Текст книги "Твиты о Вселенной. Микроблоги о макропроблемах"

9. Что такое зодиак?

Солнце, Луна и планеты движутся на фоне неподвижных звезд. Другими словами, они путешествуют из одного созвездия в другое.

Для Солнца фон созвездий, конечно, не виден. Тем не менее путь Солнца все же может быть выведен из наблюдений.

Оказывается, Солнце, Луна и планеты не могут свободно путешествовать везде в небе. Они никогда, например, не появляются в Большой Медведице или Орионе.

Вместо этого, движение Солнца, Луны и планет всегда ограничивается группой из 12 расположенных по небесному кругу созвездий: созвездий зодиака.

Наиболее известные зодиакальные созвездия: Овен (Aries), Телец (Taurus), Близнецы (Gemini), Рак (Cancer), Лев (Leo), Дева (Virgo), Весы (Libra), Скорпион (Scorpio), Стрелец (Sagittarius), Козерог (Capricorn), Водолей (Aquarius), Рыбы (Pisces).

Хотя название «зодиак» связано с «зоо», не все зодиакальные созвездия – животные. Некоторые – имеют отношение к человеку. А Весы даже не относятся к одушевленным.

Годовой путь Солнца через зодиак (что отражает орбитальное движение Земли) на самом деле является кругом на небе, называемым эклиптикой.

Давным-давно эклиптика была разделена на 12 равных частей (зодиакальные знаки), более или менее связанных с созвездиями (которые имеют неравные размеры).

Астрология (суеверие) утверждает, что характер человека зависит от положения Солнца, Луны и планет относительно этих знаков зодиака на момент рождения.

На самом деле из-за медленного смещения Земной оси между знаками зодиака и созвездиями нет строгого соответствия: смещение составляет около одного созвездия в 2100 лет.

Эклиптика (путь Солнца) пересекает также незодиакальное созвездие Змееносца (Serpent Bearer), которое не играет роли в астрологии.

Зодиакальные созвездия содержат несколько ярких звезд: Альдебаран (Телец), Кастор и Поллукс (Близнецы), Регул (Лев), Спика (Дева), Антарес (Скорпион).

Часто возникают красивые «союзы» Луны и/или планет с одной из этих звезд. Иногда Луна даже заслоняет звезды.

10. Что такое Млечный Путь?

Млечный Путь – слабая светлая полоса, простирающаяся в ночном небе. Может быть видна только в темных местах (за пределами городов) в ясные безлунные ночи.

Согласно греческой мифологии, это материнское молоко, которое пролила богиня Гера, когда она кормила грудью Геракла. Римляне называли Млечный Путь Via Lactea.

В скандинавской мифологии призрачный Млечный Путь (Vintergatan, или Зимняя Улица) был дорогой, по которой мертвые души двигались в Валгаллу (загробную жизнь).

Галилео Галилей (1564–1642) впервые использовал телескоп для изучения Млечного Пути. И удивился, обнаружив, что он состоит из множества тусклых звезд.

Уильям Гершель (1738–1822) и Якобус Каптейн (1851–1922) пытались вывести протяженность и 3D-форму Млечного Пути, подсчитав звезды.

Теперь мы знаем, что Млечный Путь – гигантский сплюснутый звездный диск со спиральными рукавами. Солнце находится во внешней области диска, близко к центральной плоскости.

Так почему же мы видим Млечный Путь как полосу света, опоясывающую небо? Приведем аналогию: мы живем в пригороде гигантского города, где все здания прозрачные…

Город довольно плоский, так что большую часть света в ночное время вы видите в (горизонтальной) полосе вокруг себя с концентрацией интенсивности в направлении центра города.

Глядя вверх или вниз, вы видите только отдельные огоньки (высотные здания, станции метро). Аналогично Млечный Путь является проекцией плоского звездного диска.

Размер, по оценкам Гершеля и Каптейна, оказался слишком маленьким. Кроме того, они считали, что Солнце расположено вблизи центра Млечного Пути. Это обман, который возникает из-за пыли, поглощающей свет.

Это как будто вы находитесь в пригороде большого города очень туманной ночью: свет виден только в пределах некоторой области, и кажется что вы находитесь в центре.

Реальный размер, спиральную структуру и динамику Млечного Пути смогли определить только после появления радиоастрономии (1950-е): пыль уже не мешала.

11. Что представляют собой падающие звезды?

