Глава пятнадцатая

Где-то за радугой

Когда художники-карикатуристы рисуют биологов, химиков или инженеров, то обычно наряжают своих героев в белые лабораторные халаты, из нагрудных карманов которых торчат всевозможные ручки и карандаши. Астрофизики исписывают массу ручек и карандашей, однако лабораторных халатов мы не носим, разве что когда собираем какой-нибудь аппарат, который предстоит запустить в космос. Космос и есть наша главная лаборатория, и можно не бояться поставить пятно на рубашке или прожечь в пиджаке дыру пролившимися с неба едкими химикалиями – разве что шальной метеорит оставит подпалину.

Тут-то и таится подвох. Как, скажите на милость, изучать то, что даже одежду запачкать не может? Откуда астрофизики знают хоть что-то о Вселенной и разных космических объектах, если все, что они изучают, находится на расстоянии во много световых лет?

К счастью, свет, исходящий от звезды, говорит нам гораздо больше, чем ее яркость или положение на небосклоне. У атомов, из которых состоят светящиеся объекты, бурная, беспокойная жизнь. Их электрончики постоянно поглощают и испускают свет. А если вокруг достаточно жарко, в результате энергичных столкновений атомы лишаются некоторых или даже всех своих электронов, и они рассеивают свет во все стороны. В общем и целом атомы оставляют специфические следы на изучаемом свете, и по нему можно понять, какие химические элементы и молекулы поучаствовали в его создании.

Еще в 1666 году Исаак Ньютон пропустил белый свет сквозь призму и получил всем известный спектр из семи цветов – красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового (вы, конечно, знаете фразу, помогающую запомнить их порядок: «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан»). Кстати, именно Ньютон ввел в обращение слово «спектр».

С призмами развлекались и другие ученые. Однако следующий опыт Ньютона прецедентов не имел. Он пропустил получившийся цветовой спектр через вторую призму – и снова получил чистый белый свет, с которого и начинал, продемонстрировав тем самым поразительное свойство света, которое невозможно воспроизвести на палитре художника: если смешать на палитре краски тех же цветов, получится цвет, напоминающий болотную грязь.

Кроме того, Ньютон попробовал разложить и сами цвета, но оказалось, что они чистые. И, несмотря на семь отдельных названий, спектральные цвета плавно перетекают один в другой. Человеческий глаз не в состоянии сделать то же самое, что и призма, – так что она позволяет открыть еще одно неоткрытое окно во Вселенную.

* * *

Тщательное изучение солнечного спектра при помощи точной оптики и приемов, которые во времена Ньютона были недоступны, показывает не только цвета «каждого охотника», но и узкие сегменты в тех частях спектра, где обычных цветов нет. Эти «линии» в свете открыл в 1802 году английский химик и врач Уильям Хайд Уолластон, который по незнанию (впрочем, вполне логично) предположил, что это естественные границы между цветами. Более полно исследовал и истолковал это явление немецкий физик и оптик Йозеф Фраунгофер (1787–1826), который посвятил свою профессиональную карьеру количественному анализу спектров и разработке оптических устройств, позволяющих генерировать различные спектры. Фраунгофера часто называют отцом современной спектроскопии, а я бы пошел еще дальше и сказал, что он стал отцом астрофизики. В 1814–1817 годах он пропускал сквозь призму свет от разных видов пламени и обнаружил, что общий узор линий напоминает узор солнечного спектра, а тот, в свою очередь, похож на спектры многих звезд, в том числе и Капеллы, одной из ярчайших звезд на ночном небе.

К середине XIX века химики Густав Кирхгоф и Роберт Бунзен (прославившийся бунзеновской горелкой, которая наверняка была у вас в кабинете химии) увлеклись разложением при помощи призмы света от разных горящих веществ. Они сделали схемы узоров, получавшихся при горении известных элементов, и обнаружили много новых, в том числе рубидий и цезий. Каждый элемент оставлял в изучаемом спектре свой узор линий, свою визитную карточку. Это начинание принесло столь обильные плоды, что второй по распространенности элемент во Вселенной – гелий – был открыт в спектре Солнца еще до того, как его обнаружили на Земле. Об этом свидетельствует и само название элемента, ведь Гелиос – бог Солнца.

* * *

Точно и подробно объяснить, как именно атомы и их электроны формируют спектральные линии, удалось лишь полвека спустя, с началом эры квантовой механики, однако понятийная основа была уже заложена. Фраунгофер соотнес царство лабораторной физики с космосом – в точности как Ньютон в своих уравнениях тяготения соотнес царство лабораторной физики с Солнечной системой. Все было готово для того, чтобы впервые заявить, какие химические элементы составляют Вселенную и при каких условиях – температуре и давлении – они являют спектроскописту свои узоры.

