Наука и удивительное [Как человек понимает природу]

Виктор Вайскопф

НАУКА И УДИВИТЕЛЬНОЕ

Как человек понимает природу

«…Ибо всякое знание и чудо (в котором заключено семя знания) есть удовольствие само по себе…»

Фрэнсис Бэкон

Предисловие переводчика

За последние десятилетия знания человека о природе возросли во много раз. В науке простое описание природы все больше вытесняется открытием первопричины вещей. Успехи физики общеизвестны: на заре XX века учебники даже об атоме сообщали как о чем-то гипотетическом. В настоящее время нет ни одного не объясненного явления атомной физики.

Передний фронт науки проходит глубоко внутри области атомного ядра: современная физика изучает строение и взаимодействие элементарных частиц.

Столь же поразительные успехи сделала и биология, нашедшая, наконец, ответ на исконный вопрос: что такое жизнь? Чем живая материя отличается от неживой?

Казалось бы, невозможно в одной небольшой популярной книге так осветить все основные разделы современного естествознания, чтобы их понял читатель, лишенный всякой специальной подготовки. И однако Вайскопфу удалось сделать это. Ему помогло как раз то, что отличает нынешнюю науку от науки прошлого — знание конкретной взаимосвязи всех явлений природы. То, что давно высказывалось в общей форме, ныне приняло форму конкретного знания.

Поэтому автор сумел атаковать в лоб любую проблему, будь то волновые свойства электрона или программа жизни клетки в ДНК. Чем лучше известна сущность явления, тем легче объяснить его другому, даже тогда, когда объяснение связано с вещами, далекими от повседневного опыта.

Русское заглавие книги предложено самим автором.

С самых первых страницу где говорится о нашем месте во Вселенной, поражает стройный, логически убеждающий метод изложения. Автор не пытается подавить воображение читателя громадностью астрономических чисел. Каждый новый шаг, раздвигающий горизонты Вселенной от планет к звездам, от звезд к галактикам, от отдельных галактик к их совокупности, обоснован очень простыми оценками порядков величин. Читатель легко понимает, откуда берутся все эти миллиарды галактик и световых лет. Оценки так очевидны, что иногда возникает недоумение: почему они не были известны еще в древности? Очевидно, кроме количественных оценок, нужна прежде всего правильная картина мира.

У Л. Н. Толстого есть интересная мысль:

«Помню я раз, говоря с знаменитым астрономом, читавшим публичные лекции о спектральном анализе звезд Млечного Пути, сказал ему, как хорошо бы было, если бы он, со своим знанием и мастерством читать, прочел бы публичную лекцию по космографии только о самых знакомых движениях Земли, так как наверное среди слушателей его лекций о спектральном анализе звезд Млечного Пути очень много людей, особенно женщин, таких, которые не знают хорошенько того, от чего бывают день и ночь, зима и лето.

Умный астроном, улыбаясь, ответил мне: „Да, это хорошо бы было, но это очень трудно. Читать о спектральном анализе Млечного Пути гораздо легче“» (Полн. собр. соч., т. 30, стр. 184, М., 1951.)

Со времен Толстого объем знаний, насущно необходимых каждому культурному человеку, очень расширился. «Умный астроном» прекрасно понимал, как трудно рассказать людям в доступной и интересной форме именно то, что проще и нужнее всего. Но Вайскопфу это прекрасно удалось.

А. С. Компанеец

Предисловие автора

Эта книга возникла из цикла лекций, прочитанных автором в Бэкингемской школе (Кембридж, Массачусетс) для слушателей, не имеющих специальной подготовки в науке. Цель лекций состояла в том, чтобы дать общий беглый очерк современных научных представлений о явлениях природы, показать универсальность этих представлений и их значение для человека.

Слишком хорошо известно, с какими трудностями связано подобное начинание. Научное знание трудно сообщить не ученому: слишком многое надо объяснить прежде, чем дойдешь до существа дела. Обычно профан не видит леса из-за деревьев. Но эти трудности не должны пугать ученых и удерживать их от попыток такого рода. В этой книге непосвященным рассказывается о величайших культурных достижениях нашего времени.

