Вселенная. Путешествие во времени и пространстве - Сергей Арктурович Язев

Оказалось (физики смогли построить соответствующую теорию), что температуру поверхности Солнца можно определить, зная, где находится «вершина холма» на графике (какой длине волны приходящего света соответствует максимум излучения). Простая формула позволяет рассчитать температуру: она тем больше, чем меньше длина волны максимума этой кривой на графике. Эта закономерность носит название за­кона смещения Вина (по имени открывателя — лауреата Нобелевской премии по физике, немецкого физика Вильгельма Вина (1864–1928)). Закон можно сформулировать так:

Длина волны максимума излучения

Почему закон называется законом смещения? ­Потому что максимум смещается на графике влево или вправо — в зависимости от температуры.

Представим себе, что максимум излучения звезды приходится на синие или фиолетовые лучи (длина волны равна 400 нанометрам). Это значит, что звезда очень сильно нагрета — температура ее поверхности равна 15–20 тысячам градусов!

Если максимум соответствует длине волны 500 нанометров (это зеленый цвет), температура равна примерно 6 тысячам градусов. К таким звездам, например, относится наше Солнце. В потоке света от Солнца больше всего зеленого и красного цветов, их смешение нашим глазом воспринимается как желтый. Поэтому Солнце и кажется желтоватым, хотя в потоке света от Солнца, конечно, есть и красные, и фиолетовые лучи. Нетрудно догадаться, что, согласно закону Вина, по цвету можно сразу определить температуру звезды: температура голубых звезд гораздо выше, чем у Солнца (15–20 тысяч градусов), зато температура красных звезд — меньше (3 тысячи градусов).

Самое замечательное, что расстояние до звезды не влияет на возможности определения ее температуры. Опытные астрономы могут грубо оценить температуру яркой звезды просто на глаз — исходя из ее ­цвета. Если света звезды хватает, чтобы разложить его в спектр и построить распределение энергии излучения по длинам волн, то максимум получившейся кривой на графике точно укажет на температуру этой звезды.

Теперь нужно остановиться и обсудить вопрос, который часто возникает у людей, далеких от физики. Автор хорошо себе представляет, как этот вопрос задала бы девочка, про которую рассказано в предисловии. «Вы, астрофизики, построили теорию, — говорят такие люди. — Но почему вы решили, что эта теория верна? Вы проводите какие-то непонятные измерения, потом применяете какие-то вычисления по каким-то вашим формулам и затем утверждаете, что нашли температуру далекой звезды. Но кто вам сказал, что вы нашли ее правильно? Как вы можете доказать, что ваш ответ верен?»

Дело в том, что законы природы действуют однозначно. У закона всемирного тяготения нет исключений. Рассчитывая эффекты, порождаемые им, включая траектории небесных тел, форму небесных тел (закон тяготения отвечает и за явление приливов), мы убеждаемся тысячи и миллионы раз, что все получается в полном согласии с расчетами. Спутники, космические корабли, ядра комет, астероиды движутся в полном соответствии с законом тяготения. Если мы видим, что ­закон (как нам кажется) нарушается — это значит, что воздействие каких-то тел в рамках этого же закона мы учитываем не полностью.

Так было, когда открытый Вильямом Гершелем Уран, судя по наблюдениям, двигался не совсем так, как можно было ожидать, исходя из закона тяготения. Появилась версия: закон верный, но мы не все учитываем! А что, если за Ураном вокруг Солнца движется еще одна планета, которая, в полном соответствии с законом тяготения, тоже притягивает к себе Уран и его орбита от этого «возмущается»? И тогда возникла задача: ­анализируя возмущения орбиты Урана, рассчитать, где должна находиться восьмая планета Солнечной системы. Французский астроном Урбен Леверье (1811−1877) выполнил необходимые расчеты и указал, куда надлежит навести телескоп. Немецкий астроном Иоганн Галле[20] (1812−1910) навел туда телескоп и обнаружил ранее не известную планету, названную Нептуном.

Гипотеза Урбена Леверье и выполненные им расчеты позволили открыть неизвестную планету за орбитой Урана.

Открытие Нептуна считается триумфом закона всемирного тяготения. Об этом открытии говорят, что оно было сделано «на кончике пера»: сначала координаты неизвестной планеты на небе были вычислены и записаны, а затем расчеты были подтверждены на практике наблюдениями.

Поразительно, но до сих пор появляются люди, которым почему-то не нравится закон тяготения, и они хотят предложить взамен что-то свое. Эти попытки обречены на провал: мы пользуемся законом ежесекундно, он проверен бесчисленное число раз и прекрасно действует. Нет сомнений, что теми же формулами можно будет пользоваться и через тысячу лет.

Вернемся к закону Вина. Он основан на других, также проверенных тысячи раз закономерностях, которые были использованы при его выводе. Но главное, что он проверен в экспериментах. Да, мы не можем непосредственно измерить температуру поверхности Солнца. Но мы можем сделать это во время эксперимента в лаборатории, определяя, как меняется форма графика распределения энергии излучения по длинам волн с изменением температуры источника излучения! Так вот, эксперименты в лаборатории показали: закон работает, форма кривой на графике соответствует результатам вычислений по формулам, расчеты температуры соответствуют измерениям. Это позволяет считать, что формула правильна.

Логика и математика в физике работают однозначно. Это означает, что если формулы правильны, то иначе быть не может. А формулы (как сказано выше) проверены, в том числе и в других экспериментах, и поэтому могут считаться доказанными. Кроме того, выше уже указывалось, что существуют и другие способы определять дистанционно температуру Солнца (или других звезд). Эти другие способы дают такой же результат: температура поверхности Солнца близка к 6 тысячам градусов. Результаты разных методов сходятся.

Решая школьную задачу, например, на сколько градусов нагреется вода, если поместить туда горячий кусок известного нам металла известной массы, не требуется каждый раз проверять решение задачи экспериментально. Используемые формулы столько раз проверялись на практике, что нет сомнений в их правильности. Сегодня так получается и в астрофизике. Отработанные за полтора столетия методы дают верные совпадающие результаты.

Кроме того, неправильная теория рано или поздно даст неверные предсказания, не в этом, так в другом случае. Одни и те же формулы используются в разных случаях, и если бы там была ошибка, обязательно проявился бы неверный ответ. Если же прогнозы, основанные на расчетах, всегда совпадают с теорией, — нет оснований не доверять теории.

Спектральный анализ позволяет определять не только температуру удаленных источников света. Спектры несут в себе и информацию о химическом составе источника излучения.

Сегодня мы знаем, что атомы вещества имеют свойства поглощать свет — каждый тип