Текст книги "От чёрных облаков к чёрным дырам"

Автор книги: Джаиант Нарликар

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 10 страниц)

Дж. Нарликар

От чёрных облаков к чёрным дырам

Перевод с английского:

кандидата физико-математических наук

А.В. БЕРКОВА

МОСКВА

ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ

1989

УДК

523.8

Н 29

ББК

22.632

Рецензенты: К. П. Станюкович, Д. В. Гальцов

JAYANT V. NARLIKAR

FROM BLACK CLOUDS ТО BLACK HOLES

WORLD SCIENTIFIC

Нарликар Дж.

H 29

От чёрных облаков к чёрным дырам: Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1989.– 141 с.: ил.

ISBN 5-283-02465-2

В занимательной и доступной форме изложены современные концепции происхождения и эволюции звёзд. Описаны типы звёзд, способы их наблюдения и этапы жизни: рождение, физические процессы в звёздах, катастрофические явления типа взрыва сверхновых, конечные стадии эволюции с образованием нейтронных звёзд и чёрных дыр.

Для широкого круга читателей, интересующихся проблемами современной науки.

Н

1604080000—005

254-89

ББК 22.632

051(01)-89

ISBN 5-283-02465-2 (рус.)

ISBN 9971-978-13-Х (англ.)

© 1985 by World Scientific Publishing Co Pte Ltd.

© Перевод на русский язык, Энергоатомиздат, 1989

Предисловие к русскому изданию

Каждый житель Земли с ранних лет привыкает к виду ночного неба, полного таинственно мерцающих звёзд. Одним из самых поразительных, хотя иногда и неосознанных наблюдений человека является неизменность вида звёздного неба на протяжении всей его жизни, что даёт ощущение прикосновения к вечности..

Но на самом деле звёзды, как и люди, рождаются, живут и умирают. Только отпущенный им срок неизмеримо больше человеческого. Важнейшим завоеванием науки XX века является то, что сегодня учёные могут подробно рассказать о всех стадиях жизни звезды, им стал известен секрет звёздной энергии и те бурные события, которые сопровождают рождение новых звёзд, и ещё более грандиозные катаклизмы, которыми может закончиться жизнь некоторых из них.

Несомненно, что успехи астрофизики стали нашим общим культурным достоянием. Каждый образованный человек должен хоть на каком-то простейшем уровне иметь представление о современном взгляде на происхождение нашей Вселенной и населяющих её звёздных миров.

Предлагаемая советским читателям книга Джайанта Нарликара «От чёрных облаков к чёрным дырам» как раз предназначена для первого ознакомления с историей жизни звёзд. Её автор, известный индийский астрофизик, пользуется заслуженным авторитетом среди учёных за ряд важных работ в области теоретической астрофизики. Нарликар является также создателем нестандартной теории тяготения, положения которой, правда, не разделяются подавляющим большинством специалистов, однако свидетельствуют об оригинальности мышления её автора. Наконец, нашим читателям известны ещё две научно-популярные книги Нарликара: «Гравитация без формул» и «Неистовая Вселенная». В чем же отличительные черты предлагаемой книги и чем вообще привлекательны популярные книги Нарликара? Прежде всего, пожалуй, даром автора рассказать об очень сложных вещах достаточно точно, не привлекая при этом математический аппарат и пользуясь лишь простейшими сведениями из школьной физики. При этом Нарликар очень умело и деликатно обходит те проблемы, которые невозможно элементарно изложить, придумывая наглядные аналогии или доступно объясняя полученные учёными результаты. В целом, рассказанная в книге «От чёрных облаков к чёрным дырам» история жизни звёзд полно и точно отражает современное научное понимание этих проблем.