В наш век естественные науки уже не являются независимыми. Химия, физика, геология, астрономия и биология связаны друг с другом, и все рассматриваются в этой книге, хотя и не одинаково подробно. Наибольшее место отведено физике, основе естественных наук, и, в частности, атомной физике, так как все на свете состоит из атомов. В книге особенно подчеркнута тенденция к универсальности науки, к единому рассмотрению любых объектов — от элементарной атомной частицы до живого мира. Реализация этой общей точки зрения кажется более близкой благодаря огромным успехам, достигнутым в последние десятилетия в понимании атомов, звезд и живых клеток.

При написании такой небольшой книги, как эта, автор вынужден делать отбор и опускать многие существенные факты. При этом отборе он руководствовался своими представлениями о существенности тех или иных областей науки; большую роль играла также ограниченность его собственных знаний. Один пробел требует специальных пояснений. Теория относительности Эйнштейна не включена в книгу и лишь бегло упоминается в ней. Конечно, автор прекрасно понимает, что теория относительности — это одно из крупнейших достижений физики и всей науки вообще. Она настолько революционизировала наши представления о Пространстве и времени, что без Эйнштейна невозможно было бы количественное, строгое рассмотрение пространства и времени. Однако идеи Эйнштейна играют решающую роль в количественной формулировке многих научных проблем, тогда как в нашей книге особое место уделено качественной картине мира в том виде, в котором ее рисует наука. Для этого теория относительности не абсолютно необходима, и поэтому мы оставили ее в стороне.

Автору помогли очень многие коллеги, читавшие ранние варианты рукописи и предложившие изменения и добавления. Особенно автор обязан своим коллегам: ученым Давиду Хаукинсу, Мервину Хайну, Филипу Моррисону, Алексу Ричу и Кириллу Смиту. Очень помогла ему книга «Физика», изданная Комитетом содействия изучению физики (D. С. Heath & Со., 1960). Особую благодарность автор приносит двум лицам, не принадлежащим к миру ученых, — Кингмэну Брюстеру и Энн Моррисон, которые сыграли роль подопытных морских свинок в ранних стадиях работы над книгой и оказывали постоянную моральную поддержку.

Особую благодарность надо принести Джону X. Дэрстону за внимательный просмотр рукописи и внесенные в нее усовершенствования и Полю Ларкину за иллюстрации, а также Бэкингемской школе, которая своим приглашением прочесть лекции вызвала к жизни эту книгу.

Женева, Швейцария

Виктор Ф. Вайскопф

1 марта 1962 г.

ГЛАВА I

НАШЕ МЕСТО В ПРОСТРАНСТВЕ

Расстояния до Луны, Солнца и планет

Как велик мир? Каковы размеры предметов в этом мире? Мы имеем непосредственное представление только о размере тех предметов, с которыми встречаемся в повседневной жизни. Наименьшая длина, которую воспринимают наши глаза, — это толщина, или диаметр, волоса, примерно равный одной десятой миллиметра[1]. Рост человека, грубо говоря, равен двум метрам, это несколько превышает десять тысяч диаметров волоса. Другие предметы вокруг нас: мебель, инструменты, автомобили, дома — имеют размеры того же порядка, как и наше тело, в противном случае было бы трудно иметь с ними дело.

Глядя в окно на ландшафт, мы видим предметы больших размеров, находящиеся на больших расстояниях, например горы и равнины. Мы можем измерить расстояния до них, считая шаги, которые нужно сделать, чтобы достичь их, иначе говоря, прямо сравнивая эти расстояния с размерами своего тела. Мы находим, что предметы, которые мы еще можем увидеть на расстоянии — горы, холмы и леса, отстоят от нас только на несколько километров, не более чем на 100 км, даже если речь идет об огромных Скалистых горах.

На этом кончается наше непосредственное восприятие расстояния. Было бы слишком трудно измерить размеры какого-либо континента, не говоря уже о размерах Земли, считая шаги. Поэтому надо применять непрямые методы, чтобы получить представление о размерах и расстояниях, превышающих, скажем, 100 км. Один из таких способов состоит в измерении расстояний с помощью скорости. Если я еду из одного пункта в другой с заданной скоростью, скажем 100 км/час, и знаю время, которое заняла поездка, то я могу получить представление о расстоянии между ними. Современные средства передвижения облегчают эту задачу. Самолету требуется около 10 мин, чтобы пролететь 100 км; расстояние от западного до восточного побережья США он покроет примерно за 500 мин. Следовательно, ширина Америки приблизительно равна 5000 км. Тому же самолету потребовалось бы примерно в 10 раз больше времени, чтобы облететь вокруг Земли; значит, ее окружность составляет около 50 000 км. На самом деле она составляет 40 000 км. Так как Земля — шар, нетрудно найти и ее диаметр, он равен 13 000 км. Это размер нашей родной планеты — Земли.