Кабинетным философам случалось делать много громких недальновидных заявлений, однако здесь уместно вспомнить Огюста Конта (1798–1857), который в 1835 году в своем труде «Курс позитивной философии» («Cours de la Philosophie Positive») провозгласил:

Что касается звезд, все исследования, которые нельзя в конечном итоге свести к простым зрительным наблюдениям… нам, естественно, недоступны… Мы никогда не сможем никакими средствами изучить их химический состав… Я считаю, что нам никогда не будут доступны никакие достоверные сведения касательно средней температуры разнообразных звезд.

(Comte, p. 16)

Начитавшись подобных цитат, заречешься утверждать в печати что бы то ни было.

Прошло всего семь лет, и в 1842 году австрийский физик Кристиан Допплер открыл эффект, получивший его имя: длина волны, испускаемой движущимся телом, меняется. Казалось бы, все очевидно: движущееся тело должно растягивать волны позади (сокращать их частоту) и сжимать волны впереди (повышать их частоту). Чем быстрее движется предмет, тем сильнее свет сокращается перед ним и растягивается позади него. Простое соотношение между скоростью и частотой приводит к важным следствиям. Если знаешь, какую частоту испускало тело, а при этом измерения дают другую величину, то разница между ними прямо покажет, с какой скоростью тело движется на тебя или от тебя. В своей статье, опубликованной в 1842 году, Допплер делает пророческое заявление:

Почти наверняка можно утверждать, что это явление [эффект Допплера] уже в не столь отдаленном будущем станет для астрономов долгожданным средством определения движения… таких звезд, которые… до сего момента не позволяли надеяться на подобные измерения и заключения.

(Schwippell 1992, pp. 46–54)

Эта идея справедлива для звуковых волн, световых волн и вообще любых волн любого происхождения. (Вот бы Допплер удивился, если бы узнал, что когда-нибудь его открытие будет применяться в микроволновых «радарах», при помощи которых полицейские изымают деньги у людей, ведущих автомобиль со скоростью выше установленной законом!) К 1845 году Допплер уже провел эксперименты с оркестром, играющим на платформе, прицепленной к паровозу, а его помощники, обладатели абсолютного музыкального слуха, записали, как меняются ноты, когда паровоз приближается, а затем удаляется.

* * *

В конце XIX века, когда спектрографы уже широко применялись в астрономии, а к тому же появилась и новая экспериментальная наука – фотография, астрономия пережила второе рождение и превратилась в новую дисциплину – астрофизику. Один из самых авторитетных научных журналов в моей сфере деятельности – «Astrophysical Journal» – был основан в 1895 году и до 1962 года выходил с подзаголовком «Международный обзор спектроскопии и астрономической физики». Да и в наши дни практически любая статья, где рассказывается о наблюдениях над Вселенной, либо содержит собственный анализ спектра, либо нагружена спектроскопическими данными, которые получили другие ученые.

Чтобы измерить спектр объекта, требуется собрать гораздо больше света, чем для того, чтобы просто получить изображение, поэтому самые большие в мире телескопы, например десятиметровые телескопы в обсерватории им. Кека на Гавайях, предназначены в основном для того, чтобы получать спектры. Коротко говоря, если бы мы не научились анализировать спектры, то не знали бы о происходящем во Вселенной практически ничего.

Перед преподавателями астрофизики стоит педагогическая задача высшего разряда. Астрофизики-исследователи черпают, можно сказать, все свои познания из изучения спектров. Однако от анализа спектра того или иного объекта до выводов о его природе нужно пройти нескольких уровней умозаключений. Тут помогут аналогии и метафоры – они привязывают сложные и абстрактные идеи к более простым и осязаемым. Биолог описывает форму молекулы ДНК как две спирали, соединенные друг с другом перекладинами наподобие лестницы. Представить себе спираль я могу. И представить себе две спирали тоже могу. И перекладины на лестнице. В результате я могу представить себе форму молекулы ДНК. Все части описания отстоят от самой молекулы всего на один уровень умозаключений. И они прекрасно складываются в голове в осязаемый образ. Теперь уже можно говорить на любые научные темы, связанные с этой молекулой, и на простые, и на сложные.

А вот для того, чтобы объяснить, откуда мы берем скорость удаляющейся от нас звезды, требуется пять последовательных уровней абстракции.

Уровень 0. Звезда.

Уровень 1. Изображение звезды.

Уровень 2. Излучение звезды, которую мы видим на изображении.

Уровень 3. Спектр излучения звезды, которую мы видим на изображении.

Уровень 4. Сдвиги линий, вплетенных в спектр света от изображения звезды.

