Текст книги "Вселенная на ладони"

Измерение небесных тел (взвешивание мира)

Астрономам также не терпелось узнать, сколько весят планеты. В XVIII веке даже масса Земли оставалась нераскрытой тайной. Эдмунд Галлей, при всех его успехах в исследовании комет, полагал, что Земля полая. В 1774 году один из его преемников на посту королевского астронома – Невил Маскелайн – доказал, что это не так.

Со времен ньютоновских «Начал» был известно, что каждый объект находится под воздействием сил гравитационного притяжения по отношению ко всем другим объектам во Вселенной. Чем ближе находятся объекты, тем сильнее притяжение. Сам Ньютон рассматривал возможность использования этого факта для измерения веса Земли. Он представлял себе маятник, установленный вблизи огромной горы. Груз, подвешенный на конце маятника, должен был испытывать на себе действие трех сил: сила гравитации будет тянуть его в направлении горы и в направлении Земли, а напряжение струны будет направлено вверх. В итоге груз будет свисать под некоторым углом по отношению к вертикали, с наклоном в сторону горы. Следовательно, совместное притяжение горы и Земли будет равняться величине напряжения струны, на которой висит груз. Измерив массу горы и определив угол отклонения груза, можно было бы с помощью уравнений Ньютона вычислить массу Земли.

Ньютон отказался от эксперимента по практическим соображениям, предположив, что измерение отклонения груза будет слишком трудоемким мероприятием. Но Маскелайн решился на него. Он выбрал пик Шихаллион в Шотландии высотой 1083 метра по причине его симметричной и конической формы. Вычислить объем конуса сравнительно легко, и если вам известна плотность породы, из которой состоит гора, то вычислить ее массу совсем не сложно. Маскелайн установил наблюдательные пункты по обеим сторонам горы и вопреки трудностям, связанным с ужасной погодой, в конце концов сумел измерить угол отклонения маятника, опираясь на звезды в качестве отправной точки. После этого землемер Чарльз Хаттон начал вычислять объем горы. Для того чтобы облегчить себе задачу, он разделил гору на секции при помощи изобретенных им контурных линий.

Команда Маскелайна вычислила среднюю плотность Земли как равную 4,5 грамма на кубический сантиметр (современные значения составляют 5,5 граммов на кубический сантиметр). Учитывая, что средняя плотность горы Шихелион составляла всего 2,5 г/см³, было очевидно, что под поверхностью Земли находится значительно более тяжелый, чем гора, материал – таким образом, наша планета не могла быть полой. Вплоть до этого момента плотности Солнца, Луны и планет были известны только как многократно большие, чем плотность Земли. Поскольку средняя плотность Земли была вычислена, астрономы получили возможность также строить предположения относительно масс и плотностей всех других крупных объектов в Солнечной системе. Таким образом, одна гора в Шотландии фактически установила шкалу для всего семейства вращающихся вокруг Солнца небесных тел.

Таблица 2

Гершель и Уран

13 марта 1781 года Уильям Гершель за одну ночь удвоил размеры известной Солнечной системы. Из своего дома в Бате в Англии он обнаружил совершенно новую планету, находящуюся в два раза дальше от Солнца, чем Сатурн. Поскольку все другие планеты были известны еще со времен античности, это был первый раз, когда планета была действительно «открыта». Оказалось, что многие астрономы, в том числе и несколько королевских астрономов в Гринвиче, наблюдали за ней до этого, но из-за того, что она движется по эклиптике очень медленно, ее всегда ошибочно принимали за неподвижную звезду. Гершель сначала принял ее за комету, но постепенно осознал ее истинную природу.

Однако потребовалось почти столетие, чтобы достигнуть всеобщего согласия относительно имени этой новой находки. Будучи первооткрывателем, Гершель имел право дать наименование этому новому объекту, и он выбрал название Georgium Sidus, или Звезда Георга, в знак признательности королю Георгу III, который принял Гершеля на работу в качестве астронома. Можно представить, что в других странах это имя не было столь же популярно.

В 1782 году в качестве нейтральной альтернативы было предложено другое имя для нового объекта – «Уран», по имени древнегреческого бога неба, поскольку Уран был отцом Хроноса (Сатурна), который, в свою очередь, был отцом Зевса (Юпитера). Однако должно было пройти немало времени, прежде чем в 1850 году это имя наконец-то было признано официально. Это имя ставит планету в особое положение. Все другие планеты (за исключением Земли) названы по именам римских богов, Уран же – единственная планета с греческим именем.