Обратимся теперь к небесным телам. Как мы можем измерить расстояния до них и их размеры? Солнце, Луна и звезды кажутся прикрепленными к какому-то своду, окружающему пространство, в котором мы живем. Когда мы смотрим на звездное небо, оно выглядит так, как если бы все небесные тела находились на одинаковом расстоянии (рис. 1).

Рис.1. Средневековая гравюра на дереве, на которой показано преобладавшее в то время представление о картине мира. Странник просовывает голову сквозь небесный свод и видит устройства, движущие звезды.

Истинное расстояние до этих тел столь велико, что его невозможно воспринять непосредственно.

Однако существуют очень простые способы измерения расстояний до ближайших небесных тел. Наиболее простой способ разработан в самые последние годы, он основан на методе радиолокации.

Луч радара направляют на объект и посылают весьма короткий сигнал. Затем ждут возвращения отраженной волны и измеряют время, протекшее от посылки сигнала до его возвращения. Если сигнал наделен на Луну, то это время составит 2,6 сек. Столько времени понадобилось сигналу радара, чтобы достичь Луны и вернуться. Волна радара имеет ту же природу, что и световая, и распространяется с той же скоростью (см. гл. III) — 300 000 км/сек. Отсюда мы заключаем, что расстояние Земля — Луна — Земля равно 2,6·300 000 км, т. е. что Луна отстоит от нас приблизительно на 400 000 км. Это — еще один пример определения расстояния по скорости.

Теперь, когда мы уже знаем расстояние до Луны, спросим, как она велика? Мы видим Луну как диск. Размеры его таковы, что понадобилось бы 360 таких дисков, чтобы выложить их рядом по большому кругу от западного горизонта через зенит к восточному. Так как нам известно расстояние до Луны, мы можем узнать и длину полуокружности, радиус которой равен расстоянию до Луны. Эта длина равна радиусу, умноженному на π, т. е. произведению π на 400 000 км. Диаметр Луны составляет 1/360 этой длины, или 3600 км. Это примерно в три раза меньше диаметра Земли, а расстояние до Луны равно приблизительно тридцати диаметрам Земли. Луна почти земной объект.

Рассмотрим теперь другие небесные объекты, прежде всего объекты, принадлежащие нашей солнечной системе, состоящей из Солнца и других планет. Люди наблюдали движение планет в течение многих столетий и интересовались, что оно означает. Коперник объяснил странные движения планет на небе тем, что Земля обращается вокруг Солнца и с нее наблюдаются планеты, которые тоже обращаются вокруг Солнца по круговым орбитам (точнее, по эллипсам, близким к кругу)[2]. Земля — одна из планет, ее орбита — третья от Солнца. Тщательные наблюдения с Земли над движением планет позволяют определить относительные размеры орбит различных планет. Например, Меркурий всегда наблюдается близко от Солнца, никогда не далее 23°; отсюда мы заключаем, что радиус орбиты Меркурия равен 0,38 радиуса земной орбиты, т. е. немногим более одной трети ее радиуса. Аналогичным способом мы находим, что радиус орбиты Венеры равен 0,7 радиуса земной орбиты, т. е. немногим более двух третей от него. Таким образом, мы можем построить картину солнечной системы, соблюдая правильные пропорции, но не зная ее истинных размеров (рис. 2).

Рис. 2. Наибольшие угловые отклонения Меркурия и Венеры относительно Солнца. Эти углы определяют отношения радиуса земной орбиты к радиусам орбит Меркурия и Венеры.

Как же нам найти размеры орбит и получить представление об истинной величине солнечной системы? Так как мы знаем расположение членов солнечной системы друг относительно друга, то надо узнать расстояние только до одного из них, чтобы узнать истинную величину всех орбит. Здесь можно снова воспользоваться радарным методом.

