Сергей Вавилов - Глаз и Солнце

• Название: Глаз и Солнце
• Автор: Сергей Вавилов
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2015
• ISBN: 978-5-367-03594-0, 978-5-367-03603-9

Книга «Глаз и Солнце», созданная выдающимся ученым, академиком С. И. Вавиловым (1891–1951), стала классикой научно-популярной литературы. В ней представлена история изучения света, рассказано об устройстве человеческого глаза и свойствах излучения Солнца. Дополняют книгу тексты знаменитого физика Г. Г. Слюсарева, а также суждения мыслителей прошлого – Р. Декарта, Х. Гюйгенса, И. Ньютона, Дж. Беркли, О. Ж. Френеля и И. В. Гёте.

---

Между фотосферой и хромосферой расположен очень тонкий, так называемый обращающий слой, в котором, по-видимому, и возникают главные линии Фраунгофера.

Во время полных солнечных затмений наблюдается невооруженным глазом поразительное явление так называемой короны, простирающейся на миллионы километров от края Солнца. Корона имеет, вообще говоря, лучеобразную структуру. Иногда лучи приблизительно равномерно окружают солнечный диск, в других случаях корона особенно вытянута в определенных направлениях. В сечении короны можно различить три спектра. Наиболее ярок непрерывный спектр внутреннего кольца короны. В этом спектре нет линий Фраунгофера; природа этой части короны до сих пор остается загадочной. Ее обычно приписывают рассеянию солнечных лучей в атмосфере электронов. Однако провести такое объяснение последовательно, до конца, согласуя со всеми фактами, еще не удалось. Второй спектр тоже непрерывный, но с фраунгоферовыми линиями; его приписывают отраженному свету фотосферы (отражать могут более холодные и удаленные от Солнца частицы пыли). Третий спектр – линейчатый и соответствует свечению атомов. Можно думать, что этот третий спектр возникает вследствие флуоресценции паров под влиянием солнечного света. На это указывают некоторые особенности поляризации этого спектра. Таким образом, Солнце на несколько миллионов километров окружено веществом в разреженном состоянии, частью в виде паров, частью в виде пыли. Эта пыль и пары могут отгоняться от Солнца электрическими силами и световым давлением. Впрочем, во многих отношениях солнечная корона остается еще непонятным явлением. Не исключена, например, возможность, что некоторая часть свечения короны вызывается своеобразным процессом «саморассеяния» лучей в результате пересечения интенсивных световых пучков вблизи Солнца. Современная теория света считается с возможностью такого процесса.

Наш мимолетный и крайне упрощенный очерк оптических явлений на поверхности Солнца мы закончим сведениями об энергии, излучаемой Солнцем. Эта энергия распределена по всему спектру и в невидимой и в видимой областях. На видимую область при этом падает около 40 % всей энергии.

Представим себе, что Земля лишена атмосферы. Основываясь на прямых измерениях энергии солнечных лучей, действительно падающих на земную поверхность, и учитывая влияние атмосферы, можно рассчитать, что при отвесном падении солнечных лучей поверхность Земли без атмосферы получила бы в минуту в среднем 2 калории, или 0,033 калории в секунду на 1 кв. см. На самом деле часть этой энергии поглощается атмосферой.

Зная эту цифру, так называемую солнечную постоянную, легко вычислить общее количество энергии, излучаемое Солнцем в одну секунду. Для этого достаточно сделать естественное предположение, что Солнце излучает одинаково во все стороны, вычислить поверхность шара с радиусом в 150 млн км (расстояние между Солнцем и Землей) и полученную площадь, выраженную в квадратных сантиметрах, помножить на солнечную постоянную, т. е. на 0,033 калории. При выполнении такого расчета приближенно получается 1026 калорий в секунду (т. е. число, первая цифра которого 1, а за нею следует 26 нулей). Это число и само по себе мало наглядно, да и самое понятие калории довольно отвлеченное. Поэтому поучительно будет сделать следующий пересчет.

Современная физика выяснила, что энергия всегда эквивалентна массе. Первым и важнейшим указанием на эту связь послужит факт давления света на тела, впервые открытый и измеренный П. Н. Лебедевым. Тонкими и исключительно трудными опытами Лебедев доказал, что свет, падая на зачерненную пластинку, полностью его поглощающую, давит на пластинку с силою, равной E/tc. Здесь Е – энергия света, поглощаемого за t секунд, а с – скорость света. Если пластинка не черная, а, наоборот, зеркальная, полностью отражающая свет, то давление на нее вдвое больше. Лебедев своими многолетними опытами показал далее, что свет оказывает давление не только на твердые тела, но и на газы. Это обстоятельство приобрело первостепенное значение для современной теории солнечных явлений.