Гершель и инфракрасный свет

В 1800 году Гершель сделал открытие, которое, возможно, имело даже большее значение, чем обнаружение новой планеты: он открыл совершенно новую форму света. Так же, как и Ньютон более ста лет назад, Гершель экспериментировал с призмами. Он заподозрил, что между цветом и температурой имеется какая-то связь. Поэтому он пропустил солнечный свет сквозь призму, разложив термометры в тех местах, куда падали различные по цвету спектры света, производимые призмой. В итоге ученый обнаружил, что самая высокая температура отмечается в красном конце спектра. Но затем Гершель сделал нечто необычное: он подвинул термометр еще дальше, мимо красного спектра, в то место, где, казалось, вообще не должно было быть света. Однако в этой области его термометр зафиксировал еще более высокую температуру, чем в какой-либо цветовой области спектра.

Гершель пришел к выводу, что за пределами красного конца спектра света должны быть какие-то «тепловые лучи». Его дальнейшие эксперименты с этими лучами показали, что эти части света ведут себя точно так же, как и обычные световые лучи. Сегодня мы знаем эти «тепловые лучи» как инфракрасное излучение. Это невидимый глазу свет, излучаемый теплыми объектами – именно по этой причине современные инфракрасные камеры используются для улавливания признаков теплового излучения при полицейской погоне, на полях сражений и зонах бедствий.

Открытие Гершеля стало первым указанием на существование света за пределами видимости нашего глаза. Точно так же, как существуют звуки со слишком низкой или слишком высокой для нашего слуха частотой, из-за чего мы их не можем воспринять, существует и свет со слишком низкой или слишком высокой для нашего зрения частотой, чтобы мы могли его видеть. В современной физике полный спектр световых частот называется спектром электромагнитного излучения. Он начинается от радио– и микроволн низкочастотного конца спектра и, продолжаясь в инфракрасной и видимой полосе света, заканчивается ультрафиолетовым светом, рентгеновскими и гамма-лучами. Астроном назвал бы все это просто светом.

Все первые телескопы были чувствительны к тому свету, который способен видеть наш глаз, – видимому свету. Однако в распоряжении современных астрономов имеется целый набор телескопов, улавливающих свет всех частот, начиная от радиоволн и заканчивая гамма-лучами. Если бы мы ограничились только видимым светом, мы пропустили бы огромное количество информации, поступающей на Землю из космоса.

Когда в 2009 году Европейское космическое агентство запустило самый крупный из когда-либо существовавших инфракрасный космический телескоп, ему было присвоено имя «Гершель» в знак признательности и в честь величайшего открытия, сделанного этим ученым.

Открытие Нептуна

Если открытие Урана сделано случайно, после того как на него непреднамеренно натолкнулись, то Нептун был открыт в результате целенаправленных поисков. Тщательно изучая орбиту Урана в течение всего десятилетия после его открытия, астрономы установили некоторые нестыковки. Планета не всегда находилась в той точке, в которой должна была находиться в соответствии с уравнениями Кеплера и Ньютона.

Но очень быстро стало ясно, что ошибок в законах нет. То, что наблюдали астрономы, было следствием существования какой-то другой, более отдаленной планеты, которая оказывала воздействие на орбиту Урана. Когда Уран приближается к этой неизвестной и невидимой планете, он притягивается к ней, и его движение ускоряется. Как только Уран проходит мимо этой планеты, она старается притянуть его обратно, и он начинает немного замедляться.

Французский математик Урбен Леверье на основе уравнений Кеплера и Ньютона вычислил предполагаемое местоположение, в котором должна находиться невидимая планета, искажающая орбиту Урана. После Леверье отправил свои вычисления немецкому астроному Иоганну Галле в Берлин, а тот направил свой телескоп в то самое место на небосклоне, о котором сообщал Леверье. Он обнаружил там планету Нептун, дожидающуюся своего открытия (она находилась в пределах одного градуса от того места, на которое указал Леверье). При ретроспективном взгляде оказалось, что, так же как и Уран, Нептун был несколько раз замечен до этого (в том числе и Галилеем), но из-за небольшой скорости движения его трудно было отличить от неподвижной звезды.

