ГлавнаяЭволюция жизни на ЗемлеЭволюция человека → Как все началось на самом деле?

Как все началось на самом деле?

5 Ноя 2011

Как все началось на самом деле?Помнишь, в 1-й главе я рассказывал, что ученые используют модели того, как все могло бы быть на самом деле? Потом они проверяют каждую модель, предсказывая, что мы увидим или какие результаты измерений получим, если модель верна. В середине XX века соперничали две модели происхождения Вселенной – "стационарная Вселенная" и модель Большого взрыва. Модель стационарной Вселенной была очень изящной, но оказалась неверной, то есть предсказания, основанные на ней, не сбылись. Согласно этой модели, начала никогда не было: Вселенная всегда существовала примерно в том состоянии, что и сейчас. Модель Большого взрыва, напротив, предполагала, что Вселенная зародилась в определенный момент в результате своего рода взрыва. Предсказания, основанные на теории Большого взрыва, подтверждаются, и сейчас модель принята большинством ученых.

Согласно современной версии модели Большого взрыва, наблюдаемая Вселенная зародилась 13-14 миллиардов лет назад. Почему я сказал "наблюдаемая"? "Наблюдаемая Вселенная" – это все то, чему у нас есть хоть какие-то доказательства. Возможно, существуют другие вселенные, недоступные для наших приборов и органов чувств. Некоторые ученые спекулируют на эту тему и утверждают, что наша Вселенная – часть "мультивселенной" – пены из "пузырьков", где каждый "пузырек" – отдельная вселенная. Или, возможно, наблюдаемая Вселенная, в которой мы живем, – единственная. Как бы то ни было, в этой главе я ограничусь наблюдаемой Вселенной. Скорее всего, она возникла после Большого взрыва, и это знаменательное событие случилось примерно 14 миллиардов лет назад.

Кое-кто из ученых утверждает, что время само началось с Большим взрывом, поэтому спрашивать, что происходило до Большого взрыва, – все равно что интересоваться, что находится севернее Северного полюса. Непонятно? Мне тоже. Но я вроде бы понимаю доказательство того, что Большой взрыв произошел, и произошел в определенное время. Сначала объясню, что такое Вселенная. В 6-й главе, взяв для примера футбольный мяч, мы поняли, на каком огромном расстоянии друг от друга находятся звезды, если сравнивать их с планетами нашей системы. Несмотря на громадные дистанции, звезды тем не менее объединяются в группы, которые называются галактиками. Вот изображение четырех галактик:

Каждая галактика выглядит как расплывчатый узор, на самом деле состоящий из миллиардов звезд, а также из облаков газа и пыли.

Наше Солнце — одна из звезд в составе галактики, которая называется Млечный Путь. А называется она так потому, что мы видим ее сбоку темными ночами: она представляется нам как загадочная лента или дорога в небе, которую можно принять за длинное полупрозрачное облако, пока не поймешь, что это на самом деле, а когда поймешь, то поразишься масштабам увиденного. Мы не можем увидеть галактику Млечный Путь во всем ее великолепии, потому что сами в ней находимся, и картинка сверху – фантазия художника, на которой отмечено наше местонахождение. Оно обозначено как "Солнце", потому что в таком масштабе нет заметного расстояния между Солнцем и какой-либо из его планет.

Зато справа – не плод воображения художника, а настоящая фотография, сделанная с помощью телескопа, на ней сотни галактик, в каждой из которых миллиарды звезд, как ив нашем Млечном Пути. Всякий раз я прихожу в восторг, понимая, что каждый из этих кружочков света – целая галактика, сравнимая с Млечным Путем. И это неоспоримый факт. Наблюдаемая нами Вселенная огромна.

