Первые шаги к пониманию свойств света сделал знаменитый древнегреческий математик Евклид в третьем веке до нашей эры. Он обратил внимание на нечто столь очевидное, что многим из нас и в голову не приходит над этим задуматься. Для оценки расстояния наш мозг принимает как данность следующее: чем предмет дальше, тем меньше он видится человеку. Задавшись вопросом, почему крупные предметы вдалеке не отличаются от предметов небольших, но расположенных вблизи, Евклид открыл одно из основополагающих свойства света. Чем это можно объяснить? Евклид открыл, что свет распространяется по прямой линии. С этого открытия берет начало научное понимание природы света. И осознание того, что если изменить путь, который проделывает свет, изменится и то, как мы видим окружающий мир. Но для полного осознания этого факта, потребуется еще две тысячи лет. Решающее открытие сделает один из основоположников современной науки.
Галилео Галилей, его телескоп и основы мироздания
Летом 1669 года, Галилео Галилей, отправился в Венецию – столицу венецианской республики. Галилео был известен как непревзойденный естествоиспытатель и математик, нечуждый еретических взглядов. Будучи профессором университета, Галилей, имел постоянный источник дохода, однако часто оказывался на грани нищеты. Он постоянно искал способы поправить свое финансовое положение. Венецию в то время будоражили слухи об инструменте, который делал, казалось бы невозможное. Так называемая, подзорная труба, приближала удаленные предметы. Галилей понял, что ему улыбнулась удача.
Последнее достижение научно-технического прогресса того времени – устройство подзорной трубы, хранилось в строжайшей тайне. Галилею было известно лишь то, что нужны были две линзы, особым образом, расположенные в трубке. Так что устройство собственного прибора он тоже держал от всех в тайне.
То, что стекло каким-то образом искривляет свет, было известно с момента изобретения первых очков в начале тринадцатого века. Но в отличие от очков, в подзорной трубе и телескопе, используется система линз, которая располагается в строго определенном порядке.
Собранный за несколько недель телескоп Галилея, имел восьмикратное увеличение, то есть, был гораздо мощнее, чем первые подзорные трубы. Оставалось только обратить изобретение в звонкую монету.
И вот 21 августа 1609 года, Галилей взобрался на одну из городских колоколен и продемонстрировал свое изобретение местной знати. Телескоп произвел фурор. Теперь венецианцы были в состоянии заметить приближение кораблей на два часа раньше, чем при наблюдении невооруженным глазом. Военное преимущество и экономические выгоды, которые могла дать подобная информация, были очевидны всем присутствующим. Галилей подарил свой телескоп венецианскому доджу, а взамен ему было обещано пожизненное трудоустройство и двойное жалование.
Поправив свои финансовые дела, Галилей приступил к созданию более мощного телескопа. С его помощью великий ученый вознамерился изменить представление человека о мироздании.
В 1610 году, вышла книга Галилея «Звездный вестник». В ней приводится описание его астрономических наблюдений через оптический прибор.
Издревле считалось, что Земля является центром мироздания, а все небесные тела имеют гладкую поверхность. В телескоп Галилей разглядел, что поверхность Луны не равна и шершава, что там существуют кратеры и горы, достигающие шести километров в высоту, насколько он мог судить по теням, которые они отбрасывают.
Раскрыв ошибочность прежних теорий о небесных телах, телескоп дал Галилею представление и о масштабе Вселенной. Его взору открылось гораздо больше звезд, чем было видно невооруженным глазом. В последних главах книги Галилей сообщает об открытии четырех светил, расположенных на одной оси с Юпитером. Из его рисунков видно, как ночь за ночью меняется их положение. И ввиду того, что тела оставались на одной оси, Галилей заключил, что это вероятно спутники Юпитера, то есть, — это не звезды, — это луны.
Увиденное Галилеем в телескоп, опровергло общепринятое мнение, что Земля является центром, вокруг которого, вращается вся Вселенная.
Открытие спутников Юпитера означало, что не все во Вселенной вращается вокруг Земли, и, что Земля не центр мироздания, а всего лишь одна из множества планет.
Умение искривлять световые волны открыло Галилею глаза на природу мироздания и места человека в нем.
А следующее открытие в области природы света, уводит нас далеко за пределы солнечной системы и знакомит с историей зарождения звезд.
Открытие Ньютоном спектра белого света
Исаак Ньютон – один из величайших ученых в истории человечества. Это он сформулировал закон всемирного тяготения. Не менее важными были исследования Ньютона в области исследования природы света. Мало кто знает, как зародился его интерес к оптическим явлениям. Ньютон купил на ярмарке стеклянную призму из-за ее удивительного свойства – разлагать солнечный свет. Позднее Ньютон напишет, что пытался воспроизвести феномен разложения белого света на цвета радуги. Его опыты предварили одно из фундаментальных открытий в области природы света.
Многие ученые полагали, что радужные цвета белому свету придавала сама призма. Ложность этой гипотезы Ньютон доказал путем уникального эксперимента. Он собственноручно зарисовал опыт, результаты которого называл решающими. Он установил призму так, что свет на нее падал из небольшого отверстия в плотной материи, которой были закрыты окна. Свет проходил через призму и разлагался на составные цвета на экране. Надо сказать, что эти свойства призмы в то время были уже известны, но Ньютон пошел еще дальше.
