Текст книги "Почему у пингвинов не мерзнут лапы? И еще 114 вопросов, которые поставят в тупик любого ученого"

Дышите глубже

«Правда ли, что с каждым вдохом или глотком воды в наш организм попадает несколько атомов, которые вдыхал или глотал Леонардо да Винчи (об этом я читал в детской научно-популярной книжке в 1960 году)?»

Стив Молайн

Уэнтуорт-Фоллс, Новый Южный Уэльс, Австралия

Мы действительно вдыхаем значительное количество молекул, когда-то побывавших в легких Леонардо, и, увы, Адольфа Гитлера и ему подобных. Проверить это нетрудно, расчеты достаточно просты.

Общая масса атмосферы Земли – около 5 × 10²¹ граммов. В воздухе на четыре молекулы азота приходится одна молекула кислорода, вес 1 моля воздуха равен 28,8 грамма. В одном моле любого вещества содержится около 6 × 10²³ молекул. Следовательно, в атмосфере Земли всего 1,04 × 10⁴⁴ молекул.

Один моль любого газа при температуре тела и атмосферном давлении имеет объем около 25,4 литра. Объем воздуха, в среднем вдыхаемый и выдыхаемый человеком за один вдох, – 1 литр. Отсюда можно сделать вывод, что за один раз Леонардо да Винчи выдыхал около 2,4 × 10²² молекул.

Так как мы вдыхаем каждый раз примерно 2,4 × 10²² молекул, вполне вероятно, что в наш организм попадает 4,9 × 10⁹ молекул, которые выдохнул Леонардо. В сущности, таким же способом можно доказать, что мы вдыхаем примерно 5 молекул, которые Леонардо выдохнул перед смертью.

Разумеется, чтобы прийти к такому выводу, требуется принять ряд довольно грубых допущений. Мы исходим из предположения, что молекулы Леонардо хорошо перемешаны с остальными молекулами атмосферы (что вполне вероятно – за 500 лет), что он не использовал повторно свои же молекулы, что потерь атмосферных молекул из-за будущих поколений, сгорания, связывания азотом и т. д. не наблюдалось. Тем не менее значительная часть молекул может потеряться и повлиять на результат вычислений.

Зная, что суммарное количество молекул в гидросфере 5,7 × 10⁴⁶, подобные подсчеты можно произвести для воды. Они показывают, что в одном глотке жидкости содержится около 18 × 10⁶ молекул, которые при жизни Леонардо побывали в его организме. Поэтому вполне вероятно, что в каждом выпитом вами стакане воды есть частица мочи Леонардо.

Питер Борроуз

Эппинг, Эссекс, Великобритания

В соответствии с законом сохранения материи атомы во Вселенной участвуют в непрекращающемся «цикле переработки». Благодаря гравитации почти все они остаются на Земле. Некоторые атомы на нашей планете действительно побывали в организме да Винчи, хотя доля этих атомов в атмосфере Земли так ничтожна, что это маловероятно.

Если вспомнить, как долго Землю населяли динозавры, можно быть абсолютно уверенными в том, что в каждом нашем вдохе содержится частица, которая когда-то была частицей динозавров, а в каждом яблоке – много атомов, ранее входивших в организм животного или даже человека. Вегетарианцам есть о чем задуматься.

Гленн Александер

Уоллонгонг, Новый Южный Уэльс, Австралия

Этот вопрос наверняка даст пищу для размышлений гомеопатам. Чрезвычайно высока вероятность, что в стакане воды содержится несколько гомеопатических молекул, эффективных для лечения всех известных нам болезней. И все это абсолютно бесплатно.

Ласси Хиваринен

Ле Весине, Франция

Полуденный раздел

«После полудня дневных часов больше, чем до полудня, особенно летом. Значит ли это, что полуднем назвали не то время?»