Следующая важная проблема состоит вот в чем. Расстояние до любой галактики можно измерить. Как? Для начала посмотрим, как измеряют расстояние до чего-либо во Вселенной. Для близких звезд используется такое явление, как параллакс. Поднеси палец к носу и закрой левый глаз. Теперь открой левый глаз и закрой правый. Продолжай мигать глазами по очереди, и ты заметишь, что кажущееся положение пальца скачет из стороны в сторону. Так происходит из-за разницы точек зрения. Поднеси палец поближе, и скачки уменьшатся. Осталось выяснить расстояние между глазами, и тогда мы вычислим дистанцию от глаз до пальца по величине скачков. Это и есть параллакс – метод оценки расстояний.

Теперь, вместо того чтобы смотреть на палец, взгляни на звезду в ночном небе, точно так же закрывая глаза по очереди. Звезда не поменяет свое положение. Чтобы звезда скакала с места на место, между твоими глазами должны быть миллионы километров! Как нам добиться того же эффекта, оставив глаза на месте? Мы используем тот факт, что диаметр орбиты Земли вокруг Солнца – 300 миллионов километров. Мы отмечаем положение близкой звезды относительно неподвижного фона из других звезд. Шесть месяцев спустя, когда Земля окажется на противоположном конце орбиты, в 300 миллионах километров, мы снова отметим кажущееся положение звезды. Если он достаточно близко, то она совершит "скачок". По величине скачка можно легко рассчитать расстояние до звезды.

К несчастью, метод параллакса работает только для близких звезд. Для тех, что подальше, и уж тем более для других галактик наши "глаза" потребуется разнести больше, чем на 300 миллионов километров. Возникла необходимость найти другой метод. Возможно, тебе пришла в голову идея измерять яркость галактики, ведь та галактика, что ближе, будет светить ярче? Загвоздка в том, что галактики на самом деле различаются по яркости. Это все равно что оценивать расстояние до свечи. Если одни свечи горят ярче других, то откуда нам знать, смотрим мы на далекую яркую свечу или на близкую, но тусклую?

К счастью, астрономы доказали, что существуют так называемые стандартные свечки. Ученые настолько хорошо разбираются во внутренних процессах звезды, что знают, насколько они яркие, притом не по тому, какими мы их видим, а по их истинной яркости, интенсивности света (или рентгеновских лучей, или любого другого вида излучения, который мы умеем измерять) еще до начала их долгого странствия до наших телескопов. Ученые также знают, как распознать такие "свечки", поэтому как только находят ее в галактике, сразу же используют значения ее яркости для определения примерного расстояния с помощью хорошо проверенных расчетов.

Итак, у нас есть метод параллакса для определения коротких расстояний и "линейка" из "стандартных свечей", которую используют для измерения гораздо больших дистанций, добираясь до самых отдаленных галактик.

Отлично, теперь мы знаем, что такое галактика и как определить расстояние до нее. Следующий этап – придумать, как использовать спектр, с которым мы познакомились в 7-й главе, когда обсуждали радугу. Однажды меня пригласили написать главу в книгу, в которой разные ученые рассказывали о самых важных на их взгляд открытиях. Идея прекрасная, но я присоединился достаточно поздно, и все очевидные изобретения уже разобрали: колесо, печатный станок, телефон, компьютер и так далее. Тогда я выбрал прибор, который вряд ли кто-либо выбрал бы, но очень важный, хоть его мало кто использует (надо признаться, сам я его в руках не держал). Я выбрал спектроскоп.

Спектроскоп создает радугу. Когда он присоединяется к телескопу, он принимает свет какой-нибудь определенной звезды или галактики и превращает его в спектр, как Ньютон с помощью призмы. Но прибор устроен хитрее, чем ньютоновская призма, потому что позволяет проводить измерения получаемого на выходе спектра звезды. А что измерять в радуге? Теперь начинается самое интересное. Свет от разных звезд производит отличающиеся друг от друга радуги, и это помогает нам узнать о звездах много нового.

