Текст книги "Краткая история Вселенной"

Вселенная вечна во времени и бесконечна в пространстве

Открытия Галилея, давая людям новое представление о мире, поставили перед учеными и новые вопросы. В частности, вопрос о космических силах, о причинах и законах движения небесных тел. И ответы были даны.

Исаак Ньютон

Исаак Ньютон (1643–1727 гг.) родился через сто лет после смерти Коперника. Математик, механик, физик, астроном, богослов, экономист, профессор университета, президент Королевского общества (Академии наук), директор монетного двора и депутат парламента, он сделал в науке столько, сколько не сделали десятки узких специалистов. Классическая физика появилась только после выхода его книги «Математические начала натуральной философии».

Закон всемирного тяготения, открытый Ньютоном, утверждает: между всеми телами Вселенной существуют силы взаимного притяжения, или гравитации. Этот закон объясняет свободное падение тел на Землю, движение планет вокруг Солнца и Луны вокруг Земли, морские приливы. Закон всемирного тяготения и три закона механики, открытые Ньютоном, позволяют понять, почему планеты, обращаясь вокруг Солнца, не падают на него и в то же время не улетают в просторы Вселенной.

Земля не улетает от Солнца благодаря его притяжению. Но она бы упала на Солнце, если бы не ее круговое движение вокруг него. Сложение двух сил – тяготения и инерции – дает криволинейное движение и обеспечивает устойчивое положение Земли на околосолнечной орбите. То же самое происходит и с Луной при ее движении вокруг Земли. Все планеты Солнечной системы подчиняются одним законам, и этим же законам подчиняются все космические тела Вселенной – естественные и рукотворные.

Согласно теории Ньютона, Вселенная вечна во времени и бесконечна в пространстве. Вопрос о происхождении мира Ньютон в своих «Началах» решал просто. Он писал: «Изящнейшее соединение Солнца, планет и комет не могло произойти иначе, как по намерению и по власти могущественного и премудрого существа». Не будем забывать, что сэр Исаак Ньютон был еще и ученым-богословом.

Рефлектор Ньютона

Ньютону принадлежит и авторство новой конструкции телескопа. Одну из линз он заменил вогнутым зеркалом – рефлектором. Занимаясь обработкой стекол и зеркал, Ньютон попутно сделал еще одно открытие. Оказывается, белый солнечный свет, проходя через призму, разделяется на семь цветов радуги. Это явление называется дисперсией света и объясняет как природу радуги, так и недостатки оптических приборов с линзами.

Солнечная система

Солнечная система – это удивительный космический механизм, гигантская небесная машина, в которой все части находятся в постоянном, непрерывном, математически точном движении. Любой машине для работы нужны прежде всего генератор – источник энергии и двигатель, задающий ход всем узлам и деталям. В Солнечной системе генератором и одновременно двигателем служит центральное светило – наше Солнце. Этот огромный пылающий газовый шар, вырабатывая и излучая в пространство энергию света, тепла, радиации, равномерно вращается вокруг своей оси. А вокруг Солнца, следуя точно своими путями по четким геометрически правильным орбитам, движутся Земля и все другие небесные тела большого Солнечного семейства. Это планеты с их спутниками, астероиды и кометы.

Солнечная система

Солнечная система по составу многочисленна и разнообразна. Своими размерами выделяются восемь планет Солнечной системы, но и среди них тоже значительное разнообразие. Все планеты четко разделяются на две группы. Ближние к Солнцу планеты называются внутренними, или планетами земной группы. Это – Меркурий, Венера, Земля и Марс. Вторую группу образуют планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Карликовая планета Плутон в эту группу не входит.

Планеты земной группы отличаются от планет-гигантов по нескольким признакам. Во-первых, внутренние планеты ближе к Солнцу и благодаря этому получают от него больше света и тепла. Во-вторых, они состоят из более плотной материи (как, например, наша Земля). В-третьих, атмосферы этих планет содержат мало легких газов, а в их недрах много тугоплавких твердых веществ. Есть и другие отличия, о которых более подробно рассказывается в разделах, посвященных отдельным планетам.

Земная группа отделена от гигантов широкой кольцевой полосой, занятой множеством малых планет – астероидов. Эта пограничная полоса так и называется – пояс астероидов. Астероиды, метеориты и кометы – все они относятся к малым телам Солнечной системы – занимают в ней отдельное место, так как отличаются от больших тел (планет) не только размерами.

