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

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.

Посмотрите сначала на штрихкодовый узор света натрия от отдалённой галактики (нижнее изображение) и сравните его со штрихкодом, произведённым светом натрия на Земле (верхнее изображение). Вы видите ту же схему полос, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Но вся картина смещена к красному концу спектра. Откуда мы знаем, что это все ещё натрий? Ответ содержится в одинаковом расстоянии между штрихами. Это могло показаться не совсем убедительным, если бы это происходило только с натрием. Но то же самое случается со всеми другими элементами. В каждом случае мы видим одну и ту же картину интервалов, присущих конкретному элементу, но смещённых по спектру к красному концу. Более того, для любой галактики, все штрихкоды сдвинуты на одинаковое расстояние вдоль спектра.

Если вы посмотрите на среднее изображение, показывающее штрихкод натрия в свете галактики, которая несколько ближе к нашей — ближе, чем очень отдалённые галактики, о которых я говорил в предыдущем разделе, но дальше, чем звезды в нашей собственной галактике Млечный путь — вы увидите промежуточное смещение. Вы увидите ту же картину интервалов (штрихкод), которая является признаком натрия, но смещённую не так далеко. Первая линия смещена по спектру далеко от темносинего, но не до зеленого: только до светло — голубого. И две линии в жёлтом (которые сочетаются, создавая жёлтый свет уличных фонарей Солсбери), обе смещены в том же самом направлении к красному концу спектра, но не до самого красного, как они смещены в свете от отдалённой галактики, а лишь немного в оранжевый.

Натрий — лишь один из примеров. Любой другой элемент демонстрирует одно и то же смещение вдоль спектра в красном направлении. Чем дальше галактика, тем больше смещение в сторону красного цвета. Оно было названо «смещением Хаббла», потому что было открыто великим американским астрономом Эдвином Хабблом, также давшим после смерти своё имя телескопу Хаббл, который, между прочим, использовался для того, чтобы сфотографировать очень удалённые галактики. Ещё оно называется «красным смещением», так как сдвиг происходит вдоль спектра в сторону его красного конца.

Вернёмся к Большому взрыву

Что означает красное смещение? К счастью, учёные хорошо в этом разобрались. Это пример того, что называется «смещением Доплера». Доплеровское смещение может произойти везде, где есть волны, а свет, как мы увидели в предыдущей главе, состоит из волн. Его часто называют «эффектом Доплера», и он более знаком нам по звуковым волнам. Когда ты стоишь у обочины глядя на с рёвом пролетающие автомашины, звук двигателя каждого автомобиля, кажется, снижает тон, когда он пролетает мимо вас. Вы знаете, что звук двигателя автомобиля в действительности остаётся тем же самым. Так, почему же кажется смещение что его тон, понижается? Ответ — доплеровское смещение, и объяснение его состоит в следующем.

Звук проходит через воздух, как волны изменяющегося давления воздуха. Когда вы слышите шум автомобильного двигателя, или скажем, трубы, потому что её звук более приятен, чем двигателя, звуковые волны проходят через воздух во всех направлениях от источника звука. Ваше ухо оказывается расположенным в одном из этих направлений, оно воспринимает изменения в давлении воздуха, производимые трубой, и ваш мозг слышит их как звук. Не подумайте, что достигают молекулы воздуха, исходящие из трубы, достигают ваше ухо. Это совсем не то: это был бы ветер, а ветры движутся только в одном направлении, тогда как звуковые волны исходят во всех направлениях, подобно волнам на поверхности водоёма, когда вы бросаете в него камушек.

Самая лёгкая для понимания разновидность волны — это так называемая Мексиканская Волна (рис. сверху), в котором люди на большом спортивном стадионе последовательно встают, а затем снова садятся, каждый делает это сразу же после человека по одну сторону от него (скажем, с левой стороны). Волна встающих, а затем садящихся, быстро движется вокруг стадиона. Никто фактически не движется с места, пока перемещается волна. Действительно, волна движется намного быстрее, чем кто‑либо смог бы бежать.

В водоёме перемещается волна изменений высоты поверхности воды. Её делает волной то, что сами молекулы воды не разбегаются от камушка. Молекулы воды лишь движутся вверх и вниз, подобно людям на стадионе. Ничто фактически не исходит от камушка. Так только кажется, поскольку расходятся высокие и низкие положения воды.