Понаблюдайте за ночным небом 15 минут, и вы увидите нечто, движущееся среди звезд. Если оно мигает и имеет красный цвет, вероятно, это самолет.

Видите ярко-оранжевое/более медленное движение? Словно китайский фонарик в группе звезд. Наблюдаете установившееся движение в течение нескольких минут? Это искусственный околоземный орбитальный спутник.

Видите что-то яркое, такое как планета Венера? Возможно, это Международная космическая станция (МКС). Следуйте @twisst, чтобы получить с места ее локализации персональный сигнал-твит.

Но похожий на звезду объект, пронесшийся по небу и видимый только одну или две секунды, это почти наверняка метеор, или «падающая звезда».

Метеоры не связаны с настоящими звездами вообще. Само название (сравните – метеорология) говорит, что они возникают высоко в атмосфере Земли, на высоте ~ 80 км.

С чем они связаны? Песчинка/камешек из космоса влетает в атмосферу (скорость 11 км/с или около того) и разогревается до свечения из-за трения о воздух.

Чем больше частичка, тем ярче метеор. Самые яркие из них называются болидами. Слабый след от них может сохраняться в течение десятков секунд.

Если метеор достаточно большой, обгоревшие остатки могут долететь до земли в виде «метеорита». Его нетрудно обнаружить, если он падает на снег (Антарктида) или в песок пустыни (Сахара).

Метеоры часто связаны с кометами, которые оставляют пыль, находясь на орбите около Солнца. Когда Земля движется сквозь пыль, наблюдается больше метеоров, чем обычно: метеорный поток.

Метеоры в потоке кажутся возникающими из одного участка неба: радианта. Подобный эффект перспективы возникает, если вы едете через снежную бурю.

Потоки наблюдаются ежегодно примерно в один и тот же день. Наиболее известный: Персеиды, около 12/13 августа. Назван так потому, что радиант находится в созвездии Персея.

Другие: Квадрантиды (4 Января), Лириды (22 Апреля), Дракониды (9 Октября), Ориониды (22 Октября), Тауриды (6 Ноября), Леониды (17 Ноября), Геминиды (14 Декабря).

12. Сколько звезд я могу увидеть?

Это зависит от обстоятельств. Кристально-чистой безлунной ночью далеко от городских огней можно наблюдать несколько тысяч звезд невооруженным глазом.

В большом городе можно увидеть только самые яркие звезды. Те, что слабее, оказываются размытыми из-за светового фона, бич для астрономии (любительской).

Греческие астрономы ранжировали звезды по видимому блеску (звездной величине). Яркие звезды: звездная величина 1; самые последние, еще видимые невооруженным глазом: звездная величина 6.

До сих пор используется эта шкала звездных величин, но с более точными измерениями. Отличие в звездной величине на 5 соответствует изменению видимого блеска в 100 раз (на 1 звездную величину – соответственно в 2,512).

Оказывается, самые яркие звезды могут быть ярче, чем те, что соответствуют первой звездной величине. И звездный блеск может быть измерен с точностью до 0,01 звездной величины.

Бетельгейзе: звездная величина 0,50; Вега: звездная величина 0,03; Сириус (самая яркая звезда в небе): звездная величина –1,46. Отрицательные числа означают более значительную яркость (Солнце: –26,8).

Только 50 звезд ярче 2-й звездной величины (видны из города); 500 – ярче 4-й звездной величины; 5000 – ярче 6-й звездной величины (предел видимости невооруженным глазом).

Использование телескопа значительно увеличивает количество звезд, которые вы можете увидеть. Небольшой любительский телескоп показывает тусклые звезды вплоть до звездной величины 10: 340 000 звезд.

Космический Телескоп «Хаббл» показывает звезды звездной величины 30 – в несколько млрд раз более тусклые, чем можно увидеть невооруженным глазом.

«Видимая светимость» зависит от расстояния. Бетельгейзе кажется менее яркой, чем ближайший Сириус, хотя на самом деле излучает гораздо больше света.

«Абсолютная светимость» – мера истинной светимости звезды. Определяется как видимая светимость, если объект расположен на расстоянии 10 парсек (32,6 световых лет).

Абсолютная светимость Бетельгейзе имеет звездную величину –5,1. Для Сириуса звездная величина +1,43. Таким образом, Бетельгейзе в несколько сотен раз ярче Сириуса.

Земля

13. Откуда мы знаем, что Земля круглая?

Это неочевидно. Не считая складок, таких как горы, Земля кажется плоской. Но это потому, что она слишком большая, и ее кривизна незаметна.

