Естествознание. Базовый уровень. 10 класс

Земля и вселенная

§ 59 Как и что мы видим во вселенной

В кромешной тьмеСтудёной ночкиМерцали звёзды-одиночки.«А что нам прятаться за тучкой?Сплотиться быМогучей кучкой!»И дикий вихрь летит с известьем:«Решили Звёзды-одиночкиВообразить себяСозвездьем!»Л. Мартынов

Люди наблюдают за небом с тех самых пор, как они существуют. Яркий огненный шар, каждое утро с величайшей аккуратностью встающий над горизонтом и с такой же аккуратностью уходящий вечером за другую сторону этого горизонта, не мог представляться иначе, как одним из величайших богов, дарующим тепло и свет. Ночью над Землёй нависал необъятный купол небесной сферы, на котором горели звёзды – по всей вероятности, фонари, зажжённые богами и передвигаемые ими с чрезвычайной пунктуальностью. Со временем человечество научилось определять законы движения небесных светил с поразительной точностью. Эти знания были необходимы и для того, чтобы судить о намерениях богов, и для чисто практических целей, например определения сроков сельскохозяйственных работ. Посмотрим на звёздное небо. Если мы находимся на открытой местности, Земля кажется нам круглым плоским диском, границей которого является горизонт. Куда бы мы ни двигались, мы всегда будем находиться в центре этого круга.

Над собой мы видим небосвод – обширную полусферу, край которой находится на горизонте. Центр этой полусферы, т. е. точку, которая находится прямо над вашей головой, называют зенитом.

Для того чтобы сориентироваться в расположении звёзд, проще всего найти сначала Полярную звезду. Если у вас есть компас, можно найти её по компасу – она всегда находится в северном направлении. Но можно обойтись и без компаса, если вы можете узнать созвездие Большая Медведица. Оно имеет форму ковша с ручкой. Если две звезды ковша, расположенные дальше всего от ручки, соединить воображаемой линией и продолжить эту линию на пять таких же расстояний, как и расстояние между этими звёздами, то вы заметите яркую Полярную звезду. Эта звезда является очень важной из-за своего особого положения на небе: она почти точно совпадает с точкой, называемой полюсом мира (точнее, Северным полюсом мира, потому что есть ещё невидимый для нас Южный). Весь небесный свод как бы вращается вокруг Полярной звезды, а сама она практически остаётся на месте.

Высота, на которой какая-либо звезда находится над горизонтом, определяется углом между земной поверхностью и линией, направленной от вас на эту звезду. Высота, на которой находится Полярная звезда, почти точно совпадает с географической широтой, на которой находится наблюдатель. Если географическая широта вашего местопребывания равна 55°, то и Полярная звезда будет висеть над горизонтом под углом 55° к нему.

Если провести воображаемый полукруг, проходящий через Полярную звезду (т. е. через Северный полюс мира) и зенит, мы получим дугу, называемую меридианом, а линия, проходящая от наблюдателя к полюсу мира, определяет ось мира, вокруг которой с востока на запад вращаются звёзды.

Если мы достаточно долго будем наблюдать за этим вращением, то увидим, что звёзды над западным краем горизонта будут постепенно исчезать, а с востока будут появляться новые звёзды.

Рис. 157. Концепция небесной сферы помогает астрономам описывать положение звёзд на небе. Для того чтобы определить положение звезды, астрономы пользуются координатной сеткой, подобной сетке широт и долгот на поверхности Земли. Эквивалентом широты является склонение, измеряемое в градусах от небесного экватора. Эквивалентом долготы является прямое восхождение. Его отмеряют от той точки, где Солнце находится на небесном экваторе во время весеннего равноденствия (Первая точка Овна)

В отличие, например, от жителей Древней Месопотамии, нас не удивит появление новых звёзд «из ниоткуда». Мы знаем, что Земля круглая, звёзды находятся не только над нами, но и под нами, а небосвод на самом деле является не полусферой, а целой сферой[14] (рис. 157). Если продолжить отвесную линию от зенита через наблюдателя и через Южное полушарие к южной небесной полусфере, мы упрёмся в точку, называемую надиром. Точка же, находящаяся на прямой, проходящей через наблюдателя от Северного полюса мира, называется Южным полюсом мира. Если в плоскости, перпендикулярной этой линии, провести воображаемую окружность произвольного радиуса, мы получим небесный экватор.