Означает ли это, что свет звезды открывает нам странные новые цвета, невиданные до сих пор на Земле? Конечно нет. На Земле ты уже видел все цвета, которые твои глаза способны различить. Ты разочарован? Я сильно огорчился, узнав об этом. В детстве я обожал книги Хью Лофтинга о докторе Дулитле. В одной из них доктор летит на Луну и волшебным образом начинает видеть совершено новые цвета, прежде недоступные человеческому глазу. Мне понравилась эта идея. Мне нравилось осознавать, что не все во Вселенной похоже на Землю. К несчастью, хоть идея была стоящая, она не соответствовала реальности, да иначе и быть не могло. Это следует из ньютоновского открытия: все видимые цвета содержатся в белом свете, и они появляются в полном составе после прохождения белого света через призму. Нет цветов за привычными нам границами. Художники создают бесчисленное количество оттенков, но все они – результат смешения базовых компонентов белого цвета. Цвета в нашем восприятии – всего лишь ярлыки, навешанные мозгом, чтобы различать свет разных длин волн. Мы уже познакомились со всей гаммой длин волн на Земле. Ни на Луне, ни на других звездах отличий не будет. Увы!

Так что же я имел в виду, когда упомянул различия в спектрах звезд, которые можно измерить спектроскопом? Дело в том, что, когда свет звезды разлагается спектроскопом, в определенных частях спектра появляются странные узоры из тонких черных полос. Иногда полосы не черные, а цветные и задний фон, наоборот, черный – разницу я объясню позже. Узор из полос похож на штрих-код, по которому на кассе определяют цену товара. У разных звезд спектр один и тот же, а вот полосы отличаются, и тут сходство со штрих-кодом становится явным – по узору мы можем многое сказать о звезде и о ее составе.

Не только свет звезды превращается в штрих-код. Свет на Земле тоже, и в лаборатории мы проверяем этот свет, чтобы узнать состав его источника. Как выяснилось, штрих-код создают разные элементы. Например, натрий дает заметную полосу в желтой части спектра. Натриевая лампа (электрическая дуга в парах натрия) светится желтым. Причину этого понимают физики, а я биолог и не разбираюсь в квантовой теории.

Когда я ходил в школу в городе Сэлис-бери на юге Англии, помню, я искренне удивился тому, как поменялся вид моей ярко-красной школьной кепки в свете желтых уличных фонарей. Она уже не выглядела красной – скорее желто-коричневой. То же произошло и с ярко-красными двухэтажными автобусами. Причина оказалась вот в чем. Как и во многих английских городах в то время, в Сэлисбе-ри для уличного освещения использовали натриевые лампы. Они давали свет только в малом участке спектра, где находятся характерные для натрия полосы, а самая яркая полоса для натрия – желтая. Как бы то ни было, натриевый свет – чисто желтый и сильно отличается от обычного солнечного света и от желтоватого света простой лампы накаливания. В свете натриевых ламп отсутствует красный компонент, поэтому он и не мог отразиться от моей кепки. Тебе, наверное, интересно, что в первую очередь заставляет кепку или автобус выглядеть красными? Вот и ответ: молекулы краски поглощают большую часть всех цветов, кроме красного. 11ри дневном свете, содержащем свет всех длин волн, отражается в основном красный. Под натриевыми лампами красного света нет, и в результате получается желто-коричневый оттенок.

Натрий – всего один из примеров. Помнишь, в 4-й главе я говорил, что у каждого элемента свой уникальный порядковый номер, определяющий количество протонов в ядре (и электронов вокруг ядра). Из-за чего-то, связанного с орбитами электронов, каждый элемент по-своему, уникальным образом влияет на свет. Уникально, как штрих-код. По сути, штрих-код и узор из линий на спектре звезды очень похожи. По линиям штрих-кода на спектре звезды, обработанном спектроскопом, можно определить, какие из 92 природных элементов присутствуют в составе звезды.

Сверху ты видишь пример водорода, элемента с номером 1 (потому что у него один протон, запомни). Видишь, водород дает четыре полосы: одну в фиолетовой части спектра, одну в темно-синей, одну в бледно-голубой и одну в красной (значения длин волн цветов приведены на верхней шкале).

