Магия реальности. Откуда мы знаем что является правдой - Ричард Докинз

Радуги и красное смещение

Хорошо. Итак, теперь мы знаем, что такое галактика и как узнать расстояние от неё до нас. Для следующего шага в наших рассуждениях мы должны воспользоваться световым спектром, который мы встретили в главе 7 о радуге. Однажды меня попросили поучаствовать в работе над главой книги, в которой учёным было предложено выделить наиболее важные изобретения человечества. Это было забавно, но я присоединился к авторам довольно поздно, и все очевидные изобретения были уже разобраны: колесо, печатный станок, телефон, компьютер и так далее. Поэтому я выбрал инструмент, который, я был уверен, никто другой не мог выбрать, и, конечно, очень важный, хотя не многие люди когда‑либо использовали его (и я должен признаться, что я никогда не пользовался им). Я выбрал спектроскоп.

Это машина радуги. Если он соединён с телескопом, то он принимает свет от какой‑либо звезды или галактики и развёртывает его в виде спектра, точно так же как Ньютон своей призмой. Но он более совершенен, чем призма Ньютона, так как позволяет производить точные измерения вдоль всего развёрнутого спектра звёздного света. Измерения чего? Что мы будем измерять в радуге? Что ж, это именно то, что начинает становиться действительно интересным. Свет от различных звёзд создаёт «радуги», несхожие в различных очень особых отношениях, и они многое могут рассказать нам о звёздах.

Означает ли это, что звёздный свет обладает полным разнообразием незнакомых новых цветов, цветов, которые мы никогда не видели на Земле? Наверняка нет. Вы уже видели на Земле все цвета, которые ваши глаза способны увидеть. Вас это разочаровывает? Меня разочаровало, когда я впервые это понял. Когда я был ребёнком, я любил книги Хью Лофтинга о Докторе Дулиттле. В одной из книг доктор летит на Луну и зачарованно наблюдает абсолютно новый диапазон цветов, никогда прежде невиданных человеческими глазами. Мне понравилась эта мысль. Для меня это обозначало захватывающую идею, что наша собственная знакомая Земля может не быть типичной для вселенной. К сожалению, хотя идея имеет смысл, история была неправдой, и не могла быть правдой. Это следует из открытия Ньютона, что все цвета, которые мы видим, содержатся в белом свете, и все они обнаружились, когда белый свет был разложен призмой. Нет никаких цветов вне диапазона, к которому мы привыкли. Художники могут встретиться с любым количеством различных красок и оттенков, но все они являются сочетаниями тех основных составляющих составляющих цветов белого света. Цвета, которые мы видим в наших головах — в действительности лишь ярлыки, созданные мозгом для идентификации света различных длин волн. Мы уже столкнулись с полным спектром длин волны здесь на Земле. Ни Луна, ни звезды не имеют каких‑либо сюрпризов в области цветов. Увы.

Итак, что я имел в виду, когда говорил о том, что разные звёзды создают различные радуги с различиями, которые мы можем измерять, используя спектроскоп? Что ж, оказывается, что когда звёздный свет разлагается спектроскопом, странные узоры тонких чёрных линий появляются в весьма определённых местах вдоль спектра. Или иногда линии не чёрные, а цветные, а фон чёрный — различие, которое я объясню чуть позже. Узор линий выглядит как штрихкод, подобно штрихкоду, который вы видите на вещах, покупаемых в магазине, чтобы идентифицировать их кассовым аппаратом. Различные звезды имеют одинаковую радугу, но разные узоры линий вдоль неё — и эти узоры действительно являются своего рода штрихкодом, потому что они рассказывают нам о звезде и из чего она сделана.

Не только свет звёзд демонстрирует линии штрихкода. Их также демонстрируют огни на Земле, поэтому мы можем исследовать в лаборатории, что их вызывает. И оказывается, что эти штрихкоды создаются различными элементами. Натрий, к примеру, имеет характерные линии в жёлтой части спектра. Свет натрия (произведённый электрической дугой в парах натрия) светится жёлтым цветом. Причина этого этого очевидна учёным — физикам, но не мне, потому что я учёный — биолог, который не понимает квантовой теории.

