Эволюция Вселенной и происхождение жизни - Пекка Теерикор

Звезда Этамин (γ Dra) из созвездия Дракон, лежащая между Малой Медведицей и Лирой, довольно тусклая и ничем не выделяется. Но ее положение на небе таково, что если на нее смотришь с широты Лондона, то она ежедневно проходит близ зенита. Это делает ее очень удобным объектом для наблюдений с помощью зенитного телескопа, измеряющего угол между зенитом и звездой, когда она пересекает меридиан (линию север-юг). Еще известный английский физик Роберт Гук (1635–1703) пытался определить годичный параллакс этой звезды и о результатах своей работы написал в 1674 году в брошюре «Попытка доказательства движения Земли по наблюдениям». Название книжки свидетельствует, что Гук имел в виду решающий космологический тест — доказать, что Земля действительно движется, как это представлено в модели Коперника. Он верил в это, обнаружив изменения в положениях звезды Этамин, превышающие 24", но наблюдения были немногочисленны, и точность измерительных приборов невелика.

Спустя десятилетия увлеченный любитель астрономии Самюэль Молине приступил к наблюдениям Этамина с помощью своего зенитного телескопа, который был длиннее и лучше, чем телескоп Гука. Вместе с ним за движением звезды следил и его друг, королевский астроном Джеймс Брадлей (1693–1762). К их удивлению, положение звезды хотя и менялось относительно его среднего значения, но не так, как должно быть по причине параллакса. В течение трех месяцев она переместилась от своего среднего положения на 20" к югу. Затем в течение 6 месяцев звезда от южной точки сместилась на 40" к северу, а после этого вновь двинулась к югу, и все началось сначала. Смещение на ±20" было реальным, но оно не могло быть обусловлено годичным параллаксом, так как это движение на 3 месяца отстает от того, которое должен был вызвать параллакс. Обнаруженное смещение звезды всегда происходило в направлении орбитальной скорости Земли.

После трех лет наблюдений и долгих раздумий Брадлей понял причину необычных перемещений Этамина на небе. Говорят, что эта идея пришла к нему во время путешествия на корабле по реке Темза в сентябре 1728 года. Он заметил, что, когда корабль поворачивает, флюгер на верхушке мачты тоже поворачивается. Брадлей сделал вывод, что направление флюгера показывает не истинное направление ветра, а направление относительно движущегося корабля. Это и побудило его к размышлению о том, что случится с видимым направлением света, проходящим через пространство, если смотреть на него с движущегося места наблюдения, например с Земли. Полагая скорость света конечной, он пришел к следующим заключениям:

Видимое положение источника света, наблюдаемого движущимся глазом, в общем случае отличается от того, какое видит неподвижный глаз. Неизменным оно остается только при движении вдоль луча зрения, направленного на объект (вперед или назад). Но если есть составляющая движения, перпендикулярная лучу зрения, то объект виден в ином положении, слегка сдвинутом в направлении движения.

Причину этой аберрации света можно понять в любой дождливый день. Когда вы сидите в неподвижном автомобиле, капли дождя падают вертикально. Но если автомобиль движется, капли кажутся падающими под наклоном, с направления, немного сдвинутого вперед по ходу машины. Это происходит потому, что вы и в этом случае используете автомобиль как систему отсчета, а он уже движется. Если скорость наблюдателя значительно меньше скорости света, как в случае движения Земли по орбите вокруг Солнца, очень легко понять происхождение аберрации и вывести для нее математическую формулу (рис. 8.2).

Угловое смещение изображения зависит от отношения скорости наблюдателя к скорости света (V/c). Это смещение зависит также от угла между направлением на объект (скажем, звезду) и направлением движения. Если этот угол равен нулю, то смещения вообще не будет. И оно максимально, когда движение направлено перпендикулярно относительно направления на звезду (угол = 90°). Например, орбитальная скорость Земли составляет около 30 км/с.

Ее отношение к скорости света равно 1/10 000, что соответствует примерно 20" [= 360 x 60 x 60/(2π х 10 000)]. Так что неслучайно наблюдаемое отклонение у Дракона от ее среднего положения составляет 20": Молине и Брадлей просто наблюдали аберрацию света. Слово «аберрация» происходит от латинского глагола ab erro (сдвинуться, отклониться). По-видимому, впервые его употребил для обозначения крошечного сдвига звезд Евстахий Манфреди (Eustachio Manferdi) в том же 1629 году, когда Брадлей объявил о своем открытии. Этот итальянский астроном, разумеется, не знал истинной причины сдвига.

