Текст книги "Как познавалась вселенная"

Автор книги: Сергей Всехсвятский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 4 страниц)

От механики к физике неба

После открытия Ньютоном закона всемирного тяготения перед астрономией встала задача – выяснить все особенности движения небесных тел, установить расстояния между Солнцем и планетами, определить размеры всей нашей планетной системы.

Наблюдения Венеры во время её прохождения по диску Солнца, а также наблюдения Марса в периоды его «противостояний»<sup>[3]3
  Когда Марс располагается на небе в точке, противоположной Солнцу, и ближе всего подходит к Земле.


[Закрыть]</sup> позволили в XVIII веке установить, что среднее расстояние от Земли до Солнца около 150 млн. километров. Ещё раньше определены были размеры и форма самой Земли. Оказалось, что Земля не имеет точной формы шара: она сплющена у полюсов под влиянием вращения вокруг своей оси.

Чтобы выяснить все особенности движения планет, нужно было знать не только форму Земли, с поверхности которой производятся наблюдения, но и уметь учитывать сложное движение самой Земли, сказывающееся на видимых положениях планет. Потребовалась длительная и сложная работа. Когда удалось установить особенности движения Земли, была создана теория движения планет.

Большую роль в развитии небесной механики сыграла Российская Академия наук. В конце XVIII столетия в Петербурге замечательный учёный математик Леонард Эйлер разработал теорию движения Луны, позволявшую вычислять с большой точностью положения Луны на небе, а это, в свою очередь, помогало устанавливать точное положение кораблей в море.

В это же время в Петербурге работал выдающийся астроном – академик Лексель. Он первый изучил движение новой планеты Уран, открытой в 1781 году английским астрономом Гершелем.

Лексель обнаружил странное явление: со временем действительное положение Урана на небе не стало совпадать с теоретически вычисленным. И хотя отклонения были невелики, всё же они превышали те, которые могли получиться в результате ошибок наблюдений и вычислений. Лексель высказал мысль, что за Ураном, ещё дальше от Солнца, находится новая планета, которая своим притяжением и вызывает отклонения Урана. И действительно, в 1846 г., независимо друг от друга, два астронома – Адамс и Леверрье – определили орбиту неизвестной планеты и указали место, где она должна находиться. В сентябре 1846 года – в первый же вечер наблюдений – на участке неба, указанном Леверрье, новая планета была найдена. Она получила название Нептун.

Открытие новой планеты было большой победой материалистической науки о вселенной, доказательством закона всемирного тяготения – одного из основных законов природы.

Виднейшее место в развитии небесной механики в конце XVIII и начале XIX столетий принадлежит французским астрономам Жозефу Лагранжу и Пьеру Лапласу.

Лаплас выдвинул интересную гипотезу (т. е. научное предположение) о происхождении солнечной системы. Первую подобную гипотезу высказал в 1754 году немецкий философ Иммануил Кант. Он считал, что Солнце и планеты могли произойти из хаотического скопления вещества, которое постепенно должно было уплотняться к центру, образуя сгущения – будущие планеты.

Гипотеза Лапласа (1796 г.) исходила из предположения, что существовала медленно вращающаяся газовая туманность, которая должна была постепенно сжиматься, вращаясь всё быстрее и быстрее. В определённый момент скорость вращения должна была стать настолько большой, что из области экватора сильно уплотнённой туманности под влиянием центробежной силы должны были отделяться кольца вещества. Лаплас предполагал, что из вещества колец при дальнейшем сжатии туманности образовались большие планеты.

Эта гипотеза сыграла большую роль в естествознании. Учёный впервые с научных, материалистических позиций сделал попытку объяснить процесс развития солнечной системы, отбросив религиозные представления о происхождении мира.

Больших успехов добилась астрономия в XVIII и XIX веках в изучении звёздного мира. Было установлено, что звёзды не являются неподвижными небесными телами. Они в результате собственных движений медленно перемещаются на небе.