Хотя некоторые обещающие опыты и были уже выполнены в момент написания этой книги, еще не удалось применить радарный метод для прямого определения расстояния от Земли до Солнца. Но можно направить луч радара на одну из ближайших планет. Он был послан на Венеру, и время между испусканием и возвращением сигнала лежало где-то между 5 и 15 мин, в зависимости от того, где находились Земля и Венера на своих орбитах во время опыта. По скорости света мы заключаем, что расстояние до Венеры порядка миллионов километров. Так мы определили характерные для солнечной системы расстояния. Размер солнечной системы таков, что свет проходит от одной планеты до другой за несколько минут. После того, как определено единственное расстояние — расстояние Венера — Земля, нетрудно найти и другие расстояния в солнечной системе, так как мы знаем пропорции и относительные размеры орбит. Можно прямо найти и наиболее важное для нас расстояние, а именно расстояние Земля — Солнце. Оно оказывается равным 150 миллионам километров; свету требуется немногим более 8 мин, чтобы дойти от Солнца до нас.

Как велико Солнце? Оно кажется нам таким же, как Луна, но легко показать, что оно в 375 раз дальше. Следовательно, и диаметр Солнца должен быть в 375 раз больше лунного; умножая, получаем, что он равен 1,4 миллиона километров. Солнце более чем в 100 раз больше Земли (рис. 3).

Рис. 3. Соотношение между размерами Луны и Солнца для земного наблюдателя.

Расстояния до звезд

Итак, мы определили размеры солнечной системы, которая в большей степени, чем Земля, может считаться нашим обиталищем. Ведь Солнце, в конце концов, служит нашим источником света, тепла и энергии. Миру этой звезды мы принадлежим, и она служит частью нашей жизни. Солнечная система — это тот мир, в котором мы живем. Теперь выглянем наружу.

Все, что мы видим, — это звезды. Они называются «неподвижными звездами», так как нам кажется, что они все время остаются на месте, в отличие от планет, движение которых вокруг Солнца легко заметно. На самом же деле эти звезды представляются «неподвижными» только потому, что они находятся на слишком большом расстоянии от нас, чтобы за всю нашу жизнь нам удалось обнаружить какое-либо их перемещение. В действительности они движутся. Точные фотографии неба показывают небольшие перемещения звезд за периоды во много лет. Изучая древние манускрипты, мы можем увидеть, что несколько тысяч лет назад некоторые из созвездий выглядели совсем иначе.

На каком же расстоянии от нас находятся звезды? Предположим, что звезды, которые мы видим на небе, примерно столь же велики и ярки, как и Солнце, что в значительной степени верно. Нам они совсем не кажутся одинаково блестящими: одни светят ярко, другие — слабо. Если наше исходное предположение верно, то это можно объяснить только тем, что одни звезды ближе к нам, другие — дальше. Тогда нам легко вычислить расстояния до звезд.

Обратимся теперь к Сириусу и вспомним такой хорошо известный факт: если одно из двух одинаково ярких тел находится от нас на расстоянии в n раз большем, чем другое, то более близкое тело кажется в n2 раз ярче. Применим этот закон к Солнцу и Сириусу. Солнце кажется значительно более ярким. Сравнивая интенсивности света, мы увидим, что Солнце в (миллион)2 раз ярче Сириуса. Тогда из нашего закона следует, что Сириус находится от нас в миллион раз дальше, чем Солнце. Яркость других звезд, например семи звезд ковша Большой Медведицы, в девять раз меньше яркости Сириуса. Тогда, если справедливо наше предположение о равной абсолютной светимости, они должны находиться еще в три раза дальше. Было бы легко найти расстояния до всех звезд, а значит и размеры всей нашей видимой Вселенной, если бы все звезды имели приблизительно равную светимость.

