Александр Потупа - Открытие Вселенной - прошлое, настоящее, будущее

• Название: Открытие Вселенной - прошлое, настоящее, будущее
• Автор: Александр Потупа
• Издательство: Юнацтва
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1991
• ISBN: 5-7880-0325-3

На основе обширных данных из астрономии, астрологии, географии, физики, математики, химии, биологии, истории, археологии и других наук автор рассказывает о строении Вселенной, истории человечества, о планетах Солнечной системы и Галактике, о звездах и их эволюции, о возможностях существования внеземных цивилизаций, о перспективах космических исследований, об идее контакта с инопланетянами.

---

Наряду с этим весьма тонким и общим влиянием очень интересно рассмотреть ряд конкретных фрагментов прямого взаимодействия физики и астрономии.

Оно имеет давнюю традицию — добытые на Земле сведения о веществе так или иначе всегда примерялись к космосу. Использовались в астрономии и многие элементарные приборы, предназначенные сначала для геометрических измерений в строительстве и в землемерии.

На рубеже Нового Времени крупнейшим физико-техническим вкладом в астрономию стал, конечно, телескоп. Впервые астроном почувствовал, что между его глазом и небесными телами стоит посредник, от совершенства которого в немалой степени зависят открытия. Впоследствии астрономия испытала целый ряд таких приборных преобразований — вплоть до появления в 20 веке радиотелескопов и счетчиков частиц космического излучения, необычайно расширивших диапазон космовидения.

Благодаря телескопам все ранее наблюдавшиеся объекты и их движения были просмотрены и измерены заново с гораздо более высокой точностью. Вообще высокая точность измерений стала играть в астрономии выдающуюся роль гораздо раньше, чем в иных областях познания, и в немалой степени послужила образцом для всех других наук. Ведь астрономия была, пожалуй, первой сферой человеческой деятельности, где стали формулироваться точные количественные законы. Поэтому мы можем реконструировать размеры античной Вселенной (от десятков тысяч до десятков миллионов километров), но совершенно не представляем себе размер, скажем, атомов Демокрита — Эпикура — Лукреция.

Уточнения координат небесных тел оказались особенно важны для проверки ньютоновской теории движения планет, а впоследствии сыграли решающую роль при обращении к звездам. Увеличение точности производит сильное впечатление. Напомним, что предельно малая погрешность наблюдений Тихо Браге и Гевелия составляла 0,5 угловых минуты. Джон Флемстид (1646–1719), основатель и первый директор Гринвичской обсерватории, за счет систематического применения специальных устройств довел ее до 10 угловых секунд, а Джеймс Брандлей (1692–1762) — до 4–6. В начале 19 века погрешность была доведена до 3, а в середине — до 1–2!

Развитие наблюдений не сводилось к созданию все более мощных телескопов, совершенствовалась и вспомогательная техника, облегчающая определение координат. В середине 19 века был сделан крупнейший шаг объединение телескопа с фотоаппаратом, что резко упростило довольно нудный процесс текущей регистрации небесных событий. Это в определенной степени эквивалентно включению огромного резерва наблюдателей и дает возможность непрерывного — при должных погодных условиях — слежения за небом. В жизни вечных полуночников-астрономов наметилась тенденция к более человеческому режиму. С другой стороны, фотопластинки оказались отличной формой хранения объективной астрономической информации.

Эта линия достижений связана в основном с успехами техники. Но неменьшую роль сыграло и бурное развитие фундаментальных представлений о строении вещества.

Уже с конца 17 века астрономы пытались взглянуть на небо сквозь линзу новой, только зарождающейся физики. Именно в 17-м веке возникли механика, первые научные концепции света (волновая теория Гюйгенса и корпускулярная теория Ньютона) и вещества (атомно-молекулярные модели Бойля и Ньютона). Дальнейшие успехи физической оптики и моделей вещества в 18 и особенно в 19 веке позволили связать свойства вещества с характеристиками принимаемых световых сигналов. Стало ясно, что свет, попадающий в земной телескоп, несет информацию о состоянии далекой звезды — ее строении и химическом составе.

Так рождалась астрофизика — наука о строении небесных тел и происходящих на них процессах. Хотя ее истоки (в виде предварительной классификации звезд по блеску) относятся к античным временам, но более реальной датой ее рождения можно считать первые телескопические наблюдения Галилея, который высказал гипотезу о единой природе Земли и других планет. Здесь мы немного сосредоточим внимание на успешных попытках объединить телескоп с настоящей земной лабораторией, что позволило вести анализ строения и состава небесных тел так, словно их образцы доставлены на нашу планету.

