Мы измерили во Вселенной огромное множество самых разных плотностей. Самые высокие плотности обнаружены внутри пульсаров, где нейтроны упакованы так плотно, что одна щепотка весит как целое стадо в 50 миллионов слонов. А когда фокусник уверяет вас, будто кролик «растворился в воздухе», никто не уточняет, что воздух этот уже содержит свыше 10 000 000 000 000 000 000 000 000 (десяти септиллионов) атомов на кубический метр. Межпланетное пространство куда менее плотно, здесь на кубометр содержится всего около 10 000 000 (десяти миллионов) атомов, а в межзвездном – еще того меньше, всего 500 000 атомов на кубометр. Однако премию за полную ничтожность, пожалуй, следует присудить межгалактическому пространству, где на каждые 10 кубических метров еле-еле удается наскрести с десяток атомов.
Диапазон плотностей во Вселенной охватывает сорок четыре степени десятки. Если классифицировать космические объекты только по плотности, проявятся весьма яркие закономерности. Например, все компактные плотные объекты вроде черных дыр, пульсаров и белых карликов создают сильную гравитацию и собирают вещество на свои поверхности, часто создавая при этом воронкообразный диск. Еще один пример – свойства межзвездного газа. Куда бы мы ни посмотрели, и на Млечном Пути, и во всех других галактиках новенькие звезды возникают именно в газовых облаках самой большой плотности. Пока что мы еще не до конца понимаем, как устроен процесс формирования звезд, однако практически все теории формирования звезд включают изменение плотности газа при коллапсе протозвездных облаков.
* * *
В астрофизике, особенно в физике планет, часто удается прикинуть состав астероида или спутника, зная лишь его плотность. Каким образом? Многие распространенные в солнечной системе ингредиенты обладают плотностями, которые сильно отличаются друг от друга. Если пользоваться как единицей измерения плотностью жидкой воды, то водяной лед, аммиак, метан и углекислый газ – обычные составляющие комет – обладают плотностью меньше 1, каменистые материалы, из которых часто состоят внутренние планеты и астероиды, обладают плотностями от 2 до 5, а железо, никель и некоторые другие металлы, которых много в ядрах планет, а также в астероидах, имеют плотности больше 8. Если средняя плотность объекта попадает куда-то между этими отметками, принято считать, что он состоит из смеси распространенных ингредиентов. Для Земли у нас припасены приемы получше: скорость звуковых волн, которые распространяются в земных недрах, свидетельствует о распределении плотности Земли от центра к поверхности. Самые надежные сейсмические данные дают плотность ядра около 12, а далее плотность понижается и в коре составляет примерно 3. В среднем плотность Земли составляет около 5,5.
В уравнении плотности участвуют сама плотность, масса и объем (размер), поэтому, если удается измерить любые две величины, можно легко вычислить третью. Масса и орбита планеты, которая вращается вокруг звезды 51 Пегаса, похожей на Солнце и видной невооруженным глазом, вычислены непосредственно на основании имеющихся данных. А затем можно выдвинуть гипотезу, что эта планета газовая (едва ли) или каменистая (скорее всего) – и примерно вычислить ее размер.
Когда говорят, что одно вещество тяжелее другого, как правило, имеют в виду не вес, а именно плотность. Например, кто угодно сразу поймет, что простое, однако с научной точки зрения нестрогое утверждение «Железо весит больше пуха» относится именно к плотности, а не к весу. Однако в некоторых весьма существенных случаях такой очевидный вывод приводит к заблуждениям. Густые сливки легче (менее плотные), чем снятое молоко, а все мореходные суда, в том числе «Куин Мэри 2» весом 150 000 тонн, легче (менее плотные), чем вода. Если бы эти утверждения были ложны, сливки и океанские лайнеры тонули бы в жидкостях, на которых они в действительности плавают.
* * *
А вот и еще несколько интересных фактов о плотности.
Горячий воздух поднимается кверху не просто потому, что он горячий, а потому, что он не такой плотный, как окружающий воздух. Подобным же образом можно объявить, что холодный воздух, более плотный, опускается вниз – так и есть, и без этого во Вселенной не было бы конвекции.
Вода в твердом состоянии (ее принято называть льдом) не такая плотная, как жидкая вода. Если бы было верно обратное, то зимой озера и реки промерзали бы насквозь, до самого дна, и вся рыба в них погибала бы. Рыба спасается благодаря тому, что верхний слой менее плотного льда, который плавает по поверхности или покрывает ее целиком, изолирует более теплую воду внизу от холодного зимнего воздуха.
Кстати, о дохлой рыбе, которая, если в аквариуме случится катастрофа, плавает брюхом вверх: да, дохлая рыба на время становится менее плотной, чем ее живые товарки.
Средняя плотность Сатурна меньше плотности воды, и этим он отличается ото всех прочих известных нам планет. То есть если бы вы бросили к себе в ванну ком вещества Сатурна, он бы не утонул. С тех пор, как я это узнал, я мечтаю заполучить себе в ванну вместо желтой резиновой уточки желтый резиновый Сатурн.
Если подкормить черную дыру, ее горизонт событий (граница, из-за которой не может вырваться даже свет) расширяется прямо пропорционально массе, а следовательно, при увеличении массы черной дыры средняя плотность в пределах ее горизонта событий на самом деле уменьшается. Между тем, насколько мы можем судить по уравнениям, вещество черной дыры сжимается в точку почти бесконечной плотности в ее центре.
А теперь настал черед величайшей тайны мироздания: невскрытая жестяная банка диетической пепси-колы плавает в воде, а невскрытая жестяная банка обычной пепси-колы тонет.
* * *
Если удвоить количество стеклянных шариков в коробке, плотность их, само собой, останется прежней, поскольку удвоятся и масса, и объем, а в сочетании это не оказывает никакого воздействия на плотность. Однако во Вселенной есть объекты, сравнение плотности которых с их массой и объемом приводит к неожиданным результатам. Если бы у вас в коробке были мягкие пушистые перышки и вы удвоили их количество, те, что ближе ко дну, оказались бы примяты. Вы удвоили бы массу, но не объем, и в результате общая плотность увеличилась бы. Так ведут себя все сжимаемые тела под воздействием собственного веса. И атмосфера Земли – не исключение: половина всех ее молекул упакована в нижние пять километров у самой поверхности. Астрофизики недолюбливают земную атмосферу, она дурно влияет на качество наблюдательных данных, вот почему вы, наверно, частенько слышите, как мы сбегаем вести исследования высоко в горы, чтобы оставить как можно больше атмосферы внизу.
Атмосфера Земли кончается там, где она смешивается с крайне разреженным газом межпланетного пространства так, что и не отличишь. Обычно эта смешанная область лежит в нескольких тысячах километров над поверхностью Земли. Обратите внимание, что и космический шаттл, и телескоп имени Хаббла, и прочие спутники, которые вращаются по орбите в пределах всего нескольких сотен километров над поверхностью Земли, рано или поздно свалились бы с орбиты из-за сопротивления остатков атмосферного воздуха, если бы периодически их не подпитывали энергией. Однако во время пиков солнечной активности, то есть каждые 11 лет, верхние слои земной атмосферы получают повышенную дозу солнечного излучения и от этого волей-неволей нагреваются и расширяются. В этот период атмосфера может раздаться на лишние полторы тысячи километров в космос, и спутники на ближних орбитах станут тормозиться и снижаться сильнее обычного.