Как уже говорилось, ещё Коперник утверждал, что если Земля изменяет своё положение в пространстве в результате годичного обращения вокруг Солнца, то должны наблюдаться и годичные параллактические смещения звёзд. Однако астрономы в течение долгого времени не могли обнаружить этих смещений.

Успех был достигнут только после того, как появились новые, более мощные телескопы и более точные астрономические приборы. Выдающийся русский астроном В. Я. Струве (1793–1864 гг.) в России, Бессель в Германии и Гендерсон в Англии открыли параллактическое смещение звёзд.

В. Я. Струве в начале XIX столетия работал в Дерптской астрономической обсерватории (теперь обсерватория в городе Тарту Эстонской ССР).

В 1835–1837 гг. он производил тщательные наблюдения и измерения положения яркой звезды Веги, расположенной в созвездии Лиры. Он предположил, что Вега кажется ярче других звёзд потому, что находится ближе к Земле. Измеряя положения Веги, В. Я. Струве удалось найти её параллакс и тем самым расстояние до звезды. Это расстояние почти в два миллиона раз превышало расстояние от Земли до Солнца.

Успехи в изучении звёздного мира в XIX веке были лишь первыми шагами. Необходимо было определить характер распределения и движения звёзд, установить физические особенности звёзд, выяснить строение Млечного Пути и многое другое.

В России для изучения точных положений звёзд, под Петербургом, на Пулковском холме, была построена Главная астрономическая обсерватория, первым директором которой был В. Я. Струве. Обсерватория была открыта в 1839 году. По своему оборудованию она намного превосходила все другие астрономические обсерватории мира. Мощные инструменты позволяли вести массовые наблюдения звёзд.

В Пулковской обсерватории В. Я. Струве установил многие особенности нашей звёздной системы – Галактики. Он открыл, что в Галактике, помимо больших небесных тел – звёзд, очень много космической пыли и газа.

Замечательные результаты работ Пулковской обсерватории уже тогда создали ей славу «астрономической столицы мира».

Интересные исследования Галактики были проведены в Казанском университете. Здесь астроном М. А. Ковальский, изучавший общие особенности нашей звёздной системы, впервые высказал мысль о её вращении. В двадцатых годах нашего столетия выводы Ковальского получили полное подтверждение, вращение Галактики было установлено.

Дальнейшее развитие знаний о вселенной было связано с возникновением в середине XIX столетия новой науки – астрофизики. Открытие переменных звёзд, меняющих свой блеск, задачи изучения физических особенностей небесных тел потребовали создания новых специальных методов и приборов. Достижения физики в XIX веке привели к возникновению спектрального анализа.

Луч света, прошедший через трёхгранную стеклянную призму, разлагается на свои составные части, образуя так называемый спектр, вид которого зависит от состояния светящегося тела. Если светится раскалённое твёрдое тело или большая толща газа (в этом случае плотность газа значительна), то спектр имеет вид разноцветной полоски, в которой цвета непрерывно переходят друг в друга. Такой спектр называется непрерывным или сплошным спектром. Если же свет идёт от раскалённых газов и паров, находящихся под небольшим давлением, то спектр имеет вид отдельных ярких линий и называется линейчатым спектром. Каждый химический элемент, будучи в раскалённом парообразном состоянии, даёт строго определённый линейчатый спектр; по этому виду спектра можно судить о химическом составе источника света.

Исследования показали, что в спектрах Солнца и звёзд видны многочисленные тёмные линии. Причину появления этих линий в 1858 году впервые объяснил немецкий физик Кирхгоф. Он нашёл, что если свет от источника, дающего сплошной спектр, пропустить через слой холодного газа, то газ поглотит те лучи спектра, которые он сам излучает в раскалённом состоянии. Кирхгоф заключил отсюда, что тёмные линии спектра Солнца получаются из-за того, что газы солнечной атмосферы поглощают лучи, идущие из более глубоких и более раскалённых слоёв Солнца. То же самое происходит и в атмосферах звёзд. Это и позволяет определить, какие химические элементы находятся на Солнце и звёздах.

