Ответы наших пользователей. Голосование. Неделя третья

Ответ № 1. Автор: Сергей

Что, если гравитация будет не притягивать, а отталкивать? Как можно будет удержаться на поверхности?

Если гравитация будет не притягивать, а отталкивать, то вместо того, чтобы прижимать к полу, она будет с такой же силой прижимать нас к потолку. Не выходите на улицу!^[1]↲С той лишь разницей, что подъем-падение будет не равномерным, а с ускорением свободного падения, т.е. уже менее, чем через минуту вы достигните скорости в 2000 км/ч.

Казалось бы, ничто не предвещает катастрофы: ну кто из нас не играл на дереве, стараясь не касаться земли, или не представлял, что пол — это лава? Просто на этот раз ставки и масштаб на несколько порядков выше. Главная опасность заключается в том, что гравитация будет отталкивать не только нас и окружающие предметы, но и атмосферу. Тут уже недостаточно просто построить туннели на месте дорог и тротуаров, необходимо задуматься над сохранением атмосферы. Для этого необходимо построить огромные купола с регулируемой атмосферой, как тогда, когда наша планета начала расширяться. Или переехать под Землю. И, конечно же, перевезти с собой растения, которые смогут обеспечить нас кислородом — ведь на поверхности его очень скоро не останется.

Кстати, если предположить, что атмосфера не улетучится (я не знаю, как это можно устроить с точки зрения физики, на ум приходит только магия), то в этом случае растения вполне смогут жить на поверхности. Вот только выглядеть это будет очень странно. Растения обычно растут по направлению, обратному силе гравитации. Вы когда-нибудь видели эти странно изогнутые бамбуковые ростки? Их выращивают, постепенно изменяя положение ростка относительно Земли, а побег, в свою очередь, пытается компенсировать это изменение путем изменения направления собственного роста^[2].↲На самом деле это не бамбук, а драцена. А на рост влияет не только гравитация, но и направление солнечного света. Но настоящих ученых никогда не останавливали какие-то там упрощения и приближения.

Примерно то же самое произойдет и при смене направления силы земного тяготения. Все растения вдруг внезапно осознают, что растут вверх ногами и попытаются исправить это положение. Сложно представить себе, во что они могут после этого превратиться, но зрелище обещает быть захватывающим.

В общем, такое изменение направления силы земного тяготения можно пережить. Надеюсь только, что у нас будет достаточно времени, чтобы подготовиться.

Однако гравитация действует не только на нас с вами, деревья и атмосферу. Благодаря гравитации в том виде, в котором она существует сейчас, Луна вращается вокруг Земли, Земля — вокруг Солнца, а оно, в свою очередь — вокруг центра Млечного пути. Что же произойдет с ними?

Макромир

Привычный нам космос перестанет существовать. Изменение одного из фундаментальных законов физики начисто исключает идею спутников и орбит. Это нетрудно продемонстрировать при помощи логики и пары формул из школьного курса физики^[3]↲Я использовал книгу Чарльз Киттель, Уолтер Найт, Малвин Рудерман, Mechanics. Berkley Physics Course (Механика. Берклевский курс физики) — это не школьный учебник, но она оказалась под рукой.

Для круговой орбиты спутника сила притяжения равна по величине и противоположна по направлению центробежной силе (т.е., по определению, является центростремительной силой):

GMm/r² = m(ω²)r, где M — масса Земли, m — масса спутника, ω — угловая скорость, а r — радиус орбиты.

Однако, если гравитация изменит свое направление, то уравнение немного изменит свой вид:

-GMm/r² = m(ω²)r

Как это повлияет на орбиту спутника? Давайте выясним:

r³ = -GM/(ω²)

В правой части у нас находятся: G — гравитационная постоянная, положительная по определению, M — масса Земли, которая, очевидно, не может быть отрицательной, и угловая скорость, которая тоже не может быть меньше нуля. И из этого следует забавный факт: при такой гравитации стабильные орбиты могут существовать только в том случае, если у них отрицательный радиус. Чего, очевидно, в привычной нам системе пространства-времени быть не может, а, соответственно, не может быть никаких орбит и спутников.