История такого объединения начинается с открытия Ньютона, разложившего в 1666 году солнечный свет в разноцветный спектр с помощью стеклянной призмы. Закон зависимости преломления от цвета занял свое место в оптике и послужил Ньютону основой для корпускулярной модели света. Но в плане широкого практического применения это открытие оставалось в тени еще около двух столетий.

В 1802 году английский химик и физик, один из первооткрывателей инфракрасного и ультрафиолетового излучений Уильям Хайд Волластон (17661828) опубликовал небольшую заметку, где сообщил, что спектр солнечного света, пропущенного сквозь призму, содержит какие-то темные линии. Видимо, плохая оптика привела автора к неверному заключению, что линии зависят от яркости источника и вида призмы. На эту заметку никто, в том числе и автор, не обратил особого внимания.

И вот в 1814 году это явление переоткрыл молодой немецкий оптик Йозеф Фраунгофер (1787–1826), переоткрыл на совсем ином уровне. Фраунгофер, сын мастера-стекольщика, с детства занимался изготовлением оптических стекол и достиг в этом деле исключительного совершенства — его линзы и призмы составили, пожалуй, целую переходную эпоху между 18 веком и великолепной оптикой фирмы «Карл Цейсс», появившейся в последней четверти прошлого столетия.

В 1814 году, сотрудничая в одной из мюнхенских оптических фирм, Фраунгофер приступил к систематическим исследованиям преломляющих свойств различных прозрачных веществ. Он сразу же натолкнулся на темные линии в солнечном спектре и быстро убедился, что они — стабильная характеристика источника, не зависящая от призмы. Дело в том, что аналогичные линии Фраунгофер увидел в спектре обычной свечи, а потом и в спектрах планет. Кроме того, он нашел иной способ разложения света — с помощью искусно изготовленных дифракционных решеток, и получил довольно точные данные о длинах световых волн разного цвета.

Однако Фраунгофер не был профессиональным физиком или химиком и не стал заниматься поиском связи спектральных линий с химическим составом вещества. Он остановился на том, что спектры планет похожи на солнечный, а спектры звезд отличаются от него и иногда довольно сильно. Физико-химические же исследования начались заметно позднее.

В 1854 году в Гейдельберг переехал физик Густав Роберт Кирхгоф (1824–1887), чтобы помочь профессору химии Роберту Вильгельму Бунзену (1811–1899) в осуществлении большой программы по анализу состава газов. Следствием этой работы стало создание спектрального анализа. Благодаря удачному решению ряда чисто технических проблем Бунзен и Кирхгоф сумели очень точно описать всю видимую часть солнечного спектра и связать многие наблюдаемые линии с конкретным химическим составом нашего светила. Они обнаружили более 20 элементов, входящих в атмосферу Солнца.

Теперь стал виден ясный путь к пониманию состава небесных тел. Значимость работы Кирхгофа и Бунзена, частично подытоженной в книге «Химический анализ посредством наблюдений спектров» (1860), сравнима только с галилеевскими наблюдениями неоднородностей Луны и Солнца. Спектры открыли дверь и в атомно-молекулярный мир. В течение следующего полувека из их исследований выросла атомная физика. И именно анализ спектров привел в 20 столетии к появлению модели расширяющейся Вселенной. Но эти достижения еще впереди, а тогда стало ясно, что перед астрономией и физикой лежит необъятное море новой работы. Необходимо было получить и проанализировать спектральные портреты тысяч и тысяч звезд.

Так рождалась современная астрофизика.

Спектры сыграли выдающуюся роль и в определении геометрических параметров Вселенной в самых больших масштабах. Определение расстояний до звезд и их скоростей, несмотря на всевозрастающую мощность телескопов, оставалось довольно серьезной проблемой. Старые геометрические методы, блестяще оправдавшие себя при измерениях Солнечной системы, оказались беспомощными при обращении к очень далеким объектам. Даже самыми современными средствами невозможно обнаружить параллакс звезды, удаленной более чем на 100 световых лет, а, следовательно, нет прямого геометрического способа измерить расстояние и скорость.

Выход был найден в связи с работами австрийского физика и астронома Кристиана Допплера (1803–1853). В 1842 году он установил, что частота волнового процесса должна зависеть от скорости и направления движения источника. В соответствии с идеей Допплера, относительный сдвиг частоты приблизительно определяется отношением скорости источника к скорости распространения сигнала (звука или света): ∆ν/ν0 = ± v/c, где ν0 — частота для покоящегося источника, а знак выбирается в зависимости от направления движения источника. По правилу: + к нам, — от нас, т. е. частота убегающего источника уменьшается (красное смещение), а приближающегося — увеличивается (фиолетовое смещение).