Спектральный анализ открыл новые, богатейшие возможности для исследования небесных тел. Он позволил по составу света, идущего от светил, выяснить не только химический состав Солнца и звёзд, но и физические условия на их поверхности, определить скорости движения, изучить особенности планет и комет.

Многие сложные небесные явления изучены лишь сравнительно недавно. В 20-х годах нашего столетия в результате дальнейшего развития физики возникла новая отрасль астрономии – теоретическая астрофизика. Она позволила изучать не только процессы, которые происходят на поверхности небесных тел, но и те, которые совершаются в их недрах.

Современные представления о вселенной являются результатом многовекового развития знаний. Достижения философии, астрономии, математики, физики, химии и других наук в XIX и XX веках открыли широкие возможности для научного познания мира.

Что же мы знаем о строении вселенной в настоящее время?

II. Современная наука о вселенной

Солнечная система

Что же представляет собой наша солнечная система? Центром солнечной системы является Солнце. Самая близкая к Солнцу из 9 больших планет солнечной системы – планета Меркурий. Она расположена от него в среднем на расстоянии 58 млн. км. Для сравнения напомним, что окружность Земли по экватору равна 40 тыс. км.

Учёные установили, что Меркурий не имеет ни воды, ни атмосферы. Он по объёму в 15 раз меньше Земли и обращён к Солнцу всегда одной стороной, температура на которой достигает 400°. На противоположной Солнцу стороне царят вечный мрак и холод.

На расстоянии примерно 108 млн. км от Солнца движется вокруг него другая планета – Венера, по своим размерам почти равная Земле. Она окружена плотной атмосферой и густым слоем облаков, поэтому поверхность её практически недоступна наблюдению. В атмосфере Венеры обнаружены большие количества углекислого газа. Тепла от Солнца планета получает в два с лишним раза больше, чем Земля. Как и Меркурий, Венера не имеет спутников.

Затем идёт наша Земля. Она обращается вокруг Солнца со скоростью 30 км в секунду, удалена от него на расстояние 149,5 млн. км. Если самый быстрый кругосветный перелёт на Земле был совершён в 5 суток, то до Солнца с такой же скоростью пришлось бы лететь почти 50 лет.

По данным советского учёного Ф. Н. Красовского, наибольший диаметр Земли равен 12 756 км 490 м, а наименьший 12 713 км 726 м.

Земной шар окружён атмосферой, высота которой превышает 1000 км. Атмосфера защищает Землю как от чрезмерного нагрева солнечными лучами, так и от холода космического пространства.

Земля имеет одного спутника – Луну.

Луна находится от Земли в среднем на расстоянии 385 тыс. км и обращена к ней всегда одной и той же стороной. Поперечник её составляет около 3500 км; это почти в 4 раза меньше диаметра Земли. Как день, так и ночь длятся на Луне более 350 земных часов. Луна, как и Земля, не самосветящееся тело, она освещается солнечным светом. Жизни на нашем спутнике нет, так как Луна лишена влаги и воздуха. О том, что на Луне нет или почти нет атмосферы, говорит тот факт, что мы видим исключительно ясно все образования на её поверхности – горные цепи, плоскогорья, долины и большое число кратеров, так называемых «лунных цирков» (рис. 4).

Рис. 4. Фотография Луны. Видны «лунные цирки» – кратеры.

«Лунные цирки» – это углубления, окружённые высокими горами правильной кольцеобразной формы. Диаметр «цирков» различен: от 200 км до нескольких сотен метров. Многие учёные считают, что «лунные цирки» – это следы когда-то действовавших на Луне грандиозных вулканических процессов.