В описании планет Солнечной системы постоянно встречаются цифры, которые характеризуют и сами планеты, и условия на них. Но цифры для планет даются, как правило, в сравнении с соответствующими цифрами для нашей Земли – величинами ее диаметра, массы, плотности вещества и т. д. С чем же еще нам, землянам, сравнивать другие планеты?

А расстояния от планет до Солнца даются как в километрах (привычная земная мера пути), так и в астрономических единицах – а. е. Астрономическая единица – это расстояние от Солнца до Земли, равное, как известно, примерно 150 миллионам километров. В системе Солнца и масштабы – солнечные.

Солнце – древнейшее божество

В древности Солнце обожествлялось многими народами Земли. Формы поклонения солнечному божеству были разными, но общим было то, что люди чувствовали и осознавали зависимость земной жизни от солнечного света и тепла. В Древнем Египте, среди опаленных африканским зноем песков и редких зеленых оазисов, на берегах священного Нила, дающего живительную влагу полям и пашням, влияние Солнца чувствовалось с особенной силой. Для египтян Солнце было верховным божеством. В представлениях людей солнечный бог Ра совершал ежедневное плавание по небесной реке на золотой лодке. С восхода до заката бог Ра плывет по дневной реке, а от заката до восхода – по подземному Нилу переправляется на другой край неба. В ночном плавании богу Ра приходится выдерживать борьбу с коварным божеством тьмы и каждый раз побеждать его, вселяя в людей веру в победу Света над Тьмой и Добра над Злом. Египтяне поклонялись и солнечному богу Ра, и Амону-Ра, богу урожая, дарованного Солнцем, и Атону – богу солнечного диска. Гор почитался египтянами в качестве бога солнечного света.

Бог Солнца Гелиос

В Элладе, где верховным богом был Зевс-громовержец, солнечным богом был его сын Гелиос, имя которого и означает – Солнце. На сохранившихся рисунках Гелиос изображен лучезарным златокудрым атлетом, в золотом шлеме и сверкающей одежде, на золотой колеснице, запряженной четверкой крылатых коней. Выезжая утром с берега реки Океан, Гелиос за время дневного пути одаривает все живое светом, теплом и живительной силой. Был у эллинов и бог солнечного света – Аполлон, покровитель всего, что рождается и живет благодаря свету и теплу, – плодов и деревьев, пчел и домашних животных, музыки и поэзии…

У древних славян Руси солнечными богами почитались Даждьбог и Ярило. «Куда Ярило взглянет, там колос зацветет. Где Ярило пройдет, там урожай обильный». Другими именами бога Солнца были Кострома и Яровит. А у южных и западных славян солнечным богом считался Хорс, который изображался козлоногим и козлоголовым человеком с четырьмя рогами и хвостом.

Даждьбог

У древних иранцев богом Солнца был покровитель воинов Митра, изображавшийся в лучистой короне. Культ Митры получил распространение и в Римской империи. А в Японии до сих пор исповедуется национальная религия синтоизм. Она утверждает, что первой правительницей Японии была богиня Солнца Аматэрасу – родоначальница императорской династии, правящей и сегодня.

Митра

В веках и тысячелетиях сохраняются следы этих верований – в народном творчестве, в старинных играх, в поэзии, даже в кулинарии. В «Слове о полку Игореве» русичи названы Даждьбожьими внуками, в сказке Пушкина королевич Елисей обращается к Солнышку за помощью, Маяковский приглашает Солнце на чай… А по всей Руси-России и далеко за ее пределами люди и в наше время на Масленицу – праздник проводов зимы и встречи весны – пекут блины. Ведь блин, круглый, горячий и золотистый, был в старину символом Солнца… Все люди в какой-то степени солнцепоклонники!

Солнце – звезда необыкновенная

Солнце – не только центральное светило в нашей планетной системе, не только источник света и тепла для жизни на Земле. Солнце – еще и важнейший объект внимания для ученых самого широкого спектра знаний, и в первую очередь – астрономов. Солнце – это звезда, которая значительно ближе к нам, чем другие звезды. А это значит, что, изучая идущие на Солнце процессы, узнавая все больше о его природе, мы тем самым обогащаем свои знания о звездах вообще – и в первую очередь о звездах, подобных Солнцу. А таких во Вселенной достаточно много. Но если другие звезды так далеки от нас, что их свет доходит до Земли за многие годы, тысячи и миллионы лет, то солнечный свет долетает до нас всего за 8 минут. Иными словами, большинство звезд мы видим такими, какими они были давным-давно – миллионы лет назад. А Солнце – вот оно! Что такое для Вселенной восемь минут? Поэтому Солнце для земных ученых – идеальный представитель мира звезд!