Следует заметить, что решительный прогресс в астрофизике в последние десятилетия, несомненно, связан с переходом от традиционных способов наблюдения звёзд и галактик в оптическом диапазоне длин волн приходящего света (с помощью оптических телескопов) к способам регистрации излучения звёзд в других диапазонах (радио, инфракрасном, рентгеновском и гамма-диапазонах). Фундаментальные открытия пульсаров, квазаров, возможно, чёрных дыр непосредственно связаны с этими успехами. Широкое развитие получила спутниковая астрономия, данное направление будет все больше развиваться. Подтверждением этому служат превосходные эксперименты по наблюдению излучения вспыхнувшей в начале 1987 г. сверхновой 1987А, проведённые на комплексе «Мир» – «Салют» нашими космонавтами Ю. Романенко и А. Лавейкиным. В первых главах книги Нарликар кратко и ясно излагает необходимые минимальные сведения о свойствах света и об астрономических характеристиках звёзд, позволяющих классифицировать их по группам.

В последующих главах описан путь эволюции звёзд от начального разреженного облака межзвёздного газа, сжимаемого собственными силами тяготения, через стадию горения термоядерного топлива к финальной стадии превращения в белый карлик, нейтронную звезду или чёрную дыру (в зависимости от массы звезды). Попутно автор популярно, поясняет фундаментальные физические законы, необходимые для понимания процессов, происходящих внутри звёзд.

Таким образом, для понимания основного содержания книги не требуется никаких специальных знаний, и она доступна любому читателю со средним образованием. Те же читатели, которые заинтересуются проблемами, затронутыми в книге, и захотят познакомиться с ними подробнее, могут обратиться к другим изданным у нас популярным книгам, требующим для чтения более высокой подготовки (их список, конечно неполный, приведён в конце книги). В этом смысле книга Нарликара предназначена, так сказать, для начального образования. Она даёт читателю главное – знакомство с идеями, лежащими в основе понимания сложнейших процессов, происходящих в звёздах в течение всей их жизни. Эти идеи охватывают широчайший круг вопросов теории тяготения, электродинамики, квантовой механики, ядерной физики, физики элементарных частиц, гидрогазодинамики и многое другое, что в результате создаёт у читателя очень важное понимание единства физики.

Мы надеемся, что книга Дж. Нарликара «От чёрных облаков к чёрным дырам» будет с интересом встречена всеми, кто интересуется современной физикой и астрофизикой и хочет получше узнать, как устроен тот мир, в котором мы живём.

А. Берков

Предисловие

Извечная тяга человека к небесам нашла самые разные пути своего выражения – от поэтических фантазий до фундаментальных философских размышлений и глубоко укоренившихся религиозных верований. Наука вступила в игру сравнительно недавно, добившись при этом успехов, достойных всяческой похвалы.

Действительно, на первый взгляд кажется дерзостью даже пытаться применять научные законы, открытые при очень ограниченных условиях здесь, на Земле, к небесным телам, удалённым на несколько световых лет от нас или ещё дальше. В противоположность своему коллеге в одной из других областей науки, который может потрогать руками и повозиться с объектами своего исследования, астрофизик вынужден беспомощно наблюдать их с огромных расстояний. Поэтому вызывает восхищение уже то, что здесь удалось добиться хоть какого-то успеха. Но это не все! Можно утверждать, что астрономия внесла свежую струю в наше понимание физического мира, и ничто не могло бы её заменить. Например, если бы не астрономические наблюдения планет и спутников, закон тяготения (являющийся одним из четырёх фундаментальных законов физики) долго оставался бы неоткрытым.

Ни одна из ветвей астрофизики не может похвастаться таким впечатляющим списком достижений, как изучение внутреннего строения звёзд и их эволюции во времени. Задолго до того, как физики в лабораториях только задумались о реакции ядерного синтеза как источнике энергии, астрофизики уже построили модели звёзд, основанные на этом процессе. Благодаря изучению звёздной эволюции мы получили ключ к пониманию происхождения множества химических элементов, обнаруженных во Вселенной. Даже такие загадочные объекты, как чёрные дыры, естественно, находят своё место в истории жизни звёзд.