Когда я ходил в школу в городе Солсбери в Южной Англии, я помню, как был совершенно очарован странным видом своей ярко красной школьной шапочки в жёлтом свете уличных фонарей. Она теперь выглядела не красной, а желтовато — коричневой. Как и ярко — красные двухэтажные автобусы. И вот по какой причине. Подобно многим другим английским городам в те дни, Солсбери использовал для своего уличного освещения лампы на парах натрия. Они испускают свет только в узких областях спектра, покрываемых характерными линиями натрия, и наиболее яркие линии натрия находятся в жёлтом цвете. Как бы то ни было, натриевые огни светятся чистым жёлтым светом, очень отличающимся от белого солнечного света или неопределённо желтоватого света обычной электрической лампочки. Поскольку красного света практически нет вообще в свете, обеспечиваемом натриевыми лампами, никакой красный свет не мог отражаться от моей кепки. Если вам интересно, что делает кепку или автобус красным вообще, ответ заключается в том, что молекулы красителя или краски поглощают большую часть света всех цветов, кроме красного. Поэтому в белом свете, который содержит все длины волн, отражается главным образом красный свет. Под уличными фонарями, использующими пары натрия, нет никакого красного света, чтобы отражаться — отсюда желтовато — коричневый цвет.

Натрий — лишь один из примеров. Вы помните из главы 4, что каждый элемент имеет своё собственное уникальное «атомное число», представляющее собой число протонов в ядре (а также число электронов, вращающихся вокруг него). Что ж, по причинам, связанным с орбитами его электронов, каждый элемент также имеет свой собственный уникальный световой эффект. Уникальный, как штрихкод… фактически, штрихкод представляет собой то, чем в значительной степени является картина линий в спектре звёзд. Вы можете сказать, какие из 92 природных элементов присутствуют в звезде, разлагая свет звезды в спектроскопе и глядя на линии штрихкода в спектре.

Существует вебсайт, где вы можете выбрать любой элемент, какой захотите, и посмотреть на спектральный штрихкод: http://bit.ly/MagicofReality2. Просто перемещайте ползунок, пока не остановитесь на элементе, который вам нужен. Они расположены в порядке атомных номеров, от водорода по возрастанию.

Например, выше показан рисунок для водорода, первого элемента (так как он, как вы помните, имеет только один протон). Вы видите, что излучение водорода состоит из четырёх спектральных линий: в фиолетовой, тёмносиней, голубой и красной частях спектра (длины волн различных цветов приведены сверху).

Для того чтобы понимать картинки на этом сайте, нам нужно понять пару в остальном сбивающих с толку деталей. Прежде всего, обратите внимание на два способа, с помощью которых появляются полосы: как цветные линии на на чёрном фоне (в верхней части картинки) и как чёрные линии на цветном фоне (в нижней части картинки). Они названы спектром излучения (цветные на чёрном фоне) и спектром поглощения(чёрные на цветном фоне). Что получаете вы — зависит от того, излучает ли элемент свет (как элемент натрий, когда светится в натриевом фонаре) или становится на пути света (как это часто происходит, когда элемент присутствует в звезде). Я не буду обременять вас этим различием. Важным моментом является то, что в обоих случаях появляются полосы в одних и тех же местах спектра. Узор штрихкода один и тот же для любого конкретного элемента, будь то линии чёрные или цветные.

Другая усложняющая деталь — то, что некоторые полосы намного ярче, чем другие. Глядя на свет от звезды с помощью спектроскопа, мы обычно видим только очень яркие полосы. Но этот вебсайт даёт все линии, включая слабые, которые могут быть видны в лаборатории, но обычно не обнаруживаются в звёздном свете. Натрий является хорошим примером. Практически, свет натрия жёлтый, и его заметные полосы появляются в жёлтой части спектра: вы можете забыть о других полосах, хотя и интересно, что они там есть, поскольку они заставляют узоры выглядеть ещё более похожими на штрихкоды.

Вот спектр излучения натрия, на котором показаны только три наиболее сильные линии штрихкода. Вы можете видеть, как преобладает жёлтый.

Итак, поскольку каждый элемент имеет свой штрихкодовый рисунок, мы можем посмотреть на свет от любой звезды и увидеть, какие элементы присутствуют в этой звезде. Правда, это довольно сложно, потому что штрихкоды нескольких различных элементов, вероятно, будут путаться. Но есть способы их сортировки. Каким замечательным инструментом является спектроскоп!

Он становится ещё лучше. Спектр натрия в нижней части противоположной страницы — то, что вы увидите, если посмотрите на свет от ламп улиц Солсбери, или от звезды, находящейся не очень далеко. Большинство звёзд, которые мы видим — к примеру, звёзд из всем известных созвездий зодиака — находятся в нашей галактике. И показанная здесь картина спектра натрия — то, что вы увидите, глядя на любую из них. Но если вы посмотрите на спектр натрия от звезды из другой галактики, вы получите очаровательно несхожую картину. В верхней части этой страницы — штрихкодовые узоры свечения натрия из трёх различных мест: на Земле (или от соседней звезды), от отдалённой звезды в соседней галактике, и от очень отдалённой галактики.