Kodėl Visatoje vyrauja rutulio forma? Nuo muilo burbulų iki regimosios Visatos. Ir kuo čia dėti „Cheerious“ dribsniai bei Himalajų kalnai?

Kodėl Visatoje vyrauja rutulio forma? Nuo muilo burbulų iki regimosios Visatos. Ir kuo čia dėti „Cheerious“ dribsniai bei Himalajų kalnai? Apie tai – ištraukoje iš lietuviškai išleistos mokslininko knygos „Astrofizika skubantiems“ („Kitos knygos“, vertė Anita Kapočiūtė):

Be kristalų ir suskeldėjusių uolienų, daugiau kosmose nerasime beveik jokių natūraliai susidariusių aštriabriaunių darinių. Nors daugybė objektų turi savo ypatingą formą, visgi apvalių dalykų sąrašas būtų begalinis: nuo muilo burbulų iki pačios regimosios Visatos. Paprasti fizikos dėsniai lengviausiai pritaikomi būtent rutuliams, o ne kitokios formos kūnams. Ši tendencija labai įsivyravusi ir mankštindami protą minties eksperimentais neretai tariame, jog objektas yra sferinis, netgi jei gerai žinome, kad jis tikrai nesferinis, vien siekdami priartėti prie esminio suvokimo. Kitaip tariant, jei nesuprantame sferinio atvejo, negalime tvirtinti suprantantys esminę objekto fiziką.

Rutulius gamtoje sukuria jėgos, tokios kaip, pavyzdžiui, paviršiaus įtemptis, kurios siekia, kad objektas būtų kuo mažesnis visomis kryptimis. Skysčio, iš kurio pučiamas muilo burbulas, paviršiaus įtemptis, spaudžia orą visomis kryptimis. Per kelias akimirkas nuo susidarymo burbulas aprėpia maksimalų oro tūrį minimalaus ploto paviršiumi. Taip sukuriamas stipriausias įmanomas burbulas, kadangi plonytė muilo plėvelė bus ištempta tik tiek, kiek absoliučiai būtina.

Paprastais matematiniais skaičiavimais, kuriuos pajėgūs atlikti ir vyresniųjų klasių gimnazistai, galima įrodyti: duoto uždaro tūrio mažiausią paviršiaus plotą turi viena vienintelė forma – idealus rutulys. Iš tiesų būtų įmanoma kasmet sutaupyti milijardus dolerių pakuotėms, jei visos transportavimo dėžės ir visos maisto pakuotės prekybos centruose būtų apvalios.

Pavyzdžiui, pačios didžiausios „Cheerios“ dribsnių dėžutės turinys lengvai sutilptų į apvalią maždaug 23 centimetrų skersmens pakuotę. Vis dėlto galiausiai lemia praktiniai dalykai – niekas juk nenorėtų po visą parduotuvę vaikytis nuo lentynų nuriedėjusių maisto pakuočių kamuolių.

Žemėje rutulinių guolių rutuliukai paprastai gaminami iš metalinių strypų (vielos) specialiomis mašinomis, bet yra ir kitas galimas jų gamybos būdas: lašinti išlydytą metalą tiksliai apskaičiuotomis porcijomis į ilgo šachtos vamzdžio viršutinę angą. Metalo lašas paprastai kurį laiką rangysis, kol susiformuos į idealios formos rutuliuką, bet dar kurį laiką jis turi laisvai kristi, kad sukietėtų, ir tik sukietėjęs nukristų į dugną. Orbitinėje kosminėje stotyje, esant nesvarumo būklei, galima ne per daug stipriai švirkščioti tiksliai išmatuotas išlydyto metalo dozes – šios ramiai plūduriuos aplinkui, kol atvės ir sukietės jau idealių rutuliukų formos – paviršiaus įtemptis nuveiks visą darbą.

Didelius kosminius kūnus rutuliais paverčia energijos ir gravitacijos sąveika. Gravitacija yra jėga, verčianti medžiagą kolapsuoti visomis kryptimis, bet gravitacija ne visada laimi – kietųjų kūnų cheminiai ryšiai yra stiprūs. Himalajai išaugo nepaisydami Žemės gravitacijos jėgos dėl plutos uolienų tamprumo.

