Текст книги "Расширяя границы Вселенной: История астрономии в задачах"
Автор книги: Владимир Сурдин
Соавторы: Евгений Гусев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 16 страниц)
Звёздная астрономия и астрофизика
Задачей звёздной астрономииявляется изучение пространственного расположения и движения отдельных звёзд и звёздных ансамблей – скоплений, галактик и т. п. Первый шаг в этом направлении сделал Галилей, открыв с помощью телескопа звёздную структуру Млечного Пути.
В конце XVIII века существенный вклад в изучение звёздных систем внёс Вильям Гершель (1738–1822), впервые применив статистический метод к изучению Галактики. Он установил, что наша Галактика имеет конечные размеры, и даже довольно точно определил степень сплюснутости её формы (1:5). Он также первым выдвинул предположение о существовании крупномасштабной структуры мира галактик, заметив неоднородность их распределения на небе.
Важным событием в звёздной астрономии стали первые измерения звёздных параллаксов (В. Струве – α Лиры, Т. Гендерсон – α Кентавра, Ф. В. Бессель – 61 Лебедя). В середине XIX века ирландский астроном У. Парсонс при помощи сконструированного им рефлектора открыл спиральную структуру некоторых внегалактических туманностей.
Астрофизикаизучает физические свойства космических тел. Методы астрофизики основаны на достижениях экспериментальной и теоретической физики. Появление этой новой астрономической науки
Гигантский телескоп рефлектор Уильяма Парсонса, сооруженный в 1845 г. Металлическое главное зеркало диаметром 182 см имело фокусное расстояние 17 м.
относят к середине XIX века, когда при исследовании космических тел стали использовать фотографию и спектроскопию. Следует отметить, однако, что физический подход для изучения природы космических тел стал применяться гораздо раньше. Так, ещё в 1761 г. русский учёный – энциклопедист М. В. Ломоносов первым обнаружил преломление солнечного света у поверхности Венеры и дал правильное качественное толкование наблюдаемому явлению, предположив наличие у планеты плотной атмосферы. Он же в образной форме дал близкое к действительности описание физических процессов, происходящих в атмосфере Солнца.
Естественно, что первым объектом исследования для астрофизиков стало наше светило, дающее мощный поток излучения. Немецкий физик Г. Р. Кирхгоф (1824–1887), применив изобретённый им и Р. Бунзеном метод спектрального анализа, доказал, что у Солнца есть атмосфера, более холодная, чем видимая поверхность светила – фотосфера. По линиям поглощения в спектре Солнца оказалось возможным определить химический состав его атмосферы. Один из основоположников астроспектроскопии У. Хёггинс (1824–1910) доказал единую природу Солнца и звёзд. Французский астроном П. Жансен (1824–1907) начал изучать методом спектрального анализа химический состав атмосфер планет. П. Жансен и английский астроном Дж. Н. Локьер (1836–1920) независимо друг от друга открыли спектроскопический способ наблюдения хромосферы и протуберанцев на Солнце вне солнечного затмения.
Астрономия XX века
Бурное развитие астрономии в XX столетии основывалось на двух «китах» – новых крупных телескопах и чувствительных приёмниках излучения во всех диапазонах волн, а также на достижениях теоретической физики. В начале столетия датский астроном Эйнар Герц– шпрунг (1873–1967) и американский астроном Г. Н. Рассел (в некоторых книгах – Рессел; 1877–1957) установили важную закономерность: светимость большинства звёзд определяется их спектральным типом, отражающим температуру поверхности. Построенная ими диаграмма «спектр – светимость» позволила установить существование звёзд – гигантов и звёзд – карликов. Диаграмма Герцшпрунга – Рассела имеет большое космогоническое значение: положение на ней звезды в первую очередь определяется её массой и возрастом.
Теоретический подход в астрофизике позволил по данным наблюдений изучать физические условия в звёздных атмосферах и строить модели внутреннего строения звёзд (К. Шварцшильд, А. С. Эддингтон, Дж. Джинс). Вторая четверть XX столетия была отмечена решением проблемы источника энергии звёзд. Обсуждавшиеся ранее метеоритная, контракционная и аннигиляционная гипотезы, а также гипотеза радиоактивного распада были отвергнуты. Успехи ядерной физики и накопленные астрономами данные о звёздах позволили убедительно показать, что источником энергии звёзд в течение большей части их жизни служит термоядерный синтез гелия из водорода (подробнее см.: Сурдин, 1999).