По законам механики следует, что для того, чтобы остановить за время t какой угодно поток (водяной, световой), оказывающий давление, необходимо его «уравновесить» силой F, определяемой из соотношения Ft = mv, где тv – произведение массы т, приносимой потоком, на его скорость v, носящее название количества движения. Итак, сила давления потока F равна изменению количества движения за 1 секунду, т. е. F = mv/t. В случае светового потока v = c (скорость света). Приравняв найденное выражение для силы давления к величине, полученной согласно опытам Лебедева для давления света, найдем mc/t = E/tc, откуда m = E/c2. Полученная формула определяет массу света m, эквивалентную его энергии Е. Это чрезвычайно важное уравнение получено в приведенном выводе в итоге применения законов механики к оптическим измерениям Лебедева и на первый взгляд имеет ограниченное применение – только для света. Впервые Эйнштейн указал, что уравнение

mc2= E

универсально и должно быть справедливым для любых видов энергии. Заключение Эйнштейна получает все большее и широкое экспериментальное подтверждение по мере развития новой физики, в особенности физики атома и атомного ядра, и в настоящее время должно рассматриваться как одно из важнейших положений науки.

Пользуясь написанной формулой, произведем пересчет энергии, излучаемой Солнцем в секунду, на массу. Найденная выше цифра 1026 малых калорий в секунду оказывается равнозначащей примерно 5 млн тонн в секунду. Эта масса, громадная сама по себе, ничтожна для Солнца. Ранее мы нашли, что при отдаче миллиарда тонн в секунду Солнце уменьшилось бы по массе вдвое только за 30 млрд лет, стало быть, при отдаче 5 млн тонн в секунду Солнце может «исхудать» наполовину только за 6000 млрд лет.

Совершенно так же можно пересчитать энергию, получаемую в секунду всей Землей, на массу. Для этого нужно помнить, что одновременно освещается только половина земного шара и, кроме того, что солнечная постоянная относится к отвесным лучам. В результате пересчета получается совсем скромная и легко запоминаемая цифра – около 2 кг в секунду.

Эти пересчеты, делающие несколько осязаемой энергию, излучаемую Солнцем, имеют вместе с тем большой принципиальный смысл. Нас поражает масса Солнца и его практически неисчерпаемая энергия. Как собираются массы, подобные солнечной, и где источник их непрерывно излучаемой энергии? Массы стягиваются в солнечные центры, вероятно, всемирным тяготением. Но, по-видимому, солнечная масса почти предельная; бывают скопления вещества, раз в десять превышающие массу Солнца, но дальнейшего нарастания астрономы не знают. Чем же объясняется такой предел?

При стягивании масс всемирным тяготением возникают колоссальные давления внутри светил и развиваются огромные температуры, которые должны достигать десятков миллионов градусов. Накаленная не только добела, но до рентгеновского света внутренность звезды излучает (по закону Планка) наружу от центра чрезвычайно большие количества лучистой энергии. Этот внутренний свет давит от центра наружу на звездные массы. Таким образом, действию тяготения противодействует световое давление. Разумеется, это противодействие не может превзойти вызывающего его тяготения. Но к световому давлению добавляется центробежная сила, сопровождающая вращение звезды. Когда сумма светового давления и центробежных сил будет равна силе тяготения, дальнейшее нарастание массы светила должно прекратиться. Теоретический расчет показал, что, действительно, массы, порядка солнечной, должны быть во вселенной предельными. Таков частичный ответ астрофизики на вопрос о происхождении солнечной массы.

Но чем возмещается энергия, теряемая Солнцем в виде излучения? В свое время предполагалось, что поток метеоров, падающих на Солнце в количестве (по массе), равном примерно сотой части Земли, за год в состоянии дать нужную компенсацию. Указывалось также, что сжатие поперечника Солнца на 75 м в год должно сопровождаться развитием тепла, вполне равноценным лучистой отдаче. Таким образом, можно бы объяснить существование Солнца в его современном виде по крайней мере в течение 100 млн лет. Этот срок, однако, ничтожен; геология и астрофизика требуют по меньшей мере десятков миллиардов лет для Солнца. Такого длительного бытия Солнца не могут объяснить названные предположения.

Источники излучения Солнца и звезд надо искать по направлениям совсем иным – в запасах энергии, раскрытых новой физикой. Соотношение между энергией и массой, о котором мы только что говорили, указывает в самом общем виде, что любое скопление массы может рассматриваться как эквивалент энергии. Каждый грамм массы – это огромная энергия, величину которой можно вычислить, помножив массу на квадрат скорости света. Грамм массы оказывается равным 20 тыс. млрд калорий. Для получения такой же энергии пришлось бы сжечь 20 тыс. тонн угля.