Нельзя ли подтвердить эту гипотезу какими-либо другими наблюдениями? Да, можно. Это делают, непосредственно измеряя расстояния до некоторых звезд и сравнивая полученный результат с тем, который следует из нашей гипотезы. Если результаты, найденные обоими способами, совпадают, гипотеза верна. Простейший способ измерения расстояния до какого-либо недоступного предмета состоит в том, чтобы визировать его из двух разных точек и затем определить, как изменяется направление, в котором он виден. Отдаленное дерево будет видно слегка в ином направлении, если мы пройдем несколько шагов в направлении, перпендикулярном линии, соединяющей дерево и наблюдателя. Чем дальше дерево, тем меньше изменится направление, в котором оно видно. Из этого изменения можно вычислить расстояние до дерева[3]. Конечно, звезды так далеки, что, ведя наблюдения из разных точек земного шара, невозможно заметить ни малейшего изменения в направлении.

Но здесь можно воспользоваться тем обстоятельством, что Земля вращается вокруг Солнца и мы поэтому непрерывно меняем точку наблюдения звезды (рис. 4).

Рис. 4. Кажущееся смещение. Зимой звезда видна в направлении З, а летом — в направлении Л (а). Поэтому звезда, видимая с Земли, кажется смещенной на расстояние, равное диаметру земной орбиты (б).

Зимой мы смотрим на звезду из точки, которая на 300 миллионов километров удалена от летней точки наблюдения. Если мы перемещаемся из некоторой точки круга в противоположную, то звезды, в особенности ближайшие, будут казаться слегка смещенными. Если за полгода Земля переместилась, скажем, справа налево, то звезды должны переместиться по небесному своду слева направо. Звезда переместится то небесному своду на расстояние, равное диаметру земной орбиты (300 миллионов километров), если считать неподвижной Землю, иначе говоря, мы увидим звезду, сместившуюся на угол, под которым виден диаметр земной орбиты со звезды. Если наша предыдущая гипотеза верна, то Сириус, который в миллион раз дальше от нас, чем Солнце, должен совершать периодические смещения, не превышающие размеры гривенника, наблюдаемого с расстояния в 5 км (увеличенный в миллион раз радиус гривенника). Такое смещение действительно было найдено!

Уже 125 лет назад у астрономов были инструменты, способные измерять такие малые смещения, и выяснилось, что Сириус и другие столь же яркие звезды действительно находятся от нас на расстоянии, предсказываемом гипотезой о равенстве их истинной яркости и яркости Солнца. Если расстояние до звезды можно измерить по ее небольшому периодическому смещению, то мы убеждаемся в том, что более яркие звезды находятся ближе, а менее яркие — дальше от нас. Наше предположение оказалось в общих чертах справедливым. Большинство звезд, расстояние до которых измерено, имеют близкую истинную яркость (светимость).

Теперь мы знаем расстояния до наиболее ярких, т. е. до ближайших, звезд. Мы можем оценить протяженность пустого пространства между нашей солнечной системой и ближайшим солнцеподобным объектом — оно в миллион раз больше расстояния от Земли до Солнца, т. е. примерно равно 1014 км[4]. Свету требуется десять лет, чтобы пройти это расстояние, почему мы и измеряем подобные расстояния в световых годах: Сириус отстоит от нас на 10 световых лет. Сравним это с несколькими минутами, которые требуются свету, чтобы пройти солнечную систему, или с десятой секунды, за которую свет может обойти вокруг Земли, и мы получим представление о расстояниях до наших сестринских солнц.

Прямым методом смещений можно измерить расстояние не до многих звезд, а только до ближайших к нам, отстоящих не более чем на 50 световых лет. На этом расстоянии находится около 300 звезд. Смещение большинства других звезд слишком мало, чтобы его можно было заметить. К счастью, есть много других, менее прямых методов измерения расстояний до звезд. Здесь мы не будем входить в детали этих методов. В общем, эти измерения подтвердили нашу гипотезу: звезды мало отличаются друг от друга по своей истинной яркости; если бы они находились на одном и том же расстоянии, то выглядели бы приблизительно одинаково яркими. Из этого правила есть много исключений, но им можно пользоваться для предварительной ориентации при оценке распределения звезд в пространстве. В действительности это правило выполняется гораздо лучше при сравнении звезд одного цвета. Например, звезды, подобные Солнцу (желтовато-белого цвета)[5], никогда заметно не отличаются друг от друга: одна может быть втрое ярче или втрое слабее другой, но для наших целей это различие очень невелико. Мы не сделаем большой ошибки при оценке расстояния, предполагая светимости всех звезд равными. Мы получим правильный порядок величин для расстояний, и это все, что нужно для получения общих представлений об огромных расстояниях во Вселенной.

