Розплітаючи веселку — як таємниці світу привели людство до відкриття темної матерії?

Космос, як це показала нам наука, набагато загадковіше, ніж ми могли собі уявити. Навіть , які ми бачимо кожну ніч зовсім не те, чим здаються. Світ, час, простір і гравітація створюють реальність за гранню нашого розуміння. І все ж сьогодні людська цивілізація досягла небувалих висот. Нам вдалося пройти шлях від стародавніх племен мисливців-збирачів до перших людей, які вийшли у відкритий космос. Це стало можливим завдяки великій кількості факторів і людям, які жили в різні епохи, але без яких ви навряд чи зараз читали цю статтю. Становлення сучасного світу стало можливим завдяки разгаданным , так як вік і розмір космосу відображені в ньому. Все, що ми бачимо сьогодні і все, що знаємо про Всесвіт стало можливим завдяки світлу, що приховує в собі набагато більше таємниць, ніж здається на перший погляд.

Звідки в небі "примари"?

У 1802 році англійський астроном Вільям Гершель прийшов до висновку, що зірки — це такі ж "сонця", але розташовані вони дуже і дуже далеко від Землі, а тому здаються нам крихітними. Світло цих зірок рухається дуже швидко, але йому все ж потрібен час, щоб дістатися до нас. Щоб досягти Землі світла найближчих зірок потрібні роки, а світлі далеких зірок — цілі століття. Деякі всесвітньо відомого світила небесні розташовані настільки далеко, що до того моменту, як їх світ дійде до нас, вони вже загинуть. Виходить, небо, яке ми бачимо, повно "примар", а телескоп — справжня машина часу. Але що ми знаємо про світло?

Світло рухається зі 300 тисяч кілометрів на секунду. Приблизно на такій відстані від Землі (на відстані однієї світлової секунди) перебуває Місяць. Кожен раз коли ми дивимося на Місяць, ми заглядаємо на одну секунду в минуле. Але як щодо Сонця? Щоб дістатися до нас, сонячного світла потрібно близько 8 хвилин. Це означає, що якщо наша рідна зірка раптово згасне, ми дізнаємося про це лише вісім хвилин потому. А от відстань від Землі до Нептуна змінюється в залежності від їх взаємного розташування орбіт. У середньому світло долає його за чотири години. Виходить, з Землі ми бачимо Нептун таким, яким він був чотири години тому. Чи варто говорити, як далеко в минуле можуть заглянути сучасні телескопи.

Якщо поступово віддалятися від Сонячної системи, світлові години перетворюються в тижні, місяці і роки. Відстань в космосі вчені вимірюють у світлових роках. За один світловий рік світло проходить приблизно 10 трильйонів кілометрів. Так, Проксима Центавра — найближча до нас зірка — розташована в чотирьох світлових роках від Землі, а скупчення Плеяд у 400 світлових роках. У 1609 році вперше подивився в телескоп. Саме тоді світ Плеяд досяг нашої планети.

Крабоподібна туманність знаходиться на відстані 6 523 світлових років від Землі

Коли ми дивимося з Землі на крабовидную туманність, яка знаходиться в сузір'ї Тельця, ми заглядаємо у минуле. Колись давно крабоподібна туманність була гігантською зіркою, в 10 разів масивніше нашого Сонця, а потім перетворилася в наднову, відому під назвою SN 1054. У центрі туманності знаходиться — сколапсировавшая зірка розміром з місто, яка вчиняє 30 обертів за секунду. Вихори обертів пульсара розганяють довколишні електрони майже до швидкості світла. В результаті вони починають світитися блакитним світлом, підсвічуючи потоки газу, все ще виходять з наднової.

Таким чином, чим більше небесних об'єктів бачать наші телескопи, тим далі в минуле ми можемо відправитися. Самому древньому світу, який вдалося сфотографувати космічному телескопу Hubble, 13,4 мільярда років. Це світло від самої ранньої галактики, яку нам коли-небудь доводилося бачити, а зірки в ній з'явилися у часи, коли ні Сонця, ні нашої планети ще не існувало. Вдивляючись ще далі в космічні глибини, нам може здатися, що ми побачимо кінець Всесвіту. Але насправді ми бачимо її початок — Великий вибух, який стався 13,8 мільярдів років тому і поклав початок всьому живому. А ось що було до не знає ніхто.

Так виглядає світло від найдавнішої галактики віком 13,4 мільярда років

На що здатний світло?

