение практически не реагирует, а вот вода, занимающая более половины поверхности Земли, может образовывать скопления. Такое объяснение — «ложь для детей», оно не соответствует реальному положению дел. Оно заставляет нас думать, будто прилив происходит в любом месте Земли, когда Луна находится точно над ним, или, по крайней мере, в наивысшей точке своей траектории. Это означало бы, что прилив наступает каждый день, точнее, учитывая более сложное движение системы Земля-Луна, каждые 24 часа и 50 минут.

На самом же деле прилив наступает дважды в сутки с интервалом 12 часов и 25 минут, то есть ровно в два раза чаще.

И это еще не все: сила притяжения Луны на поверхности Земли в десять миллионов раз меньше силы притяжения самой Земли, а сила притяжения Солнца — меньше еще раза в два. Даже будучи сложенными вместе, эти силы не в состоянии поднять всю массу воды на высоту до 70 футов (21 метр) — такова максимальная высота прилива на Земле, зарегистрированная в заливе Фанди между Новой Шотландией и Нью-Брансуиком.

Приемлемое объяснение появилось только после того, как Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения и выполнил ряд расчетов. Впоследствии его идеи уточнялись и совершенствовались, но общую картину он описал верно.

Для простоты забудем обо всех небесных телах, кроме Земли и Луны и будем считать, что Земля целиком состоит из воды. «Водяная» Земля вращается вокруг своей оси, поэтому на нее действует центробежная сила, из-за которой вода скапливается в области экватора. Кроме того, на воду действует силы притяжения Луны и самой Земли.

Форма, которую принимает вода при таких воздействиях определяется свойствами жидкости. В обычных условиях поверхность стоячего водоема расположена горизонтально, потому что в противном случае вода с приподнятых участков перетекла бы в более низкие. То же самое происходит и под воздействием дополнительных сил: поверхность воды располагается под прямым углом к направлению результирующей силы.

Если произвести расчеты для трех упомянутых сил, то получится, что вода принимает форму эллипсоида, которая похожа на слегка вытянутую сферу. При этом растяжение направлено в сторону Луны, а центр совпадает с центром Земли. В результате вода скапливается как на стороне, обращенной к Луне, так и на противоположной. Так что притяжение близко расположенной воды со стороны Луны — это только один из факторов, отвечающих за изменение формы. Кстати говоря, движение по большей части происходит не вверх, а в стороны. Эти боковые силы переносят воду в одну часть океана и забирают из другой. Суммарный эффект оказывается почти незаметным — поверхность моря поднимается и опускается на величину 18 дюймов (полметра).