Вселенная на ладони

Рёмер и скорость света




Последние десятилетия XVII века были воистину революционными для нашего понимания природы света. Над проблемой света работал не только Исаак Ньютон, сделавший очень важные и ценные открытия в области происхождения цветов, выяснением того, как быстро перемещается свет, занимался и датский астроном Оле Рёмер.

В семидесятых годах семнадцатого столетия Королевская обсерватория в Париже отправила команду астрономов в старую обсерваторию Тихо Браге, расположенную на острове Гвен, для проведения тщательных измерений четырех галилеевых спутников Юпитера. Особое внимание парижские астрономы должны были уделить тому, когда именно эти спутники становятся невидимыми из-за того, что планета затмевает их. Рёмер был местным ассистентом французского астронома Жана Пикара и впоследствии, вернувшись после работы в Ураниборге, получил работу в Париже.

Наблюдения лун Юпитера дали странный и озадачивающий результат: затмения часто случались либо раньше, либо позже предполагаемого времени, рассчитанного на основе ньютоновской теории гравитации. К началу 1676 года Рёмера озарила идея, объясняющая этот феномен и основанная на работе директора обсерватории Джованни Кассини. Оба они совершенно верно предположили, что свету требуется время для того, чтобы пройти какое-то расстояние в космосе. До этого существовало убеждение, что скорость света бесконечна, то есть что свет распространяется от пункта А до пункта Б мгновенно. Однако, как оказалось, затмения спутников Юпитера происходили раньше срока, если Земля и Юпитер находились близко друг от друга, и совершенно очевидно задерживались, когда две планеты находились на максимальном расстоянии. По расчетам Рёмера свету требовалось одиннадцать минут, чтобы преодолеть расстояние, равное расстоянию между Землей и Солнцем. Вычисленная им скорость оказалась равной 220 миллионам метров в секунду.

Сегодня мы знаем, что скорость света равна 299 792 458 метров в секунду, так что Рёмер и Кассини ошибались не намного. Но куда важнее не то, что они получили конкретное число скорости света, а сам факт того, что был окончательно решен вопрос о том, что скорость света конечна и что свету требуется время для того, чтобы достичь той или иной точки космического пространства. В нашей повседневной жизни мы никогда этого не замечаем, потому что в масштабе обычной жизни свет распространяется практически мгновенно. Этот вопрос обретает реальный смысл, а скорость света становится ощутимой только при астрономических расстояниях. Далее мы еще не раз вернемся к этому вопросу.

Одним из наиболее удобных и хорошо известных способов говорить о космических расстояниях – это рассматривать их в количестве световых лет – расстоянии, которое свет проходит за один земной год. Таким образом, учитывая, что свет проходит 299 792 458 метров в секунду, получается, что за год свет проходит 9,46 триллиона километров. Ближайшая к нам после Солнца звезда находится на расстоянии примерно в 40 триллионах километрах – или на расстоянии 4,2 световых года. Для расположенных ближе небесных тел можно использовать световые часы, световые минуты и даже световые секунды. Плутон, например, находится на расстоянии 5,3 световых часа от Земли. Солнце – на расстоянии 8,3 световых минуты, а Луна – всего лишь 1,3 световых секунды.





Комета Галлея




В 1670-х годах оба короля – и Франции, и Англии – почти одновременно основали Королевские обсерватории с целью обеспечить эффективную навигацию на морях по звездам. В Англии директор Королевской обсерватории в Гринвиче получил титул королевского астронома. Когда в 1719 году первый королевский астроном скончался, пост перешел к его помощнику Эдмунду Галлею – человеку, частным образом финансировавшему публикацию ньютоновских «Начал».

Причина, по которой Галлей оплатил публикацию «Начал», заключалась в том, что он сам был глубоко уверен в научной мощи работы Ньютона. В 1684 году, за три года до публикации труда Ньютона, Галлей посетил Ньютона, и оба ученых обсуждали гравитацию и то, какое отношение она имеет к кометам – ледяным глыбам, обращающимся по орбитам вокруг Солнца (хотя в то время все это были малоизвестные факты). В 1680 году по небу стремительно пронеслась ослепительная комета Кирха. Ньютон воспользовался наблюдениями за кометами, полученными Флемстидом, чтобы показать, что эта комета также подчиняется законам Кеплера – ее орбита имела эллиптическую форму и она ускорялась при приближении к Солнцу, следовательно, она так же, как и планеты, должна была испытывать воздействие гравитации Солнца.

К началу 1705 года Галлей, основываясь на работе Ньютона, создал собственный труд под названием «Краткий очерк астрономии комет». Уже зная, что кометы кружатся вокруг Солнца, он предположил, что три кометы, появлявшиеся в 1682, 1607 и 1531 годах, на самом деле представляют собой одну и ту же комету, которая возвращалась к Земле по разным орбитам. Исходя из своих наблюдений, он предсказал, что в 1758 году она снова вернется. В 1742 году Галлея не стало, так что ученый не дожил и не смог увидеть своими глазами возвращение кометы, которое произошло ровно в тот год, который он предсказал. С этого времени комета стала известна как комета Галлея, получив свое название в честь ученого.

Вооружившись новым знанием, астрономы и историки оглянулись на весь предшествующий исторический период и обнаружили сведения о той же самой комете, которые охватывали множество поколений и континентов. Кометы, замеченные в V веке до нашей эры в Древней Греции, и кометы, наблюдавшиеся в III веке до нашей эры в Китае, имели все признаки кометы Галлея. Широко известен факт, что комета изображена даже на знаменитом гобелене из Байе. Последний раз комету Галлея наблюдали в пределах Солнечной системы в 1986 году, и ее следующее появление теперь ожидается в 2061 году.