Иногда Солнце, Луна и Земля располагаются на одной прямой линии; тогда происходят солнечные или лунные затмения. Во время солнечных затмений создаются наиболее благоприятные условия для изучения верхних слоев раскалённой атмосферы Солнца (рис. 5).

Рис. 5. Солнечная корона – лучистое сияние, окружающее Солнце во время затмения.

Ближайшее полное солнечное затмение, видимое на территории нашей страны, произойдёт 15 февраля 1961 года.

Планеты, находящиеся от Солнца дальше, чем Земля, называются внешними. Ближайшая внешняя планета, расположенная на расстоянии 228 млн. км от Солнца, – Марс. Это одна из самых интересных планет. Он обращается вокруг своей оси лишь немного медленнее Земли. На Марсе есть атмосфера, но менее плотная, чем на Земле. Это открытие было сделано впервые Г. А. Тиховым в Пулково. В ней обнаружено присутствие водяных паров и кислорода. Иногда над поверхностью планеты видны и слабые облака.

Около полюсов Марса астрономы наблюдают белые пятна – так называемые «полярные шапки», очень похожие на полярные снеговые и ледяные покровы на Земле. С наступлением лета в соответствующем полушарии Марса эти пятна, так же как и на Земле, уменьшаются, тают, а иногда и совсем пропадают. Воды на планете немного, там нет, по-видимому, больших водоёмов. Вокруг Марса обращаются два маленьких спутника. Поверхность Марса ровная и, вероятно, покрыта мелкой пылью; гор, подобных земным, на планете нет.

В последнее время важные исследования Марса были проведены профессором Н. П. Барабашевым на обсерватории Харьковского государственного университета и профессором Г. А. Тиховым на обсерватории Академии наук Казахской ССР в г. Алма-Ате.

Марс получает от Солнца в два с лишним раза меньше тепла, чем Земля, причём сильно разреженная атмосфера планеты плохо его сохраняет. Г. А. Тихов, изучающий поверхность Марса уже около 50 лет, считает, что на планете существует растительная жизнь. Растительность на Марсе, из-за иной способности поглощения и отражения света, имеет синеватый цвет. Она низкоросла и стелется по поверхности, как некоторые наши травы, кустарники, мхи и лишайники.

В пространстве между орбитами Марса и следующей за ним планеты Юпитера (а также в других частях солнечной системы) движется огромное количество мелких планеток. Их в астрономии называют малыми планетами или астероидами. В настоящее время открыто уже свыше 1600 астероидов. Диаметр открытых астероидов составляет от 800 км до нескольких сотен метров. Несомненно, имеется множество астероидов ещё меньших размеров. Можно предполагать, что большинство астероидов имеет неправильную, обломочную форму.

Юпитер отстоит от Солнца на расстоянии свыше 750 млн. км. Это самая большая планета нашей солнечной системы. Она имеет 12 известных сейчас спутников. Диаметр Юпитера в 11 раз больше земного. На диске планеты хорошо заметны тёмные полосы и пятна. Атмосфера Юпитера состоит в основном из аммиака и метана. Один оборот вокруг своей оси он делает приблизительно за 10 часов.

Средняя плотность Юпитера всего в полтора раза больше плотности воды. Советские астрономы В. Г. Фесенков, А. Г. Масевич и Н. А. Козырев, изучая внутреннее строение Юпитера, приходят к заключению, что он на 60–80 % должен состоять из водорода. Внутри планеты должна сохраняться высокая температура в сто тысяч или более градусов.

Почти вдвое дальше от Солнца, чем Юпитер, расположен другой гигант солнечной системы – Сатурн. Он в 750 раз превышает по объёму Землю. Плотность его в полтора раза меньше плотности воды. Сатурн, как и Юпитер, всегда окутан сплошным покровом облаков. Время его оборота вокруг оси приблизительно 10 часов 15 минут.