Цель этой маленькой книги заключается в том, чтобы рассказать эту историю на самом простом языке, без технических деталей, и передать неподготовленному читателю то возбуждение, которое движет астрофизиками, увлекая их вперёд к ещё более грандиозным целям. К этим «горячим точкам» астрономии относятся, например, загадка того, как образуются галактики, состоящие из сотен миллиардов звёзд, другая загадка – о том, что является источником энергии необычайно ярких и в то же время необычайно компактных квазаров, и, конечно, наиболее фундаментальный вопрос о происхождении Вселенной в целом. Благодаря способности, понять, что происходит внутри звёзд, астрономы уверены сегодня, что и на эти вопросы будет получен хотя бы частичный ответ в не столь отдалённом будущем.

Первые четыре главы книги служат подготовке к звёздной одиссее. История жизни звезды начинается в, гл. 5 – внутри тёмных на взгляд межзвёздных облаков. Она заканчивается в гл. 10 описанием того, как неосторожная звезда, приобретшая под конец жизни слишком большую массу, завершает своё существование чёрной дырой. В промежуточных главах рассказывается о том, как можно объяснить меняющиеся физические характеристики звезды с помощью известных нам здесь и сейчас законов физики. Но, как подчёркивается в последней главе книги, все ещё остаются некоторые загадки в этой сравнительно хорошо понятой части астрофизики.

Хотя и была сделана попытка изложить вопрос максимально просто, все же не удалось избежать нескольких формул. Аналогично, кое-где пришлось использовать степени десяти и логарифмы. Можно надеяться, что незнакомые с этими вещами читатели с пользой прочтут приложение в конце книги.

Эта книга была написана для издательской компании World Scientific по предложению проф. Фуа, и я благодарен ему за помощь и поддержку. Подготовка иллюстраций и фотографий очень упростилась благодаря помощи художественного и фотографического отделов Института фундаментальных исследований им. Тата. Наконец мне приятно поблагодарить Савана за быструю и аккуратную перепечатку рукописи.

Бомбей, Индия

Джайант Нарликар

Глава 1

О ЗВЕЗДАХ И ЛЮДЯХ

Когда яркая звезда Альфа Центавра осталась далеко ко позади, три обитателя маленького космического корабля пробудились от своего искусственно вызванного сна. Приближалось время действий.

Первым вернулся в нормальное состояние Профессор. Два его ученика и помощника чувствовали себя все ещё не очень уверенно, но вскоре чёткие инструкции Профессора окончательно пробудили их и напомнили о предстоящих обязанностях.

«Очень скоро мы приблизимся к планете X, на которой, как известно, существуют разумные и сравнительно высокоразвитые формы жизни. В подходящий момент я высажу вас обоих на поверхность планеты. Конечно, вы будете должным образом снаряжены, с тем чтобы выжить там столько времени, сколько захотите. Благодаря имеющемуся у вас сложному оборудованию ваше пребывание на планете X останется незамеченным её обитателями. Ваша главная задача состоит в том, чтобы выяснить все об этих созданиях: как они рождаются, как растут, как живут и как умирают. Вы сможете связаться со мной с помощью выданных вам сигнализаторов; когда вы все закончите, я заберу вас обратно на корабль».

Профессор ждал вопросов.

«Будем ли мы делать все вместе?» – спросил Сунья, который был трудолюбив, но немного простоват.

«Нет! Лучше, если вы будете работать независимо. Я высажу вас в разные места на планете».

«Сэр! А много ли этих существ на планете X?» – раздался вопрос несколько сонного товарища Суньи.

«Да! Но почему ты спрашиваешь, Пурна?»

«В этом случае моя задача упрощается», – загадочно сказал Пурна. Профессор понял и усмехнулся. Он знал, что Пурна хоть и ленив, но очень умен.

Сунья ничего не понял. Он подумал, что чем больше население планеты, тем труднее будет их работа. Но прежде чем ему удалось получить разъяснения, наступило время высадки.

