Как тайны света привели человечество к открытию темной материи
Космос, как это показала нам наука, намного загадочнее, чем мы могли себе представить. Даже звезды, которые мы видим каждую ночь совершенно не то, чем кажутся. Свет, время, пространство и гравитация создают реальность за гранью нашего понимания. И все же сегодня человеческая цивилизация достигла небывалых высот. Нам удалось пройти путь от древних племен охотников-собирателей до первых людей, вышедших в открытый космос. Это стало возможным благодаря большому количеству факторов и людям, которые жили в разные эпохи, но без которых вы вряд ли сейчас читали бы эту статью. Становление современного мира стало возможным благодаря разгаданным тайнам света, так как возраст и размер космоса запечатлены в нем. Все, что мы видим сегодня и все, что знаем о Вселенной стало возможным благодаря свету, который скрывает в себе намного больше тайн, чем кажется на первый взгляд.
В 1802 году английский астроном Уильям Гершель пришел к выводу, что звезды — это такие же “солнца”, но расположены они очень и очень далеко от Земли, а потому кажутся нам крохотными. Свет этих звезд движется очень быстро, но ему все же требуется время чтобы добраться до нас. Чтобы достичь Земли свету ближайших звезд потребуются годы, а свету более далеких звезд — целые столетия. Некоторые небесные светилы расположены настолько далеко, что к тому моменту, как их свет дойдет до нас, они уже погибнут. Выходит, небо которое мы видим, полно “призраков”, а телескоп — самая настоящая машина времени. Но что мы знаем о свете?
Свет движется со скоростью 300 тысяч километров в секунду. Примерно на таком расстоянии от Земли (на расстоянии одной световой секунды) находится Луна. Каждый раз когда мы смотрим на Луну, мы заглядываем на одну секунду в прошлое. Но как насчет Солнца? Чтобы добраться до нас, солнечному свету требуется около 8 минут. Это значит, что если наша родная звезда внезапно погаснет, мы узнаем об этом лишь восемь минут спустя. А вот расстояние от Земли до Нептуна меняется в зависимости от их взаимного расположения на орбитах. В среднем свет преодолевает его за четыре часа. Выходит, с Земли мы видим Нептун таким, каким он был четыре часа назад. Стоит ли говорить, как далеко в прошлое могут заглянуть современные телескопы.
Если постепенно удаляться от Солнечной системы, световые часы превращаются в недели, месяцы и годы. Расстояние в космосе ученые измеряют в световых годах. За один световой год свет проходит примерно 10 триллионов километров. Так, Проксима Центавра — ближайшая к нам звезда — расположена в четырех световых годах от Земли, а скопление Плеяд в 400 световых годах. В 1609 году Галилео Галилей впервые посмотрел в телескоп. Именно тогда свет Плеяд достиг нашей планеты.
Когда мы смотрим с Земли на крабовидную туманность, которая находится в созвездии Тельца, мы заглядываем в более далекое прошлое. Когда-то давно крабовидная туманность была гигантской звездой, в 10 раз массивнее нашего Солнца, а затем превратилась в сверхновую, известную под названием SN 1054. В центре туманности находится пульсар — сколапсировавшая звезда размером с город, которая совершает 30 оборотов в секунду. Вихри оборотов пульсара разгоняют близлежащие электроны почти до скорости света. В результате они начинают светиться голубым светом, подсвечивая потоки газа, все еще исходящие из сверхновой.
Таким образом, чем больше небесных объектов видят наши телескопы, тем дальше в прошлое мы можем отправиться. Самому древнему свету, который удалось запечатлеть космическому телескопу Hubble, 13,4 миллиарда лет. Это свет от самой ранней галактики, которой нам когда-либо приходилось видеть, а звезды в ней появились во времена, когда ни Солнца, ни нашей планеты еще не существовало. Всматриваясь еще дальше в космические глубины, нам может показаться, что мы увидим конец Вселенной. Но на самом деле мы видим ее начало — Большой взрыв, который произошел 13,8 миллиардов лет назад и положил начало всему живому. А вот что было до Большого взрыва не знает никто.