Замечательной особенностью Сатурна является его кольцо, которое опоясывает планету по экватору. Знаменитый русский математик С. В. Ковалевская ещё в XIX веке теоретически установила, что кольцо Сатурна состоит из отдельных частиц. Это предположение было подтверждено наблюдениями. Спектральный анализ света, отражаемого кольцом Сатурна, показал, что различные части кольца движутся с разной угловой скоростью, а это возможно лишь в том случае, если кольцо не является сплошным твёрдым телом, а состоит из отдельных камней; каждый камень обращается вокруг Сатурна как самостоятельный спутник.

Планеты Уран и Нептун очень похожи друг на друга по размерам, массе и плотности. Объём их приблизительно в 60 раз больше земного. На обеих планетах очень холодно. Так, температура Урана составляет около 160° ниже нуля. Время обращения Урана вокруг оси – 10 час. 40 мин., Нептуна – 15 час. От Солнца эти планеты находятся на колоссальных расстояниях: Уран в 2800 млн. км, Нептун в 4500 млн. км.

Самой удалённой от Солнца планетой является Плутон. Он расположен почти в 6000 млн. км от Солнца. Эта планета была открыта в 1930 году и ещё мало изучена. Известно лишь, что масса Плутона меньше или равна массе Земли. На Плутоне вследствие его удалённости от Солнца царит страшный холод – температура там около 230° ниже нуля.

Кроме девяти больших и множества малых планет, действительное число которых, по некоторым предположениям, не менее 40 000, в состав солнечной системы входят кометы: их известно сейчас более 2000.

Яркие кометы издавна производили огромное впечатление на людей. Упоминание о них встречается в древних летописях разных народов.

В китайских летописях, например, отмечается, что перед рождением императора Та-Ю мать его видела странствующее светило замечательного вида. Греческий историк Диодор Сицилийский пишет о комете 344 года до н. э.: «Перед походом Тимолеона из Коринфа против Сицилии появилось доброе предзнаменование его успехов и будущего величия. Горящий факел появился на небе и целыми ночами стоял перед флотом в направлении Сицилии». Есть упоминание о кометах и в русских летописях. Так, например, о комете 1066 года в летописи сказано: «В си же времена бысть знамение на западе звезда превелика, лучи имущи аки кровавы, восходящи с вечера по заходе солнечном и пребысть за 7 дней; се же проявление не на добро, по сем бо бяше усобица много и нашествие поганых на русскую землю, се бо звезда бе аки кровавы, проявляющи кровопролитие».

Изучать кометы начали позже других небесных тел; для этого нужны были особые методы и инструменты.

Ньютон впервые вычислил орбиту одной из комет; оказалось, что эта орбита значительно более вытянута, чем планетные.

В начале XVIII века английский астроном Галлей сделал важное открытие. Он установил, что яркие кометы, наблюдавшиеся в 1531, 1607 и 1682 годах, двигались вокруг Солнца по одной и той же орбите. Отсюда он заключил, что в эти годы наблюдались не различные кометы, а одна и та же комета, которая периодически возвращается к Солнцу. Галлей предсказал её следующее появление на 1759 год, что блестяще подтвердилось. Эта комета, названная кометой Галлея, наблюдалась также в 1835 и 1910 годах и вновь появится около 1985 года.

Установлено, что туманная оболочка головы и хвост кометы (см. рис. 6) состоят из чрезвычайно разреженных газов (главным образом циана и окиси углерода) и мельчайших пылинок. Хотя хвосты комет иногда имеют длину в десятки и сотни миллионов километров, масса их в миллионы раз меньше масс планет.

Рис. 6. Комета.

Основной частью кометы является её ядро, состоящее из твёрдых глыб диаметром от десятков до сотен метров, а также газов, находящихся в твёрдом состоянии и покрывающих поверхность камней.

Когда комета приближается к Солнцу, из её ядра с большими скоростями вырываются молекулы газа и мельчайшая пыль, которые создают туманную оболочку головы кометы.