Распределение звезд в пространстве

Посмотрим на звездное небо, чтобы представить себе распределение звезд в пространстве. Мы увидим яркие и слабые, тусклые звезды, причем слабых оказывается гораздо больше, чем ярких. На первый взгляд кажется, что нет никакой закономерности в распределении звезд по небу. Но при более систематическом наблюдении с использованием примитивного телескопа мы заметим, что слабые звезды распределены по небу далеко не равномерно. В Млечном Пути или около него слабых звезд значительно больше, чем в отдаленных от него участках неба. Если смотреть в хороший бинокль в направлении, сильно удаленном от Млечного Пути, мы заметим несколько ярких звезд, но почти не увидим очень слабых. Фон Млечного Пути, однако, мерцает миллионами звезд.

Что это означает? Это означает, что звезды не распределены в пространстве равномерно, а сосредоточены в участке, имеющем вид плоского диска. Наша солнечная система находится где-то в этом диске. Если мы смотрим в тело диска, то видим много звезд, и особенно много таких, которые весьма удалены от нас и поэтому кажутся слабыми, но если смотреть перпендикулярно плоскости диска, то мы заметим только несколько звезд, причем (вследствие их близости) относительно ярких.

Каковы же размеры этого диска, внутри которого находятся все звезды, видимые нами на небе? Мы снова можем воспользоваться своей гипотезой и измерить яркость слабейших звезд, еще видимых при наблюдении в направлении диска (Млечного Пути) и в перпендикулярном ему направлении. Для этого нужны мощные телескопы, позволяющие различить каждую отдельную звезду в Млечном Пути. Тогда мы снова сможем применить наш простой способ определения расстояний. Приведем полученные результаты: слабейшие звезды, еще видимые в направлении плоскости Млечного Пути, в 100 раз слабее звезд, еще видимых в перпендикулярном направлении. Поэтому радиус диска должен примерно в 10 раз превышать его толщину[6]. Яркость наиболее слабых звезд в Млечном Пути приблизительно в сто миллионов раз меньше яркости Сириуса; поэтому они должны находиться в 10 000 раз дальше, чем Сириус, т. е. располагаться на расстоянии 100 000 световых лет (рис. 5).

Рис. 5. Схема Галактики, на которой показаны положение Солнца и направления лучей зрения а и б. а — звезды, видимые в телескоп, направленный внутрь Галактики; б — звезды, видимые в телескоп, направленный из Галактики наружу.

Из распределения слабых и ярких звезд по небу следует, что звезды образуют круговой диск с диаметром 105 световых лет и толщиной 104 световых лет. Солнце и Земля находятся на середине радиуса. Эта плоская «колония» звезд называется галактической системой, или нашей Галактикой. Среднее расстояние между звездами в ней — около 10 световых лет. Таково расстояние от Солнца до ближайших звезд вокруг него, и, по-видимому, таково же обычное расстояние между соседями в Галактике. Отсюда легко оценить, сколько всего звезд в Галактике. Мы получим число около 50 миллиардов.

В настоящее время мы знаем гораздо больше о строении Галактики. В нее входят не только звезды, но также газы и пыль; особенно много их в центре Галактики. Эта межзвездная материя затрудняет применение нашего простого метода измерения расстояний. Видимая через слой газа и пыли, звезда кажется слабее, и мы можем ошибочно заключить, что она дальше от нас, чем на самом деле. Но астрономы разработали много методов, позволяющих преодолеть эту трудность. Современная радиоастрономия, например, дает хороший метод определения областей, в которых находится межзвездный газ; этот газ испускает определенные радиоволны, характерные для атомов водорода — основного элемента в межзвездном газе. Таким методом, а также целым рядом других установлено, что звезды сосредоточены в больших спиральных рукавах, выходящих из центра диска и закрученных в его плоскости.

Система звезд, образующих нашу галактическую систему, — это вторая, более крупная единица космической среды, в которой мы обитаем. Сначала мы рассматривали Землю, а затем и солнечную систему как наше местообитание. Теперь мы узнали, что Солнце вместе со своими планетами — только малая часть большой системы, насчитывающей многие миллиарды звезд, — нашей Галактики. Что находится вне этой системы?