Древние китайцы и греки видели, какие причудливые вещи может вытворять свет. Подтверждением этому служат камеры-обскура — простейший вид устройства, позволяющего получать оптическое изображение объектов. Первая камеры-обскура представляла собой светонепроницаемый ящик с маленьким отверстием в одной из стенок и экраном — листом белой бумаги или матовым стеклом — на противоположной стороне. Когда лучи света проходили через малое отверстие, они создавали перевернутое изображение на экране. Первые упоминания камеры-обскура восходят к V веку и китайскому философу Мао-цзы. Однако ответа на вопрос о том почему так происходит человечеству пришлось ждать еще долго.
Тысячу лет назад в городе Басра (современный Ирак) жил ученый-универсал Ибн аль-Хайсам. Физик, математик, механик и астроном интересовался вещами, которые другие люди воспринимали как должное. Аль-Хайсам хотел понять как мы видим и разгадать тайны света. Именно он обнаружил, что свет движется прямолинейно и вскоре создал собственную камеру-обскура. Но камера-обскура хорошо работает только при солнечном свете, а света Луны и звезд не достаточно. Для того, чтобы рассмотреть далекие небесные объекты требовалось что-то другое. Этим чем-то оказались оптические линзы. Однако прежде чем Галилео Галилей впервые посмотрел в телескоп прошло 600 лет.
Линзы позволили телескопам получить как можно большую площадь для сбора света, чем у наших глаз. Чем больше линзы, тем больше света они могут собрать. Современные телескопы имеют огромную светосилу и высокочувствительные детекторы. Они часами следят за одним и тем же космическим объектом, собирая максимальный объем его света. Свет обладает невероятными свойствами, которые не похожи на на что другое, знакомое человеку. Элементарная частица света — фотон, излучаемая атомом или молекулой, “рождается” — если это слово уместно употребить — со скоростью света. Никакая другая частица не способна в одно мгновение разогнаться до скорости света. Реальность такова, что ничто не может двигаться быстрее. Но что такое свет?
Как и Ибн аль-Хайсам, Исаак Ньютон хотел знать ответ на этот вопрос с самого детства. К 20 годам он стал первым человеком, который разгадал тайну радуги: Ньютон увидел, что солнечный белый свет — ни что иное как смесь всех цветов радуги. Разложенное изображение света по всем цветам Ньютон назвал спектром. Это поразительное открытие молодого ученого, однако, было неполным, ведь свет, как мы знаем сегодня, является ключом к тайнам космоса и далеких миров. В следующий раз о самых необычных свойствах света мир узнает лишь спустя 150 лет. Это выпадет на долю другого ученого, который совершит свое открытие, как это часто бывает, совершенно случайно. Такова история науки — множество героев раскрывают тайны нашего существования столетие за столетием.
В 1800 году английский астроном Уильям Гершел, который первым понял что ночное небо полно “призраков”, изучал небо с помощью самых современных телескопов своего времени. Учитывая тайну радуги, которую разгадал Исаак Ньютон, Гершель задумался — могут ли какие-то цвета быть теплее или холоднее других? Чтобы проверить эту гипотезу, Гершель установил три термометра на белом листе бумаги. Контрольный термометр находился вне спектра — то есть не освещался солнечными лучами. Результаты эксперимента показали — красный цвет действительно теплее синего. Однако показатели контрольного термометра долго не давали ученому покоя: дело в том, что он обнаружил невидимое присутствие, которое сокрыто ниже красной части спектра. Впоследствии его стали называть инфракрасным, так как infra на латыни означает “ниже”. Человеческий глаз, в отличие от кожи, не способен уловить инфракрасное излучение. Но мы чувствуем его тепло.
Примерно в то самое время, как Уильем Гершель обнаружил инфракрасное излучение, Йозеф Фраунгофер, сын бедного стекольщика, работал в мастерской отца. После его смерти юный Фраунгофер в возрасте 12 лет поступил обучаться, а затем работать в стекольную мастерскую в Мюнхене. Благодаря череде случайных событий, будущий физик в 1806 году получил математическое образование и стал ассистентом математического и оптического института в Мюнхене. Именно там изготавливались линзы и оптические приборы. К 27 годам, Йозеф Фраунгофер стал ведущим создателем высококачественных линз для телескопов и оптического оборудования.
В поисках наилучшего стекла для линз Фраунгофер экспериментировал с призмами. Так как свет — это одновременно частица и волна, также как длина волны звука определяет высоту тона, который мы слышим, длина световой волны определяет цвет, который мы видим. Но как призма разделяет цвета, скрытые в луче солнечного света? Когда свет движется сквозь воздух или космос, все его цвета движутся с одной скоростью. Но столкнувшись со стеклом под углом, свет замедляется и меняет свое направление. Получается, что внутри призмы каждый цвет движется с разной скоростью.