Прошло много времени, прежде чем Сунья завершил свою работу и вернулся на корабль. Он трудился напряжённо и был уверен, что вернётся первым. Каково же было его удивление, когда он увидел Пурну и Профессора, нетерпеливо его ожидавших.

«Ты долго отсутствовал! Надеюсь, что твой отчёт будет хорошим. Расскажи нам, что же ты делал и что ты обнаружил». Профессор времени не терял.

«Сэр! Планета зовётся Земля, а её обитатели называют себя людьми. Чтобы тщательно выполнить задание, я решил взять под наблюдение одного из членов этого общества на протяжении всей его жизни. Я видел, как он родился, наблюдал за тем, как он стал взрослым, затем жил, пока не постарел и, наконец, умер. Вот здесь я записал все детали его жизни». Сунья показал маленькое устройство и продолжал: «Естественно, весь процесс занял довольно продолжительное время – примерно семьдесят шесть периодов обращения Земли вокруг её звезды – Солнца». Сунья был горд успехом своей работы и ожидал похвалы.

Но Профессор был недоволен. «Да, я вижу, что ты потратил семьдесят шесть лет на то, чтобы узнать все подробности жизни одного человеческого существа. Но что ты узнал о других людях на Земле? Ты уверен, что тот, кого ты наблюдал, является типичным представителем человеческой популяции или хотя бы её части?»

«Сэр! У меня не хватило бы времени, чтобы получить ответы на эти вопросы – ведь население Земли так велико!» Сунья был огорчён. «А можно узнать, как справился со своей работой Пурна?»

«Да будет тебе известно, что он вернулся всего лишь через год и привёз с собой значительно более ценную информацию, чем все, что тебе удалось собрать». Профессор протянул ему отчёт, составленный соперником.

На этом месте мы прощаемся с обитателями космического корабля и подумаем немного над тем, как справился со своим заданием Пурна.

Ключ к подходу Пурны содержится в его замечании, что задача упрощается благодаря многочисленности человеческой популяции. Вместо того чтобы наблюдать Лишь одно человеческое существо, он исследовал популяции, объединённые в большие группы, вроде городов в разных странах. В городе он наблюдал людей на разных стадиях жизни – от состояния, предшествующего рождению, вплоть до старости и смерти. Кроме того, наблюдая различные физические характеристики вроде роста, массы, цвета волос, строения кожи и т. п., Пурна смог установить, как эти характеристики человека меняются в зависимости от возраста.

Рис. 1. Распределение группы людей по росту и весу (массе)

Например, на рис. 1 показано распределение людей в типичном городе но росту и массе. Заметим, что у точек на этом рисунке имеется тенденция к подъёму от малых значений роста и массы, переходящая затем в ровный участок, на котором изменения в росте не очень велики, но довольно значительны вариации массы. Кроме того, на ровном участке размещается значительно больше точек, чем на растущей части диаграммы. Что же следует из такого распределения?

Напомним, прежде всего, что распределение точек на рис. 1 относится к одному моменту времени: оно даёт характеристики человеческой популяции в момент наблюдения. Тем не менее это распределение даёт ключ к пониманию того, как отдельное человеческое существо меняет свои характеристики со временем. Так, ребёнок в момент рождения соответствует точке А в левой части распределения; где и рост, и масса малые. Когда ребёнок, растёт, эти значения увеличиваются, так что он «поднимается вверх» по распределению, пока не достигнет, полного роста во взрослом состоянии в точке В. После этого его рост уже не будет увеличиваться, а масса может. Поэтому участок ВС содержит основную часть взрослого населения. Тот факт, что на участке ВС больше точек, чем на участке АВ, говорит нам о том, что в среднем человек большую часть своей жизни проводит во взрослом состоянии и меньшую – как растущий ребёнок.

