Колин Стюарт - Вселенная на ладони

• Название: Вселенная на ладони
• Автор: Колин Стюарт
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2019
• ISBN: 978-5-04-099305-5

Перед вами путеводитель по Вселенной! Совершите невероятное путешествие через все основные астрономические открытия, от древних цивилизаций до современных наблюдений за гравитационными волнами, предсказанными Эйнштейном более 100 лет назад. Интересный увлекательный рассказ о нашей Вселенной через основные астрономические законы и открытия.

---

Будучи немецким евреем по рождению, Эйнштейн переехал жить в Америку после того, как к власти в Германии пришел Адольф Гитлер, и в 1940 году принял американское гражданство. В 1952 году ему предложили пост президента Израиля, но Эйнштейн предложение отклонил. Ученый скончался в 1955 году от аневризмы, а его мозг во время вскрытия был извлечен из черепа для дальнейших исследований в области человеческого интеллекта без разрешения Эйнштейна.

Астрономам было давно известно о том, что ньютоновская теория гравитации не может объяснить некоторые странности в поведении Меркурия. Когда же Эйнштейн применил к проблеме Меркурия свою идею искривленного пространства-времени, она идеально подошла к ней. Однако для абсолютной уверенности, требовался дополнительный способ проверки. Секрет состоял в том, чтобы приспособить для этого уникальное обстоятельство солнечного затмения.

И Эйнштейн, и Ньютон были едины во мнении, что гравитация Солнца является причиной отклонения света, идущего от далеких звезд, но они расходились в оценке того, насколько велико это отклонение. В 1919 году британского астронома Артура Эддингтона послали на крошечный африканский остров Принсипи для прояснения этого вопроса. Обычно на дневном небе звезды, находящиеся очень близко к Солнцу, не видны. Однако во время солнечного затмения Луна очень кстати блокирует сияние солнца. Эддингтон воспользовался этим обстоятельством для того, чтобы сделать фотоснимки звезд, находящихся вблизи Солнца.

И действительно, звезды оказались именно там, где они должны быть согласно утверждению Эйнштейна, смещенными от нормального положения так, как если бы свет следовал по пути в пространстве-времени, искривленному из-за наличия Солнца. На сегодня общая относительность остается для нас лучшей теорией гравитации, и пока что она с успехом прошла эти и все другие проверки, которым ее подвергали.

Глава 2 Солнце, Земля и Луна

Солнце

Из чего оно состоит?

Как можно узнать, из чего состоит что-то, что находится в 150 миллионах километров от нас? Особенно если это что-то настолько горячее и яркое, что к нему совершенно невозможно приблизиться хоть на шаг без риска быть насмерть обожженным? Так же, как и со всеми вещами в астрономии, ответ кроется в том свете, который поступает к нам от Солнца.

В первой главе мы уже видели, как можно воспользоваться призмой для расщепления белого света на его составные части – отдельные спектры цвета. В начале 1800-х годов немецкий физик Йозеф фон Фраунгофер обнаружил, что цветовой спектр солнечного света не является непрерывным – он содержит серию из более пятисот черных линий, в настоящее время известных как линии Фраунгофера. В 1850-х годах два немецких ученых – Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф – дали объяснение этому феномену, показав, почему они там находятся. Как оказалось, эти линии просто-напросто обозначают пропущенные цвета – пробелы в спектре, появившиеся из-за того, что разные вещества, существующие на Солнце, поглощают определенные цвета или частоты спектра солнечного света, не позволяя этим цветам достичь Земли.

Эти линии, по существу, представляют собой химические штрихкоды, скрывающие жизненно важную информацию о том, из чего состоят источники света. Это уникальные отпечатки пальцев Солнца. Разогревая различные химические элементы в лабораторных условиях, Бунзен и Кирхгоф сопоставляли их «линии абсорбции» с такими же для солнечного спектра (для целей своих экспериментов Бунзен изобрел нагревающее устройство, которое с тех времен носит его имя). Оказалось, что Солнце в основном состоит из водорода – самого легкого элемента во Вселенной.

Между тем в 1868 году Солнце поставило астрономам подножку. В тот год французский астроном Пьер Янссен, наблюдая за солнечным затмением, обнаружил линию абсорбции, не соответствующую ни одному из известных элементов. В этот же год английский астроном Норман Локьер заметил идентичные линии, когда наблюдал за Солнцем. Локьер со своим коллегой-химиком Эдвардом Франклендом назвали новый элемент «гелием» от греческого слова helios, что значит «солнце». Позднее этот элемент был найден и на Земле, и это был первый случай, когда элемент сначала обнаружили в космосе. Благодаря новому методу анализа спектральных линий, сегодня известного как метод спектроскопии, теперь мы знаем, что Солнце на 73 % состоит из водорода, на 25 % – из гелия, а остальные 2 % приходятся на другие элементы, такие как кислород, углерод и железо.