Сравнительные размеры планет Солнечной системы и Солнца: 1 – Плутон; 2 – Нептун; 3 – Уран; 4 – Сатурн; 5 – Юпитер; 6 – Марс; 7 – Земля; 8 – Венера; 9 – Меркурий

В астрономической литературе часто подчеркивается, что в сравнении с другими звездами, среди которых есть гиганты и сверхгиганты разных цветов и оттенков, Солнце – всего лишь «обычный желтый карлик». Рядовая звезда в системе Млечного Пути… Но ведь все в мире относительно. Вот звездные характеристики этого «карлика». Диаметр Солнца – 1 миллион 390 тысяч километров, или 109 диаметров Земли. Объем – в 1 миллион 300 тысяч раз больше объема Земли. Масса – в 333 тысячи раз больше массы Земли. Если сравнивать с другими планетами, то выясняется, что масса Солнца в 760 раз превышает массу всех девяти планет, вместе взятых.

Положение Солнца в нашей Галактике (слева – вид Галактики сверху, справа – вид Галактики сбоку)

Средняя плотность солнечной материи – в четыре раза меньше плотности земного вещества. Период вращения Солнца вокруг своей оси – 25,4 земных суток. Сила тяготения на Солнце в 27 раз больше, чем на Земле. Температура солнечной поверхности – 5500–6500 градусов Цельсия, а в центральных областях Солнца температура достигает 14, а то и 20 миллионов градусов. В этом интервале – от 5500 до 20 000 000 градусов – все известные науке вещества могут находиться только в газообразном состоянии.

Почему же Солнце – необыкновенная звезда? Да хотя бы потому, что в его планетной системе есть необыкновенная планета Земля, на которой есть жизнь, в том числе и разумная. И еще потому, что место Солнца в Галактике и его звездные характеристики именно такие, какие нужны для возникновения и развития жизни хотя бы на одной околосолнечной планете.

Солнце – источник энергии

Этот раскаленный газовый шар, который держит на орбитах вокруг себя планеты, кометы, астероиды, излучает мощные потоки тепла и света, будучи единственным их источником в Солнечной системе. О том, какова излучаемая Солнцем энергия, ученые могут судить хотя бы по той чрезвычайно малой доле (равной примерно одно-двухмиллиардной), которая попадает на Землю с расстояния в полтораста миллионов километров. А по величине эта доля такова: за одну минуту на каждый квадратный сантиметр поверхности Земли поступает энергия, которой достаточно, чтобы нагреть два грамма воды на один градус Цельсия. Эта величина энергии называется солнечной постоянной. А полное излучение Солнца составляет величину, выражаемую числом 543 с 25 нулями. Если представить себе, что кто-то смог соединить Землю и Солнце ледяной штангой диаметром в 3 километра, то это чудо космического строительства продержалось бы всего одну секунду, растаяв от солнечного излучения, а через 8 секунд обратилось бы в невидимый водяной пар.

Но это все числа, полученные астрономами в результате множества экспериментов и вычислений. А ведь можно легко проверить, на что способно солнечное излучение. Самая обыкновенная лупа (увеличительное стекло) позволяет так сфокусировать солнечные лучи, что от этой ослепительно яркой точки загорится сухая щепка, клочок ваты или бумаги. Такого же результата можно добиться, используя вместо линзы вогнутое зеркало – рефлектор. Бывали даже случаи, когда из-за небольшого дефекта в оконном стекле, создававшего эффект линзы, солнечный луч, попадая на эту «линзу», приводил к пожару в комнате!

По одной из версий, Архимед при помощи зеркал сжигал римские корабли

А из истории известно, что во время римского нашествия древнегреческий ученый Архимед, выстроив на берегу моря группу воинов со специально изготовленными зеркальными бронзовыми щитами, сфокусировал солнечные лучи на римском парусном судне и сжег его. Другие вражеские корабли поспешили отойти от берега подальше. Интересно, что в семидесятых годах ХХ века легенда о научном подвиге Архимеда была проверена экспериментально. Оказалось, что древнее предание донесло правдивую историю… Но Солнце может не только зажечь сухую древесину. Если взять вогнутое зеркало диаметром в 1 метр, в его фокусе лучи Солнца создадут изображение нашего светила диаметром в 1 сантиметр. И в этом сантиметровом «Солнышке» будут плавиться самые тугоплавкие вещества! Такой опыт в свое время поставил в Москве профессор В. К. Цераский.