Во-первых, он поставил два листа плотной бумаги так, чтобы между ними попал только один цвет, например, оранжевый. А затем пропустил этот цвет через вторую призму. Если бы цвета придавала сама призма, то она добавила бы к этому цвету, все остальные цвета радуги, но получился все тот же оранжевый цвет. Призма ничего к нему не добавила. Из этого Ньютон заключил, что цвета изначально содержались в белом свете. И что призма, как таковая, никакие цвета не производит, а лишь разлагает, проходящий через нее белый свет, на составные части.
Цвета, составляющие белый свет, Ньютон назвал – спектром. Использование этого открытия вместе с телескопом, принесло поразительные результаты.
Спектральный анализ позволил ученым сделать еще один шаг в изучении Вселенной. Исследователи определили, что между цветами спектра имеются тонкие черные полосы. Это линии поглощения. Вскоре их существованию нашли объяснение. Дело в том, что атомы в верхних слоях атмосферы, поглощают часть световых волн, испускаемых Солнцем. Это открытие позволило ученым определить химический состав нашего светила.
Каждый элемент поглощает световые волны строго определенной длины. Это словно подсказка, – из каких химических элементов состоит небесное тело, свет которого, достиг Земли.
В Римской обсерватории спектральный анализ использовали для изучения света, достигшего Земли из глубин Вселенной.
Спектральный анализ звезд Анджело Секки
Анджело Секки, был не просто священником. Другие члены ордена Иезуитов, косились на него, как на еретика. А ведь он имел звание профессора физики и был фанатично предан астрономии.
В 1852 году, Секки возглавил ватиканскую обсерваторию. Астрономы в то время занимались тем, что составляли звездные карты и отслеживали движения светил на небосводе. Но Секки был не таков. Ему хотелось знать, что такое звезды. В обсерватории, он занялся спектральным анализом света звезд. Подсоединив к телескопу обсерватории спектроскоп, астроном-иезуит собрал спектральные характеристики более четырех тысяч звезд. Все свои наблюдения он собрал и систематизировал в книге «Звезды» в 1877 году.
Например, спектральный анализ звезды Сириус показал, что она расположена на расстоянии 8,6 световых лет от Земли и в двадцать раз ярче Солнца. В ее спектре отчетливо видна последовательность, свидетельствующая о наличии водорода. Эта звезда относительно молода. В спектре самых ярких и горячих звезд отчетливо прослеживается обилие двух самых легких элементов: водорода и гелия. По мере старения звезды остывают, а в спектре начинают проявляться наличие более тяжелых элементов.
Это открытие стало, без преувеличения, поворотной точкой в астрономии. Человек научился получать информацию о далеких звездах, изучая их свет.
Секки систематизировал данный о звездах на разных стадиях их развития и его наблюдения сделали возможным следующие. По характеру излучения звезд, человек научился определять их жизненный цикл, время из зарождения, и время гибели. Спектральный анализ раскрыл перед человеком историю жизни звезд. Вы только представьте себе! То, что начиналось, как обычный опыт в темной комнате, значительно расширило наши знания о Вселенной. Ведь рассеянный свет, достигаемый Земли через значительные расстояния, может поведать об истории мироздания.
Но этим возможности спектрального анализа не исчерпываются. Науке известно, что спектр состоит из световых волн различной длины, и, что существуют световые волны, так называемого, невидимого спектра. Спектр, от самых длинных волн, применяемых для передачи радиосообщений, до самых коротких, то есть, гамма лучей, охватывает широчайший диапазон. Широта его определяется числом, равным единице с тридцатью нулями. То есть разница между самыми длинными и короткими волнами – это все равно, что разница между массой одной единственной песчинки и массой всей воды в мировом океане. И дневной свет, то есть световые волны, доступные нашему зрению, составляют лишь малую часть этого огромного диапазона.
Исследования природы света в двадцатом веке
Исследования спектра в 20 веке еще больше приблизили человека к пониманию тайн мироздания. В инфракрасном свете видны самые холодные звезды вселенной. А радиотелескопы, работающие на самых длинных волнах, принесли весть о далеких катаклизмах. Происходит нечто невообразимое. Взрываются звезды и целые галактики. А спутники настроены на поиск коротковолнового ультрафиолета. Орбитальные обсерватории улавливают ультрафиолетовое излучение, которое не доходит до поверхности Земли. Гамма лучи обладают большой проникающей способностью. Эти исследования открывают взору человека глубинную вселенную.
Свет оказался весьма удобным инструментом для исследования и изучения Вселенной, благодаря одному из своих самых загадочных свойств. Свет ведет себя как волна. А раз это волна, то волна, в какой среде? Океанские волны перемещает сама вода. То, что мы слышим, доносят воздушные волны. В вакууме воздуха нет, значит, нет и звуков. Видим же мы все вокруг, благодаря свету Солнца, который пересек 150 миллионов километров космической пустоты. Так, что же такое свет? И как могут быть волны там, где нет ничего? Ответ на эти вопросы объяснит нам, что такое свет, и, в конечном итоге, позволит взглянуть на зарождение Вселенной.