Чтобы понять картинки на этом сайте, стоит разъяснить несколько трудностей. Во-первых, обрати внимание на то, что каждая полоса делится на цветную часть на черном фоне (сверху) и черную на цветном фоне (снизу). Они называются спектром эмиссии (цветной на черном фоне) и спектром абсорбции (черный на цветном фоне). Какой спектр получается – зависит от того, испускает ли элемент свет (как элемент натрий в натриевых лампах) или свет проходит через него (более частый случай, если элемент входит в состав звезды). Не хочу тебя утомлять этим деталями. Главное, что полоски появляются в одних и тех же местах спектра в обоих случаях. Код остается тем же – не важно, черные полоски или цветные.

Еще одна сложность в том, что некоторые полоски более заметны, чем другие. Пропуская свет звезды через спектроскоп, обычно мы получаем только самые явные полосы. Сайт показывает нам все полосы, в том числе и слабые, которые удастся увидеть только в лаборатории, но не на спектре звезды. Натрий – отличный пример. На практике свет натрия желтый, и его значимые полоски проявляются в желтой части спектра. О других полосах можно забыть, хоть и интересно, где они находятся, без них теряется сходство со штрих-кодом.

Снизу – эмиссионный спектр натрия, на котором показаны только три полосы кода. Сразу видно, насколько преобладает желтый цвет.

Раз уж у всех элементов разная последовательность полос в штрих-коде, тогда по свету звезды возможно узнать, какие элементы входят в ее состав. Надо признаться, занятие это не из легких, потому что зачастую коды нескольких элементов перемешиваются. Но есть способы их различить. Все-таки замечательный прибор – спектроскоп!

На самом деле он еще лучше. На предыдущей странице был спектр натрия, полученный от света уличной лампы в Сэлисбе-ри или от близкой звезды. Большинство звезд, что мы видим, например звезды из известных созвездий зодиака, находятся в нашей галактике. Если посмотреть на любую из них, то получится примерно тот же спектр света натрия. Но если взглянуть на спектр натрия от звезды из другой галактики, то картинка будет на удивление отличаться. Сверху на этой странице изображены полосы натриевого спектра из трех разных мест: с Земли (или от ближней звезды), от далекой звезды в близкой галактике и от очень далекой галактики. Сначала взгляни на штрих-код натриевого света из дальней галактики (внизу картинки) и сравни со штрих-кодом натриевого спектра с Земли (самая верхняя часть картинки). Порядок полос тот же, расстояние между ними одинаковое. Но весь код сдвинут к красной части спектра. И то и другое – натрий. Так что же произошло? Полосы не изменили своего положения друг относительно друга. Звучало бы, наверное, не очень убедительно, если бы так случалось только с натрием. Но так ведут себя все элементы. В каждом случае один и тот же порядок полос, характерный для элемента, но смещенный к красному концу спектра. Более того, для одной и той же галактики смещения будут одинаковыми.

На средней картинке, показывающей штрих-код светящегося натрия в близкой к нам галактике (она ближе, чем удаленные галактики из предыдущего абзаца, но дальше звезд из нашего Млечного Пути), ты увидишь сдвиг средней величины. Все тот же натриевый штрих-код, но смещенный не так далеко. Первая полоса перешла из темно-синего, но не достигла зеленого и остановилась на светло-голубом. А две желтые полосы (вместе создающие желтый свет уличных ламп Сэлисбери) сместились к красному концу спектра, но не дошли до красного, как в случае света от далеких галактик, – а только немного затронули оранжевый участок.

Натрий – всего лишь один из примеров. Любой другой элемент будет так же смещаться по спектру в красную сторону. Чем дальше галактика, тем больше сдвиг к красному. Это явление называется смещение Хаббла, потому что его открыл великий американский астроном Эдвин Хаббл, и после смерти ученого в его честь назвали телескоп, с помощью которого, кстати, были получены фотографии очень далеких галактик, помещенные на странице 167. Есть еще одно название – "красное смещение", потому что сдвиг по спектру происходит в красную сторону.





Рекомендуем к прочтению



Здесь вы можете написать отзыв

* Текст комментария
* Обязательные для заполнения поля