Дин Шервин

Рединг, Беркшир, Великобритания

Полуденным называется тот момент, когда Солнце пересекает местный меридиан – одну из воображаемых линий, соединяющих Северный полюс с Южным и проходящих под прямым углом к экватору. Если выставить на часах полдень в то время, когда Солнце пересекает меридиан, продолжительность дня до и после полудня будет одинаковой.

Но это означает, что в поездках на восток или запад даже на короткие расстояния часы придется настраивать заново. Чтобы избежать этой путаницы, мы пользуемся часовыми поясами – зонами, на всей территории которых время одинаковое, безотносительно к реальному меридиану. Номинально ширина часовых поясов составляет 15°, но на практике они различаются по размеру и форме из политических, географических и практических соображений. Разница между временем по местному меридиану и временем по часовому поясу может быть довольно заметной, особенно если живешь у границы часового пояса, имеющей сложную форму.

Дэвид Эдди

Перт, Западная Австралия

Появление часовых поясов обычно приписывают необходимости, возникшей в связи с развитием сети железных дорог в США, протянувшихся преимущественно с востока на запад. До строительства железных дорог в большинстве городов действовало местное время, полдень устанавливали по положению солнца. Затем поезда начали ходить так быстро, что необходимость подстраиваться к местному времени вызывала сбои в графике. Именно поэтому были введены часовые пояса.

Кит Андерсон

Кингстон, Тасмания, Австралия

Стандартное время в Великобритании вычисляется по Гринвичскому меридиану. Автор вопроса из Рединга находится на той же широте, что и Гринвич, но на один градус долготы западнее. Следовательно, местный полдень и закат наступают на четыре минуты позже, чем в Гринвиче, а местное время Рединга отстает на четыре минуты от стандартного местного времени, принятого в Великобритании.

Это значит, что в Рединге продолжительность светового дня после полудня, показываемого часами, в среднем дольше продолжительности светового дня до полудня. К востоку от Гринвичского меридиана после полудня световой день в среднем короче, чем утром. В Гринвиче разница между продолжительностью светового дня до и после двенадцати часов в среднем в году равна нулю.

В любой отдельно взятый день продолжительность светового дня утром и после обеда зависит не только от географических широты и долготы, но и от уравнения времени. Это разница во времени между средним Солнцем, по которому устанавливается время на часах, и истинным Солнцем. Она возникает из-за эксцентриситета орбиты вращения Земли вокруг Солнца и наклона оси Земли к плоскости орбиты. Значение уравнения времени меняется на протяжении года от –14 минут до +16 минут, и это основная причина разницы во времени, которую можно определить по солнечным и по обычным часам. Существует также незначительная разница между продолжительностью светового дня до и после полудня, вызванная ежегодным движением Солнца вокруг эклиптики.

Сочетание перечисленных эффектов может создавать разницу между продолжительностью светового дня до и после полудня, для Рединга превышающую полчаса.

Все это не значит, что полуднем назвали не то время: просто стандартная временная система, простота и единообразие которой необходимы для коммуникаций, не может учесть все нюансы сложного движения Солнца.

Дальнейшее удлинение послеполуденных дневных часов и укорачивание их же до полудня во время перехода на летнее время – предсказуемый результат перевода часов на один час.

Дэвид Ле Конт

Астрономическое общество Гернси

Полдень по среднему гринвичскому времени – всего лишь середина дня на гринвичском меридиане. Если вы находитесь западнее Гринвича, например в Рединге, где Солнце встает и садится позднее, 12:00 по среднему гринвичскому времени наступают раньше, нежели точно между рассветом и закатом. За 24 часа Солнце проходит путь в 360° – по 15° за час. Я пишу эти строки на севере Лондона (0° 10′ западной долготы), здесь 12:00 по среднему гринвичскому времени наступают за 24 секунды до полудня. Если бы я жил в Суонси (3° 36′ западной долготы), 12:00 по среднему гринвичскому времени наступали бы за 16 минут до полудня.

