20 век глазами писателей-фантастов.
статья по физике (7, 8, 9 класс) по теме

20 век глазами писателей-фантастов.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                

Перспектива полетов в космос волновала людей задолго до того, как эти полёты стали возможны. Мысли о невесомости, о преодолении земного притяжения будоражили                                             умы не только учёных, но и писателей-фантастов…

Первым человеком, испытавшим состояние невесомости в свободном полёте, был, как известно, Юрий Гагарин. 12 апреля 1961 года – дата его исторического полёта – знаменует начало новой эры – космической.

Что такое невесомость, сейчас знает каждый, но ещё в середине двадцатого века это было понятие умозрительное, существовавшее лишь в теории, интересное узкому кругу специалистов. К примеру, во втором издании БСЭ термин «невесомость» отсутствует (том 29 на букву «Н» вышел в свет в 1954 году, за три года до запуска в СССР первого искусственного спутника Земли). Между тем эффект исчезновения тяжести фантасты предвидели  с давних пор. Едва ли не впервые он был предугадан в фантастической книге «Сон, или Астрономия Луны», изданной на латинском языке в городе Франкфурт-на-Майне в 1633 году. Автор этого сочинения  - немецкий астроном Иоганн Кеплер (1573-1630), убеждённый последователь Коперника, открывший три фундаментальных закона движения планет вокруг солнца. Он написал свой «Сон», ещё совсем молодым, продолжал над ним долго работать, но так и не успел напечатать. Рукопись, найденная в бумагах учёного, была опубликована его сыном.

Фантастический рассказ о полёте на луну ученика Тихо Браге, юного астронома по имени Дуракотус, сопровождается обширными комментариями, которые в несколько раз превышают по объёму описание самого путешествия и жизнь героя на Луне. Из этого произведения видно, что Кеплер, пусть и в наивной форме, сумел предусмотреть  «перегрузки» человеческого организма при старте, состояние невесомости во время полёта (правда, лишь на одном небольшом отрезке) и амортизацию от удара при спуске на Луну.

Позднее Исаак Ньютон в своём главном труде «Математические начала натуральной философии» (1687), опираясь на законы движения планет, открытые Кеплером, разработал основы небесной механики. Это и позволило определить скорости, необходимые для превращения снаряда в искусственный спутник Земли, для полёта в пределах Солнечной системы и выхода в бесконечное пространство Вселенной (первая, вторая и третья космические скорости).

По прошествии двух с половиной столетий после появления кеплеровского «Сна», Жюль Верн подарил читателям свою знаменитую  лунную дилогию – «С Земли на Луну»(1865 г.) и «Вокруг Луны»(1870 г.).

Пока что ограничимся разговором о невесомости . В «нейтральной точке», по мнению писателя, повторившего гипотезу Кеплера, оба притяжения – лунное и земное – должны взаимно уравновеситься. Вследствие этого «вагон-снаряд» должен потерять всякий вес. Произойдёт это из-за различия масс обеих планет 47/52 части всего пути.

«Состояние равновесия лунного и земного притяжения, - утверждает писатель, - продолжалось не более часа. И вот как описывается эффект невесомости: «различные предметы, оружие, бутылки, брошенные и предоставленные самим себе, словно чудом держались в воздухе…Вытянутые руки не опускались, головы качались на плечах, ноги не касались пола снаряда…Мишель вдруг подпрыгнул и, отделившись на некоторое расстояние от снаряда, повис в воздухе…»(«Вокруг Луны, гл. 8).

Сочинения французского романиста на протяжении многих лет не выходили из поля зрения Льва Николаевича Толстого. Знакомство началось с романа «Вокруг Луны». Толстого заинтересовала гипотеза «мира без тяготения». Дневниковая запись – «Читал Верна»(17 ноября 1873 года) – сопровождается  полемическими заметками: «Движение без тяготения немыслимо. Движение есть тепло. Тепло без тяготения немыслимо».

Больше всего Толстого озадачило шутливое предположение Мишеля Ардана, что если бы удалось избавиться от пут тяготения в земных условиях, то было бы достаточно «только усилия воли, чтобы по своей прихоти взлететь в пространство».

Толстой в чудеса не верил. Под свежим впечатлением романа Жюля Верна он обратился к трудам по физике, но нигде не нашёл ответа, действительно ли в состоянии невесомости возможны произвольные движения. Не удовлетворили его и письма Н.Н. Страхова, который объяснял, что кошка, выброшенная из окна, делает в воздухе параболу и падает на ноги. Значит, « движения возможны независимо от силы тяготения». Толстого и это не убедило, и тогда Страхов сослался на учение об инерции и привёл выдержки из «Математических начал натуральной философии» Ньютона.

