У книжці "Всесвіт. Подорож у часі і просторі "(видавництво" Пітер ") директор астрономічної обсерваторії Іркутського державного університету Сергій Язєв розповідає про те, як змінювалися погляди людства на устрій Всесвіту, чому в правильності основних фізичних законів нашого світу нерозумно сумніватися і на які питання про світоустрій вченим тільки належить відповісти. Оргкомітет премії «Просвітитель» включив цю книгу в «довгий список» з 24 книг, серед яких будуть обрані фіналісти та лауреати премії. пропонує своїм читачам ознайомитися з уривком, присвяченим зародженню астрофізики: відкриття закону зміщення Вина та можливостей спектрального аналізу.
Всесвіт, керований фізикою
Бог Ньютону сказав відверто: "Мені керувати набридло Всесвіту! Сконструюй, Ньютон, Тяжіння закон - Нехай він сам керує Всесвітом! " Сергій Валлаго,
Критичне мислення і заснований на ньому науковий метод дозволяють досягти вражаючих успіхів. Ще раз повторимо важливу тезу: протягом десятків тисяч років, поки не було науки, людина не могла нічого достовірно дізнатися про устрій світу.
Чудовий приклад застосування наукового методу - зародження астрофізики.
Як дізнатися про пристрій Сонця, зірок і планет? Як отримати інформацію про те, з чого складаються небесні тіла? Як визначити їх температуру, швидкість руху (на великих відстанях навіть швидко рухомі тіла здаються нерухомими)?
Здавалося, дізнатися це неможливо. У XIX столітті, 1835 року французький філософ Огюст Конт написав:
"Ми уявляємо собі можливість визначення їх (небесних тел. -) форм, відстаней, розмірів і рухів, але ніколи, ніякими засобами ми не зможемо вивчити їх хімічний склад, їх мінералогічну будову, природу органічних істот, що живуть на їх по верхності... Я залишаюся при своїй думці, що будь-яке знання справжніх середніх температур зірок неминуче повинно бути назавжди приховане від нас ".
Слова на кшталт «назавжди» і «ніколи» треба використовувати акуратно. Потенціал науки, озброєної критичним мисленням, виявився величезним - вона змогла вирішити це завдання! При цьому - не літаючи до далеких зірок.
Що потрапляє до нас на Землю від далеких зірок? Тільки світло. Починаючи з середини XIX століття фізики з'ясували, що світло несе в собі інформацію про багато фізичних властивостей джерела світла, тобто зірок.
Досліди Ньютона показали, що в світлі найближчої до нас зірки - Сонця - присутнє світло з різною довжиною хвилі. Там є світлові хвилі, які наше око сприймає як червоний колір, і хвилі, які ми отримуємо у вигляді жовтого кольору, і так далі. Природа сама навчилася розкладати світло у спектр - різнокольорову смужку, в якій промені світла з різною довжиною хвилі розходяться в різні боки. У природі крапельки води в атмосфері можуть працювати як спектральний прилад - промені сонячного світла, проходячи крізь них, розходяться в різні боки залежно від довжини хвилі, і тоді ми бачимо веселку.
Ньютон спорудив перший штучний спектральний прилад - спектроскоп. Надалі фізики навчилися будувати більш досконалі апарати. Аналіз спектрів сонячного світла дозволив визначати багато.
Наприклад, вдалося визначити температуру поверхні Сонця, яка випромінює світло, причому навіть кількома способами. Якщо за допомогою спектрального приладу розкласти сонячне світло в спектр, а потім виміряти, скільки енергії приносять від Сонця окремо червоні промені, окремо зелені, окремо фіолетові - вийде графік, що нагадує пагорб з більш крутим лівим схилом і більш пологим правим.
Виявилося (фізики змогли побудувати відповідну теорію), що температуру поверхні Сонця можна визначити, знаючи, де знаходиться «вершина пагорба» на графіку (якій довжині хвилі прийдешнього світла відповідає максимум випромінювання). Проста формула дозволяє розрахувати температуру: вона тим більше, чим менша довжина хвилі максимуму цієї кривої на графіку. Ця закономірність має назву закону зміщення Віна (на ім'я відкривача - лауреата Нобелівської премії з фізики, німецького фізика Вільгельма Віна (1864-1928)). Закон можна сформулювати так:
Довжина хвилі максимуму випромінювання - це назад пропорційна температурі джерела випромінювання Т (у нашому випадку поверхні Сонця).
^ макс =
Чому закон називається законом зміщення? Тому що максимум зміщується на графіку вліво або вправо - залежно від температури.