Переход от уровня 0 к уровню 1 – тривиальный ход, который мы проделываем всякий раз, когда делаем фотоснимок. Однако к тому времени, когда объяснение дойдет до уровня 4, слушатели либо одуреют, либо уснут. Вот почему широкая публика почти ничего не знает о роли спектров в изучении космоса: эти данные оказываются далеки от самих объектов, поэтому очень трудно объяснить происходящее доходчиво и простыми словами.

Когда ходишь на выставки в естественнонаучные музеи и вообще в любые музеи, где ценятся реальные предметы, обычно ожидаешь увидеть экспонаты, которые можно выставить в витрине – камни, кости, орудия труда, окаменелости, реликвии и так далее. Все это – образчики «уровня 0», они почти не требуют когнитивных затрат, чтобы объяснить, что, собственно, такое перед вами. Если же выставка посвящена астрофизике, не стоит и пытаться выставить в витрине звезды или квазары: от этого весь музей испарится. Поэтому обычно подобные выставки делаются на уровне 1 – там представлены исключительно изображения, впрочем, очень красивые и интересные. Самый знаменитый телескоп современности – космический телескоп им. Хаббла – известен широкой публике в основном благодаря прекрасным, высококачественным, полноцветным изображениям разных объектов во Вселенной. Беда в том, что после таких выставок преисполняешься телячьим восторгом перед поэзией Вселенной – однако ни на шаг не приближаешься к подлинному пониманию ее устройства. Чтобы разобраться в нем, нужно выйти на уровни 3 и 4. И хотя телескоп им. Хаббла дает много надежных научных данных, СМИ никогда не расскажут вам, что основа наших познаний о космосе – это по-прежнему анализ спектров, а не разглядывание красивых картинок. А лично мне хочется потрясти читателей не только уровнями 0 и 1, но и уровнем 4, для чего, приходится признать, нужно куда больше умственных усилий как со стороны ученика, так и со стороны учителя (а может быть, со стороны учителя даже больше).

* * *

Одно дело – увидеть красивую цветную фотографию туманности в нашей галактике Млечный Путь, снятую в видимом свете. И совсем другое – по ее радиоволновому спектру понять, что под наслоениями облаков таятся еще и недавно сформировавшиеся звезды очень большой массы. Это газовое облако – звездный питомник, где выращиваются будущие источники света для Вселенной.

Одно дело знать, что звезды большой массы то и дело взрываются. Это, в принципе, и на фотографиях видно. Однако рентгеновские и оптические спектры этих умирающих звезд показывают, что в них содержатся целые арсеналы тяжелых элементов, которые после взрыва обогащают галактику и прослеживаются во всей живой природе на Земле. Так что не только мы живем среди звезд, но и звезды живут внутри нас.

Одно дело смотреть на плакат с красивой спиральной галактикой. И совсем другое – по допплеровским сдвигам в ее спектре понимать, что эта галактика вращается со скоростью 200 километров в секунду, из чего мы делаем вывод о присутствии в ней 100 миллиардов звезд, которые подчиняются ньютоновым законам гравитации. Кстати, из-за расширения Вселенной эта галактика удаляется от нас со скоростью, равной одной десятой скорости света.

Одно дело смотреть на ближайшие звезды, напоминающие Солнце яркостью и температурой. И совсем другое – сверхчувствительными приборами измерять эффект Допплера при движении звезды и делать выводы о существовании планет на орбите вокруг них. Сейчас, когда эта книга готовится к печати, наш каталог планет уже перевалил за отметку в 200, не считая наших соседей по Солнечной системе.

Одно дело наблюдать свет от квазара, расположенного на краю видимой Вселенной. И совсем, совсем другое – анализировать спектр квазара и определять по нему структуру невидимой части Вселенной, где газовые облака и прочие препятствия, лежащие на пути квазарного света к Земле, так и норовят поглотить кусок этого спектра.

К счастью для тех из нас, кто интересуется магнитогидродинамикой космических объектов, структура атомов под влиянием магнитного поля немного меняется. Излучение атомов, подвергшихся воздействию магнитного поля, меняет свой спектральный узор, и эти изменения мы можем увидеть.

Вооружившись эйнштейновской релятивистской версией уравнения Допплера, из спектров бесчисленных галактик, ближних и дальних, мы выводим темп расширения Вселенной в целом – а значит, можем сделать выводы и о ее нынешнем возрасте, и о ее будущей участи.

Вполне можно сказать, что о Вселенной мы знаем больше, чем гидробиолог об океанском дне или геолог о центре Земли. Современные астрофизики перестали быть беспомощными зеваками, которые только и могут, что глазеть на звезды; они до зубов вооружены инструментами и приемами спектроскопии, которые позволяют крепко стоять обеими ногами на Земле и при этом, не обжигая пальцев, прикасаться к звездам и утверждать, что мы знаем о них столько, сколько не знал никто и никогда.