XX век характеризуется рождением новой симбиотической науки – космонавтики,открывшей небывалые возможности для исследования Вселенной космическими аппаратами. Общепризнанным основателем этого направления человеческой деятельности, много сделавшим для его развития, был гениальный русский учёный К. Э. Циолковский; его научное наследие насчитывает около 600 работ. Вся вторая половина столетия прошла под знаком интенсивного развития практической космонавтики. 4 октября 1957 г. в нашей стране был запущен первый в мире искусственный спутник Земли. 12 апреля 1961 г. состоялся первый пилотируемый космический полёт Ю. А. Гагарина.
Методы космонавтики оказались чрезвычайно плодотворными для астрономических исследований. Вне земной атмосферы возможно изучение небесных тел во всех диапазонах электромагнитного излучения. Искусственные спутники и межпланетные станции подробно исследовали атмосферу и поверхность планет, что было невозможно осуществить столь детально с Земли. На Луну, Венеру и Марс опускались исследовательские лаборатории, передавшие на Землю уникальные данные. Планеты – гиганты, Меркурий, спутники планет, астероиды исследовались с пролётных траекторий автоматическими межпланетными станциями. Выдающуюся роль в этих работах сыграли отечественные учёные и инженеры. Благодаря наблюдениям с Земли и из космоса были открыты удивительные по своим физическим свойствам космические объекты: квазары, нейтронные звёзды (в том числе и особые – пульсары и магнетары), космические мазеры, реликтовое излучение, чёрные дыры, рентгеновские источники, гравитационные линзы.
XX век характеризуется появлением ещё одной новой, очень важной астрономической науки – релятивистской космологии,которая изучает нестационарную Вселенную как единое целое. Большой вклад в становление космологии внесли А. Эйнштейн (1916 г.), А. А. Фридман (работы 1922–1924 гг.), Ж. Леметр (1927 г.), Г. А. Гамов (1946 г.). Современная космология базируется на двух фундаментальных наблюдательных фактах: красном смещениилиний в спектрах галактик, которое, согласно принципу Доплера – Физо, интерпретируется как всеобщее взаимное удаление галактик (Э. П. Хаббл, 1929 г.); а также на существовании фонового микроволнового излученияс Т =2,7 К, свидетельствующего о сверхплотном и горячем состоянии Вселенной в момент Большого взрыва. В начале 1980–х годов была создана инфляционная модель эволюции Вселенной (А. Гус и А. Д. Линде), согласно которой её расширение в первые 10 –35секунды шло несравненно быстрее, чем в соответствии с фридмановской моделью.
А что дальше?
Дальнейшее развитие астрономии требует немалых материальных затрат, а потому будет в значительной мере определяться тем, насколько велик интерес общества к этой сфере научных исследований. При благоприятных условиях развития перспективы астрономии выглядят захватывающими. Новые технологии позволяют создавать мощные телескопы с невиданным ранее качеством изображения. Уже действуют оптические телескопы с диаметром зеркала 8-10 метров и проектируются инструменты диаметром 25-100 метров. Недавно начали работать подземные нейтринные телескопы нового поколения; заканчивается сооружение гравитационноволновых детекторов сверхвысокой чувствительности. Планируется создание обсерватории на Луне и научных лабораторий на поверхности Марса и астероидах.
Новая мощная наблюдательная техника требуется астрономам для решения уже существующих проблем, таких как происхождение космических лучей сверхвысокой энергии и физические механизмы гамма – всплесков, для разгадки природы тёмной материи, составляющей периферию галактик: что это – коричневые карлики, чёрные дыры или ещё неоткрытые слабо взаимодействующие с электромагнитным излучением элементарные частицы большой массы? Но ясно, что работая над этими проблемами, астрономы непременно встретятся с новыми загадками космоса; это и делает научный поиск таким захватывающим.
Для учёных понять природное явление означает умение предвидеть его развитие. Основная задача космологии – понять будущее нашей расширяющейся Вселенной. Это невозможно без правильного представления о барионной материи, источниках скрытой массы и неизвестных свойствах вакуума, возможно, наиболее сильно влияющего на динамику расширения Вселенной. Успехи космологии в значительной степени зависят от прогресса в изучении элементарных частиц и от создания долгожданной единой теории физических взаимодействий. В то же время, новые открытия в астрономии, как правило, способствуют прогрессу физики, которая всё сильнее влияет на нашу жизнь. Прослеживая шаги учёных в познании Вселенной, узнавая историю астрономии, мы реконструируем важную часть истории человечества.
