На службе у войны: негласный союз астрофизики и армии - Нил Деграсс Тайсон
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Каждый химический элемент, каждая молекула – каждый атом кальция или натрия, каждая молекула метана или аммиака, неважно, в каком месте Вселенной эта частица находится, – поглощает и излучает свет одним только ей присущим образом. Каждый электрон в атоме кальция и каждая электронная связь между атомами в молекуле метана совершают точно такие же колебания и вибрации, как соответствующий электрон и электронная связь в любом другом атоме кальция или молекуле метана, и при каждом таком колебании или вибрации поглощается и излучается ровно одно и то же количество энергии. Эта энергия проявляется во Вселенной как свет с определенной длиной волны. Соедините вместе все колебания электронов в атоме или молекуле, и вы получите их электромагнитную «подпись», их собственную и уникальную разноцветную радугу. Спектроскопия и есть способ, которым астрофизики регистрируют и анализируют эту радугу.
Предыстория спектроскопии начинается с 1666 года, когда Исаак Ньютон показал, что видимый «белый» солнечный свет, если его пропустить через призму, разделяется на непрерывный спектр из семи цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового (школьники запоминают эту последовательность с помощью предложения «каждый охотник желает знать, где сидит фазан»). На протяжении пары следующих столетий исследователи на нескольких континентах шли по следам Ньютона. В 1752 году шотландец Томас Мелвилл обнаружил, что, когда он сжигал щепотку морской соли (то есть натрия) и направлял свет этого пламени через щель на призму, на выходе он получал четкую ярко-желтую линию; спустя два с половиной века натрий станет главным ингредиентом желтых уличных газовых фонарей. В 1785 году житель Пенсильвании Дэвид Ритенхауз придумал способ получать спектры без помощи призмы: экран, сделанный из натянутых волосков, плотно уложенных параллельно друг другу и образовывающих ряд щелей, тоже разлагал пучок света на составляющие его лучи с разными длинами волн. В 1802 году англичанин Уильям Хайд Волластон нашел, что спектр Солнца содержит не только семь цветов, увиденных Ньютоном, но и семь темных линий или промежутков между ними. Стало понятно, что видимый свет содержит большой объем скрытой информации. К этому добавились сделанные двумя годами раньше открытия инфракрасных и ультрафиолетовых лучей: оказалось, что и сам свет может быть скрытым от человеческого зрения.
Еще лет десять спустя Йозеф фон Фраунгофер, немецкий физик и первоклассный стекловар, посвятивший свою жизнь изготовлению объектива настолько свободного от искажений, насколько это вообще возможно, произвел прорыв в исследовании спектра Солнца. В 1814 году он решил поместить перед объективом призму и посмотреть, что получится, если пропустить солнечный свет через обе эти среды. Он увидел сотни темных спектральных линий, еще более темных, чем те, что в 1802 году наблюдал Волластон. В экспериментах с разными сортами стекла, которыми Фраунгофер занимался в течение следующих нескольких лет, эти линии в спектре всегда оставались на одних и тех же позициях. Сегодня в солнечном спектре известны десятки тысяч «фраунгоферовых линий». Они темные потому, что свет, который должен был бы заполнить спектр на этих длинах волн, поглощается более холодными, расположенными на больших высотах внешними слоями атмосферы Солнца. И наоборот, некоторые яркие линии, обнаруживаемые в спектрах раскаленных газов в лабораторных экспериментах, появляются в результате того, что на этих длинах волн происходит излучение, а не поглощение света.
Но Фраунгофер не ограничился тем, что прилежно зарисовал систему линий в солнечном спектре. Он еще заметил, что положение двух ярких желтых линий в спектре раскаленного натрия точно соответствует положению двух наиболее заметных темных линий солнечного спектра. Больше того, он обратил внимание на то, что спектр Солнца очень похож на спектры солнечного света, отраженного от планет. С другой стороны, оказалось, что не только Солнце, но и каждая яркая звезда имеет свою собственную, отличную от всех других, картину линий. Так что можно, пожалуй, сказать, что Фраунгофер сделал первый настоящий спектроскоп.
Свет всегда был предметом жарких споров и передовых исследований. На протяжении большей части XIX века его фундаментальная природа ускользала от ученых. Состоит ли он, как утверждал Ньютон, из корпускул или из волн? Распространяется ли он в заполняющей все пространство податливой невидимой среде? С какой скоростью? Связан ли он с электричеством? С магнетизмом? В середине XIX века спектроскопия еще не существовала как самостоятельная наука, но вскоре стала таковой – в основном благодаря сотрудничеству двух профессоров Гейдельбергского университета, физика Густава Кирхгофа и химика Роберта Бунзена (который, кстати, лишь усовершенствовал, но вовсе не изобрел бунзеновскую газовую горелку). В конце 1850-х они занялись
общей работой, которая не дает нам обоим покоя. <…> Найдено средство определять состав Солнца и неподвижных звезд с той же точностью, с которой мы определяем присутствие серной кислоты, хлора и т. д. с помощью наших химических методов. Этим методом состав субстанций на Солнце можно определять столь же легко, как и на Земле[234].
В 1859 году Бунзен и Кирхгоф придумали способ накладывать спектр света, испускаемого натриевой лампой, на спектр солнечного света, подтвердив при этом подозрения Фраунгофера о связи между двумя замеченными им в спектре Солнца темными линиями и двумя ярко-желтыми линиями натрия. Отныне и навсегда была установлена связь между лабораториями химиков и веществом, заполняющим самые дальние уголки Вселенной. За последовавшие несколько лет, сжигая различные вещества на бунзеновской горелке и пропуская свет этого пламени через спектроскоп собственной конструкции,
Кирхгоф и Бунзен методически регистрировали системы линий, создаваемых известными элементами, открыли несколько новых и дали возможность своим ученикам и другим исследователям открывать их еще и еще.
Когда Бунзен и Кирхгоф в 1860 году начали публиковать результаты своих трудов, незадолго перед этим скончавшийся французский философ Огюст Конт, наверно, перевернулся в гробу: в 1835 году во втором томе своего шеститомного «Курса позитивной философии» он без тени сомнения провозгласил невозможность получения какой-либо химической информации о звездах (получение физической информации он, правда, допускал, но в крайне ограниченном объеме):
Мы понимаем возможность определения их формы, расстояний до них, их размеров и движений; в то же время мы никогда при помощи какого бы то ни было метода не узнаем ни их химического состава, ни минералогической структуры, ни, тем более, природы каких-либо высокоорганизованных существ, которые, возможно, обитают на их поверхности, <…> Я настаиваю на своем мнении, что любое представление об истинной температуре на звездах будет навсегда скрыто от нас