Имеются многочисленные доказательства кривизны… В море корабли исчезают за горизонтом, оставаясь значительными в размерах. На плоской Земле они должны были бы сначала обратиться в точки. И…

… Во время лунного затмения, когда Земля проходит между Солнцем и Луной, тень Земли на Луне изогнута. И…

… Если люди плывут или летят достаточно далеко в одну сторону, в конце концов они возвращаются в исходную точку. И…

… Даже авиакомпании при совокупном определении расстояния между любыми четырьмя городами – от 1 до 2, от 2 до 3 и т. д. – учитывают округлость Земли. Было бы по-другому, если бы Земля была плоской. И…

… Есть множество фотографий Земли, снятых из космоса, в частности с Луны, которые показывают – наша планета действительно круглая!

В 240 г. до н. э. Эратосфен (директор Александрийской библиотеки) стал первым человеком, оценившим размер Земли.

Во время летнего солнцестояния вертикальный столб в Сиене (ныне Асуан) не имеет тени, так как Солнце находится в зените. Но столб в Александрии отбрасывает тень.

Оказывается, Солнце отклоняется на 7 градусов от вертикали в Александрии – это соответствует примерно 1/50 окружности. Расстояние от Сиены до Александрии известно. Так…

… Эратосфен рассчитал, что длина окружности Земли равна примерно 39 000 км, и ошибся всего на 1000 км.

На самом деле Земля не является идеальным шаром. На экваторе скорость вращения Земли равна примерно 1700 километров в час. Здесь «талия» планеты выпирает наружу.

Неравномерность расплавленных внутренних недр планеты приводит к вариации среднего уровня земной коры, создавая грушеобразную фигуру, называемую «геоидом».

14. Почему наши ноги приклеены к земле?

Одним словом: из-за гравитации! Гравитация является универсальной силой притяжения между всеми массами. Насколько мы знаем, все во Вселенной это чувствуют.

Существует сила притяжения между вами и теми, кто, случается, стоит рядом с вами, между вами и монетами в кармане.

Но гравитация – относительно слабая сила. Отведите руку в сторону, совокупное притяжение всего вещества Земли не может опустить ее вниз.

Сила тяжести, хотя и слабо, растет с массой. Для малых тел она незначительна, но заметна для больших тел – Земли, Солнца, галактики.

Кстати, гравитация является взаимной. Притяжение вас Землей = притяжению вами Земли. На Землю оказывается меньшее влияние, потому что она больше, и требуются бóльшие усилия, чтобы заставить ее двигаться.

Тот, кто задавался вопросом, почему его тянет к большим женщинам, но больших женщин не тянет к нему, приводит глубокомысленные доводы о гравитации!

Притяжение Земли держит наши ноги прочно приклеенными к поверхности и удерживает Луну в ловушке на постоянной орбите вокруг Земли.

Из движения Луны Ньютон заключил, что сила гравитации ослабевает пропорционально квадрату расстояния от тяготеющего тела. Удвоение расстояния приводит к 4-кратному уменьшению силы, увеличение расстояния в 3 раза уменьшает силу тяготения в 9 раз.

Ньютон также доказал, что орбиты планет под влиянием гравитационного «закона обратных квадратов» являются эллипсами, что наблюдал Иоганн Кеплер.

На самом деле, Ньютон просто описал видимое проявление гравитации. Более точное описание создал Эйнштейн: общую теорию относительности (1915).

Согласно теории Эйнштейна, материя (энергия) сообщает пространству-времени, как ему «искривляться»; искривленное пространство-время (гравитация) сообщает материи о том, как ей двигаться.

Таким образом, Земля создает углубление в пространстве-времени, подобно вмятине от шара для боулинга на батуте. Другие массы, подобные вашей, падают в нее.

Ни Эйнштейн, ни Ньютон не разгадали, чем объясняется гравитация. Предполагается, что это обмен частицами (гравитонами), подобный обмену шариками между игроками в теннис.

Проблема заключается в том, что, несмотря на героические усилия, не создано описание гравитации в терминах гравитонов. Квантовая теория гравитации пока неясна.

15. Что делает Землю особенной?

Три причины: жизнь, жизнь, жизнь. Земля – единственная планета, которая может похвастаться биологией. Но она имеет также и другие особые свойства, возможно, относящиеся к жизни.

