Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

Приливное влияние Луны на Землю замедляет движение нашей планеты, уменьшая её вращательный момент. Существует фундаментальный принцип физики, называемый сохранением количества движения при вращении , согласно которому вращательный момент изолированной (замкнутой) системы никогда не меняется. Значит, если вращательный момент Земли уменьшается, вращательный момент другого элемента системы должен компенсировать это, увеличившись. В нашем случае вариант только один — Луна.

Притяжение Луны создаёт два приливных бугра с двух сторон Земли, но тот, который возникает на той же стороне, что и Луна, притягивает её с наибольшей силой. Как мы уже знаем, этот приливный бугор обычно обгоняет Луну на её орбите, потому что Земля делает оборот вокруг своей оси быстрее, чем её обходит Луна. Поэтому гравитация Земли тащит Луну вперёд по её орбите, придавая ей ускорение.

Обратите внимание, что сила притяжения Земли на расстоянии до Луны имеет именно такое значение, какое необходимо, чтобы изогнуть траекторию тела, движущегося с лунной скоростью, и придать ей форму замкнутой орбиты, которую мы и наблюдаем. Соответственно, если Луна будет двигаться слишком быстро, её скорость превысит необходимую и она вылетит за орбиту. В отношении Земли «за орбиту» означает вверх, а мы знаем, что, если подбросить тело (к примеру, мяч) вверх, гравитация замедлит его полёт. Парадоксальным образом Луна, ускоренная приливным взаимодействием с Землёй, движется медленнее при удалении от Земли. Из-за этого вращательный момент увеличивается до необходимого значения. [77] Угловой момент точечной массы m рассчитывается как её линейный момент mv , умноженный на расстояние от центра вращения r . Поскольку орбитальная скорость тела, находящегося на расстоянии r от Земли, пропорциональна 1/ r 1/2 , то и угловой момент пропорционален r × 1/ r 1/2 = r 1/2 . Соответственно, угловой момент Луны действительно увеличивается по мере того, как она удаляется от Земли.

И это не просто теоретические рассуждения. Пилотируемые американские космические корабли «Аполлон-11», «Аполлон-14» и «Аполлон-15», а также беспилотные советские аппараты «Луноход-1» и «Луноход-2» оставили на лунной поверхности рефлекторы. Эти зеркала размером с кулак называют ещё угловыми отражателями, и они умеют отражать свет ровно в том направлении, откуда он исходит. То есть можно направить лазерный луч на Луну, чтобы он отразился от углового отражателя, а затем измерить время его возврата на Землю. Зная скорость света, можно легко рассчитать расстояние до Луны. [78] Рефлектор «Лунохода-2» иногда работает, но тот, что был установлен на «Луноходе-1», вышел из строя почти на 40 лет. Однако недавно зонд «Lunar Reconnaissance Observer» провёл съёмку места его высадки. Координаты были переданы учёным в Нью-Мексико, и те направили на указанный участок лунной поверхности лазерный луч. 22 апреля 2010 года они зарегистрировали отражённый поток из 2000 частиц света — фотонов. Теперь, когда используется четыре или даже пять уголковых отражателей, учёные смогут наблюдать не только за рецессией Луны, но и за изменениями её формы под воздействием приливной силы Земли.

Эксперименты показывают, что каждый год расстояние, которое проходит отражённый от Луны луч, увеличивается на 3,8 сантиметра. [79] Dickey J. O. et al. Lunar Laser Ranging: A Continuing Legacy of the Apollo Program // Science. — 1994. — Vol. 265. — P. 482. Иными словами, каждые 12 месяцев Луна отдаляется от Земли на расстояние, примерно равное длине большого пальца руки. Если вам 70 лет, за вашу жизнь она прошла путь, равный длине автомобиля.

Тот факт, что каждый год Луна удаляется от Земли на 3,8 сантиметра, означает, что когда-то она была гораздо ближе к нам. А это, в свою очередь, влияло на возникновение полных затмений — одного из самых потрясающих природных явлений.

Как мы уже знаем, полное затмение наступает, когда Луна проходит между Землёй и Солнцем, закрывая солнечный диск и отбрасывая тень на Землю. Полное затмение возможно потому, что Солнце, хотя оно и больше Луны в 400 раз, находится от нас в 400 раз дальше. Вот почему Солнце и Луна кажутся нам на небе равными по размеру. Для нас это очень удачное обстоятельство. Несмотря на то что в Солнечной системе существует более 170 лун, ни с одной планеты невозможно наблюдать полное затмение. Более того, нам повезло не только с местом, но и со временем.