Спустя 6 лет, в 1879 году, Лев Николаевич заметил в одном из писем к А.А. Фету: « У Верна есть рассказ «Вокруг Луны». Они там находятся в точке, где нет притяжения. Можно ли в этой точке подпрыгнуть?. Знающие физики различно отвечали».

По – видимому, великий писатель так и не нашёл разгадки, мучившей его проблемы. Жизненный опыт человека, привыкшего к конкретному мышлению, противился умозрительной возможности движений в состоянии невесомости по собственной воле, хотя невесомость саму по себе он, как видно, не отрицал.

Ещё при жизни Жюля Верна, гений русской науки К.Э. Циолковский сформулировал принципы исследования мировых пространств реактивными приборами, изложил свои мысли о возможности  проникновения человека в космос, об искусственном спутнике Земли, об условиях жизни при отсутствии тяготения.

«Стремление к космическим путешествиям заложено во мне известным фантазёром Жюлем Верном, - писал Циолковский, - Он пробудил работу мозга в этом направлении. Явились желания. За желаниями возникла деятельность ума. Конечно, она ни к чему бы не привела, если бы не встретила помощь со стороны науки»

«Калужский мечтатель», оторванный от научных центров, разрабатывал в провинциальной глуши идеи «звездоплавания», но не мог их предать широкой гласности. Эту миссию возложил на себя известный популяризатор точных наук Я.И.Перельман, один из немногих энтузиастов, сумевших оценить в полной мере прозорливость старшего современника. В 1915 году он выпустил книгу «Межпланетные путешествия», столь же преждевременную, как и грандиозные замыслы Циолковского. А годом раньше Перельман поместил в популярном журнале «Природа и люди» (1914, №24) научно-фантастический рассказ «Завтрак в невесомой кухне», написанный в качестве дополнительной главы к роману «Вокруг Луны».

        Ученый поправляет писателя: «Подробно рассказав о жизни пассажиров внутри летящего ядра, Жюль Верн упустил из виду, что пассажиры, как и вообще предметы, во время путешествия были абсолютно невесомы!

Дело в том, - продолжает автор, - что, подчиняясь силе тяготения, все тела падают с одинаковой скоростью; сила земного притяжения должна была, следовательно, сообщить всем предметам внутри ядра совершенно такое же ускорение, как и самому ядру. А если так, то ни пассажиры, ни остальные тела в ядре не должны были давить на свои опоры; уроненный предмет не мог приближаться к полу (то есть падать), а продолжал висеть в воздухе, из опрокинутого сосуда не должна была выливаться вода и т.д. Словом, внутренность ядра должна была на время полета превратиться в маленький мир, совершенно свободный от тяжести.

Тем самым опровергается кеплеровская гипотеза «нейтральной точки». Невесомость наступает немедленно, как только снаряду сообщают космическую скорость (не менее восьми километров в секунду).

Художественной популяризацией идей Циолковского с тех пор занимались многие фантасты, и среди них - Александр Беляев, который в своем романе «Прыжок в ничто» много внимания уделяет «звездоплаванию» и, в частности, проблемам преодоления, как он их называет, «двух панцирей Земли» - атмосферного и земного тяготения при старте космического корабля. По сюжету для взлета корабля была выбрана точка на экваторе, к тому же находящаяся на некоторой возвышенности. Вот как объясняет причины такого выбора один из персонажей романа: «Именно здесь существуют наиболее благоприятные условия взлета. Ракете при взлете с земли необходимо пробиться через двойной панцирь: атмосферы и земного тяготения. Наибольшее тяготение существует на полюсах, наименьшее - на экваторе, так как Земля несколько сплющена к экватору. К тому же на полюсах наименьший, а на экваторе наибольший центробежный эффект. Поэтому панцирь тяготения на экваторе минимальный. Хотя на экваторе тело весит на одну двухсотую долю меньше, чем на полюсе, для ракеты важно даже такое уменьшение веса: оно дает значительную экономию в запасе горючего. Теперь об атмосферном панцире. Воздух, которого мы на глаз не замечаем, представляет почти непреодолимое препятствие для быстро движущегося тела. Чем быстрее движение, тем больше сопротивление. При очень больших скоростях сопротивление воздуха почти также велико, как и сопротивление твердого тела, - настоящий стальной панцирь. Это не только образное выражение. Метеоры - падающие с неба камни - движутся с космической быстротой; врезаясь в атмосферу метеоры помельче, раскаляясь        из-за сопротивления воздуха, испаряются, осаждаясь тончайшей пылью. Жюль-верновские герои, вылетевшие из пушки в снаряде, должны были в первое же мгновение выстрела разбиться в лепешку о дно снаряда. Чтобы избежать этой печальной участи, мы будем увеличивать скорость ракеты постепенно. Мы должны выбрать такое место на земном шаре, где атмосферный панцирь обладает наименьшей толщиной. Чем выше  над  уровнем моря, тем панцирь атмосферы тоньше, тем легче, следовательно, пробить, меньше надо затратить на это горючего. На высоте шести километров над уровнем плотность воздуха уже примерно вдвое меньше, чем на уровне моря. Помимо этого полет будет направлен по наклонной в 12 градусов на восток, то есть в том же направлении, в каком вращается земной шар, для того, чтобы прибавить скорость земли к скорости ракеты...»