Согласно центральноевропейскому зимнему времени 12:00 в Берлине (13° 30′ восточной долготы) наступают на 6 минут раньше полудня, а в Париже (2° 15′ восточной долготы) – почти за 50 минут до полудня.

Крайний пример – Лиссабон в Португалии (9° западной долготы), где недавно было принято центральноевропейское время: часы там бьют 12:00 за два с половиной часа до полудня.

Найджел Уитли

Лондон, Великобритания

Под голубыми небесами

«Почему в ясный день небо голубое?»

Джеспер Грэм-Джонс

Саутгемптон, Гемпшир, Великобритания

Голубизна неба объясняется процессом, который называется рассеянием Рэлея. Солнечный свет встречает на своем пути молекулы воздуха и рассеивается во всех направлениях. Степень рассеивания напрямую зависит от частоты, т. е. от цвета лучей. Голубой цвет, имеющий высокую частоту, рассеивается в десять раз сильнее, чем красный, которому соответствует более низкая частота. Поэтому «фоновым» рассеянным светом, который мы видим в небе, является голубой.

Тот же процесс объясняет красивые красно-оранжевые оттенки неба на закате. Когда Солнце висит низко над горизонтом, его свет проходит через толщу атмосферы по пути к нам. На этом пути голубой свет рассеивается, а красный, менее подверженный рассеянию, остается видимым для нас.

Рик Эрахо

Клекхитон, Западный Йоркшир, Великобритания

Голубой цвет небо имеет благодаря рассеянию Рэлея. Согласно классической физике ускоряющиеся частицы обладают электромагнитным излучением. И наоборот, электромагнитное излучение может влиять на заряженные частицы, вызывая их колебания. Колеблющаяся частица постепенно ускоряется и создает излучение. Мы говорим, что она становится вторичным источником излучения. Этот эффект называется рассеянием падающего излучения.

Атмосфера Земли состоит из различных газов, которые, смешиваясь, образуют воздух. Каждую молекулу воздуха можно рассматривать как электронный излучатель. Распределение электронного заряда каждой молекулы – рассеяние падающего излучения в поперечном сечении. Это территория, на которую должно попасть падающее излучение, чтобы произошло рассеяние. Количество рассеянного излучения будет зависеть от величины поперечного сечения. При рассеянии Рэлея поперечное сечение пропорционально биквадрату частоты падающего излучения. Солнечный свет состоит из различных видимых частот: от низкой (красный цвет) до высокой (голубой). Поскольку голубой цвет имеет более высокую частоту, чем другие видимые компоненты, голубая часть спектра солнечного света будет рассеяна сильнее. Этот рассеянный свет мы видим, поэтому небо кажется нам голубым.

Заодно можно объяснить, почему закаты красные. Когда Солнце садится за горизонт, его свет проходит через атмосферу. Голубой рассеивается сильнее, а красный, имеющий низкую частоту и менее подверженный рассеянию, достигает наблюдателя.

Д. Робертс

Кафедра физики, Университет Шеффилда,

Южный Йоркшир, Великобритания

Китайская головоломка

«Говорят, Великая Китайская стена – единственный рукотворный объект, видимый из космоса. Чтобы объект был виден из космоса, глаз должен воспринимать его как двумерный. Великая Китайская стена невероятно длинная, но очень узкая. Если можно увидеть ее из космоса, значит, видимыми будут и другие объекты, которые можно воспринимать как двумерные – например, пирамида Хеопса, хотя ее суммарная площадь гораздо меньше. Может быть, способность зрения воспринимать предметы меняется из-за влияния большего размера объекта на меньший? Или на самом деле Великую Китайскую стену не видно из космоса?»

А. Р. Макдермед-Гордон

Сейл, Чешир, Великобритания

Стену из космоса не видно. Общеизвестно, что это одна из современных легенд, вероятно, занимающая второе место в мире по известности после массовых самоубийств леммингов.