Старение человека можно связать с поседением волос на голове, а также, в большинстве случаев, с толщиной волос. Аналогично возраст может быть скоррелирован со строением кожи, меняющимся от гладкого к морщинистому.

Очевидно, что, собрав такую информацию о человеческой популяции, Пурна сумел значительно больше узнать о Человеке, чем Сунья, тщательно наблюдавший лишь одно человеческое существо. Метод, использованный Пурной, имеет и то преимущество, что он занял значительно меньше времени.

Эта книга не о людях, а о звёздах.

Приведённый пример показывает, какой подход, мы, земные наблюдатели, должны использовать, чтобы установить, как меняются звёзды, на протяжении своей жизни. К счастью, как заметил Пурна, мы имеем возможность наблюдать огромное число звёзд. Проявив должную сообразительность, мы сумеем наблюдать различные физические характеристики звёзд в большой группе и, используя эти наблюдения, установить, как эти характеристики меняются на протяжении жизни звезды.

Ясно, что альтернативный метод, применённый Суньей, нам не годится. Например, Солнце – ближайшая к нам звезда, и, следуя методу Суньи, мы должны были бы следить за эволюцией Солнца на протяжении всей жизни этого светила. Однако никаких ощутимых изменений в Солнце за время типичной человеческой жизни не происходит; на самом деле, Солнце не претерпело никаких изменений за всю известную историю человеческой цивилизации Действительно, как мы узнаем позднее, характерный интервал времени для изменений в звезде, подобной Солнцу, составляет несколько сотен миллионов лет!

Возвращаюсь поэтому к методу, использованному Пурной, мы должны прежде всего установить, каковы те физические характеристики звёзд, которые можно наблюдать с Земли и изменения которых связаны с возрастом звёзды. В последующих главах мы обсудим эти характеристики.

Вооружённые такой информацией, мы сможем проследить примечательную историю жизни звезды, которая начинается внутри чёрного межзвёздного облака и может закончиться превращением звезды в чёрную дыру.

Глава 2

СВЕТ – КЛАДЕЗЬ ИНФОРМАЦИИ

Мимолётный взгляд на небо в ясную ночь может привести к неправильному впечатлению, что все звёзды одинаковы. Это впечатление исчезает, как только мы посмотрим более внимательно на отдельные звёзды. Мы сразу увидим, что одни звёзды ярче других. Нам, может быть, даже удастся заметить оттенки цвета: преобладающий желтоватый цвет в некоторых случаях имеет красный оттенок, а в других случаях даже голубой. Мы сможем также заметить разницу в размерах.

Профессиональный астроном, конечно, уже не использует свои глаза как единственный источник информации. В 1609 г. Галилео Галилей впервые использовал устройство, помогающее глазу вести астрономические наблюдения; он, таким образом, стал первым астрономом, применившим телескоп (рис. 2). С помощью телескопа Галилею удалось увидеть, например, спутники планеты Юпитер, которые он не смог бы различить невооружённым глазом.

Рис. 2. Телескоп Галилея

Пример Галилея указал путь прогрессу астрономии вплоть до наших дней, и мы будем идти по этому пути и дальше. В основе такого прогресса лежит следующее. Нашим главным источником информации о Вселенной является свет, приходящий из самых дальних её уголков; достигнутый прогресс заключается в том, что мы сумели собрать и интерпретировать эту информацию. Точно так же как Галилей смог открыть новые объекты во Вселенной с помощью своего телескопа, так и астрономы наших дней достигают все большего представления о. небесах, чем их предшественники. В основе этих открытий, в конечном итоге, лежит та информация, которую несёт свет, принимаемый нами «сверху».

Прежде чем мы поговорим о звёздах, разберёмся в природе самого света. Только после этого мы сможем оценить информацию, которую несёт с собой свет звёзд.

СВЕТ – ЭТО ВОЛНА

Только в 60-е годы прошлого века физики смогли понять природу света. В работах Джеймса Клерка Максвелла было теоретически показано, что то явление, которое мы называем светом, на самом деле представляет собой электромагнитную волну.

