Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
455
но 3 • 105км/с • 8 • 60 с = 1,4 • 108 км. (3 • 105 км/с - это скорость
света в пустоте). Для измерений в космосе эта единица слишком мала, и
расстояния принято измерять в световых годах - в расстояниях, которые
проходит свет в течение года. Легко найти, что 1 световому году
соответствует расстояние равное 9,5 • 1012 км.
В астрономии используется и другая единица измерения расстояний - парсек.
1 парсек = 3,3 св года.
Солнце - это одна из звезд, составляющих нашу галактику. Чтобы отличать
"нашу" галактику ото всех других, ее пишут с большой буквы: Галактика.
Галактику раньше называли "Млечным путем" (это название употребляется и
сейчас). Галактика представляет собой диск диаметром 80000 св. лет и
толщиной 6000 св. лет. В состав Галактики входят ~ 1011 звезд. Вокруг нее
расположен ореол диаметром 100000 св. лет. Солнечная система вращается
вместе с Галактикой. Галактика имеет спиральные "рукава". Солнечная
система расположена в начале одного из них на расстоянии 30000 св. лет от
центра вращения.
Вселенная содержит огромное количество галактик. Среди светящихся
объектов, которые мы наблюдаем, имеются "взрывающиеся" звезды. Каждая из
них испускает кратковременно больше света, чем целая галактика. В состав
Вселенной входит также несветящаяся материя. По оценкам в ней
сосредоточено 90% массы Вселенной. Заметную часть этой материи,
повидимому, составляют нейтрино.
В состав Вселенной входят также "черные дыры". Их массы так велики, что
они втягивают обратно все световые кванты, которые были бы испущены
объектами меньшей массы. Об их существовании мы знаем потому, что они
отклоняют "к себе" пролетающий мимо свет, испускаемый другими телами, и
поглощают свет, падающий на них.
Галактики разлетаются друг от друга с огромной скоростью, так что
плотность вещества во Вселенной уменьшается. Нередко вместо этого
говорят, что размеры Вселенной увеличиваются. Неизвестно, имеет ли смысл
это утверждение, потому что мы не знаем, конечна Вселенная или
бесконечна. Утверждение об увеличении размеров имеет смысл только в
первом случае. Однако, поскольку говорить так проще, мы тоже будем
пользоваться этим утверждением.
Экспериментальные методы. Дальнейшие рассуждения будут основаны на том,
что галактики разлетаются, и на законе Хаббла - на связи между удалением
галактик и скоростью их удаления. Этот закон был получен Хабблом в
результате сопоставления экспериментальных данных. Познакомимся с тем,
как они получаются.
Надежнее всего измеряется скорость удаления звезд (и галактик). Для ее
измерения используется доплеровское смещение спектральных
456
Глава 16
линий. Пусть светящийся объект удаляется от неподвижного наблюдателя.
Посмотрим на гребешки световых волн. Вследствие удаления каждый следующий
гребешок испускается с несколько большего расстояния. На "дорогу" ему
потребуется немного больше времени, и он запоздает относительно
предыдущего гребешка на несколько большее время, чем для наблюдателя,
движущегося вместе с источником света. Поэтому время, которое разделяет
гребешки, у неподвижного наблюдателя (у нас с вами) окажется увеличенным.
Измеренная нами длина волны тоже окажется увеличенной (это явление
названо "красным смещением"), а частота света уменьшенной. И наоборот:
наблюдатель, к которому источник света приближается, обнаружит увеличение
частоты света. Формула Доплера, описывающая изменение частоты в общем
случае имеет вид:
где со - частота, измеренная неподвижным наблюдателем, соо - частота,
испускаемая источником света, v - скорость источника света, а О - угол
между вектором скорости источника и направлением на источник. При
измерении продольных скоростей 0 = 0 при удаления от нас источника света,
и 0 = 7т при его приближении. Формула Доплера в этом случае приобретает
более простой вид:
Верхние знаки в числителе и в знаменателе соответствуют 0 = 0, а нижние
При малых скоростях смещение частоты оказывается незначительным, но
частоты спектральных линий измеряются сейчас с точностью до 8 значащих
цифр, так что положение оказывается не таким уж плохим.
Итак, скорости удаления звезд измеряются по изменению частоты линий. О
каких линиях идет речь? Спектр испускаемого звездой излучения непрерывен.
Но на пути к нам свет проходит через газовую оболочку, окружающую звезду.
Атомы газа избирательно поглощают свет разных частот, так что спектр
прорезается тонкими линиями поглощения атомов оболочки. По этим линиям
исследуется состав оболочек. В них всегда содержатся линии водорода и в
меньшем количестве - гелия. Это замечание нам потребуется в дальнейшем.
V1 - (v/c)2
СО = СО о--------------------
О = 7Г.
§ 87. Элементарные частицы и космос
457
Вернемся к измерению скорости удаления звезд. Приведем в качестве примера
смещение линий в звезде Капелла. Эти линии смещены относительно солнечных
на 10-4. Это означает, что звезда удаляется от нас со скоростью 10-4 от
скорости света, т. е. всего (!) на 30 км/с. Скорости разбегания галактик,