Стародавні китайці і греки бачили, які химерні речі може витворяти світло. Підтвердженням цьому служать камери-обскура — найпростіший вид пристрою, що дозволяє отримувати оптичне зображення об'єктів. Перша камери-обскура являла собою світлонепроникний ящик з маленьким отвором в одній зі стінок і екраном — аркушем білого паперу або матовим склом — на протилежній стороні. Коли промені світла проходили через малий отвір, вони створювали перевернуте зображення на екрані. Перші згадки камери-обскура сходять до V століття і китайському філософу Мао-цзи. Однак відповіді на питання про те, чому так відбувається людству довелося чекати ще довго.

Тисячу років тому в місті Басра (сучасний Ірак) жив учений-універсал Ібн аль-Хайсам. Фізик, математик, механік і астроном цікавився речами, які інші люди сприймали як належне. Аль-Хайсам хотів зрозуміти як ми бачимо і розгадати таємниці світла. Саме він виявив, що світ рухається прямолінійно і незабаром створив власну камеру обскура. Але камера-обскура добре працює тільки при , а світла Місяця і зірок не достатньо. Для того, щоброзглянути далекі небесні об'єкти потрібно щось інше. Цим чимось виявилися оптичні лінзи. Однак перш ніж Галілео Галілей вперше подивився в телескоп пройшло 600 років.

Розплітаючи веселку: спектр світла і інфрачервоне випромінювання

Світло володіє неймовірними властивостями, які не схожі на на що інше, знайоме людині. Елементарна частинка світла — фотон, що випромінюється атомом або молекулою, "народжується" — якщо це слово доречно вжити — зі швидкістю світла. Ніяка інша частка не здатна в одну мить розігнатися до швидкості світла. Реальність така, що ніщо не може рухатися швидше. Але що таке світло?

Кожен Мисливець Знає, Де Сидить Фазан

Як і Ібн аль-Хайсам, Ісаак Ньютон хотів знати відповідь на це питання з самого дитинства. До 20 років він став першою людиною, який розгадав таємницю веселки: Ньютон побачив, що сонячний білий світ — не що інше, як суміш всіх кольорів веселки. Розкладене зображення світу за всіма кольорами Ньютон назвав . Це вражаюче відкриття молодого вченого, однак, було неповним, адже світло, як ми знаємо сьогодні, є ключем до таємниць космосу і далеких світів. Наступного разу про найбільш незвичайні властивості світла світ дізнається лише через 150 років. Це випаде на долю іншого вченого, який здійснить своє відкриття, як це часто буває, зовсім випадково. Така історія науки — безліч героїв розкривають таємниці нашого існування століття за століттям.

У 1800 році англійський астроном Вільям Гершел, який першим зрозумів що нічне небо повно "примар", вивчав небо з допомогою сучасних телескопів свого часу. Враховуючи таємницю веселки, яку розгадав Ісаак Ньютон, Гершель задумався — чи можуть якісь кольори бути тепліше або холодніше інших? Щоб перевірити цю гіпотезу, Гершель встановив три термометра на білому аркуші паперу. Контрольний термометр перебував поза спектру — тобто не висвітлювався сонячними променями. Результати експерименту показали — дійсно тепліше синього. Однак показники контрольного термометра довго не давали спокою вченому: справа в тому, що він виявив невидиму присутність, яке надходить нижче червоної частини спектру. Згодом його стали називати інфрачервоним, так як infra на латині означає "нижче". Людський очей, на відміну від шкіри, не здатний вловлювати інфрачервоне випромінювання. Але ми відчуваємо його тепло.

Чому світло — ключ до розуміння космосу?

Приблизно в той самий час, як Уильем Гершель виявив інфрачервоне випромінювання, Йозеф Фраунгофер, син бідного скляра, працював в майстерні батька. Після його смерті юний Фраунгофер у віці 12 років поступив навчатися, а потім працювати у скляну майстерню в Мюнхені. Завдяки низці випадкових подій, майбутній фізик в 1806 році отримав математичну освіту і став асистентом математичного та оптичного інституту в Мюнхені. Саме там виготовлялися лінзи та оптичні прилади. До 27 років, Йозеф Фраунгофер став провідним творцем високоякісних лінз та оптичного устаткування.

У пошуках найкращого скла для лінз Фраунгофер експериментував з призмами. Так як світло — це одночасно частка хвиля, також як довжина хвилі звуку визначає висоту тону, який ми чуємо, довжина світлової хвилі визначає колір, який ми бачимо. Але як призма розділяє кольори, приховані в промінні сонячного світла? Коли світ рухається крізь повітря або космос, всі його кольори рухаються з однією швидкістю. Але зіткнувшись зі склом під кутом, світло сповільнюється і змінює свій напрямок. Виходить, що всередині призми кожен колір рухається з різною швидкістю.