В окружающей нас сегодня жизни мы часто сталкиваемся с эффектами электричества и магнетизма. Хотя эти явления были открыты порознь, постепенно стало ясно, что они тесно связаны. На рис. 3 показаны два эксперимента, демонстрирующие эту взаимосвязь. Столь существенные для современной технологии электромотор и динамо-машина используют в своей работе электромагнитные эффекты, открытые с помощью подобного рода экспериментов.

Рис. 3. Магнитная стрелка компаса отклоняется, когда на проволоке, находящейся рядом с компасом, течёт электрический ток. Это свидетельствует а том, что ток порождает магнитную силу. Эффект был обнаружен Андре Мари Ампером (1775 – 1836 гг.). При движении магнита сквозь замкнутую петлю из проволоки в последней возникает электрический ток (а). Майкл Фарадей (1791 – 1867 гг.) впервые показал, что изменение магнитного поля в замкнутой электрической цепи порождает в ней электрические токи (б)

Максвеллу удалось написать простые по форме уравнения, в которых нашли отражение все различные свойства электричества и магнетизма, и из этих уравнений следует, что свет является электромагнитной волной.

Простейшая электромагнитная волна изображена на рис. 4. Чтобы понять её природу, будем использовать аналогию с волнами, возникающими на поверхности спокойного пруда, если бросить в него камешек. В этом случае нам кажется, что волны разбегаются от той точки, где камешек ударился о поверхность воды. Но это движение иллюзорно в том смысле, что никакого физического перемещения частичек воды от центра не происходит. Эти частички просто движутся вверх и вниз в одном и том же месте, но их движение так согласовано, что возникает впечатление расходящейся волны.

Рис. 4. Волна указывает на максимумы и минимумы напряжённости электрического возмущения. (Магнитное возмущение ведёт себя аналогично. Оно перпендикулярно плоскости рисунка – на рисунке не показано.) В процессе распространения волны вправо эти возмущения периодически нарастают и спадают

Аналогично электромагнитная волна на рис. 4 состоит из переменных электрических и магнитных возмущений. Эти возмущения происходят в перпендикулярных направлениях. Длина стрелок на рисунке характеризует интенсивность этих возмущений, называемых научным языком «полями». На рис. 4, а мы видим, что электрическое (Е) и магнитное (В) поля максимальны в точках A⁺, B⁺, C⁺, и т. д. (это соответствует максимальной высоте, на которую поднимается частичка воды в волне на поверхности). Аналогично A^-, B^-, C^- и т. д. – точки, в которых поля принимают максимальные отрицательные значения (что соответствует провалам в волне на воде). Наконец, поля равны нулю в точках A⁰, B⁰, C⁰ и т. д. (это соответствует поверхности уровня в волне на воде).

На рис. 4,б значения полей изменились на противоположные, став максимальными и отрицательными в точках A⁺, B⁺, C⁺... и максимальными и положительными в точках A^-, B^-, C^-. Сами эта точки не сдвинулись, но профиль волны сдвинулся направо. Дальнейшее движение профиля волны показано на рис. 4, в.

Расстояние между двумя последовательными точками положительного максимума (между двумя горбами волны) называется длиной волны. Обычно она обозначается λ. На рис 4, б по отношению к рис. 4, а волна сдвинулась вправо на половину длины волны, а на рис. 4, в по отношению к рис. 4, а этот сдвиг равен целой длине волны.

Какой промежуток времени разделяет состояния на рис. 4, а и 4, в? Ясно, что в течение этого периода времени электрическое и магнитное поля совершают полный цикл изменений от максимально положительного значения через максимально отрицательное назад к максимально положительному. Число таких циклов за единицу времени (обычно в качестве этой единицы выбирается секунда) называется частотой волны. Обычно эта величина обозначается символом ν.