Обладатель идеального зрения способен без бинокля или телескопа разглядеть дугу величиной не более 1′. По очень приблизительной оценке ширина Великой Китайской стены 6 метров. Это означает, что ее не разглядеть с высоты около 20 километров, вдвое превышающей высоту горы Эверест. Даже если принять во внимание тень стены, она будет видна лишь на некоторых участках общей протяженностью около 60 километров. Из-за сопротивления воздуха космические корабли не могут летать на такой высоте.

Однако существует множество других рукотворных объектов, видимых из внеземного пространства, самый большой из них – голландские польдеры, или отвоеванные у моря земли. Большие города тоже видны по ночам как скопления уличных огней.

Д. Фиск

Ипсвич, Суффолк, Великобритания

Известно, что человеческому глазу удобнее высматривать длинные объекты, а не короткие, поэтому Великая Китайская стена вполне может быть видна с Луны. Но на некоторых участках стена почти полностью разрушена и часто незаметна даже на Земле, не говоря уже о космосе. Х. Дж. Арнольд, специалист по фотографии и опытный астроном, исследовал эту проблему и пришел к выводу, что увидеть стену с Луны физически невозможно.

Нил Армстронг из экипажа «Аполлона-11» утверждал, что стена точно не видна с Луны. Его коллега, астронавт Джим Лоуэлл из экипажа «Аполлона-8» и «Аполлона-13», подробно записал свои наблюдения и заявил, что гипотеза насчет стены абсурдна. Джим Ирвин, совершивший полет на «Аполлоне-15», говорил, что о разглядывании стены из космоса не может быть и речи.

Фотографии, сделанные беспилотными спутниками и зондами, доказывают, что местонахождение стены иногда можно определить по песку, нанесенному с наветренной стороны, но сама стена невидима. Вероятно, это конец еще одной легенды.

Роберт Браун

Эшби-де-ла-Зух, Лестершир, Великобритания

Приливы и отливы

«Может быть, кто-нибудь объяснит мне в простых и доступных выражениях, почему высокие приливы случаются одновременно с обеих сторон Земли?»

Пэт Шейл

Сидней, Новый Южный Уэльс, Австралия

Чтобы разобраться в причинах приливов, следует пренебречь суточным вращением Земли вокруг своей оси и сосредоточиться только на вращении системы Земля – Луна.

Это вращение происходит вокруг общего центра гравитации системы, который находится на полпути от поверхности к центру Земли и заставляет каждую точку внутри земного шара или на его поверхности описывать окружность радиусом, равным расстоянию от общего центра притяжения до центра Земли.

Следовательно, в каждой точке действует центробежная сила, имеющая везде одинаковую величину и направленная от Луны, параллельно линии, соединяющей центры Земли и Луны. Эта центробежная сила отличается от тех, которые созданы вращением Земли; ими мы пренебрежем.

На каждую точку Земли также действует сила притяжения, направленная к Луне; эта сила имеет различное направление в разных точках Земли.

Равнодействующая этих двух сил создает приливообразующую силу. Если мы рассмотрим две точки на поверхности Земли, одну – непосредственно под Луной, а другую – на оборотной стороне планеты, выяснится, что сила притяжения Луны в ближайшей к ней точке больше центробежной силы, которая, как мы уже говорили, направлена от Луны.

Дальняя точка отстоит дальше от Луны на один диаметр Земли, сила притяжения Луны в этой точке меньше центробежной силы, как и результирующая сила, действующая на точку, более удаленную от Луны.

В большинстве популярных источников одновременное возникновение приливов в двух противоположных точках планеты объясняется тем, что, когда Луна притягивает воду в ближайшей точке, слегка меняется и положение земного шара.

Но это объяснение не дает понять, почему такая система не рушится под действием взаимного притяжения Луны и Земли.