В противовес случаю с расширяющейся Землей, когда увеличение гравитации притянуло Луну к Земле, в нашем случае Луна не только не будет удерживаться на орбите, но еще и будет отталкиваться прочь от Земли. Таким же образом распадется и Солнечная система, и весь Млечный путь, и все галактики во Вселенной. Такой исход неприятен сам по себе, ведь без Солнца и Луны Земле будет темно, холодно и одиноко. Но это еще только начало.

Вспомним, как формируются планеты: облака газа и пыли вокруг формирующейся звезды под действием гравитации начинают собираться в единое целое, со временем уплотняясь и превращаясь в планеты. И, по большому счету, только гравитация продолжает удерживать все вместе. Когда гравитация начнет отталкивать, все эти бесчисленные пылинки потеряют друг к другу интерес и начнут разлетаться в разные стороны. Таким образом, все объекты нашей Вселенной начнут рассыпаться на части, что подводит нас к следующему вопросу.

Микромир

Мы уже выяснили, что объекты макромира уже не смогут существовать при отрицательной гравитации и разрушатся. Но насколько далеко зайдут эти разрушения? Сможет ли существовать вещество как таковое?

Давайте попробуем выяснить, что произойдет с молекулами и атомами. Прежде всего нужно разобраться, какие силы действуют внутри атомов и какую роль здесь играет гравитация. С этого момента все становится сложнее, чем в случае с орбитами планет, т.к. такие вещи сложно объяснить наглядно, но все же попробуем разобраться без лишних усложнений и формул. Нам известно, что заряженные частицы взимодействуют по закону Кулона: одинаковые заряды отталкиваются, а разные — притягиваются. Но что тогда держит протоны в ядре вместе? Существуют особые ядерные силы притяжения, действие которых сильно отличается от закона Кулона. Я не стану приводить конкретные формулы^[4],↲При желании вы можете почитать подробнее в упомянутой выше книге, там это замечательно описано в главе 9.↳ но скажу, что потенциалы электростатического и сильного взаимодействия с ростом расстояния изменяются немного по-разному и, хотя сильное взаимодействие очень быстро падает до нуля на больших расстояниях, на малых, как в ядре атома, оно является доминирующим. Если говорить о гравитации, то она изменяется пропорционально квадрату расстояния (как и кулоновская сила), поэтому она также будет с легкостью нейтрализована сильным взаимодействием.

С электронами дело обстоит немного сложнее. С одной стороны, они находятся довольно далеко^[5],↲Для понимания масштабов: когда-то я прочитал, что если элементарные частицы увеличить до размеров людей, то ядро атома можно представить, как кучку людей, стоящих посреди футбольного поля, а электроны — как несколько болельщиков на дальних рядах стадиона. Вселенная, по большому счету, состоит из ничего. Это впечатляет.↳ поэтому ядерным притяжением можно смело пренебречь. С другой стороны, как уже говорилось выше, гравитация и кулоновская сила изменяются пропорционально, так что этот вопрос нельзя решить путем умозрительных заключений. Взаимодействие между ядром атома и электроном описываются уравнением Шрёдингера. К сожалению, оно слишком сложное, чтобы я смог его понять и объяснить, и слишком громоздкое, чтобы приводить его здесь. К счастью, я знаю кое-кого из физиков, и мне объяснили, что между ядром и электронами существует так называемое слабое взаимодействие, которое само по себе существенно сильнее гравитационного, а в совокупности с электростатическим они являются единым электрослабым взаимодействием. Так что атомы могут спать спокойно — изменение направления гравитации не слишком сильно повлияет на их структуру. В худшем случае они почувствуют непривычную легкость от того, что гравитация перестала пытаться сжать атом в одно целое.

Ситуация с молекулами очень похожа: с точки зрения квантовой механики молекула представляет собой систему не из атомов, а из электронов и атомных ядер, взаимодействующих между собой, поэтому к ним применимы те же рассуждения.