Глядя на сдвиг волны от положения а до положения в на рис. 4, мы видим, что за единицу времени должно быть ν циклов и в каждом цикле волна проходит расстояние λ. Поэтому скорость волны, равная расстоянию, которое она проходит за единицу времени, определяется формулой

c = νλ

Возвращаясь к уравнениям Максвелла, укажем на важный результат, получающийся из этих уравнений: все электромагнитные волны, распространяющиеся в пустоте, имеют скорость, равную скорости света в пустоте; сам свет есть проявление электромагнитных волн; когда световой луч летит в пространстве, он порождает вдоль своего пути колебания электрического и магнитного полей, имеющие в точности вид электромагнитной волны.

Сейчас скорость света в вакууме известна очень точно:

c = 2,9979 • 10⁸ м/с.

А каковы значения ν и λ?

Не все световые волны имеют одинаковые значения ν и λ. Действительно, если пропустить солнечный свет через стеклянную призму, как показано на рис. 5, то обнаруживается, что свет разлагается на разные цвета. Это явление, известное как разложение в спектр, происходит потому, что световая волна отклоняется от первоначального направления, проходя через поверхность призмы (явление, известное как преломление света), причём отклонение зависит от длины волны. Оказывается, что солнечный свет содержит волны разной длины. Из рис. 5 видно, что красный свет отклоняется меньше всего, а фиолетовый – больше всего. Как следует из теории Максвелла, отклонение уменьшается с уменьшением длины волны. Следовательно, мы приходим к важному заключению, что красный свет имеет наибольшую длину волны, а фиолетовый – наименьшую.

Рис. 5. Солнечный свет, проходящий сквозь призму, разлагается 8 спектр, цвета которого меняются от красного до фиолетового (к – красный; о – оранжевый; ж – жёлтый; г – голубой; с – синий; ф – фиолетовый)

В табл. 1 приведены приблизительные интервалы длин волн, соответствующие разным цветам радуги. Обычно эти длины волн выражаются в ангстремах (1 Å = 1 • 10 ^-10 м).

Таблица 1.

Цвет и длина волны

Цвет

Интервал

длин волн, Å

Фиолетовый + Синий

3900—4550

Голубой

4550—4920

Зелёный

4920—5570

Жёлтый

5770—5970

Оранжевый

5970—0220

Красный

6220—7700

Заметим, что приведённые длины волн ограничены интервалом примерно от 4000 до 8000 Å. Теоретически длина волны λ может иметь любое значение от нуля до бесконечности. Поэтому цифры, приведённые в табл. 1, говорят нам, что свет, который мы видим, соответствует очень ограниченному интервалу длин волн и в природе должны существовать другие формы света, которые мы не можем видеть. Эти формы света должны иметь длины волн, меньшие 4000 Å или большие 8000 Å. Действительно, опыты подтвердили существование этих «невидимых» форм света, начиная от «радиоволн» при очень больших значениях 1 и кончая γ-излучением при самых малых значениях λ. В табл. 2 приведены приближённые значения длин волн и интервалов частот этих форм света. (Заметим, что для задания λ в этой таблице ангстрем уже не является подходящей единицей измерения.)

Таблица 2.

Различные электромагнитные волны

Тип волны

Интервал длин волн, м

Интервал частот, Гц

Радиоволны

Больше 10

^-1

Меньше 3•10

⁹

Микроволны

10

^-3

– 10

^-1

3•10

⁹

– 3•10

¹¹

Инфракрасный свет

8•10

^-7

– 10

^-3

3•10

¹¹

– 3.75•10

¹⁴

Видимый свет

4•10

^-7

– 8•10

^-7

3.75•10

¹⁴

– 7.5•10

¹⁴

Ультрафиолетовый свет

10

^-8

– 4•10

^-7

7.5•10

¹⁴

– 3•10

¹⁶

Рентгеновские лучи

10

^-11

– 10

^-8

3•10

¹⁶

Гамма-излучение

Меньше 10

^-11

Больше 3•10

¹⁹

Очевидно, нельзя ожидать получения исчерпывающих сведений о Вселенной, если ограничиться только видимым светом, который, согласно приведённой таблице, образует крохотное окошко во всем диапазоне длин волн. Мы вернёмся к этому вопросу, когда будем обсуждать свет звёзд как источник информации.

