Евгений Гусев - Расширяя границы Вселенной: история астрономии в задачах
Астрономия XX века
Бурное развитие астрономии в XX столетии основывалось на двух «китах» — новых крупных телескопах и чувствительных приёмниках излучения во всех диапазонах волн, а также на достижениях теоретической физики. В начале столетия датский астроном Эйнар Герц- шпрунг (1873–1967) и американский астроном Г. Н. Рассел (в некоторых книгах — Рессел; 1877–1957) установили важную закономерность: светимость большинства звёзд определяется их спектральным типом, отражающим температуру поверхности. Построенная ими диаграмма «спектр — светимость» позволила установить существование звёзд — гигантов и звёзд — карликов. Диаграмма Герцшпрунга — Рассела имеет большое космогоническое значение: положение на ней звезды в первую очередь определяется её массой и возрастом.
Теоретический подход в астрофизике позволил по данным наблюдений изучать физические условия в звёздных атмосферах и строить модели внутреннего строения звёзд (К. Шварцшильд, А. С. Эддингтон, Дж. Джинс). Вторая четверть XX столетия была отмечена решением проблемы источника энергии звёзд. Обсуждавшиеся ранее метеоритная, контракционная и аннигиляционная гипотезы, а также гипотеза радиоактивного распада были отвергнуты. Успехи ядерной физики и накопленные астрономами данные о звёздах позволили убедительно показать, что источником энергии звёзд в течение большей части их жизни служит термоядерный синтез гелия из водорода (подробнее см.: Сурдин, 1999).
XX век характеризуется рождением новой симбиотической науки — космонавтики, открывшей небывалые возможности для исследования Вселенной космическими аппаратами. Общепризнанным основателем этого направления человеческой деятельности, много сделавшим для его развития, был гениальный русский учёный К. Э. Циолковский; его научное наследие насчитывает около 600 работ. Вся вторая половина столетия прошла под знаком интенсивного развития практической космонавтики. 4 октября 1957 г. в нашей стране был запущен первый в мире искусственный спутник Земли. 12 апреля 1961 г. состоялся первый пилотируемый космический полёт Ю. А. Гагарина.
Методы космонавтики оказались чрезвычайно плодотворными для астрономических исследований. Вне земной атмосферы возможно изучение небесных тел во всех диапазонах электромагнитного излучения. Искусственные спутники и межпланетные станции подробно исследовали атмосферу и поверхность планет, что было невозможно осуществить столь детально с Земли. На Луну, Венеру и Марс опускались исследовательские лаборатории, передавшие на Землю уникальные данные. Планеты — гиганты, Меркурий, спутники планет, астероиды исследовались с пролётных траекторий автоматическими межпланетными станциями. Выдающуюся роль в этих работах сыграли отечественные учёные и инженеры. Благодаря наблюдениям с Земли и из космоса были открыты удивительные по своим физическим свойствам космические объекты: квазары, нейтронные звёзды (в том числе и особые — пульсары и магнетары), космические мазеры, реликтовое излучение, чёрные дыры, рентгеновские источники, гравитационные линзы.
XX век характеризуется появлением ещё одной новой, очень важной астрономической науки — релятивистской космологии, которая изучает нестационарную Вселенную как единое целое. Большой вклад в становление космологии внесли А. Эйнштейн (1916 г.), А. А. Фридман (работы 1922–1924 гг.), Ж. Леметр (1927 г.), Г. А. Гамов (1946 г.). Современная космология базируется на двух фундаментальных наблюдательных фактах: красном смещении линий в спектрах галактик, которое, согласно принципу Доплера — Физо, интерпретируется как всеобщее взаимное удаление галактик (Э. П. Хаббл, 1929 г.); а также на существовании фонового микроволнового излучения с Т =2,7 К, свидетельствующего о сверхплотном и горячем состоянии Вселенной в момент Большого взрыва. В начале 1980–х годов была создана инфляционная модель эволюции Вселенной (А. Гус и А. Д. Линде), согласно которой её расширение в первые 10–35 секунды шло несравненно быстрее, чем в соответствии с фридмановской моделью.
А что дальше?