Уявімо собі, що максимум випромінювання зірки припадає на сині або фіолетові промені (довжина хвилі дорівнює 400 нанометрам). Це означає, що зірка дуже сильно нагріта - температура її поверхні дорівнює 15-20 тисячам градусів!
Досвідчені астрономи можуть грубо оцінити температуру яскравої зірки просто на око - виходячи з її кольору.
Якщо максимум відповідає довжині хвилі 500 нанометрів (це зелений колір), температура дорівнює приблизно 6 тисячам градусів. До таких зірок, наприклад, належить наше Сонце. У потоці світла від Сонця найбільше зеленого і червоного кольорів, їх змішання нашим оком сприймається як жовтий. Тому Сонце і здається жовтуватим, хоча в потоці світла від Сонця, звичайно, є і червоні, і фіолетові промені. Неважко здогадатися, що, відповідно до закону Вина, за кольором можна відразу визначити температуру зірки: температура блакитних зірок набагато вища, ніж у Сонця (15-20 тисяч градусів), зате температура червоних зірок - менше (3 тисячі градусів).
Найпрекрасніше, що відстань до зірки не впливає на можливості визначення її температури. Досвідчені астрономи можуть грубо оцінити температуру яскравої зірки просто на око - виходячи з її кольору. Якщо світла зірки вистачає, щоб розкласти його в спектр і побудувати розподіл енергії випромінювання за довжинами хвиль, то максимум кривої на графіку точно вкаже на температуру цієї зірки.
Тепер потрібно зупинитися і обговорити питання, яке часто виникає у людей, далеких від фізики. Автор добре собі уявляє, як це питання поставила б дівчинка, про яку розказано в передмові. "Ви, астрофізики, побудували теорію, - кажуть такі люди. - Але чому ви вирішили, що ця теорія вірна? Ви проводите якісь незрозумілі вимірювання, потім застосовуєте якісь обчислення за якимись вашими формулами і потім стверджуєте, що знайшли температуру далекої зірки. Але хто вам сказав, що ви знайшли її правильно? Як ви можете довести, що ваша відповідь вірна? "
Справа в тому, що закони природи діють однозначно. Закон всесвітнього тяжіння не має винятків. Розраховуючи ефекти, породжувані ним, включаючи траєкторії небесних тіл, форму небесних тіл (закон тяжіння відповідає і за явище припливів), ми переконуємося тисячі і мільйони разів, що все виходить в повній згоді з розрахунками. Супутники, космічні кораблі, ядра комет, астероїди рухаються в повній відповідності з законом тяжіння. Якщо ми бачимо, що закон (як нам здається) порушується - це означає, що вплив якихось тіл в рамках цього ж закону ми враховуємо не повністю.
Так було, коли відкритий Вільямом Гершелем Уран, судячи зі спостережень, рухався не зовсім так, як можна було очікувати, виходячи із закону тяжіння. З'явилася версія: закон вірний, але ми не всі враховуємо! А що, якщо за Ураном навколо Сонця рухається ще одна планета, яка, в повній відповідності з законом тяжіння, теж притягує до себе Уран і його орбіта від цього «обурюється»? І тоді виникло завдання: аналізуючи обурення орбіти Урану, розрахувати, де повинна знаходитися восьма планета Сонячної системи. Французький астроном Урбен Левер "є (1811 − 1877) виконав необхідні розрахунки і вказав, куди належить навести телескоп. Німецький астроном Йоганн Галле (1812 ‑ 1910) навів туди телескоп і виявив раніше не відому планету, названу Нептуном.
Відкриття Нептуна вважається тріумфом закону всесвітнього тяжіння. Про це відкриття говорять, що воно було зроблено «на кінчику пера»: спочатку координати невідомої планети на небі були вирахувані і записані, а потім розрахунки були підтверджені на практиці спостереженнями.
Вражаюче, але досі з'являються люди, яким чомусь не подобається закон тяжіння, і вони хочуть запропонувати натомість щось своє. Ці спроби приречені на провал: ми користуємося законом щомиті, він перевірений незліченне число разів і прекрасно діє. Немає сумнівів, що тими ж формулами можна буде користуватися і через тисячу років.
Повернемося до закону Вина. Він заснований на інших, також перевірених тисячі разів закономірностях, які були використані при його виведенні. Але головне, що він перевірений в експериментах. Так, ми не можемо безпосередньо виміряти температуру поверхні Сонця. Але ми можемо зробити це під час експерименту в лабораторії, визначаючи, як змінюється форма графіка розподілу енергії випромінювання за довжинами хвиль зі зміною температури джерела випромінювання! Так от, експерименти в лабораторії показали: закон працює, форма кривої на графіку відповідає результатам обчислень за формулами, розрахунки температури відповідають вимірюванням. Це дозволяє вважати, що формула правильна.