Теперь мы можем немного ориентироваться в окружающем нас звёздном мире. Посмотрев на небо, мы увидим множество звёзд, значительно различающихся по яркости. Есть яркие звёзды, сразу обращающие на себя наше внимание, а есть мелкие, еле заметные невооружённым глазом. В зависимости от яркости звёздам приписывают определённую величину. Самые яркие звёзды имеют первую величину, их всего два десятка[15]. Менее ярки звёзды второй величины, их всего около 50, и к ним, в частности, относится Полярная. Невооружённым глазом мы можем увидеть ещё звёзды третьей, четвёртой, пятой и шестой величины, но это уже предел. Звёзды шестой величины можно увидеть, только обладая очень острым зрением и при очень хороших атмосферных условиях. Для ещё более слабых звёзд необходимо пользоваться биноклями и телескопами.

Главной причиной той или иной яркости звёзд служит не то, сколько энергии она испускает, а на каком расстоянии от Земли она находится. Одна из самых ярких звёзд – альфа созвездия Центавра на самом деле не обладает высокой мощностью излучения. Мы видим её такой яркой, потому что она находится к Земле ближе, чем все остальные звёзды.

Все имеющиеся на небосводе звёзды принято разбивать на группы, которые называют созвездиями (рис. 158). В древности в расположении звёзд люди старались угадать какие-то фигуры и в соответствии с этим давали им названия, почерпнутые главным образом из мифических сюжетов. На звёздных картах наиболее яркие звёзды часто соединяли линиями, чтобы создать представление об определённой графической фигуре. В настоящее время созвездием астрономы называют не фигуры, а определённые участки неба, внутри которых заключены образующие фигуры звёзды. Но неосведомлённый наблюдатель, конечно, не знает точных границ этих участков, а, глядя на небо, рассматривает определённые сочетания звёзд, определяя по ним созвездия.

Посмотрим на созвездия, расположенные поблизости от Северного полюса мира. Сначала мы находим ковш Большой Медведицы. От Полярной звезды начинается ручка ковша Малой Медведицы. Если мысленно продлить эту линию ещё дальше, мы увидим созвездие Кассиопеи, звёзды которого расположены в виде буквы W. Рядом с Кассиопеей расположено созвездие Цефея. Согласно преданию, Кассиопея была царицей, а Цефей (или Кефей) – её мужем, царём Эфиопии.

Рис. 158. Созвездия Северного полушария (январь – март)

Созвездия, расположенные вблизи полюса, мало меняют своё положение в зависимости от времени года. Большую и Малую Медведицы можно наблюдать в любое время года. Те же созвездия, которые расположены ближе к экватору, видны только в определённые месяцы, а в остальное время они находятся за горизонтом. Так, Кассиопея и Цефей лучше всего видны во второй половине года, а очень красивое и хорошо заметное созвездие Орион, в которое входят две звезды первой величины (Бетельгейзе и Ригель) и пять звёзд второй величины, можно увидеть только в зимнее время в южной части неба.

Поскольку Земля совершает годовой оборот вокруг Солнца, то в разные периоды года Солнце будет видно с Земли на фоне различных участков звёздного неба. Если мы вслед за нашими предками будем считать, что Солнце вращается вокруг Земли, то заметим, что вращается оно по большому кругу – эклиптике. Для удобства эклиптику начиная с V в. до н. э. разделяют на двенадцать участков, которые называют созвездиями зодиака. Слово «зодиак» происходит от того же корня, что и «зоология» и означает приблизительно «круг животных». В течение года Солнце проходит через участки неба, соответствующие различным созвездиям (рис. 159). Дважды в год оно пересекает небесный меридиан.

Рис. 159. Схема небесной сферы с Землёй в центре воображаемого зодиакального кольца и путь Солнца по созвездиям зодиака

Это происходит 21 марта, когда Солнце находится в созвездии Рыбы,и 23 сентября, когда оно находится в созвездии Дева. Эти дни называют весенним и осенним равноденствием, когда день равен ночи, и означают соответственно наступление весны и осени.

Проверьте свои знания

1. Какие точки небесной сферы называют зенитом и надиром?

2. Перечислите звёзды первой величины.