Эйнштейн и теория относительности

Самое знаменитое уравнение во всей науке, звучащее как E = mc², появилось на свет в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн опубликовал свою специальную теорию относительности. Эта теория гласит, что энергия (Е) эквивалентна массе (m).

Для того чтобы узнать, как много энергии заключено в объекте, нужно умножить его массу на скорость света (с), возведенную в квадрат.

Тот год стал свидетелем настоящего рассвета творчества Эйнштейна – он опубликовал еще две работы, каждая из которых являлась поворотной для науки. Одна из них впоследствии в 1921 году принесет ему Нобелевскую премию в области физики за открытие того, что свет состоит из частиц, называющихся фотонами. Открытия Эйнштейна кажутся особенно удивительными, если учесть, что он на тот момент был академическим аутсайдером и работал в должности патентного служащего в Берне в Швейцарии.

Теория относительности продвигает работу Оле Рёмера в области природы света на шаг вперед. Эйнштейн утверждал, что скорость света конечна, и эта скорость также является предельной во всем космическом пространстве.

Эта идея естественным образом вытекает из уравнения Е = mc². Чем быстрее движется объект, тем больше его энергия. Но из этого уравнения следует, что чем больше энергия, тем больше масса. Объектам с большей массой труднее передвигаться, поэтому они требуют и большей энергии для своего ускорения. Двигаясь еще быстрее, они становятся еще тяжелее. В итоге быстро двигающиеся объекты становятся настолько тяжелыми, что им понадобится бесконечное количество энергии, чтобы ускориться еще хоть немного. Эта предельная величина является скоростью света.

Эйнштейн и общая теория относительности

Не довольствуясь только тем, что он одарил мир своей специальной теорией относительности, в 1915 году Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности. Этой работой ученый революционизировал наше представление о гравитации.

Ньютон рассматривал гравитацию как всеобщее тяготение, распространяемое массивными объектами по всей Вселенной. Согласно его взглядам, в этом и состояла причина того, что Земля вращается вокруг Солнца. В отличие от Ньютона, Эйнштейн предполагал, что Земля вращается из-за того, что Солнце меняет форму окружающего его пространства. Эйнштейн объединил три измерения пространства и одно измерение времени в единую четырехмерную структуру, назвав ее пространством-временем, которое, по его утверждению, искривляется под воздействием массивных объектов.

Эйнштейн утверждал, что массивные объекты искривляют четырехмерную структуру, называемую пространство-время, и что это приводит к отклонению света, идущего от далеких звезд

Классическим способом представления этого пространства-времени является представление его в виде простыни с хорошо закрепленными концами. Если в центр простыни положить шар для боулинга, который будет представлять солнце, простыня прогнется, образуя углубление – или колодец – в центре. Возьмем теннисный мяч, который будет изображать Землю, покатим его вокруг края колодца, и он будет вращаться вокруг шара для боулинга.

АЛЬБЕРТ ЭЙНШТЕЙН (1879–1955)

Ни один из ученых ни до, ни после него не достиг такой известности и славы, как Альберт Эйнштейн. Его лицо смотрит на нас отовсюду – с одежды, постеров и кружек по всему миру. Его работы сегодня так же актуальны, как и в момент их публикации, а физики продолжали искать доказательства того, что он прав, на протяжении всего столетия с момента, когда его специальная и общая теории относительности были опубликованы. Правильно это или нет, но его седовласое, немного безумное профессорское лицо превратилось в стереотипный образ гениального ученого.

Он, безусловно, прожил яркую, колоритную жизнь. В 1903 году он женился на студентке своего коллеги-физика, Милеве Марич, но впоследствии завязал роман со своей первой кузиной Эльзой. Эльза и Альберт позднее, в 1919 году, поженились и прожили вместе до ее смерти, наступившей в 1936 году. Говорили, что Альберт был убит горем.

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

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.

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.

Точное описание превращения водорода в гелий было получено в 1939 году, когда немецко-американский физик Ханс Бете опубликовал предварительную работу о протон-протонном цикле (пп-цикл), в котором четыре протона (ядра водорода), сливаясь, образуют ядро атома гелия. Несмотря на то что в ядре Солнца этот процесс протекает приблизительно 90 триллионов триллионов триллионов раз в секунду, процесс слияния отдельных протонов может занимать миллионы лет.