Из четырех скалистых планет Солнечной системы Земля – единственная, обладающая водой на поверхности, – это важно для происхождения и сохранения жизни.

Венера и Марс сразу после формирования, возможно, также имели воду. На Венере (она ближе к Солнцу) океаны испарились. Венера стала окончательно «оранжерейной» планетой.

Марс, будучи меньше Земли, быстрее потерял свое тепло. Также он рассеял большую часть своей атмосферы/водяного пара в пространство. Оставшаяся вода застыла.

Земля находится в обитаемой зоне – зоне «Златовласки»[1]1
  Зона «Златовласки» – «Goldolocks Zone» (от англ. Goldolocks – Златовласка) – термин содержит ссылку на сказку «Goldoloks and the Three Bears», в которой Златовласка выбирает один из трех предметов, а именно обладающий нужными качествами – не слишком холодный, не слишком горячий, а в самый раз. – Прим. перев. (здесь и далее в сносках).


[Закрыть], т. е. имеет оптимальное соотношение размера и расстояния до Солнца. Если планета ближе к Солнцу, на ней слишком жарко, как на Венере. Если намного меньше по размерам, на ней слишком холодно, как на Марсе.

Земля – единственная скалистая планета с большой Луной. Притяжение Луны выправляет Землю всякий раз, когда ее ось отклоняется, что сохраняет климат пригодным для жизни.

Радиоактивность сохраняет расплавленным ядро Земли. Медленные, заряженные потоки генерируют магнитное поле. Они защищают жизнь от смертельных частиц, идущих от Солнца/из космоса.

Наконец, Земля является единственной планетой в Солнечной системе с тектоникой плит (см. следующую страницу), которая предотвращает накопление СО₂ в атмосфере.

Земля может быть гигантской «сложной саморегулирующейся системой» (гипотеза Геи) с биологией и геологией, совместно сохраняющими планету обитаемой.

16. Что такое тектоника плит?

В 1620 англичанин Фрэнсис Бэкон замечает, что береговые линии Африки и Южной Америки похожи на кусочки головоломки, подходящие друг другу.

В начале XX в. немец Альфред Вегенер задумался: может, континенты сначала были объединены, а затем разъединились?

Вегенер умирает в 1930 во время путешествия по Гренландии. К сожалению, он никогда не увидит триумфа своей весьма спорной идеи – «континентального дрейфа».

К концу XX в. основная идея Вегенера подтверждается и конкретизируется в современную полномасштабную теорию «тектоники плит».

Поверхность Земли (литосфера) плавает на расплавленной магме. Существуют 2 типа коры: океаническая – тонкая/плотная; континентальная – толстая/легкая, которая плавает выше.

Литосфера раздроблена на «тектонические плиты». Там, где две континентальные плиты сталкиваются, происходят смятие и подъем коры, что приводит к образованию горных цепей, подобных Гималаям.

Когда континентальная и океаническая плиты сталкиваются, океаническая опускается вниз, ныряя под континентальную и поднимая ее вверх. В результате образуются горы (Анды) и вулканы (вследствие трения).

Когда пластины расходятся на «срединно-океанических хребтах», лава поднимается и заполняет этот разлом, создавая новую кору. Океан распространяется. Когда-то Атлантика была лужей.

Примечательно, что сегодня в Африке мы можем наблюдать рождение нового океана. В Афаре (Эфиопия) 3 пластины отдаляются друг от друга. Образовавшийся разлом будет заполнен водой.

Согласно представлениям о тектонике плит, 250 млн лет назад Земля представляла единый «суперконтинент» (Пангея). Его разлом породил сегодняшние континенты.

Движущей силой тектоники плит являются поднимающаяся горячая магма и опускающаяся внутрь Земли холодная магма по аналогии с нагреваемой в кастрюле водой.

Источником тепла является радиоактивность горных пород. Первоначально это расплавило Землю так, что плотное железо опустилось к ядру, а легкая порода (литосфера) всплыла на поверхность.

Никто не знает, что изначально разломало литосферу на плиты. Может быть, просто охлаждение и сжатие Земли или воздействия из космоса.

Жидкая вода имеет решающее значение в качестве смазки при движении плит. Венера, которая приблизительно одного размера с Землей, но не содержит воды, не имеет тектоники плит.

17. Почему Земля внутри расплавлена?

Это не так. По крайней мере, не в самом центре планеты. Земля имеет твердое внутреннее ядро и жидкое внешнее ядро. Оба состоят из железа и никеля.