3. Где находятся созвездия, которые можно видеть только в определённое время года?

4. Что такое эклиптика?

5. В каких созвездиях находится Солнце в период весеннего и осеннего равноденствия?

Задания

1. Составьте памятку «Как ориентироваться на местности по звёздам».

2. Предположите, где ещё могут пригодиться знания о расположении созвездий на небесной сфере.

3. Вместе с учителем организуйте и проведите экскурсию в планетарий или организуйте виртуальную экскурсию при помощи Интернета.

§ 60 Как исследуют вселенную

А может быть, той звезды уже нет?Быть может, она, от старости,Давно из орбиты выпала,Как драгоценный самоцветИз оправы перстня?Но её холодный свет,Свежий и холодящий чудесный светВот здесь, на траве, лежит.И долго, ещё долго будет жить,Передвигаясь с куста на куст,Перебираясь Со лба на лоб, —И к другим перейдёт,Как песня.Н. Матвеева

Телескоп Галилея.

Раньше мы уже говорили о том, что в начале XVII в. Галилей, значительно усовершенствовав существовавшую в то время зрительную трубу, направил её на небо. Один из друзей Галилея дал новому прибору название телескоп, что значит «далеко смотрящий».

Рис. 160. Страница рукописи Галилея с записью наблюдений за спутниками Юпитера

С 1610 г. Галилей начал регулярно наблюдать за небесными светилами, используя телескоп, увеличение которого ему удалось за короткое время повысить с 3 до 32 раз. Эти наблюдения позволили узнать много нового о внеземном мире.

Так, Галилей обнаружил, что Луна, как и Земля, имеет сложный рельеф и покрыта горами и кратерами. Он открыл четыре спутника Юпитера (рис. 160), обнаружил пятна на Солнце, показал, что оно вращается вокруг своей оси, и вычислил период этого обращения. Телескоп Галилея был устроен довольно просто. Для того чтобы исследовать удалённые от Земли участки Вселенной, пришлось изобрести новые приборы и новые методы исследования. Первые телескопы позволяли увидеть в космосе только те объекты, которые испускают или отражают электромагнитное излучение в видимой части спектра, потому что излучение других диапазонов поглощается атмосферой Земли.

Радиотелескоп.

В 1931 г. американский астроном Карл Янский обнаружил короткие радиоволны, идущие от центра галактики. На основе его разработок в 1937 г. был создан первый радиотелескоп, что и знаменовало появление новой науки – радиоастрономии. После Второй мировой войны конструкция радиотелескопов была значительно усовершенствована (рис. 161).

Рис. 161. Современный радиотелескоп

Радиотелескоп состоит из антенны, которая улавливает приходящие из космоса волны, усилителя сигналов и устройства, позволяющего преобразовывать невидимые радиоволны в излучение видимой области. Так как мощность доходящих до Земли радиоволн очень мала, антенна должна быть очень большой, а усилитель – очень чувствительным. В современных радиотелескопах площади улавливающих антенн составляют десятки тысяч метров.

Для того чтобы по возможности уменьшить поглощение световых волн атмосферой, обсерватории, в которых проводились наблюдения за небесными телами, старались устроить как можно выше в горах. Но наилучшие условия для подобных исследований появились после создания искусственных спутников Земли. Телескопы, установленные на спутниках, позволяют избежать поглощения атмосферой электромагнитного излучения, так как находятся за пределами этой атмосферы. Одним из наиболее известных таких телескопов является аппарат «Хаббл», названный в честь известного астронома (рис. 162). «Хаббл» находится на орбите с 1990 г. С его помощью сделано множество интересных астрономических наблюдений и измерений (рис. 163). Сложная аппаратура «Хаббла» нуждается в периодическом осмотре и ремонте, для чего требуется время от времени направлять на космическую станцию экспедиции.

Космические лучи.

Различные объекты Вселенной испускают не только свет, инфракрасное излучение и радиоволны (рис. 164), но и электромагнитное излучение с более высокой частотой, а также потоки элементарных частиц, которые называют космическими лучами. Эти лучи состоят в основном из протонов и ядер гелия (альфа– частиц). Они были открыты в начале XX в., когда над поверхностью Земли было обнаружено радиоактивное излучение.