Зіткнувшись зі склом під кутом, світло змінює свій напрямок

У склі фіолетовий колір — його світлові хвилі одні із самих коротких — сповільнюється більше червоного, у якого хвилі довше всього. Ці зміни у швидкості поділяють кольори так, що вони рухаються в трохи різних напрямках. Саме це відкриття міг зробити Ісаак Ньютон, але зірки розпорядилася інакше. Відкриття Фраунгофера поклало початок — розділ астрономії, що вивчає фізичні процеси в астрономічних об'єктах, використовуючи принципи фізики та хімії. Але як? Фраунгофер побачив, що в світлі зображені вертикальні чорні лінії — справжнісінький секретний код. Як розповідає вчений і популяризатор науки Ніл Деграсс Тайсон в серіалі , цей шифр прийшов до нас з "іншого всесвіту". На розшифровку послання, укладеного в ці загадкові чорні лінії пішло без малого 100 років.

Вертикальні чорні лінії — ключ до розуміння космосу

чи Існують кольори насправді?

чи Замислювалися ви коли-небудь про те, звідки взялася вся ця вражаюча палітра природних кольорів? Секрет полягає в тому, що різної довжини падають на Землю. Пелюстки кожного конкретного квітки, наприклад люпину, поглинають все низькоенергетичні червоні світлові хвилі, але відображають більш короткі і енергійні сині. Взаємодія між пелюсткою і зоряним світлом — ось що робить квітка синім. Цей же принцип стосуєтьсявсього на Землі. Виходить, колір — це те, як людське око бачить енергію світлових хвиль. Не більше ніж майстерна ілюзія, чи не так?

насправді люпин не мають певного кольору. Синім їх бачать наші очі

Що таке спектральні лінії?

Але повернемося до спектру Фраунгофера. Що створює ці загадкові лінії? Виявилося, вони виникають, коли світлові хвилі певних кольорів поглинаються. От тільки відбувається це на зовсім іншому рівні реальності — в .

Щоб не заплутатися, давайте згадаємо що з себе представляють атоми. Отже, частинка речовини мікроскопічних розмірів і маси — найменша частка хімічного елемента і носій його властивостей — називається атомом. Атоми складаються з ядра та електронів, а саме ядро атома складається з протонів і нейтронів. При цьому кількість нейтронів у ядрі може змінюватись від нуля до декількох десятків. Чим менше електронів, тим простіше атом. Таким, до речі, є атом водню. У космосі він зустрічається частіше за інших і складається з одного електрона і одного протона. Але в квантовому світі все зовсім не так, як у нашому. Так, кожен електрон обертається навколо ядра, але його орбіталі і розмір суворо обмежені для кожного з хімічних елементів. Саме з цієї причини речовини так сильно відрізняються один від одного — енергетичні властивості речовини визначаються орбіталей його електронів. Чим орбіталь більше, тим більше енергія електрона.

Будова атома: електрони "танцюють" за орбиталям навколо ядра

Коли Фраунгофер розглядав сонячне світло через призму, він збільшив його спектр за допомогою телескопа. Так вчений розгадав секретний шифр світла — чорні лінії виявилися нічим іншим, як танцем електронів в атомі. Коли енергія електрона падає і він перескакує на орбіталь нижче, світло, яке він випромінює, пропадає. Чорні вертикальні лінії з'являються в спектрі тому, що більша частина світу просто не доходить до нас. Деякі з цих темних ліній — тіні, залишені атомами водню в атмосфері Сонця. Інші залишені атомами натрію, заліза і. т. д. різних хімічних елементів відкидають різні тіні і відбувається це із-за кількості електронів і їх орбіталей.

Виходить, якщо поглянути на зірку через спектрометр, можна побачити темні лінії від елементів, які містяться в її атмосфері. Але з допомогою спектрометра можна дивитися не тільки на зірки і далекі галактики. Методи спектроскопії дозволяють визначити чого завгодно. Завдяки спектральним лініям Фраунгофера ми дізналися, що всі галактики, зірки і всі живі істоти на нашій планеті, складаються з одних і тих же елементів. Кожен елемент, де б він ні знаходився, має своєю унікальною підписом. Проте найбільш дивним відкриттям з спектроскопії виявилося те, що вона не здатна побачити. Мова йде про темної матерії. Вважається, що сама таємнича форма матерії у Всесвіті ніяк не з електромагнітним випромінюванням. При цьому вона становить 85% всієї матерії. Сьогодні вчені вважають, що темна матерія складається з частинок, які поки що не виявлені. І незважаючи на те, що сьогодні у нас більше питань, ніж відповідей, історія науки показує, що ми на правильному шляху.

Світло — не те, чим здається