В обычных условиях железо плавится при 1536 °C. Но температура плавления материала растет с увеличением давления. Во внутреннем ядре давление слишком велико для плавления железа.

Твердое внутреннее ядро имеет диаметр 2430 км – 70 % от размера Луны. Его температура 5430 °C, а давление ~ 350 гигапаскалей (3,5 млн атмосфер).

Расплавленное внешнее ядро – слой толщиной около 2250 км. Его температура колеблется в диапазоне от 4400 до 6100 °C. Вероятно, оно также содержит серу и кислород.

Токопроводящие потоки во внешнем ядре генерируют магнитное поле Земли. Если бы все ядро было твердым, Земля не имела бы магнитного поля.

Земля – «дифференцированное» тело: тяжелые элементы (железо, никель) опустились к центру из-за гравитации. Таким образом, Земля имеет «слоистую» внутреннюю структуру.

Так почему же внутри Земли так жарко? По двум причинам: из-за реликтового тепла, высвободившегося при формировании планеты, и из-за тепла от распада радиоактивных элементов.

Земля образовалась при столкновении и слиянии протопланет. Было сгенерировано много тепла. Древняя Земля была полностью расплавлена, это создавало возможности для расслоения.

Радиоактивные элементы (уран, торий, калий[2]2
  Казалось бы, калий – сравнительно легкий элемент (номер 19 по таблице Менделеева), более чем в два раза легче урана, но его изотоп К-40 с массовым числом 40 является радиоактивным.


[Закрыть]) медленно распадаются на более легкие элементы. Это также производит тепло в ядре и мантии Земли.

Земля медленно остывает, отдавая внутреннее тепло холодному пространству. Но: большая планета содержит больше тепла (из обоих источников), чем маленькая.

Кроме того, большое тело имеет меньшую площадь поверхности, теряющую тепло, по отношению к объему. Поэтому оно остывает медленнее. По той же причине взрослые охлаждаются медленнее, чем дети.

Все проявления геологической активности (вулканы, землетрясения, возникновение гор) обусловлены теплом, распространяющимся из недр Земли к поверхности.

18. Откуда мы знаем возраст Земли?

Вопрос возраста Земли связан с возрастом Солнца, так как Солнце не может быть моложе (тогда Земля была бы замерзшей).

То, как долго Солнце светит, зависит от того, насколько много тепла оно отдало и каков источник его энергии. Самые ранние измерения были произведены в XIX в.

В XIX в., когда все работало на пару и угле, у физиков напрашивался вопрос: не является ли Солнце гигантской глыбой горящего угля?

Сколько времени могла бы глыба угля размером с Солнце – прародительница всех глыб угля – поддерживать тепловыделение Солнца до израсходования угля? Приблизительно 5000 лет.

5000 лет оказалось слишком мало даже для ирландского архиепископа Ашшера, который вывел из Библии, что Земля была создана в воскресенье 23 октября 4004 г. до н. э. – в 9:00.

Геология и биология говорят нам, что Земле по крайней мере сотни млн лет. Ведь необходимы долгие годы для формирования гор…

… и для того, чтобы все живое могло эволюционировать от одного общего предка. Физики тоже имеют свои весомые соображения относительно возраста Земли.

Радиоактивный уран в горных породах превращается в свинец с известной скоростью, так что соотношение между их количествами может быть использовано в качестве «часов». Возраст Земли составляет миллиарды лет.

В 1907 американский физик Бертрам Болтвуд из данных по радиоактивному распаду датировал горные породы из Шри-Ланки. Их возраст оказался колоссальным – 2,2 млрд лет.

Фактически самым древним породам, найденным на Земле, около 4 млрд лет. Но Земля, конечно, должна быть еще старше. Вопрос в том, сколько ей лет?

Самая точная оценка возраста Земли достигается радиоактивным датированием метеоритов, строительных обломков, оставшихся после рождения Солнечной системы: 4,55 млрд лет.

Итак, возраст Солнца и Земли составляет примерно треть от возраста Вселенной, которая возникла в результате Большого взрыва около 13,7 млрд лет назад.

Солнце горит в миллион раз дольше, чем могло бы, если бы было сделано из угля. Так что источник энергии должен быть в миллион раз мощнее той энергии, которую может обеспечить уголь.

Источник энергии в миллион раз мощнее угля существует: это ядерная энергия. Солнце осуществляет термоядерный «синтез» водорода с получением гелия. Побочным продуктом является солнечный свет.