Условия задач
Раздел 1. Зарождение астрономии
1.1. В чём причина того, что именно астрономия является древнейшей из современных наук?
1.2. Почему происходила дифференциация астрономии?
1.3. Предположим, что наш современник решил разрушить представления древних людей о хрустальных сферах, к каждой из которых якобы прикреплена планета (модель Евдокса). Существование каких космических тел могло бы послужить главным аргументом против этой модели?
1.4. Зачем и когда были введены точки и линии небесной сферы?
1.5. Почему древние греки, ориентируясь по звёздному небу, основной осью считали восток – запад, а не север – юг, как наши современники?
1.6. Почему астрономический знак точки весеннего равноденствия совпадает со знаком созвездия Овен и обозначается символом рогов?
1.7. Почему в Древнем Риме в 60–х годах до н. э. был принят закон, запрещающий высшим должностным лицам государства в определенные периоды времени наблюдать за небесными явлениями?
1.8. Во II в. до н. э. Гиппарх создал свой знаменитый каталог, содержащий положения и звёздные величины 850 звёзд. Сравнив свои данные с наблюдениями Аристилла и Тимохариса (ок. 280 г. до н. э.), он обнаружил, что эклиптические долготы всех звёзд ежегодно увеличиваются на 36˝ (по современным данным на 50,3˝). Что за явление открыл Гиппарх?
1.9. В древнем Египте первое появление Сириуса в лучах утренней зари после периода невидимости (гелиакический восход) совпадало с поднятием вод Нила. Совпадают ли эти два явления так же хорошо и в настоящее время?
1.10. Каким образом древние египтяне, наблюдая гелиакический восход Сириуса, смогли довольно точно определить продолжительность тропического года?
1.11. В Древнем Китае обнаружили, что длина тени от гномона в полдень календарного дня зимнего солнцестояния (по древнему 365-дневному календарю) не равна длине тени, измеренной годом раньше. Через какой интервал времени длины теней от гномона совпадают? Какой вывод о продолжительности года был сделан в Древнем Китае на основании этих наблюдений?
1.12. До 1492 г. календарный год в России начинался с 1 марта, с 1492 г. по 1700 г. – с 1 сентября, а с 1700 г. – с 1 января. С какими астрономическими явлениями могут быть связаны эти даты начала года?
1.13. Какова астрономическая основа шестидесятеричной системы счисления, принятой у некоторых древних цивилизаций?
1.14. Какова астрономическая основа разделения окружности на 360°?
1.15. Какую астрономическую основу имеют единицы времени неделяи месяц?
1.16. Почему десятый месяц в году – октябрь,название которого в переводе означает «восьмой», а двенадцатый – декабрь, что означает «десятый»?
1.17. Какая система счисления использовалась древними астрономами, установившими продолжительность суток в 24 часа?
1.18. Почему поясное время было предложено и стало использоваться только с конца XIX века?
1.19. В знаменитой «Одиссее» Гомера упоминается созвездие Большой Медведицы. Поэт определяет его как «созвездие, которое никогда не погружает своих звёзд в волны моря». Точность описаний Гомера известна; его поэмы служат для нас одним из основных источников знаний о древнейшей Греции. Но на родине Гомера вы увидели бы неожиданное зрелище: Большая Медведица будет на ваших глазах регулярно «окунать свои звёзды» в волны Ионического и Эгейского морей. И это не удивительно: Греция – южная страна; на её широте высота северного полюса мира мала, и Медведица является созвездием «заходящим». В чём же дело?
1.20. Каково основное достоинство системы мира Птолемея?
1.21. Каков основной недостаток системы мира Птолемея?
1.22. Какие два основных постулата были приняты в системе мира Птолемея?
1.23. Какие выводы теории Птолемея оказались правильными?
1.24. Как получилось, что геоцентрическая модель мира длительное время удовлетворяла практическим потребностям астрономии?
1.25. Какие недостатки имела гелиоцентрическая система мира Николая Коперника?
1.26. Какие два принципиальных недостатка были присущи обеим моделям мира – Птолемея и Коперника?
1.27. В кинематике земных и небесных тел важную роль играют кривые, называемые циклоидами и эпициклоидами. Что это за кривые и чем они отличаются друг от друга?