Более, того, в некоторых кристаллических решетках силы взаимодействия сходны с теми, которые работают в случае с атомами и молекулами, так что есть вероятность, что некоторые кристаллические структуры смогут сохраниться в условиях "отрицательной" гравитации.

Если кристаллические решетки смогут выстоять, то возможно ли, что в макромире останутся еще какие-то объекты, которые смогут перенести изменение гравитации? Возможно, что да. Какие? Чёрные дыры.

Опять макромир

Черная дыра — объект, обладающий колоссальной массой и плотностью. К сожалению, информация о роли сильного и слабого взаимодействий в черных дырах и нейтронных звездах не слишком широко распространена, поэтому мне сложно аргументировать свои гипотезы на этот счет. По моим прикидкам^[6],↲Исходя из формулы средней плотности чёрной дыры из метрики Шварцшильда.↳ черная дыра массой около 73×10⁵⁰ кг будет обладать средней плотностью, сравнимой с ядром атома. В этом случае может начать играть свою роль сильное взаимодействие. Если это так, то при изменении гравитации сильное взаимодействие не даст веществу чёрной дыры разлететься прочь.

Минимальная масса, из которой может сформироваться черная дыра — около 5×10³⁰ кг, так что, гипотетически, может существовать и дыра со средней плотностью, как ядро атома. Однако масса самой большой обнаруженной сверхмассивной черной дыры, которая находится в квазаре OJ 287, немногим меньше 2×10⁴⁰ кг, что фактически, является массой небольшой галактики. Искомая же дыра должна быть в 370 миллиардов раз больше!

Сложно поверить, что такая черная дыра может существовать. Давайте попробуем посмотреть на нее с другой стороны. Сколько весит вся Вселенная? Это крайне спорный вопрос, ученые до сих пор не пришли к консенсусу — данные варьируются от 10⁵³ до 1,6×10^60[7].↲Масса Вселенной.↳ Искомая же дыра, напомню, весит 73×10⁵⁰ кг, или 7,3×10⁵¹. То есть как минимум 4,5 миллиардных частей Вселенной. Это… много. Очень много. Больше, чем позволяет представить здравый смысл. Уверен, если бы существовала хотя бы одна такая черная дыра, она бы наверняка себя проявила и мы бы ее заметили.

В конечном счете, если гравитация будет не притягивать, а отталкивать, Вселенная попросту испарится, разложится на отдельные атомы и молекулы, дрейфующие в вакууме и настойчиво избегающие друг друга. И только отдельные кристаллические структуры будут напоминать о Вселенной, где гравитация стягивала атомы в разнообразные нагромождения, некоторые из которых даже считали, что наделены разумом и свободой воли и начинали рассуждать о том, что бы произошло, если гравитация вдруг начала отталкивать вместо того, чтобы притягивать.

Ответ № 2. Автор: Дмитрий

Что, если золота будет столько же, сколько сейчас железа, а железа — столько же, сколько золота?

• Плотность золота — 19,3 г/см³.
• Плотность железа — 7,87 г/см³.
• НВ — 220–250 Мпа (18 единиц, у железа 70–80), у меди 40, у алюминия 16–25), высокопластично.
• Содержание золота в земной коре очень низкое — 4,3·10^-10% по массе (0,5–5 мкг/кг).
• В земной коре очень много железа, 4,65% от общей массы.
• В мантии 12% железа, в ядре 86% всего железа, в мантии и коре — 14%.
• Содержание золота в воде: 5*10^-9 г/л.
• Содержание железа: 0,002–0,02 мг/л железа в морской, 2 мг/л в речной воде.

Золото не магнитится.