Частью ответа на этот вопрос, стало открытие, которое перевернуло наше представление о собственном зрении. Нам кажется, что световые волны пронизывают пространство мгновенно. Но еще во второй половине семнадцатого века выяснилось, что это не так. Даже свету требуется время на перемещение в пространстве и скорость света все-таки конечна. Наука не просто определила скорость света с невероятной точностью, она зафиксировала свет в движении. Зрение человека фиксирует лишь кратчайшую вспышку света. Свет движется со скоростью 300 тысяч километров в секунду. Но знать с какой скоростью движется свет – это одно, а увидеть движение света – это совершенно другое.
Открытие скорости света имело колоссальное значение. В частности оно существенно приблизило науку к пониманию того, что такое свет.
Уравнения Джеймса Максвелла
Джеймс Максвелл был выдающимся физиком 19 века. Одним из его величайших достижений стали исследования в области электромагнитного поля. Свой первый научный труд, Максвелл представил в четырнадцать лет.
Шестидесятые годы девятнадцатого века увидели труд Максвелла, где он доказал, что электричество и магнетизм суть разные аспекты одного и того же явления. Однако его исследования привели к неожиданным результатам. Получилось так, что они раскрыли человеку истинную природу света. Если электромагнитные волны двигаются со скоростью света (исходя из четырех уравнений Максвелла), то это может означать, лишь одно – свет является одним из видов электромагнитного излучения.
Определив, наконец, природу света, наука смогла объяснить и одно из самых загадочных его свойств. Уравнения Максвелла показывают, что свет есть электромагнитные волны, путешествующие в пространстве. Это просто электрические магнитные колебания, которые подпитывают друг друга. Как известно у этих электромагнитных волн есть одно замечательное свойство. Им совершенно не нужна никакая среда. Они могут распространяться в пустоте.
Понимание того, что свет распространяется с определенной скоростью, и знание ее величины, позволили человеку заглянуть в прошлое. Смотря в зеркало с расстояния один метр, мы видим, какими мы были шесть наносекунд назад. Луну с поверхности Земли мы видим с опозданием в одну секунду, а Солнце с опозданием в восемь минут. Чем дальше мы смотрим в пространство, тем глубже мы проникаем в прошлое. Свет отраженный небесными телами в отдаленных просторах вселенной, достигает Земли через миллиарды лет. Но есть один источник, рассеянный свет которого идет к нам от самого начала времен, от момента зарождения Вселенной.
Реликтовое излучение космоса
В шестидесятых годах прошлого века учеными был пойман сигнал непонятного происхождения. В том спектральном диапазоне не должно было быть никаких сигналов из космоса. И вдруг ученые начали принимать мощные сигналы на антенну буквально отовсюду. Они были на порядок мощнее, чем шумовой фон галактики.
Вначале ученые решили, что это самые обыкновенные помехи, быть может, создаваемые самой антенной. Но потом начали искать астрономическое значение феномену. Сигнал шел не из пределов нашей галактики, и даже не из какой-то другой галактики. Казалось, что он поступает отовсюду. Его не мог излучать ни один из известных нам источников радиоволн. Ученым оставалось предположить только самое невероятное. Этот шум идет откуда-то из немыслимых глубин космоса, расположенных неизмеримо дальше, чем все известные нам источники радиосигналов.
Это были световые волны, такие древние, что со временем превратились в микроволны и охладились до нескольких градусов выше абсолютного ноля. Этот свет шел к земле практически все время существования Вселенной. Этот свет древнее любой звезды. По всей Вселенной до сих пор распространяются слабые отзвуки большого взрыва. Ученые назвали это реликтовым излучением. Оно появилось, когда возраст Вселенной составлял всего 380 тысяч лет. Оно позволяет взглянуть на мироздание в эпоху младенчества.
В раннюю эпоху своего существования, Вселенная представляла собой шар раскаленной плазмы, такой плотности, что заключенный внутри свет, не мог вырваться наружу. Затем по мере остывания плазма сжималась, и возникли первые атомы. В итоге, первый свет, тот, которому предстоит стать реликтовым излучением, вырвался на просторы космоса.
Значимость этого достижения, просто невозможно переоценить. Обитатели небольшой планеты, в системе ни чем непримечательной звезды, мы, презрели пространство и время и увидели Вселенную во всем ее величии. Так встал на место последний кусочек мозаики, составляющий актуальное представление о Мироздании. Написана последняя глава в использовании световых волн для изучения Вселенной.
Понимание природы света, позволило человеку осветить свой мир. Световые волны пронизывают как пространство, так и время. Практически все, что нам известно о вселенной, мы обязаны свойствам света.
Казалось, что дальнейшие исследования света, дадут ответы на все вопросы. Однако за последние тридцать лет, нам открылось нечто пугающее.
Большая часть Мироздания, нам просто напросто невидна. Вселенная не только бесконечна, ее скрывает вечная тьма, окутывающая ее на девяносто девять процентов.