Энергия Солнца до сих пор недостаточно используется человеком. Только во второй половине ХХ века были созданы электрические солнечные батареи. Их действие основано на применении кремниевых фотоэлементов, которые преобразуют световую энергию солнца в электрическую. Особенно широко эти батареи используются в космонавтике для энергоснабжения космических кораблей и орбитальных станций. Однако надвигающийся энергетический кризис побуждает людей все активнее применять солнечные батареи для земных, в том числе бытовых нужд. В таких местностях, как южные штаты США, Австралия, ЮАР, Япония и т. п., солнечные батареи питают радио– и телевизионные приемники, компьютеры, осветительные и даже нагревательные приборы.

В Институте электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук под руководством академика Д. С. Стребкова разработаны даже установки для суровых российских условий – специальные «балконные» электростанции из солнечной батареи и аккумулятора. Такая «электростанция» дает напряжение, достаточное для питания электрической лампочки и телевизора – в случае отключения сетевого электропитания, что становится обычным явлением в наше время…

Но все перечисленное – это примеры лишь прямого использования солнечной энергии. В то же время человечество самым активным образом использует солнечную энергию, часто даже не замечая этого. Большинство действующих электростанций работает на угле, торфе, дровах, нефти и газе. Но все эти виды топлива представляют собой законсервированную солнечную энергию. Дрова, уголь, торф – продукты растительного происхождения. Но и деревья, и болотные растения получали солнечную энергию.

Происхождение нефти и попутного газа также связано с воздействием солнечного тепла и света. Немалое число электростанций дает энергию, работая от ветра и воды. Но что такое ветер? Это перемещение воздуха, вызванное тем, что в разных местах Земли атмосфера неодинаково прогревается… чем? Солнечным излучением!

А течение воды в реках поддерживается, в числе прочего, потоками дождя. Дождевая вода, как известно, льется из туч, а тучи образуются в результате испарения воды рек и морей под действием солнечных лучей.

А все, что идет в пищу и питье человеку и животным, тоже несет в себе солнечную энергию. Так что не случайно древние народы обожествляли наше светило.

Солнечные этажи

Чтобы лучше понять работу Солнца, необходимо иметь представление о его внутреннем строении. Состав Солнца представлен в таблице, где количество каждого вещества показано в процентах от общей массы.

Как видно из таблицы, основные элементы в составе Солнца – водород и гелий. Другие вещества содержатся в очень малых количествах.

Строение Солнца:

1 – гелиевое ядро; 2 – зона конвекции; 3 – хромосфера; 4 – фотосфера; 5 – солнечные пятна; 6 – протуберанец; 7 – корона

Условно Солнце можно разделить на четыре «этажа» или слоя – от поверхности до центрального ядра. Самый верхний слой Солнца, отделяющий его недра от солнечной атмосферы, называется фотосферой, или в переводе с греческого – «сферой света». Толщина этого слоя всего 200–300 километров. Здесь даже не подходит слово «толщина», потому что при радиусе Солнца в 700 000 километров его светоносный слой исчезающе тонок и выглядит как пластиковая оболочка огромного аэростата. Но несмотря на это, именно из фотосферы выходят почти весь свет и все тепло, излучаемые Солнцем в пространство. И температура в 6000 градусов – это средняя температура фотосферного слоя.

Если рассматривать фотосферу в телескоп, хорошо видно, что ее поверхность неоднородна и состоит из отдельных блестящих «зерен» – гранул, разделенных темными промежутками. Средний размер гранул около 700 км. Темные промежутки на 350–400 градусов холоднее гранул. Вид поверхности Солнца постоянно меняется – гранулы поминутно появляются и исчезают, уступая место новым зернам. Эти «зернышки» также состоят из раскаленных газов, которые «выныривают» из еще более горячих глубин Солнца. Идет перемешивание фотосферы, подобно кипящей воде в чайнике. Такой процесс называется конвекцией.

Солнечная грануляция

Конвекция, начинаясь в фотосфере, идет до глубины в 100 тысяч километров. В этой конвективной зоне в результате непрерывного перемешивания происходит переход от многомиллионноградусной солнечной глубины к сравнительно прохладной поверхности (если только слово «прохладно» можно применить к температуре в 8000 градусов, до которой охлаждается газ в верхней части конвективной зоны).

Конвективная зона постепенно переходит в еще более глубокий слой – область лучистой зоны, которая охватывает центральное солнечное ядро. В лучистой зоне газы, вырабатываемые в ядре, перемещаются более спокойно, и происходит передача лучистой энергии изнутри наружу – послойно.