Спектральний аналіз дозволяє визначати не тільки температуру віддалених джерел світла. Спектри несуть в собі і інформацію про хімічний склад джерела випромінювання.
Логіка і математика у фізиці працюють однозначно. Це означає, що якщо формули правильні, то інакше бути не може. А формули (як сказано вище) перевірені, в тому числі і в інших експериментах, і тому можуть вважатися доведеними. Крім того, вище вже вказувалося, що існують і інші способи визначати дистанційно температуру Сонця (або інших зірок). Ці інші способи дають такий же результат: температура поверхні Сонця близька до 6 тисяч градусів. Результати різних методів сходяться.
Вирішуючи шкільне завдання, наприклад, на скільки градусів нагріється вода, якщо помістити туди гарячий шматок відомого нам металу відомої маси, не потрібно щоразу перевіряти вирішення завдання експериментально. Використовувані формули стільки разів перевірялися на практиці, що немає сумнівів у їх правильності. Сьогодні так виходить і в астрофізиці. Відпрацьовані за півтора століття методи дають вірні результати.
Крім того, неправильна теорія рано чи пізно дасть невірні передбачення, не в цьому, так в іншому випадку. Одні й ті самі формули використовуються в різних випадках, і якби там була помилка, обов'язково проявилася б неправильна відповідь. Якщо ж прогнози, засновані на розрахунках, завжди збігаються з теорією, - немає підстав не довіряти теорії.
Спектральний аналіз дозволяє визначати не тільки температуру віддалених джерел світла. Спектри несуть в собі і інформацію про хімічний склад джерела випромінювання.
Сьогодні ми знаємо, що атоми речовини мають властивості - кожен тип атомів на своїй, цілком певній, довжині хвилі. Якщо взяти спектр Сонця (або будь-якої іншої зірки), можна побачити, що він перетнутий безліччю темних ліній. Вони називаються лініями Фраунгофера - ім'я чудового німецького оптика вже згадувалося в цій книзі.
Оскільки спектр - це розкладання світла за довжинами хвиль, кожній довжині хвилі відповідає своя ділянка спектру (свого кольору). І якщо, наприклад, у зовнішніх шарах зірки присутні багато атомів водню, а атоми водню мають властивість поглинати світло на цілком певній довжині хвилі, зрозуміло, що в спектрі на цій довжині хвилі буде менше світла. Частина світла на цій довжині хвилі виявилася поглиненою атомами водню. Значить, досвідчений спектроскопіст, аналізуючи спектр, побачить на цьому місці нестачу світла в спектрі - темну лінію Фраунгофера на довжині хвилі, що відповідає поглинанню світла воднем, і скаже: "Ага! На цій зірці є водень ". Темні лінії (їх ще називають лініями поглинання) Фраунгофера схожі на відбитки пальців різних хімічних елементів. Якщо на спектрі зірки видно лінії, породжені атомами заліза, кисню, кальцію і так далі - це означає, що є такі атоми в розпеченій оболонці зірки. Більше того. Неважко здогадатися, що якщо атомів того чи іншого елемента там багато, то і лінія поглинання, що належить цьому елементу, буде більш «потужною» (атоми «з'їдять» більше світла на цій довжині хвилі).
Теорія ліній поглинання фізиками зараз розроблена детально. Аналізуючи спектральні лінії, можна отримати чимало «зашитої» в спектрі інформації про джерело випромінювання. Справа це непроста (теорія зіркових спектрів, технологія їх обробки та аналізу досить складні), але вона варта зусиль: завдяки аналізу ліній Фраунгофера ми можемо визначити хімічний склад Сонця і будь-якої іншої зірки! При цьому відстань до зірки не грає ролі.
Отже, завдяки спектральному аналізу людство дізналося про те, про що писав у 1835 році Огюст Конт, стверджуючи, що ми цього не дізнаємося ніколи. Чудово, що на той час Фраунгофер вже двадцять років як відкрив лінії поглинання у спектрах. Але люди ще не знали, що це «мітки», які залишили атоми різних елементів у спектрі Сонця.
Детальніше читайте: . Всесвіт. Подорож у часі та просторі. - СПб.: Пітер, 2020. - 288 с.: іл. - (Серія «New Science»).