Рис. 162. Телескопы, установленные на спутниках, позволяют получать наилучшие результаты: А – космический телескоп «Хаббл»; Б – Эдвин Хаббл, американский астроном (1889–1953)

Вначале предположили, что это излучение является излучением самой Земли, но вскоре обнаружили, что его интенсивность не убывает, а возрастает с увеличением расстояния от земной поверхности. Таким образом, космические лучи приходят на Землю извне. Они могут возникать как на объектах Солнечной системы, так и значительно дальше: в звёздах нашей галактики и даже за её пределами. До создания современных приборов космические лучи были основным материалом для изучения элементарных частиц, некоторые из которых были впервые обнаружены именно в составе космических лучей.

Рис. 163. Снимки туманностей, полученные с помощью телескопа Хаббла: А – Кошачий Глаз; Б – Омега; В – Песочные Часы; Г – Бабочка

Рис. 164. Ночное небо, увиденное оптическим (А), инфракрасным телескопом (Б) и радиотелескопом (В)

Использование спектрального анализа.

При исследовании планет, звёзд и других космических объектов очень важную роль играет использование спектрального анализа (§ 42). Исследуя спектры испускания и поглощения различных небесных тел, можно с большой точностью определить их химический состав, а также температуру. В предыдущих главах мы говорили о том, что при увеличении температуры предмета его излучение смещается в сторону коротковолновой части спектра. Поэтому звёзды с самой низкой температурой мы видим как красные, а наиболее горячие – как голубые.

Единицы измерения Вселенной.

Многолетние исследования позволили человечеству составить представление о строении Вселенной и находящихся в ней объектах и установить место, которое занимает в ней наша Земля. Огромные, по сравнению с привычными для нас, расстояния, разделяющие звёзды и галактики, а также скорости движения многих космических объектов привели к убеждению, что Вселенная в целом обладает качествами, с которыми нам не приходится иметь дело в повседневной жизни. Поэтому этот мир получил особое название мегамира, т. е. огромного мира.

Для того чтобы оценить размеры этого мира, сложно использовать обычные единицы измерения, например километры. Мы получим числа, выраженные десятью в такой огромной степени, что воспринимать и сравнивать их будет чрезвычайно сложно. В качестве единиц расстояния в мегамире для относительно небольших расстояний применяют астрономическую единицу, а для совсем огромных – световой год. Астрономическая единица – это среднее расстояние от Земли до Солнца, она составляет 149 600 000 км. Световой год равен расстоянию, которое свет проходит в течение года. Зная, что скорость света равна 300 000 км/с, а год насчитывает 31 536 000 с, нетрудно подсчитать число километров, которое укладывается в один световой год: оно составляет 9,46 1012 км, т. е. 9 500 000 000 000 км! Иногда для измерения астрономических расстояний используют единицу, называемую парсек, она примерно в три раза больше светового года и равна 3,1 • 1013 км.

Существующие данные о размере Вселенной свидетельствуют о том, что мы имеем дело с действительно огромным миром, совершенно несопоставимым с привычными для нас масштабами. Самые мощные из существующих телескопов способны разглядеть объекты, находящиеся от нас на расстоянии 28 млрд световых лет, т. е. 1023 км. Это означает, что диаметр видимой Вселенной составляет около 60 млрд световых лет. Согласно недавно проведённым расчётам, диаметр Вселенной ещё больше и может доходить до 80 млрд световых лет. Такие размеры представить себе просто невозможно. Если бы диаметр Вселенной был равен диаметру земного шара, то величина Солнечной системы соответствовала бы размерам бактерии.

Тем не менее, несмотря на относительно малые размеры, Солнечная система и особенно Земля имеют огромное значение для человечества, поскольку, по выражению К. Э. Циолковского, являются его колыбелью.

Проверьте свои знания

1. Какие астрономические открытия были сделаны Галилеем?

2. Почему лучшим местом расположения обсерваторий является высокогорье?

3. Из чего состоят космические лучи?

4. С помощью какого научного метода можно определить температуру и химический состав небесных тел?

Задания

1. Расстояние от Земли до Сириуса равно 8,6 светового года. Сколько километров отделяет нас от Сириуса? Выразите расстояние от нашей планеты до Сириуса в астрономических единицах и парсеках.

2. Подготовьте сообщение или презентацию о предмете изучения и развитии науки радиоастрономии.