Рис. 8.2. Простая аналогия аберрации света. Бегущий под дождем человек наклоняет зонт в направлении движения, как будто дождевые капли падают вниз под углом.

Сегодня мы знаем, что Этамин находится довольно далеко и его годичный параллакс равен примерно 0,02", что гораздо меньше 20". С помощью телескопа Молине и его метода невозможно было заметить столь малый параллактический эффект на фоне значительно более сильной аберрации.

Открытие аберрации стало значительным событием с нескольких точек зрения. Прежде всего это было очень важно для астрономов, измеряющих положения звезд и пытающихся определить расстояние до них. Но это открытие одним выстрелом убило двух зайцев. Наличие аберрации доказало, что Земля действительно движется в пространстве относительно звезд, то есть обращается вокруг Солнца. Для этой цели аберрация оказалась даже лучшим тестом, чем значительно меньший годичный параллакс. Движение Земли стало наблюдаемым фактом. Кроме того, было подтверждено, что скорость света конечна, хотя и очень велика. До открытия Брад-лея вопрос о скорости света оставался спорным, несмотря на то что в 1676 году датский астроном Оле Рёмер (1644–1710), работающий тогда в Париже, опубликовал доклад, по сути содержавший первое измерение скорости света.

Он изучал движение ближайшего спутника Юпитера — Ио, надеясь использовать его как «часы» для определения географической долготы в открытом море (этот способ предложил Галилей). Но часы оказались не такими точными, как предполагалось. Иногда они «спешили», а иногда «отставали», в зависимости от того, был ли Юпитер по одну сторону от Солнца с Землей или же Земля и Юпитер оказывались по разные стороны от Солнца. Рёмер убедился, что эти 22-минутные вариации обусловлены не ошибками в конструкции космических часов, а конечным значением скорости света. Это как раз то время, за которое свет проходит расстояние, равное диаметру земной орбиты. В его докладе не было подробных вычислений скорости. Рёмер только рассказал, как он обнаружил видимые изменения в движении Ио и что это укрепило его уверенность в том, что причиной изменений служит конечность скорости света. Если проделать вычисления с современными единицами измерения, то получим скорость около 227 000 км/с, а ее точное значение равно

с = 299 792,458 км/с.

Различие обусловлено трудностью хронометража движения Ио. В любом случае скорость света огромна по сравнению с привычными движениями на Земле. Чтобы ее измерить, было необходимо перейти в «космическую лабораторию», где даже свету требуется заметное время для преодоления больших расстояний.

Этот вывод был встречен без особого энтузиазма, поскольку бытовало мнение, что лучи света распространяются мгновенно. К примеру, Кеплер и Декарт разделяли эту точку зрения, однако Галилей предложил эмпирический способ проверки этого предположения, используя двух человек с фонарями, обладающих острым зрением и быстрыми руками. Спустя десять лет Ньютон в своей книге «Начала» сообщил, что «по измерениям астрономов» скорость света конечна. В Париже тоже было не все однозначно, так как начальник Рёмера, Джованни Кассини, ранее предлагал похожее объяснение необычного поведения Ио, но вскоре отказался от него, видимо, как от слишком спекулятивного для столь изощренного наблюдателя планет. В общем, до конца жизни Рёмера Парижская Академия наук так и не смогла решить, с какой же скоростью движется свет — конечной или бесконечной (рис. 8.3).

Рис. 8.3. Часть сообщения Парижской Академии, содержащая доклад Рёмера об открытии конечной скорости распространения света.

Открытие Брадлеем аберрации света решило этот вопрос. Исходя из скорости Земли на орбите и наблюдаемого изменения видимого положения звезды Этамин, Брадлей смог вычислить скорость света — результат почти совпал с измерениями Рёмера. Эти два совершенно разных наблюдения убедили научное сообщество в конечности скорости света. Если бы скорость света была бесконечной, аберрация была бы нулевой.

Ньютон скептически смотрел на возможность создания линзовых объективов, лишенных цветовых погрешностей. Но в XVIII веке оптики смогли их изготовить. Одним из них был Джон Доллонд из Лондона, получивший около 1757 года первый патент на изобретение ахроматического объектива. Сначала он состоял из двух линз, но позже сын Джона, Питер, сделал трехлинзовый объектив. Внешние линзы были выпуклые, из обычного стекла типа крон, а между ними была вставлена двояковогнутая линза, изготовленная из сильно преломляющего стекла типа флинт. При такой конструкции лучи света разных цветов фокусируются почти в одной точке фокальной плоскости.