Дальнейшее развитие астрономии требует немалых материальных затрат, а потому будет в значительной мере определяться тем, насколько велик интерес общества к этой сфере научных исследований. При благоприятных условиях развития перспективы астрономии выглядят захватывающими. Новые технологии позволяют создавать мощные телескопы с невиданным ранее качеством изображения. Уже действуют оптические телескопы с диаметром зеркала 8-10 метров и проектируются инструменты диаметром 25-100 метров. Недавно начали работать подземные нейтринные телескопы нового поколения; заканчивается сооружение гравитационноволновых детекторов сверхвысокой чувствительности. Планируется создание обсерватории на Луне и научных лабораторий на поверхности Марса и астероидах.
Новая мощная наблюдательная техника требуется астрономам для решения уже существующих проблем, таких как происхождение космических лучей сверхвысокой энергии и физические механизмы гамма — всплесков, для разгадки природы тёмной материи, составляющей периферию галактик: что это — коричневые карлики, чёрные дыры или ещё неоткрытые слабо взаимодействующие с электромагнитным излучением элементарные частицы большой массы? Но ясно, что работая над этими проблемами, астрономы непременно встретятся с новыми загадками космоса; это и делает научный поиск таким захватывающим.
Для учёных понять природное явление означает умение предвидеть его развитие. Основная задача космологии — понять будущее нашей расширяющейся Вселенной. Это невозможно без правильного представления о барионной материи, источниках скрытой массы и неизвестных свойствах вакуума, возможно, наиболее сильно влияющего на динамику расширения Вселенной. Успехи космологии в значительной степени зависят от прогресса в изучении элементарных частиц и от создания долгожданной единой теории физических взаимодействий. В то же время, новые открытия в астрономии, как правило, способствуют прогрессу физики, которая всё сильнее влияет на нашу жизнь. Прослеживая шаги учёных в познании Вселенной, узнавая историю астрономии, мы реконструируем важную часть истории человечества.
Условия задач
Раздел 1. Зарождение астрономии
1.1. В чём причина того, что именно астрономия является древнейшей из современных наук?
1.2. Почему происходила дифференциация астрономии?
1.3. Предположим, что наш современник решил разрушить представления древних людей о хрустальных сферах, к каждой из которых якобы прикреплена планета (модель Евдокса). Существование каких космических тел могло бы послужить главным аргументом против этой модели?
1.4. Зачем и когда были введены точки и линии небесной сферы?
1.5. Почему древние греки, ориентируясь по звёздному небу, основной осью считали восток — запад, а не север — юг, как наши современники?
1.6. Почему астрономический знак точки весеннего равноденствия совпадает со знаком созвездия Овен и обозначается символом рогов?
1.7. Почему в Древнем Риме в 60–х годах до н. э. был принят закон, запрещающий высшим должностным лицам государства в определенные периоды времени наблюдать за небесными явлениями?
1.8. Во II в. до н. э. Гиппарх создал свой знаменитый каталог, содержащий положения и звёздные величины 850 звёзд. Сравнив свои данные с наблюдениями Аристилла и Тимохариса (ок. 280 г. до н. э.), он обнаружил, что эклиптические долготы всех звёзд ежегодно увеличиваются на 36˝ (по современным данным на 50,3˝). Что за явление открыл Гиппарх?
1.9. В древнем Египте первое появление Сириуса в лучах утренней зари после периода невидимости (гелиакический восход) совпадало с поднятием вод Нила. Совпадают ли эти два явления так же хорошо и в настоящее время?
1.10. Каким образом древние египтяне, наблюдая гелиакический восход Сириуса, смогли довольно точно определить продолжительность тропического года?
1.11. В Древнем Китае обнаружили, что длина тени от гномона в полдень календарного дня зимнего солнцестояния (по древнему 365-дневному календарю) не равна длине тени, измеренной годом раньше. Через какой интервал времени длины теней от гномона совпадают? Какой вывод о продолжительности года был сделан в Древнем Китае на основании этих наблюдений?
1.12. До 1492 г. календарный год в России начинался с 1 марта, с 1492 г. по 1700 г. — с 1 сентября, а с 1700 г. — с 1 января. С какими астрономическими явлениями могут быть связаны эти даты начала года?
1.13. Какова астрономическая основа шестидесятеричной системы счисления, принятой у некоторых древних цивилизаций?
1.14. Какова астрономическая основа разделения окружности на 360°?