Рис. 6. Современный радиоастрономический телескоп.

Другие галактики

Посмотрим опять на звездное небо в бинокль. Мы увидим миллиарды звезд нашей Галактики. Иногда, однако, мы увидим нечто отличное от звезды — туманность, протяженное светящееся пятно. Прекрасным примером ее служит туманность в созвездии Ориона. Эта туманность, как и многие другие, оказалась облаком светящегося газа. Однако существуют и другие туманности; наиболее поразительна среди них туманность Андромеды, которая при наблюдении в малый телескоп выглядит как дискообразная светящаяся область. Рассматривая эти туманности в очень сильные телескопы, мы увидим, что на самом деле они представляют собой скопления очень слабых звезд, расположенных в виде такой же дискообразной спирали, как и наша Галактика. Это было потрясающее открытие! Наша Галактика оказалась не единственной. Существуют и другие аналогичные звездные системы. Число таких галактик очень велико. Чем мощнее телескоп, тем больше можно увидеть галактик. Они простираются глубоко во Вселенную. Насколько они удалены от нас и каково их распределение в пространстве?

Мы снова можем получить некоторое представление об интересующих нас расстояниях, исходя из кажущейся яркости объектов. Обратимся к туманности Андромеды (фото I).

Ее полная яркость примерно такая же, как у средней звезды, удаленной на 10 световых лет. Очень мощные телескопы показывают, что число всех звезд в этой галактике такого же порядка, как и в нашей, — около 50 миллиардов. Отсюда мы должны заключить, что на самом деле эта туманность в 50 миллиардов раз ярче отдельной звезды нашей Галактики. Она кажется столь же яркой; следовательно, расстояние до туманности Андромеды должно быть в √50·109 раз больше, чем до ближайших звезд, т. е. должно равняться произведению 10 световых лет на √50·109, что дает около 2 миллионов световых лет. Это число неоднократно проверялось другими, более точными методами и оказалось примерно правильным. Расстояние от нашей Галактики до соседней приблизительно в 20 раз больше диаметра Галактики. Свет, приходящий от туманности Андромеды, покинул ее тогда, когда нашу Землю населяли еще не люди, а их обезьяноподобные предки.

Тот же метод можно применить к другим видимым на небе галактикам. Сравним кажущуюся яркость какой-либо галактики с яркостью туманности Андромеды; пусть яркость первой, скажем, в x раз меньше; тогда данная галактика в √x раз дальше. Это заключение основано на гипотезе, что все галактики имеют приблизительно одинаковые размеры и истинную яркость. Многие тщательно выполненные наблюдения подтверждают эту гипотезу.

Таким путем можно получить представление о распределении по небу множества спиральных туманностей, которые мы видим в сильные телескопы. Теперь нам известно о миллионах таких туманностей. Мы нашли, что они распределены в пространстве более или менее равномерно по всем направлениям, причем среднее расстояние между соседями достигает нескольких миллионов световых лет. Расстояние между нашей Галактикой и туманностью Андромеды приблизительно равно среднему расстоянию между галактиками вообще. Чем дальше мы смотрим, тем больше галактик находим. Дойдем ли мы в своих поисках до конца?

Расширяющаяся Вселенная

На этот вопрос можно ответить утвердительно благодаря открытию очень интересного и неожиданного явления, сделанного несколько десятилетий назад. Все эти галактики движутся от нас, и, чем дальше они находятся, тем быстрее удаляются. Откуда мы это знаем?

Для этого надо лучше изучить свет, приходящий к нам от туманностей, т. е. от всех 50 миллиардов звезд, составляющих туманность. Как будет показано в гл. III, световой луч есть электромагнитная волна, и ее частота (т. е. число колебаний, совершающихся в 1 секунду) определяет цвет. Свет можно разложить в спектр, пропуская его через призму, и тогда цвета расположатся по частотам: низкие частоты с одной стороны, высокие — с другой. Изучая свет, испускаемый звездой, легко показать, что, хотя мы видим все цвета, некоторые частоты все же отсутствуют. В спектре большинства звезд отсутствуют определенные частоты.