Д. С. Пареснис

Кафедра геофизики,

Технологический университет Лулео, Швеция

Если пренебречь влиянием других небесных тел, центр массы Земли и центр тяжести Луны находятся в свободном падении и следуют по орбитам вокруг общего центра масс системы Земля – Луна, где притяжение и центробежное ускорение полностью уравновешиваются.

Но на большей части поверхности Земли этот баланс будет нестабильным, потому что Луна находится или ближе, или дальше, но все равно вынуждена следовать по орбите с той же скоростью, что и центр массы Земли.

В океане на поверхности Земли, обращенной к Луне, сила лунного притяжения больше центробежной силы, поэтому вода образует выпуклость, направленную к Луне.

На противоположной стороне Земли преобладает центробежная сила, поэтому вода образует выпуклость, направленную от Луны. Обе выпуклости создают высокие приливы.

В сущности, поверхность моря, которая в противном случае была бы сферической, растянута вдоль оси Земля – Луна по эллипсоиду, и, поскольку любая точка на Земле входит в зону выпуклости и выходит из нее, следом за местным приливом наступает отлив.

Грег Эган

Перт, Западная Австралия

Одновременные высокие приливы на противоположных сторонах Земли – результат дисбаланса гравитационных и центробежных сил. Приливы создаются притяжением Земли и Луны, и в меньшей степени – взаимодействием Земли и Солнца.

Мы привыкли считать, что Луна вращается вокруг Земли, но на самом деле Луна и Земля движутся по орбите вокруг общего центра масс, который находится ближе к центру Земли. Центробежные силы, создаваемые орбитальным движением обоих небесных тел, уравновешивают гравитационное притяжение каждого из них.

Но этот баланс точен только в центре каждого небесного тела. На стороне Земли, ближайшей к Луне, притяжение Луны чуть сильнее, а центробежная сила – слабее, чем у центра Земли, поэтому вода здесь притягивается к Луне. На противоположной стороне Земли притяжение слегка слабее, а центробежная сила больше, поэтому вода притягивается в противоположную сторону от Луны.

Марк Бертинат

Честер, Великобритания

Соленая тайна

«Младшие классы Гленбрукской школы летом возили на экскурсию к морю. Нам понравилось, только непонятно, почему море соленое. Моя мама не знает».

Джон Коннолли

Лондон, Великобритания

Вода в море соленая потому, что впадающие в него реки приносят с суши соли и другие минеральные вещества. Соли растворяются в реках, а реки несут их в море. Солнце испаряет воду из моря, получаются тучи, а соли и минеральные вещества остаются, поэтому вода в море солонее, чем в реках и озерах.

Джек Кейв-Линч (9 лет)

Веллингтон, Новая Зеландия

 
Джон Коннолли умным ребенком слывет:
Вопросы он с малых лет задает.
У соленого моря приятно гулять,
Брызгаться, плавать, на солнце лежать.
Но вода не похожа, как это ни странно,
На воду в бутылке иль из-под крана.
Джонни, послушать причину изволь:
С сахаром – чай, а в море есть соль.
И вот еще чем примечательно море:
Разные соли есть в этом растворе.
Здесь в тесноте, но никак не в обиде
Возле хлоридов живут иодиды.
Калий и магний дружной гурьбой
На берег морской выносит прибой.
Знания будут Джонни наградой.
Ты умник. Беги, маму с папой порадуй!
 

Рей Хитон

Солихалл, Западный Мидлендс, Великобритания

Потери энергии

«Когда применяется так называемый эффект рогатки для ускорения межпланетных космических кораблей? Очевидно, в нем используется притяжение планеты, но мне с моими примитивными познаниями в физике кажется, что любая кинетическая энергия, приобретенная при приближении к объекту, будет неизбежно потеряна как потенциальная при удалении от объекта. Каким образом планета придает кораблю энергию?»