Что управляет Солнцем?

Солнце жжет нашу кожу с расстояния почти 150 миллионов километров. Вопрос о том, что является источником энергии этой огромной печи, был одним из самых насущных и животрепещущих для физиков конца XIX века.

Развитие геологии и биологии, в том числе и работы Дарвина по эволюции посредством естественного отбора, послужили намеком на очень старую Землю. С учетом того, что Солнце еще старше, обнаружение источников его энергии становилось еще более затруднительным. Одно дело – установить процесс, способный поддерживать Солнце в течение миллионов лет, и совсем другое – миллиардов.

Многие викторианские научные светила наотрез отказывались верить в столь широкие временные рамки. Лорд Кельвин – ведущий эксперт в вопросах тепла и энергии – видел источник солнечной энергии в гравитации. Поскольку солнечный материал, из которого оно состоит, сдавливается в направлении его центра, в этом же направлении повышается и давление, и температура. Именно эту конверсию гравитационной энергии в тепловую энергию Кельвин считал источником энергии солнца. Однако, по его подсчетам, солнце должно было растратить всю эту энергию примерно за 30 миллионов лет. Следовательно, оно должно быть моложе, если оно все еще продолжает светить, и по этой причине Кельвин в 1862 году публично отверг предположения Дарвина относительно возраста Земли, который, по мнению автора эволюционной теории, составляет миллиарды лет.

Однако прав оказался Дарвин, а не Кельвин. Недостающее звено в головоломке было найдено в 1905 году, когда Эйнштейн опубликовал свою знаменитую формулу Е = mc2. Согласно этой формуле энергия (Е) и масса (m) в сущности это одно и то же, и вы можете преобразовать одно в другое. Помножив массу на скорость света (с) в квадрате, вы получаете количество энергии, которая имеется в вашем распоряжении. Вместе с тем здесь есть одна загвоздка: высвобождение энергии из массы требует экстремально высокого давления и температуры.

В 1920 году британский астроном Артур Эддингтон первым описал действительный механизм, поддерживающий энергию Солнца: синтез. Гелий может образоваться в результате слияния атомов водорода под воздействием экстремально высокого давления и температуры, какие отмечаются в центре солнечного шара. Важно, однако, что масса образующегося гелия немного меньше первоначальной массы водорода. Эта недостающая масса и является источником солнечной энергии – именно она преобразуется в энергию Солнца согласно знаменитой формуле Эйнштейна. Ежесекундно на Солнце происходит слияние и последующее превращение 620 миллионов тонн водорода с образованием 616 миллионов тонн гелия. Недостающая масса в 4 миллиона тонн преобразуется в солнечный свет.

АРТУР ЭДДИНГТОН (1882–1944)

В начале XX века Эддингтон был одной из самых важных фигур в астрономии. Родившись в северо-западной Англии в семье квакеров, он намеревался получить статус отказника от воинской службы по религиозным соображениям, чтобы избежать участия в Первой мировой войне, но ему было предоставлено освобождение от призыва в армию вследствие огромной важности его астрономических работ.

Когда в 1915 году Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности – что произошло в Германии во время войны, – Эддингтон оказался одним из немногих астрономов, способных понять смысл и значение этой работы, поэтому он начал заниматься распространением его основных идей среди англоязычных ученых. Успешная проверка положений общей относительности в момент солнечного затмения в 1919 году сделала имя Эйнштейна нарицательным. Тем временем Эддингтон продолжал вносить важный вклад в наше понимание жизненного цикла звезд, в том числе вычислив показатель предела Эддингтона – величину максимально достижимой яркости звезды, которая зависит от ее размера.

Однако не все его работы и идеи прошли проверку временем и дальнейшим ходом развития астрономической науки. В 1930-х годах индийский астрофизик Субрахманьян Чандрасекар предположил на основании общей теории относительности существование черных дыр – идею, которую Эддингтон публично высмеивал. Чандрасекар никогда не забывал этого унижения, но в итоге был удовлетворен, когда в 1983 году получил Нобелевскую премию по физике.

Несмотря на ненасытную прожорливость Солнца в отношении водорода, у него все еще остается в запасе достаточно материала для синтеза, чтобы обеспечить свое существование на протяжении еще 5 миллиардов лет. В главе 4 мы рассмотрим, что произойдет после того, как источники энергии Солнца будут полностью исчерпаны.