Звуковые волны несколько отличаются. В случае звука движется волна изменений давления воздуха. Молекулы воздуха немного перемещаются из стороны в сторону, по направлению от трубы или какого бы то ни было источника звука, и снова назад. Делая это, они наталкиваются на соседние молекулы воздуха и заставляют их тоже двигаться назад и вперёд. Те, в свою очередь, наталкиваются на своих соседей, и в результате волна соударений молекул — которая представляет собой волну изменения давления — расходится от трубы во всех направлениях. И именно волна движется от трубы к вашему уху, а не сами молекулы воздуха. Волна перемещается с постоянной скоростью, независимо от того, является ли источник звука трубой, голосом говорящего или автомобилем: около 1200 километров в час в воздухе (вчетверо быстрее под водой, и ещё быстрее в некоторых твёрдых телах). Если вы играете верхнюю ноту на трубе, скорость, с которой перемещаются волны, остаётся прежней, но расстояние между гребнями волны (длина волны) становится короче. Играйте нижнюю ноту, и гребни волны растянутся больше, но волна все ещё будет двигаться с той же скоростью. Таким образом, у высоких нот длина волны короче, чем у низких.

Это к вопросу о том, что представляют собой звуковые волны. Теперь по поводу допплеровского смещения. Представьте себе, что трубач, стоящий на заснеженном склоне, играет длинную, непрерывную ноту. Вы садитесь в сани и проноситесь мимо трубача (я выбрал сани вместо автомобиля, потому что они бесшумные, поэтому вы можете слышать трубу). Что вы услышите? Последовательные гребни волн покидают трубу на определённом расстоянии друг от друга, в зависимости от ноты, которую захотел сыграть трубач. Но когда вы несётесь по направлению к трубачу, ваше ухо будет получать последовательные гребни волн с большей скоростью, чем если бы вы неподвижно стояли стояли на вершине. Поэтому нота трубы будет звучать выше, чем она есть на самом деле. Затем, после того как вы пронеслись мимо трубача, в ваше ухо будут попадать последовательные гребни волн с меньшей скоростью (они будут казаться более растянутыми, потому что каждый гребень волны перемещается в том же направлении, что и ваши сани), поэтому кажущаяся высота ноты будет ниже, чем она есть на самом деле. То же самое происходит, если ваше ухо неподвижно, а источник звука движется. Говорят (я не знаю, насколько это правда, но это хорошая история), что Христиан Доплер, австрийский учёный, обнаруживший этот эффект, нанял духовой оркестр играть на открытой железнодорожной платформе, чтобы его продемонстрировать.

Мелодия, которую играл оркестр, внезапно опустилась на более низкий тон, когда поезд пропыхтел мимо поражённой публики.

Световые волны опять же отличаются — совсем не похожи на Мексиканскую волну и совсем не похожи на звуковые волны. Но они создают свой собственный вариант доплеровского эффекта. Вспомните, что красный конец спектра имеет большую длину волны, чем синий, с зелёным посередине. Предположим, все оркестранты на железнодорожной платформе Христиана Доплера одеты в жёлтую униформу. Когда поезд мчится по направлению к вам, ваши глаза получают гребни волн с более высокой скоростью, чем они получали бы, если бы поезд стоял. Поэтому есть небольшое смещение в цвете униформы по направлению к зеленой части спектра. Теперь, когда поезд прошёл мимо вас вас и мчится от вас, происходит обратное, и униформа оркестра становится чуть краснее.

Лишь одно неправильно в этом примере. Для того, чтобы вы заметили синее или красное смещение, поезда должны перемещаться со скоростью в миллионы километров в час. Поезда нигде не мчатся со скоростью, достаточной, чтобы стал заметён цветовой эффект Доплера. Но галактики мчатся. Смещение спектра к красному концу, которое вы можете ясно видеть в положениях линий штрихкода натрия на рисунке на странице 172, показывает, что очень отдалённые галактики удаляются от нас со скоростью в сотни миллионов километров в час. И чем они дальше (если измерять в «стандартных свечах», о которых я упоминал выше), тем быстрее они мчатся от нас (тем больше красное смещение).