Обратимся теперь к другому свойству света, на первый взгляд противоречащему его волновой природе.

СВЕТ КАК СОБРАНИЕ ЧАСТИЦ

Несмотря на то, что физики 60-х годов прошлого века убеждали себя, что они знают о свете все, дополнительная информация, поступившая главным образом от астрономов, не слишком хорошо укладывалась в рамки этой картины.

На рис. 6 показан спектр солнечного света, полученный с помощью более изощрённого прибора, чем призма. Наряду с радугой цветов в спектре имеются какие-то тёмные линии. Эти линии были впервые обнаружены в солнечном спектре в 1814 г. Фраунгофером, и даже после «полного» объяснения световых явлений на основе уравнений Максвелла невозможно было понять, почему на фоне непрерывного цветового спектра должны возникать такие тонкие тёмные линии.

Рис. 6. На фоне непрерывного солнечного спектра видны тёмные фраунгоферовы линии. Под ними – химические символы атомов, ответственных за эти линии

В лабораторных спектроскопических экспериментах были обнаружены другие спектральные линии, показанные на рис. 7. Они выглядели как яркие линии на фоне непрерывного спектра. На оснований эмпирических соображений можно утверждать, что тёмные линии на рис. 6, называемые линиями поглощения возникают в результате поглощения света, а яркие линии на рис. 7, называемые линиями испускания, возникают в результате испускания света. Но эти линии соответствуют очень узкому интервалу длин волн – не более чем несколько ангстрем, и трудно понять, каким образом вещество может избирательно поглощать или испускать свет в таком узком диапазоне.

Рис. 7. Яркие спектральные линии, возникающие от возбуждённых атомов паров натрия. Они называются D-линиями

Загадка была разрешена в нашем веке после того, как была понята двойственная природа света. Его можно рассматривать и как распространяющуюся в пространстве волну, и как совокупность крохотных порций энергии, называемых фотонами. Фотон света частоты ν обладает энергией E=hν, где h – универсальная константа, называемая постоянной Планка. Идея о том, что свет может быть описан указанным образом, была впервые высказана Максом Планком в 1900 г., и это ознаменовало начало развития так называемой квантовой теории. Но соображения Планка, приведшие его к этой гипотезе, были иными, мы вернёмся позже к этому вопросу.

Рис. 8. Штриховые орбиты вокруг центрального ядра схематически описывают различные состояния электронов с данной энергией в атоме водорода. Значения энергии растут от центра наружу. Когда электрон перепрыгивает с внешней орбиты на внутреннюю, он излучает энергию. Для обратного прыжка нужен внешний источник энергии

Квантовая теория следующим образом объясняет возникновение линий поглощения и испускания. Рассмотрим в качестве примера газ, состоящий из простейших атомов – атомов водорода. На рис. 8 изображено строение этого атома с точки зрения квантовой теории. В центре имеется положительно заряженная тяжёлая частица, называемая протоном, а отрицательно заряженная частица – электрон – обращается вокруг протона. До создания квантовой теории движение электрона вокруг центрального протона представлялось загадочным. Действительно, согласно теории Максвелла, вращающийся по орбите электрон с неизбежностью должен излучать электромагнитные волны. Энергия, уносимая этими волнами, должна откуда-то браться; ясно, что источником этой энергии является собственная энергия движения электрона. Из-за потерь энергии электроном его орбита непрерывно сжимается, так что в конце концов электрон падает на центральный протон. Наиболее обескураживающим следствием этих рассуждений было то, что промежуток времени, за который все это происходит, чрезвычайно мал, порядка 10^-10 с!