Дэвид Бейтс

Эли, Кембриджшир, Великобритания

У меня возникли те же затруднения, что и у автора вопроса, когда я впервые услышал о запуске «Вояджера» с применением «эффекта рогатки». Очевидно, что чистого выигрыша в энергии не получится, если зонд просто преодолеет стационарное поле тяготения.

Но Юпитер и поле его притяжения вращаются вокруг Солнца со скоростью около 1300 метров в секунду, и любой зонд, пролетающий за планетой, получит ускорение от ее движущегося поля тяготения – почти как серфер, использующий энергию волны. Энергию придает не поле тяготения, а кинетическая энергия движущейся планеты, которая слегка притормаживает на орбите и еще чуть-чуть приближается к Солнцу.

Планета прибавляет скорость, направляясь к Солнцу и, как ни парадоксально, вращается быстрее, чем прежде. На приближение Юпитера к Солнцу на 10^-15 метров (расстояние, примерно равное диаметру протона), затрачивается более 416 мегаджоулей.

Майк Браун

Натсфорд, Чешир, Великобритания

Живые и мертвые

«В одной из песен американской актрисы и певицы Лори Андерсон повторялись слова “Теперь, когда живых больше, чем мертвых…” Правда ли это? Если да, когда это произошло? А если нет, может ли вообще произойти? Есть ли у нас достоверная статистика по численности населения в доисторический период?»

Джон Вудли

Тулуза, Франция

Приведенный ниже ответ основан на вычислениях, опубликованных Международным институтом статистики.

Если население планеты всегда росло нынешними темпами, удваиваясь за период, равный средней продолжительности жизни человека, тогда количество ныне живущих превысило количество мертвых.

На самом деле все было по-другому. В прошлом случались продолжительные периоды, когда численность населения совсем не росла, а люди продолжали умирать. Как ни странно, мы располагаем информацией о численности населения в разные исторические эпохи, в том числе данными переписей, которые проводили римляне и китайцы.

Сведения по более древним временам получены, исходя из площади обрабатываемой земли или охотничьих угодий, а также количества людей, которые могли прокормиться плодами этой земли (с учетом существовавших тогда методов производства продуктов питания). По оценкам Ж.-Н. Бирабена, за 40 000 лет до начала н. э. в мире насчитывалось 500 тысяч человек. Численность населения росла, но темпы ее роста менялись: в первом тысячелетии новой эры она составляла 200–300 миллионов человек, а в начале XIX века достигла миллиарда человек.

Умножая численность населения на показатель смертности, мы обнаружим, что всего с 40  000 года до н. э. до наших дней умерло порядка 60 миллиардов человек. А нынешняя численность населения всего мира не превышает 6 миллиардов.

Несмотря на то что подтвердить точность исторических сведений невозможно, погрешности не могут быть настолько велики, чтобы прийти к выводу о превосходстве численности живущих людей. Мертвых всегда было больше, и так будет продолжаться еще неопределенно долгое время.

Роджер Тэтчер

Нью-Молден, Суррей, Великобритания

В саду Едемском количество живых (2 человека) превосходило количество мертвых (0).

Дж. Л. Папагеоргиу

Лестер, Великобритания

В древнеиндийском эпосе «Махабхарата» старшему среди пандавов Юдхиштхире бог Яма, страж загробного мира и всех праведных, задает множество вопросов, в том числе и приведенный выше, чтобы испытать познания, силу разума и правдивость Юдхиштхиры.

Превратившись в аиста, Яма охранял пруд, из которого напились четыре брата Юдхиштхиры. Не сумев ответить ни на один вопрос Ямы, братья пали мертвыми. Когда Яма в облике аиста спросил: «Кого больше, живых или мертвых?» – Юдхиштхира ответил: «Живых, ведь мертвых уже нет!»

Яма принял этот и все остальные ответы Юдхиштхиры, который на самом деле приходился ему сыном, благословил его и воскресил его мертвых братьев.

Шафи Ахмед

Лондон, Великобритания