1.28. Какой смысл имело понятие эпициклв древней науке и применяется ли оно в современной астрономии?
1.29. В основе геоцентрической модели мира лежат ложные физические принципы:
1) все небесные тела равномерно движутся по идеальным (круговым) орбитам;
2) все небесные тела движутся вокруг неподвижной Земли, являющейся центром мира.
Почему такая неверная модель могла с достаточной для своего времени точностью описывать сложное движение небесных тел?
1.30. Почему античные астрономы считали круговое движение единственной формой движения космических тел?
1.31. Почему периоды движения верхних планет по первым (главным) эпициклам и периоды движения нижних планет по деферентам равнялись одному году? Почему размеры главных эпициклов по отношению к своим деферентам уменьшались от Марса к Сатурну?
1.32. Видимое движение планеты на звёздном небе в системе Птолемея описывалось круговыми движения планеты по эпициклу и деференту. Была ли угловая скорость планеты по эпициклу и центра эпицикла по деференту постоянной?
1.33. Каким образом, исходя из существовавших тогда представлений о движении светил как равномерном и круговом, древнегреческие учёные объяснили неравномерность движения Солнца по эклиптике в течение года?
1.34. На рисунке изображён элемент модели Птолемея: эпицикл верхней планеты и дуга деферента. Показано направление движения центра О эпицикла по деференту и планеты по эпициклу в точках P и A. В каких положениях планеты на эпицикле она будет иметь самое быстрое прямое движение, попятное движение, стояния? В каком месте эпицикла планета находится в противостоянии?
1.35. Почему система мира древних египтян, предшествовавшая системе Птолемея, предусматривала обращение Меркурия и Венеры вокруг Солнца, а Солнца и верхних планет – вокруг Земли?
К задаче 1.34. Фрагмент модели мира Птолемея.
1.36. Какая модель мира получила название геогелиоцентрической,и кто является её автором?
1.37. Движение каких небесных тел и в настоящее время описывается при помощи геоцентрической модели?
1.38. По какой траектории движутся планеты в системе отсчёта, связанной с Землёй?
1.39. По какой траектории движется Луна в системе отсчёта, связанной с Солнцем?
1.40. По какой траектории движутся спутники планет – гигантов в системе отсчёта, связанной с Солнцем?
1.41. Нарушила ли гелиоцентрическая модель мира Коперника принцип геоцентризма?
1.42. Почему теория Коперника, описывающая строение и кинематику только части планетной системы, называется системой мира?
1.43. Был ли Коперник первым, кто выдвинул идею о подвижности Земли в пространстве?
1.44. Аристотель (384–322 гг. до н. э.) утверждал, что если бы Земля перемещалась в пространстве, то наблюдатель на Земле мог бы заметить вызванное этим изменение положения звёзд на небесной сфере. Верно ли это? Почему во времена Аристотеля не было обнаружено параллактическое смещение звёзд?
1.45. Почему параллактическое смещение звёзд вплоть до XIX века не использовалось в качестве доказательства обращения Земли вокруг Солнца?
1.46. Коперник сам пытался обнаружить параллактическое смещение звёзд, которое следовало из его модели мира. Почему он потерпел неудачу?
1.47. В 1725 г. английский астроном и математик Джеймс Брадлей (Брэдли) начал работу по обнаружению параллактического смещения звёзд, чтобы подтвердить теорию Коперника. После трёх лет наблюдений Брадлей обнаружил периодическое «покачивание» звёзд по эллипсам. Но, как оказалось, при этом он открыл явление аберрации света, которое, однако, также подтвердило движение Земли вокруг Солнца. Чем отличаются аберрационные эллипсы звёзд от их параллактических эллипсов?
1.48. Явление аберрации света Брадлей открыл, пользуясь данными точных астрометрических наблюдений звезды γ Дракона, проведённых при помощи направленного вертикально вверх и жёстко закреплённого телескопа. Почему учёный выбрал столь оригинальный метод наблюдения?
1.49. В каком разделе физики могла бы изучаться система Коперника, если бы не было астрономии?
1.50. Какие телескопические открытия Галилея свидетельствовали в пользу правильности системы мира Коперника?
1.51. Внимательно прочитайте шуточное стихотворение М. В. Ломоносова (1761 г.):
Случились вместе два Астронома в пиру И спорили весьма между собой в жару.
Один твердил: Земля, вертясь, круг Солнца ходит,
Другой, – что Солнце все с собой планеты водит:
Один Коперник был, другой слыл Птоломей.
