ГлавнаяЭволюция жизни на ЗемлеЭволюция человека → Назад к Большому взрыву

Назад к Большому взрыву

9 Ноя 2011

Назад к Большому взрывуЧто скрывается за красным смещением? К счастью, ученые прекрасно в этом разбираются. Это пример так называемого смещения Допплера. Оно наблюдается везде, где есть волны, а свет, как мы выяснили в предыдущей главе, состоит из волн. Такое смещение часто называют эффектом Допплера, и мы с ним знакомы в основном по звуковым волнам. Когда ты стоишь на обочине дороги и смотришь, как носятся автомобили, звук мотора каждой машины будто становится ниже, как только она проезжает мимо. Тебе известно, что нота, на которой звучит двигатель, остается той же, тогда почему тональность как будто падает? Ответ: за счет допплеровского смещения, и сейчас я объясню, что это такое.

Звук перемещается по воздуху как волна меняющегося давления воздуха. Когда ты слышишь звук двигателя или, скажем, трубы (она все-таки звучит приятнее двигателя), звуковые волны распространяются по воздуху от своего источника во все стороны. Если твое ухо находится в одном из этих направлений, то оно засечет изменения давления воздуха, созданные трубой, а мозг превратит их в звук. Не подумай, что молекулы воздуха перемещаются от трубы к твоему уху. Вовсе нет, ведь тогда это был бы ветер, а ветер перемещается только в одном направлении, тогда как звуковые волны – во все стороны, как расходящиеся круги на поверхности пруда, если в него бросить камешек.

Наиболее понятная модель волны – волна на стадионе, когда зрители встают и садятся в определенном порядке: каждый поднимается, как только его сосед (допустим, слева) опускается. Такая волна быстро обходит весь стадион. Ни один человек не покидает своего места, а волна передвигается, и никому даже бегом ее не перегнать.

В случае с прудом мы наблюдаем волну изменений высоты поверхности воды. Волной ее делает то, что молекулы воды не устремляются в стороны от камня. Молекулы воды перемещаются вверх-вниз, как зрители на стадионе. Волны не отплывают от камня, так только кажется, потому что передвигаются точки максимальной и минимальной высоты.

Звуковые волны немного иные. В случае звука перемещается волна давления воздуха. Молекулы воздуха перемещаются на небольшие дистанции – от трубы (или любого другого источника звука) и обратно. Во время своего движения они ударяются о соседние молекулы и заставляют их тоже двигаться в разные стороны. Те в свою очередь стукаются о своих соседей, и в результате волна соударения молекул, что по сути и есть изменение давления, движется от трубы во все стороны. Именно волна достигает твоих ушей, а не молекулы воздуха. У волны постоянная скорость вне зависимости от источника звука, будь то труба, голос или автомобиль, – примерно 1 236 километров в час в воздухе (под водой скорость вырастет в четыре раза, а в некоторых твердых веществах – еще больше). Если на трубе сыграть высокую ноту, то скорость передвижения волны останется той же, но расстояние между вершинами волн (длина волны) уменьшится. При низкой ноте вершины волн отдалятся друг от друга, а волна продолжит движение с той же скоростью. Таким образом, у высоких нот длина волны меньше, чем у низких.

Итак, мы выяснили, что такое звуковые волны. Теперь вернемся к смещению Допплера. Представь себе трубача, играющего долгую ровную ноту на склоне заснеженного холма. Ты садишься на санки и устремляешься вниз к трубачу (я предпочел санки автомобилю, потому что они тише, и ты услышишь трубу). Что именно ты услышишь? Вершины волн удаляются от трубы на определенном расстоянии друг от друга в зависимости от ноты, которую выбрал трубач. Когда ты несешься к трубачу, твое ухо поглощает вершины волн с более высокой скоростью, чем если бы ты сидел спокойно на холме. Поэтому ты будешь слышать более высокую ноту, чем она есть на самом деле. После того как ты минуешь трубача, вершины волн будут попадать в твое ухо с более низкой скоростью (они покажутся более удаленными друг от друга, потому что перемещаются в одном направлении с твоими санками), поэтому кажущаяся тональность ноты будет ниже, чем в реальности. То же самое произойдет, если твое ухо не меняет положения в пространстве, а источник звука движется. Говорят (не знаю, правда ли это, но история красивая), что Кристиан Допплер, открывший этот эффект, нанял духовой оркестр и паровоз с вагоном, чтобы продемонстрировать свое открытие. К восторгу зрителей, мелодия, исполняемая оркестром, поменяла тональность на более низкую, когда поезд пронесся мимо.

Световые волны отличаются и от стадионной волны, и от звуковых волн. Но у них есть свой вариант эффекта Допплера. Напомню, что в красном конце спектра длина волны больше, чем в синем, посередине – зеленый. Представь, что на всех участниках допплеровского духового оркестра желтые костюмы. Когда поезд к тебе приближается, твои глаза "ловят" вершины волн с большей скоростью, чем если бы ты стоял на месте. Таким образом, ты будешь наблюдать небольшое смещение цвета костюмов в зеленую часть спектра. Затем поезд проезжает мимо и удаляется – теперь костюмы кажутся немного краснее.

В этом примере есть один недостаток. Чтобы ты заметил синее или красное смещение, поезд должен ехать со скоростью миллионы километров в час. Нигде поезда не двигаются настолько быстро, чтобы кто-нибудь заметил эффект Допплера и смещение цвета. А галактики перемещаются. Смещение спектра в красную сторону, которое можно наблюдать на штрих-коде натрия на странице 172, говорит о том, что очень далекие галактики уносятся от нас со скоростью миллионы километров в час. А чем они дальше (по измерениям с помощью метода "стандартных свечей", который я описал ранее), тем быстрее удаляются от нас (и тем больше красное смещение).

Все/галактик с огромной скоростью удаляются друг от друга и от нас в том числе. Не важно, в какую сторону ты направишь телескоп, – все далекие галактики улетают от нас (и друг от друга) все быстрее и быстрее. Вся Вселенная, сам космос расширяется с колоссальной скоростью.

В таком случае, можешь ты спросить, почему космос расширяется только на уровне галактик? Почему звезды в пределах одной галактики не разлетаются. в стороны? Почему мы с вами не разлетаемся друг от друга? Дело в том, что группы близких объектов, чем и является галактика, испытывают сильнейшее гравитационное притяжение от своих соседей. Это держит их вместе, тогда как далекие объекты – другие галактики – подчиняются расширению Вселенной.

А теперь самое замечательное. Астрономы понаблюдали за расширением и решили мысленно обратить его вспять. Все равно как если бы они записали фильм о расширении Вселенной, а потом просмотрели его в обратной, перемотке. В таком видео галактики не удаляются друг от друга, а сближаются. Основываясь на таком фильме, астрономы могут рассчитать все вплоть до того момента, когда расширение Вселенной только началось. Они даже вычислили время этого момента. По их версии, он наступил от 13 до 14 миллиардов лет назад. Тогда зародилась Вселенная, в момент, который назвали Большим взрывом.

Согласно современным моделям Вселенной, в результате Большого взрыва появилась не только Вселенная, но и время и космос. Не проси меня объяснить это, я не космолог, я сам этого не понимаю. Но ты, наверное, понял, почему я выбрал спектроскоп как одно из самых важных изобретений всех времен. Радуги существуют не только для красоты. Они могут нам поведать, когда все началось, в том числе когда возникли время и космос. По-моему, от этого радуга стала еще красивее.





Рекомендуем к прочтению



Здесь вы можете написать отзыв

* Текст комментария
* Обязательные для заполнения поля