• За всю историю добыто 161 тыс. т. золота (куб со стороной 20 м).
• Предел прочности золота — 120 МПа.
• Предел прочности железа — 200 МПа.
• Модуль упругости 0,83*105 МПа (у железа 2,1*105 МПа, у алюминия 0,7).
• Радиус земного ядра 2900 км.
• Масса ядра 1,932*1024 кг, железа около 85%.
• Радиус земли 6371 км масса 5,9*1024 кг.
• Средняя плотность вещества Земли 5,515 г/см³.
• Ускорение свободного падения 9,8 м/с².
• G=G*m/r². M — масса Земли, G=6,6725*10^-11 м³/(кг*с²).

Итак, приступим. Основываясь на вышенаписанном, вычислим некоторые соотношения:

Золото тяжелее железа в 2,5 раза, что означает увеличение массы практически всех конструкций в такое же количество раз (в сталях содержание железа можно принять близким к 100%) при уменьшении их прочности в разы, так как предел прочности сталей значительно выше предела прочности железа (до 15–20 раз). Учитывая, что золото не связывается с углеродом, прочность большинства получившихся сплавов будет ненамного отличаться от прочности золота, которая меньше прочности чистого железа почти вдвое. То есть произойдет значительное ослабление конструкций при увеличении их веса, что приведет к обрушению абсолютного большинства зданий, мостов, плотин и т.д., что уже не есть хорошо. Однако рассмотрим вариант с внезапной заменой ВСЕГО железа в пределах планеты на золото.

Учитывая,что железа в ядре содержится 85%, что близко к проценту от общего количества железа, содержащегося в составе планеты. Это значит, что массу всего железа на планете мы можем принять за массу ядра земли. При замене железа на золото эта масса увеличится примерно в 2,5 раза и составит 4,74*10²⁴ кг. Общая масса планеты увеличится на 2,8*10²⁴ кг и составит 8,7*10²⁴ кг.

Это приведет к веселым последствиям. Даже если считать радиус земли неизменным, сила тяжести возрастет в 1,47 раза. Ускорение свободного падения составит 14,475 м/с². Передвигаться по поверхности планеты станет весьма проблематично (представьте, что на вас дополнительно нагрузили еще половину вашего веса). Увеличение веса конструкций при этом составит уже не 2,5, а 3,68 раз. Весьма существенно. Учитывая полуторный прирост силы тяжести и исходя из уравнения существования самолета, в котором говорится, что масса конструкции, топлива, оборудования и прочих неотъемлемых частей самолета составляет от 70 до 90% взлетного веса, не сможет взлететь НИ ОДИН летательный аппарат, существующий в наше время, а равно как и ни одна птица. Кроме того, скорее всего, у всех самолетов при внезапной замене железа на золото подломятся стойки шасси, которые на большинстве самолетов делаются из сталей.

Кроме всего прочего изменится и период вращения планеты, который увеличится примерно пропорционально увеличению массы (из-за неоднородности распределения), то есть продолжительность суток составит около 35,5 часов. ВНЕЗАПНАЯ замена железа на золото приведет к столь же ВНЕЗАПНОЙ смене угловой скорости вращения планеты, что отправит предметы, находящиеся на экваторе в полет со скоростью около 150 м/с, что составляет почти половину скорости звука. Это также вызовет ураганные ветры с неменьшими скоростями и гигантские цунами, образующиеся от движения океанов с такими же скоростями.

Последствия описанных событий весьма точно воспроизвел Герберт Уэллс в своем рассказе «Чудотворец».

А теперь о самом веселом. Если человечеству все-таки удастся пережить все описанное ранее, вскоре они почувствуют неладное. Полярные сияния появятся даже на экваторе. Все это произойдет из-за значительного ослабления магнитного поля земли, так как золото — немагнитный металл и золотое ядро планеты не сможет усиливать слабое магнитное поле, образующееся при функционировании так называемого геодинамо (я вообще сомневаюсь, что оно продолжит функционировать).

Это приведет к тому, что Земля останется абсолютно беззащитной перед солнечным ветром, который вскоре приведет к изменению химического состава атмосферы, а это, в свою очередь, — к полному вымиранию.

Экономические и политические последствия замены железа на золото будут весьма незначительны на фоне всего вышеописанного.