Центральная область – ядро. Его диаметр составляет треть диаметра Солнца. Здесь все бурлит, при температуре в 14–20 миллионов градусов водород превращается в гелий. При таких невообразимо высоких температурах, как внутри Солнца, любое вещество находится в состоянии, которое называется плазмой. Слово «плазма» употребляется чаще всего в работах по ядерной физике. Что общего у ядерной физики и науки о Солнце? Оказывается, общего очень много. Потому что с точки зрения физики Солнце – это сверхмощный природный ядерный реактор, и слава Богу, что Земля находится от него на безопасном расстоянии.

Причина выброса колоссального количества энергии – ядерная реакция, в результате которой атомы водорода превращаются в атомы гелия

Солнечный ядерный реактор работает уже миллиарды лет, превращая в энергию то вещество, из которого и состоит. Каждую секунду четыре миллиона тонн солнечного вещества рассеиваются в пространстве в виде различных излучений – светового, теплового, ультрафиолетового, рентгеновского и других. Но и при столь огромном расходе солнечного вещества наше светило продолжает работать так же интенсивно и по расчетам специалистов будет продолжать свою работу еще многие миллиарды лет.

Пламенная атмосфера

Рассмотрим атмосферу Солнца. Фотосфера, о которой говорилось в предыдущем разделе, служит границей между собственно Солнцем и солнечной атмосферой. Поэтому фотосферу называют как оболочкой Солнца, самым верхним его слоем, так и нижним слоем солнечной атмосферы.

Над фотосферой располагается хромосфера (от «хромос» – цвет), которая бывает видна во время полных солнечных затмений. В тот момент, когда земной наблюдатель видит солнечный диск полностью закрытым Луной, по окружности черного диска виден окаймляющий его розовый или оранжевый ободок. Это и есть хромосфера. В сильный телескоп можно видеть, что края наблюдаемой хромосферы неровны, время от времени там образуются огромные извивающиеся языки пламени, взрывы, струи, завихрения – все то, что называется общим словом протуберанцы. Их размеры – сотни тысяч километров. А это, между прочим, сравнимо с расстоянием от Земли до Луны.

Хромосфера

Хромосфера – гораздо более разреженная область солнечной атмосферы, чем фотосфера. Температура в хромосфере значительно возрастает. Правда, нагрета хромосфера очень неравномерно – в одном месте до 7—10 тысяч градусов, но встречаются вкрапления и с температурой до 30 тысяч градусов.

А еще дальше, точнее, выше – солнечная корона. Это действительно царская корона властелина планетной системы, представляющая собой великолепное зрелище жемчужного лучистого сияния! Кстати, стоит сравнить фотоизображение солнечной короны с «крылатым диском» Древнего Египта, символизирующим бога Атона. Сходство достаточно очевидно. А если так, то, возможно, египетским жрецам знаком был вид солнечной короны.

Протуберанец

В солнечной короне температура газов доходит до двух миллионов градусов. При такой температуре и разреженности частицы движутся с огромными скоростями. В отличие от земной атмосферы солнечная корона образована электронами и заряженными атомами – ионами. Эти частицы, корпускулы, вырываются в межпланетное пространство, образуя поток горячей разреженной плазмы – солнечный ветер. Этот ветер представляет собой продолжение солнечной атмосферы.

Крылатый диск Атона

А если так, то атмосфера Солнца настолько обширна, что трудно даже установить ее пределы. Многие астрономы считают, что и наша Земля, и внутренние планеты (Меркурий, Венера) охвачены солнечной атмосферой. Ведь как бы разрежена ни была атмосфера Солнца вокруг планеты, она все равно остается солнечной атмосферой. Известный астроном Феликс Юрьевич Зигель даже утверждал, что мы живем внутри Солнца! Потому что он рассматривал Солнце и все его слои в целом, считая, что и атмосфера тоже часть Солнца. А разве не так?

Солнечная корона

Вернемся к фотосфере. Это самая холодная область Солнца, хотя, конечно, трудно применять слово «холод» к температурам в 4–8 тысяч градусов. Но в науке, да и не только в науке, все познается в сравнении. Так вот, и температура в 4 тысячи градусов – это «холод» в сравнении с температурой в 10 тысяч градусов. Так же, как наши зимние среднерусские минус 25 – это «тепло» по сравнению с якутскими температурами в минус 60. Все относительно!

Оказывается, самые «холодные» места в области фотосферы заметны и в телескоп. Эти места более темные, чем окружающая поверхность, они выглядят даже почти черными. Это – солнечные пятна. Да, и на Солнце есть пятна. Ничего особенного – такова звездная жизнь!