Брэдли и аберрация света




Несмотря на успехи Галилея, Кеплера, Ньютона и Галлея, споры между сторонниками тихонианской и коперниканской моделями Вселенной продолжались. Причина заключалась в отсутствии неопровержимых доказательств того, что Земля на самом деле вращается вокруг Солнца.

Два астронома – Пикар в Париже и Флэмстид в Гринвиче – обратили внимание на то, что Полярная звезда, которая, казалось, находится на одном и том же месте независимо от сезонов года, на самом деле смещается в течение года немного вперед и назад. Честь дать точное объяснение этому явлению и тем самым навсегда похоронить всю геоцентрическую модель Вселенной выпала Брэдли, преемнику Галлея на посту королевского астронома.

Представьте себе звездный свет, который падает на Землю наподобие дождя. Когда вы выходите под вертикально падающий дождь, вам кажется, что он падает на ваш зонт под некоторым углом, как бы со стороны.





Когда вы оказываетесь под дождем, вам кажется, что он падает на ваш зонт под некоторым углом



На самом деле дождь не падает под углом – это впечатление возникает из-за того, что вы перемещаетесь. Аналогичным образом во время прохождения первой половины своей орбиты Земля входит под «дождь» из звездного света с одной стороны, а во время прохождения второй половины – с противоположной. Именно благодаря этому эффекту, известному как аберрация света, нам кажется, что звезды слегка перемещаются на небесном своде в течение всего года. В рамках тихонианской системы с неподвижной Землей такой эффект был бы невозможным. В конце концов в 1729 году, Брэдли предоставил неопровержимое доказательство того, что мы все-таки живем в гелиоцентрической Солнечной системе Коперника. И тем не менее католическая церковь продолжала запрещать все книги о гелиоцентризме вплоть до 1758 года.





Прохождение Венеры по диску Солнца




С того момента, когда было окончательно установлено, что Земля всего лишь одна из множества других планет, внимание астрономов переключилось на получение точных данных о том, на каком расстоянии от Солнца она находится. В XVIII веке единственно возможным способом измерения этого расстояния было наблюдение за очень редким астрономическим явлением под названием «Прохождение Венеры по диску Солнца», которое протекало, когда Венера проходила непосредственно перед Солнцем, если смотреть с Земли, то есть когда происходило нечто похожее на миниатюрное солнечное затмение.

Если бы вам пришлось наблюдать за этим переходом с двух разных точек на Земле – чем дальше, тем лучше, – вы увидели бы, что время начала и конца этого небесного явления несколько различается, потому что вы смотрели бы на Солнце под немного разными углами. Галлей понял, что на основании этих различий во времени можно вычислить расстояние между Землей и Венерой. Далее следовало использовать третий закон Кеплера, чтобы интерполировать полученные данные для вычисления расстояния от Земли до Солнца.

Однако в силу того, что планета кажется очень маленькой из-за огромного расстояния между ней и Землей, эти явления практически невозможно наблюдать невооруженным глазом, без телескопа. Эти прохождения совершаются попарно с перерывом в восемь лет между ними, но затем следующей пары придется ждать больше столетия.


Иоганн Кеплер предсказал прохождение Венеры в 1631 году, основываясь на своих законах движения планет, – это было первое подобное предвидение. Он оказался прав; но так как это небесное явление происходило, когда в Европе была ночь, никто не смог его наблюдать. Английский астроном Джереми Хоррокс точно предсказал другой переход Венеры, который предполагался в 1639 году, и, увидев его из своего дома вблизи Престона, оказался первым человеком, который когда-либо наблюдал это астрономическое явление. В 1691 году Эдмунд Галлей, опираясь на эти события, придумал метод вычисления расстояния до Солнца, но астрономам пришлось подождать до следующих двух прохождений в 1761 и 1769 годах, чтобы предпринять согласованные усилия и начать учитывать их в своих вычислениях.

Важность этих измерений – а также редкая возможность их проводить – была столь велика, что астрономы XVIII века прилагали неимоверные усилия для того, чтобы не упустить шанс, который предоставлялся только дважды за столетие. Европейские обсерватории отправляли целые команды астрономов по всему миру, чтобы произвести наблюдения прохождений Венеры в 1761 и 1769 годах и увеличить число точек наблюдения на земном шаре, гарантируя то, что погода не помешает их работе. Если одна команда окажется закрыта облаками, другой может повезти, и небо над ней будет чистым.

Королевское общество наняло и снарядило корабль Его Величества «Эндевор» под командованием капитана Джеймса Кука, чтобы оно направилось к берегам Таити для наблюдения за затмением 1769 года. Кук вез с собой запечатанный приказ британского правительства с предписанием, что они должны делать после того, как прохождение планеты совершится, – им полагалось начать поиски предполагаемого неоткрытого континента в Тихом океане, о котором ходило много слухов. Как известно, 29 апреля 1770 года, корабль причалил к берегу в заливе Ботани (современный Сидней), и новая местность стала первым европейским поселением в континентальной Австралии.

Измерения параметров прохождения Венеры, проведенные из Таити, в дальнейшем были использованы для вычисления расстояния от Земли до Солнца, которое оказалось равным 93 726 900 миль (150 838 824 километра). Современные значения этого расстояния составляют 149 600 000 километров, так что астрономы XVIII века были удивительно близки к истине, особенно если учесть их ограниченные технические возможности.





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.