Под влиянием солнечного света газы начинают светиться; пыль освещается солнечными лучами. Чем ближе к Солнцу, тем сильнее действуют на комету его лучи. Силой светового давления они отталкивают частицы газа и пыли. Молекулы газа и пылинки подвергаются действию быстро движущихся частиц-корпускул, идущих от Солнца. Поток этих пылевых и газовых частиц, устремившихся от Солнца, и составляет хвост кометы.

Кроме комет с периодами обращения в сотни, тысячи и десятки тысяч лет, существуют и «короткопериодические» кометы.

Сейчас известно более 60 комет, имеющих малый период обращения по своей орбите – от 3 до 100 лет. Время, в которое они хорошо видны с Земли, астрономы могут точно вычислить.

Кометы, особенно короткопериодические, живут сравнительно недолго – в некоторых случаях лишь десятки или сотни лет. Распадаясь, они образуют потоки метеорных тел. Если Земля при своём движении попадает в такой поток, то мы бываем свидетелями красивого зрелища – «звёздного дождя».

«Звёздные дожди» наблюдают сравнительно редко. В те дни, когда Земля проходит через потоки метеорных тел, движущихся в пространстве, тысячи метеоров проносятся по небу. Звёздный дождь иногда длится несколько часов. Так происходило, например, в ночь на 13 ноября 1833 года, 14 ноября 1866 года, 27 ноября 1872 года. Звёздный дождь наблюдался в Европе и в наше время – 9 октября 1933 года и в октябре 1946 года.

Учёные установили, что пути многих потоков метеоров совпадают с путями известных комет. Это доказывает, что метеорные потоки образуются из распавшихся комет.

Что же происходит при столкновении космической пылинки или камня с атмосферой Земли? Каждая такая пылинка, каждый космический камень, подчиняясь действию притяжения Солнца, обращается вокруг него. Пути этих частичек чрезвычайно разнообразны, скорости их движения очень велики. Влетая в атмосферу Земли, космическая частичка проносится сначала сотни километров в её разреженных частях, а затем примерно в 100–200 км от поверхности Земли достигает более плотных слоев. Сопротивление воздуха быстро возрастает, начинается торможение частицы. Энергия движения переходит в тепло. Сильно сжатый частицей воздух нагревается и раскаляется до температуры в несколько тысяч градусов. В этот момент мы видим с Земли ослепительный метеор. Сама частица полностью распыляется.

Ещё более интересное зрелище представляет собой болид – большое метеорное тело. Окружённый ослепительным сиянием, разбрасывая огненные искры, иногда с грохотом и свистом, он мчится к земле и, если не успевает полностью распылиться в воздухе, падает на её поверхность.

Упавшие на землю космические камни называются метеоритами. Они представляют для науки громадный интерес: их изучение помогает установить химический состав небесных тел солнечной системы.

Наиболее значительные результаты в изучении метеоритов получены в последнее время, после того как под руководством академика В. Г. Фесенкова был исследован большой метеорит, упавший 12 февраля 1947 года на Дальнем Востоке в районе Сихотэ-Алинского хребта. В настоящее время здесь уже найдено около 37 тонн метеоритного вещества. До распыления в воздухе метеорит имел массу не менее 500–1000 тонн.

Солнечная система изучена в настоящее время довольно подробно. Однако многое ещё остаётся выяснить. Что представляет собой поверхность Венеры, скрытая от нас облаками? Существует ли жизнь на других планетах, помимо Марса и Земли? Что находится под мощным облачным покровом Юпитера и Сатурна? Каково происхождение комет, многие из которых очень молоды? Над этими и другими вопросами сейчас работают учёные.

Тщательное изучение явлений позволяет выяснять не только настоящее, но и прошлое небесных тел солнечной системы. Например, становится всё более ясным, что кометы – это продукты мощных выбросов, типа вулканических извержений, происходивших и происходящих на поверхности некоторых планет и их спутников. По-видимому, такова же природа кольца Сатурна.