Свет с такими частотами поглощается более холодным газом на поверхности звезд. Темные линии в спектре расположены как раз на тех местах, в которых находился бы свет соответствующей частоты, если бы. он не поглощался. Например, в большинстве звездных спектров наблюдаются две темные линии в фиолетовой части, указывающие на поглощение газообразным кальцием. Мы не удивляемся, находя те же темные линии в спектрах отдаленных галактик, так как их излучение — это сумма излучения всех входящих в них звезд. Но весьма поразительно, или сперва казалось поразительным, что те же две темные линии находятся не при ожидаемой частоте, а смещены в сторону меньших частот. В очень слабых галактиках эти линии видны в красном конце спектра, а не в фиолетовом.

Такое смещение частоты хорошо известно, и его можно прямо истолковать как следствие движения объекта относительно наблюдателя. Если источник света удаляется от наблюдателя, то частота испущенного света уменьшается, точно так же как звук автомобильного сигнала кажется ниже, когда автомобиль удаляется от нас. Наблюдаемое смещение пропорционально скорости и, следовательно, может служить для определения скорости удаляющихся объектов.

Поэтому смещение частоты света от отдаленных галактик можно истолковать как доказательство того, что они удаляются от нас. Скорость этого движения оказалась пропорциональной расстоянию до галактики. Движение ближайшей галактики, например туманности Андромеды, почти невозможно обнаружить, но галактики, отстоящие от нас примерно на 100 миллионов световых лет, удаляются со скоростью около 3000 км/сек. Численная величина этой скорости, выраженная в километрах в секунду, примерно в 30 раз больше расстояния, выраженного в миллионах световых лет. Такая связь между скоростью и расстоянием была впервые найдена американским астрономом Хабблом в 1929 г. В настоящее время наиболее сильные телескопы позволяют различать галактики, удаленные на 3 миллиарда световых лет. Они удаляются от нас со скоростью 90 000 км/сек, что составляет почти треть от скорости света.

Расширение мира галактик указывает нам предел, до которого мы можем их увидеть. Мы можем создавать все более и более мощные телескопы, пытаясь наблюдать все более удаленные галактики, но последние будут убегать от нас со скоростью, все более приближающейся к скорости света. Если объект удаляется от нас со скоростью, близкой к скорости света, его излучение будет казаться ослабленным; чем ближе его скорость к световой, тем меньше будет его яркость, тем менее заметным он станет.

Причину этого легко понять, сравнивая свет, испущенный источником, с пулями, вылетающими из ружья во всех направлениях. Очевидно, что число поражений дели окажется очень небольшим, если ружье будет удаляться от нее со скоростью, близкой к скорости пуль[7].

Поэтому если даже и существует гораздо больше галактик, удаленных на расстояние, превышающее 10 миллиардов световых лет (расстояние, на котором соотношение Хаббла дает скорость удаления, равную скорости света), даже если их и бесконечно много, нам не удастся видеть их; они удаляются от нас настолько быстро, что их свет никогда не сможет достичь нас.

Вселенная, в которой расстояния между галактиками увеличиваются, ставит перед нами интересный вопрос. Пусть имеется бесконечное число галактик, рассеянных по бесконечному пространству. Но мы можем увидеть только те из них, которые удаляются от нас со скоростью, заметно меньшей скорости света. Поэтому имеется только конечное число галактик, свет которых может достичь нас.

Хотя на самом деле Вселенная и может быть бесконечной, для нас она конечна. Мы можем изучать только ту ее часть, которая посылает достигающие нас световые сигналы.

Замечательно, что астрономические приборы, которыми мы располагаем теперь, такие, как телескоп обсерватории Маунт-Паломар (рис. 7), уже способны проникать на расстояния, для которых скорость удаления равна 1/3 скорости света.

Рис. 7. Маунт-Паломарская обсерватория.

Это ненамного меньше наибольшего расстояния, на котором мы вообще еще можем увидеть какой-либо объект. Если нам удастся проникнуть во Вселенную только втрое дальше, то мы охватим всю ее видимую часть. Мы являемся свидетелями великого события в истории человечества, сравнимого с первым кругосветным путешествием Магеллана в 1520 г. Путь Магеллана охватил всю Землю, и таким образом были установлены пределы путешествий на ней. Теперь мы можем определить пределы проникновения в мировое пространство. Мы начинаем наблюдать последние объекты, которые еще можно увидеть.