Тут повар спор решил усмешкою своей.
Хозяин спрашивал: Ты звёзд теченье знаешь?
Скажи, как ты о сём сомненье рассуждаешь?
Он дал такой ответ: Что в том Коперник прав,
Я правду докажу, на Солнце не бывав.
Кто видел простака из поваров такова,
Который бы вертел очаг кругом жаркова?
(Цит. по: Куликовский, 1986, с. 55.)
Кому в действительности принадлежит система мира, приписанная в этом стихотворении Птолемею?
1.52. Почему, когда Галилей обнаружил в телескоп, что фазы Венеры подобны фазам Луны, это послужило одним из доказательств того, что Венера обращается не вокруг Земли, как до тех пор думали, а вокруг Солнца?
1.53. Почему явление фаз планет было открыто Галилеем именно у Венеры, а не у других планет?
1.54. Известна поговорка:
Месяц зимой ходит, как Солнце летом.
Верна ли эта «народная астрономия»?
1.55. Космологический принцип Николая Кузанского утверждает, что наше положение во Вселенной ничем не выделено в пространстве. Подтверждается ли этот принцип экспериментально?
1.56. Какой важный вывод о структуре Вселенной следует из космологического принципа Кузанского?
1.57. Некоторые космологи пытались расширить принцип Кузанского. Справедлив ли идеальный космологический принцип, согласно которому Вселенная выглядит совершенно одинаково из любой точки пространства и в любой момент времени?
1.58. Какой космологический принцип, не отрицая космологического принципа Кузанского, утверждает, что мы наблюдаем Вселенную в «привилегированный» момент времени?
1.59. Какие наблюдательные факты, легли в основу антропоцентрического подхода в изучении Вселенной?
1.60. Какое важное астрономическое открытие XX века на первых порах, казалось, подтвердило центральное положение человека во Вселенной?
1.61. Какое открытие опровергло антропоцентрическое толкование факта, упомянутого в предыдущей задаче?
1.62. Открытие какого закона физики впервые показало единство законов природы для земных и космических тел?
1.63. Какие исследования впервые подтвердили единство вещества Земли и тел Солнечной системы?
1.64. Известно, что моряки из экспедиции Магеллана, вернувшиеся из кругосветного путешествия, потеряли в счёте дней один день. Чем это объясняется? Как избегают этой неприятности в настоящее время?
1.65. Датой открытия Америки считается 12 октября 1492 г. Какая это дата по новому стилю?
1.66. Когда разница между юлианским и григорианским календарями составит ровно две недели?
1.67. Последнее сближение знаменитой кометы Галлея с Солнцем произошло в 1986 г. Его ожидали с нетерпением, поскольку впервые предполагалось исследовать ядро кометы с помощью межпланетных зондов. Поэтому требовалось как можно раньше и точнее определить орбиту кометы. Предварительные данные о ней были получены по наблюдениям предыдущего сближения 1910 года. Теоретики с небывалой точностью вычислили дальнейшую траекторию кометы, и наблюдатели начали охоту за ней. В те годы в мире было два крупнейших телескопа: американский 5–метровый им. Хейла в калифорнийской обсерватории Маунт-Паломар и советский 6–метровый БТА (Большой телескоп альт-азимутальный) в Специальной астрофизической обсерватории АН СССР на Кавказе.
Комету обнаружили 16 октября 1982 г. в созвездии Малого Пса. Она оказалась именно там, где и должна была быть согласно рассчитанной эфемериде. Отклонение от расчётной точки составляло всего несколько угловых секунд – такая точность ранее никогда не достигалась. Обнаружили комету на Паломарской обсерватории в США Д. Джевитт и Э. Даниельсон из Калифорнийского технологического института. Хотя американский телескоп уступал в размере объектива советскому, он был оборудован более совершенной светоприемной аппаратурой и поэтому оказался более зорким. В момент первого обнаружения комета Галлея имела блеск 24 mи находилась на расстоянии 11 а. е. от Земли и от Солнца. Используя эти данные, оцените размер ядра кометы.
1.68. 12 апреля 1961 г. первый космонавт Ю. А. Гагарин стартовал с космодрома Байконур на корабле Восток. Корабль двигался по орбите ИСЗ с периодом 1,5 часа и, совершив один оборот, приземлился. В каком месте он совершил посадку по отношению к Байконуру?