В стекле фиолетовый цвет — его световые волны одни из самых коротких — замедляется больше красного, у которого волны длиннее всего. Эти изменения в скорости разделяют цвета так, что они движутся в немного разных направлениях. Именно это открытие мог совершить Исаак Ньютон, но звезды распорядились иначе. Открытие Фраунгофера положило начало астрофизике — разделу астрономии, который изучает физические процессы в астрономических объектах, используя принципы физики и химии. Но как? Фраунгофер увидел, что в свете запечатлены вертикальные черные линии — самый настоящий секретный код. Как рассказывает астрофизик и популяризатор науки Нил Деграсс Тайсон в сериале “Космос: пространство и время”, этот шифр пришел к нам из “другой вселенной”. На расшифровку послания, заключенного в эти загадочные черные линии ушло без малого 100 лет.
Задумывались ли вы когда-нибудь о том, откуда взялась вся эта поразительная палитра природных цветов? Секрет заключается в том, что световые волны разной длины падают на Землю. Лепестки каждого конкретного цветка, например люпина, поглощают все низкоэнергетические красные световые волны, но отражают более короткие и энергичные синие. Взаимодействие между лепестком и звездным светом — вот что делает цветок синим. Этот же принцип касается всего остального на Земле. Выходит, цвет — это то, как человеческий глаз видит энергию световых волн. Не более чем искусная иллюзия, не так ли? Но вернемся к спектру Фраунгофера. Что создает эти загадочные линии? Оказалось, они возникают, когда световые волны определенных цветов поглощаются. Вот только происходит это на совершенно ином уровне реальности — в квантовом мире.
Чтобы не запутаться, давайте вспомним что из себя представляют атомы. Итак, частица вещества микроскопических размеров и массы — наименьшая часть химического элемента и носитель его свойств — называется атомом. Атомы состоят из ядра и электронов, а само ядро атома состоит из протонов и нейтронов. При этом количество нейтронов в ядре может варьироваться от нуля до нескольких десятков. Чем меньше электронов, тем проще атом. Таким, к слову, является атом водорода. В космосе он встречается чаще других и состоит из одного электрона и одного протона. Но в квантовом мире все совсем не так, как в нашем. Так, каждый электрон вращается вокруг ядра, но его орбитали и размер строго ограничены для каждого из химических элементов. Именно по этой причине вещества так сильно отличаются друг от друга — энергетические свойства вещества определяются орбиталями его электронов. Чем орбиталь больше, тем больше энергия электрона.
Когда Фраунгофер рассматривал солнечный свет через призму, он увеличил его спектр с помощью телескопа. Так ученый разгадал секретный шифр света — черные линии оказались ничем иным, как танцем электронов в атоме. Когда энергия электрона падает и он перескакивает на орбиталь ниже, свет, который он излучает, пропадает. Черные вертикальные линии появляются в спектре потому, что большая часть света попросту не доходит до нас. Некоторые из этих темных линий — тени, оставленные атомами водорода в атмосфере Солнца. Другие оставлены атомами натрия, железа и.т.д. Атомы разных химических элементов отбрасывают разные тени и происходит это из-за количества электронов и их орбиталей.
Получается, если взглянуть на звезду через спектрометр, можно увидеть темные линии от элементов, которые содержатся в ее атмосфере. Но с помощью спектрометра можно смотреть не только на звезды и далекие галактики. Методы спектроскопии сегодня позволяют определить состав чего угодно. Благодаря спектральным линиям Фраунгофера мы узнали, что все галактики, звезды и все живые существа на нашей планете состоят из одних и тех же элементов. Каждый элемент, где бы он ни находился, обладает своей уникальной подписью. Однако наиболее удивительным открытием из спектроскопии оказалось то, что она не способна увидеть. Речь идет о темной материи. Считается, что самая таинственная форма материи во Вселенной никак не с электромагнитным излучением. При этом она составляет 85% всей материи. Сегодня ученые полагают, что темная материя состоит из частиц, которые пока что не обнаружены. И несмотря на то, что сегодня у нас больше вопросов, чем ответов, история науки показывает, что мы на правильном пути.