Фантастика устремлена к будущему. Изображенные Жюлем Верном и другими писателями - фантастами «чудеса техники» всегда опережают действительность. Однако для науки нет ничего невозможного. Рано или поздно предсказания фантастов сбываются. Трудно говорить о прогнозе, рассчитанном на десять, пятьдесят или сто лет. Речь может идти о догадках, вернее о редкостной интуиции.

Без преувеличения, гениальную интуицию проявил Жюль Верн в лунной дилогии, изобразив полуостров Флориду местом старта алюминиевого цилиндроконического «вагона-снаряда» с тремя пассажирами, заставив их испытать эффекты невесомости, увидеть обратную сторону Луны, вернуться по эллиптической орбите на Землю и упасть в Тихий океан, в четырехстах километрах от берега, где их вылавливает американский корабль.

Это удивительно совпадает с общеизвестными фактами. Космические корабли «Аполлон» стартовали с Восточного космодрома США (мыс Канаверал во Флориде, обозначенный на географической карте, приложенной к первому изданию «С Земли на Луну»).

21 декабря 1968 года к Луне был направлен космический корабль «Аполлон-8» с космонавтами Фрэнком Борманом, Джеймсом Ловеллом и Уильямом Андерсом. Первыми из людей они увидели, как Земля, постепенно уменьшившись, превратилась в одно из небесных тел. Спустя трое суток после старта, на высоте около ста тридцати километров над лунной поверхностью, корабль перешел на окололунную орбиту. Проделав восемь витков, космонавты включили маршевый двигатель и перевели корабль на трассу полета к Земле. 27 декабря кабина экипажа со второй космической скоростью вошла в земную атмосферу и после аэродинамического торможения опустились на парашютах в заданном районе Тихого океана.

Все этапы полета к Луне, кроме высадки экипажа, были проделаны также «Аполлоном-9» (март 1969 г.) и «Аполлоном-10» (май 1969 г.). И, наконец, в июле 1969 года космический корабль «Аполлон-11» впервые совершил посадку на Луну.

По странному совпадению «Аполлон-8», имеющий приблизительно такие же размеры и вес, как и снаряд Жюля Верна, облетел Луну тоже в декабре месяце и приводнился в четырех километрах от точки, указанной романистом. (Для сравнения: высота снаряда «Колумбиады» 3,65 метра, вес - 5547 килограммов. Высота капсулы «Аполлона» 3,60 метра, вес - 5621 килограмм.)

Не только число участников перелета, места старта и финиша, траектории, размеры и вес алюминиевого цилиндроконического снаряда, но и сопротивление атмосферы, регенерация воздуха и даже телескоп с пятиметровым диаметром на вершине Лонгспик в Скалистых горах, по параметрам и разрешающей способности удивительно похожий на тот, что ныне установлен в Маунт-Паломарской обсерватории (Калифорния), - все это предусмотрено в романе, опередившем реальные возможности больше, чем на сто лет!

Интересны и предположения писателя об огромных материальных затратах, которые потребует космический перелет, и возможном международном сотрудничестве. Изобретательность и деловитость американцев стимулируется инициативой француза, а сам проект воплотился в жизнь, потому, что «Пушечный клуб» решил «обратиться ко всем государствам с просьбой о финансовом соучастии».

Самый живой отклик обращение встретило в России. «Россия внесла огромную сумму - 368 733 рубля. Этому не приходится удивляться, принимая во внимание интерес русского общества к науке и успешное развитие, достигнутое астрономией в этой стране благодаря многочисленным обсерваториям, главная из которых (подразумевается Пулковская обсерватория) обошлась государству в два миллиона рублей». Всего же на операцию «Колумбиада» было израсходовано - по калькуляции «Пушечного клуба» - 5 446 675 долларов! Сумма громадная, учитывая многократную девальвацию доллара за истекшие сто с лишним лет, но совсем незначительная по сравнению с реальной стоимостью осуществления программы «Аполлон»: 25 миллиардов долларов.

Великие прозрения и гениальные догадки высказывали в своих произведениях не только Жюль Верн, Александр Беляев, но и многие другие писатели-фантасты. Некоторые из их предсказаний сбылись, догадки подтверждены наукой, другие все еще ждут своего времени. Возможно, все эти писатели слегка противоречат друг другу, а многие из их суждений ошибочны, но их огромная заслуга заключается уже в том, что они подробно и достоверно изобразили полеты задолго до выхода человека в космос.