§ 61 Земля и её вращение

Случились вместе два Астронома в пируИ 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,Которой бы вертел очаг кругом жаркова?»М. Ломоносов

Человечество возникло и живёт на Земле. В течение очень долгого времени люди не могли даже немного приподняться над земной поверхностью. В представлении многих древних народов Земля была Великой Матерью, дающей урожай, и, следовательно, родительницей и кормилицей всего живого. Над Землёй находилось Небо – могущественный и грозный Бог – отец, орошающий дождями мать Землю для того, чтобы она воспроизводила жизнь. В мифологии некоторых народов Земля, наоборот, олицетворяла отца, а небо – мать мироздания. Земля обладала великой силой, которая проявлялась в её способности притягивать к себе все предметы, на ней находящиеся. В русских былинах описывается трагическая история богатыря Святогора, пытавшегося совладеть с «тягой земной».

О физическом устройстве Земли и неба первоначально думали мало. Было достаточно очевидно, что Земля плоская, возможно, имеет форму диска, а над ней находится твёрдый небесный купол, по которому движутся Солнце, Луна и звёзды. Однако представление о том, что Земля является шаром и, возможно, даже вращается вокруг Солнца, возникли уже давно. Впервые предположение о шарообразности Земли высказал в VI в. до н. э. древнегреческий учёный Пифагор. Возможно, он узнал об этом от египетских жрецов, которые вообще не очень стремились делиться своими тайными знаниями. Наиболее полные для античного мира доказательства шарообразности Земли приводит Аристотель. Он говорит о том, что все тяжёлые тела падают на землю под равными углами. Если бы Земля была плоской, то тела падали бы не перпендикулярно, так как стремились бы к центру плоской планеты, а поскольку большинство тел находится далеко от этого центра, они должны были бы падать по наклонной линии. Кроме того, Аристотель обращает внимание на тот факт, что некоторые из звёзд, видных в Египте или на Кипре, не видны в северных странах. Из этого следует, что Земля не только имеет форму шара, но и размеры этого шара невелики по сравнению с расстоянием до звёзд.

За триста лет до нашей эры древнегреческий географ и математик Эратосфен (ок. 276–194 до н. э.) пытался опытным путём определить размеры земного шара. Он заметил, что в одном из городов Египта Солнце в день летнего солнцестояния стоит точно в зените и потому освещает дно самого глубокого колодца. Затем он измерил угол падения солнечных лучей в тот же день в другом городе. Зная расстояние между городами, он вычислил длину окружности земного шара, и его расчёты оказались достаточно близкими к современным.

Геоцентрическая теория

Более сложным оказался вопрос о положении Земли относительно Солнца. Большинство греческих философов придерживались геоцентрической точки зрения, т. е. утверждали, что Земля находится в центре мироздания, а Солнце вместе с другими планетами вращается вокруг неё. Однако в начале III в. до н. э. Аристарх Самоский (ок. 310–230 до н. э.) предложил гелиоцентрическую систему, согласно которой Земля вместе с остальными планетами вращается вокруг Солнца. Такая система в отличие от геоцентрической объясняла смущавшее древнегреческих учёных движение планет. Если движение Солнца и звёзд хотя и не вполне, но более или менее хорошо соответствовали представлению об их вращении вокруг Земли, то планеты вели себя странно. Траектории их движения вокруг Земли не были такими регулярными. Планеты «блуждали» по небесному своду, откуда и произошло их название. По-гречески «планетес» означает «блуждать», «скитаться». Если предположить, что планеты, так же как и Земля, вращаются вокруг Солнца, такое их движение становилось более понятным.

Однако в Античности гелиоцентрическая теория большого распространения не получила, и в I в. всеобщим признанием стала пользоваться геоцентрическая система, разработанная Клавдием Птолемеем (ок. 90—160) – греческим астрономом, математиком, физиком, географом и теоретиком музыки, жившим, как и большинство учёных того времени, в Александрии (рис. 165, 166). Для объяснения сложного движения планет Птолемею пришлось ввести новые понятия и сложную систему дополнительных расчётов, но с учётом этих поправок его теория настолько хорошо совпадала с данными наблюдений, что не вызывала возражений в течение последующих полутора тысяч лет.

Рис. 165. Клавдий Птолемей