Bet neskubėkime džiūgauti dėl didingųjų Žemės kalnų, pirmiau reikėtų žinoti: aukščio skirtumas tarp giliausio vandenynų duburio ir aukščiausios kalnų viršūnės siekia apie 20 kilometrų, o Žemės skersmuo – beveik 13 tūkstančių kilometrų. Tad, nors jos paviršiumi šmirinėjantiems žmogeliukams ir atrodo visiškai kitaip, Žemė, kaip kosminis objektas, yra nepaprastai glotni. Jei turėtumėte neapsakomo dydžio milžino pirštą ir perbrauktumėte juo Žemės paviršių (su visais vandenynais), Žemė jums pasirodytų glotni kaip biliardo kamuoliukas. Kuriant tuos brangius gaublius, kuriuose kalnynai pavaizduoti reljefiškai, tikrovė paprastai gerokai perdedama. Štai kodėl nepaisant visų mūsų planetos kalnų, slėnių ir net tos aplinkybės, kad ties ašigaliais ji trupučiuką suplota, iš kosmoso Žemė atrodo kaip idealus rutulys.

Nors Marsas yra daug mažesnis už Žemę, jame yra daug aukštesnių kalnų nei Žemėje. Štai Marso aukščiausias Olimpo kalnas (Olympus Mons) yra iškilęs apie 21 km virš vidutinio paviršiaus lygio, o jo pagrindo skersmuo siekia 600 kilometrų. Kosminis kalnų statybos metodas gana paprastas: kuo silpnesnė kosminio kūno gravitacija, tuo aukštesni gali iškilti kalnai. Everestas yra išsistiebęs maždaug tiek, kiek išvis kalnas gali būti iškilęs Žemėje, jeigu jis augtų dar didesnis, apatiniai uolienų sluoksniai dėl plastiškumo imtų dubti, neatlaikydami kalno masės.

Jei uolinio kūno paviršių veikia nedidelė gravitacija, uolienų cheminiai ryšiai atsilaikys prieš slegiantį pačių uolienų svorį. Kai taip atsitinka, tampa įmanoma beveik bet kokia kūno forma. Du garsūs ne rutulio formos kosminiai kūnai yra Fobas ir Deimas – du Marso palydovai, panašūs į stambias bulves. 23 kilometrų ilgio Fobe vidutinio sudėjimo žmogus svertų ne ką daugiau, kiek sveria du vyšniniai pomidoriukai Žemėje.

Erdvėje paviršiaus įtemptis visada priverčia nedidelį skysčio lašą įgyti rutuliuko formą. Tad išvydę kokį nors nedidelį kietą daiktą, kuris pasirodo įtartinai apvalus, galite spėti: jis formavosi būdamas išlydytas, skystos būsenos. Jei medžiagos gniužulo masė labai didelė, tuomet jis gali būti sudarytas iš beveik bet ko – gravitacijos jėga suteiks jam rutulio formą.

Kai galaktikos didžiulis masyvus tarpžvaigždinių dujų ir dulkių debesis dėl savos gravitacijos ima trauktis, jame atsiranda mažesnių lokalių sutankėjusių dujų ir dulkių gniužulų, toliau traukdamiesi jie suformuoja beveik idealios formos rutulius, kurie ilgainiui tampa žvaigždėmis. Bet jei atsitinka taip, kad žvaigždė skrieja per arti kito stiprią gravitaciją turinčio objekto, jos sferiška forma gali būti deformuota ir nuo jos netgi atplėšiama medžiagos.

Sakydamas „per arti“ turiu galvoj per arti objekto Rošo ertmės – pavadinimas XIX amžiaus vidurio prancūzų matematiko Édouard’o Roche’o, tyrinėjusio gravitacinius laukus dvinarių žvaigždžių aplinkose, garbei. Rošo ertmė yra erdvės sritis, kurią riboja teoriškai apskaičiuotas Rošo paviršius, supantis du kūnus, judančius savo orbitomis aplink bendrą masės centrą. Šio paviršiaus forma panaši į hantelį arba du krintančius lašus, susijungusius savo smailėmis. Jei dvinarėje sistemoje vieno kūno dujinė medžiaga išsiplečia už Rošo ertmės ribų, ji pradeda sroventi antrojo kūno pusėn. Šitaip dažnai atsitinka tose dvinarėse žvaigždžių sistemose, kurių viena žvaigždė tampa raudonąja milžine ir plėsdamasi išeina už ją supančios Rošo ertmės ribų. Tuomet raudonoji milžinė deformuojasi ir įgyja akivaizdžiai nebe sferinę, o veikiau kriaušės formą.

Būna ir taip, kad viena iš dviejų sistemos žvaigždžių yra juodoji skylė, kurios buvimo vieta matoma, nes ten suteka plėšomos porininkės medžiaga. Spirale srūvančios žvaigždės milžinės dujos išeina už Rošo ertmės ribų ir įkaitusios iki ypač aukštos temperatūros ryškiai šviečia ligi tos vietos, kur išnyksta iš akių prasmegusios juodojoje skylėje.