Космические сыщики

Кант писал, что его восхищают две вещи: «звёздное небо надо мной и моральный закон во мне». Неудивительно, что первую половину жизни мыслитель посвятил звёздам и естественным наукам, вторую – изучению человека и философии. Став профессором Кёнигсбергского университета в 46 лет, он посвятил себя созданию фундаментального философского труда «Критика чистого разума», которую опубликовал в 57 лет. Книга потребовала от Канта максимальной концентрации и умственного напряжения.

В разгар работы над книгой в жизнь философа вмешался горластый петух, живший у соседа. Его постоянное кукареканье досаждало учёному, который из-за шума не мог полноценно работать и нервничал. Кант предлагал любые деньги, лишь бы петуха зарезали, сосед не согласился.

– Он его любил! – уверенно сказала Галатея.

– Да, для соседа петух оказался важнее философских трудов. Канту пришлось сменить квартиру и дописывать книгу уже на новом, более спокойном месте. Толстый том «Критики чистого разума», вышедший 1781 году, начинался со строк: «На долю человеческого разума… выпала странная судьба: его осаждают вопросы, от которых он не может уклониться, так как они навязаны ему его собственной природой; но в то же время не может ответить на них, так как они превосходят все его возможности».

Эта книга стала главным трудом философа Канта и одним из главных трудов мировой философии. Когда один из учеников Канта приехал в Гёттинген и заявил в кругу тамошних профессоров, что в письменном столе его учителя лежит труд, над которым господам философам «придётся попотеть», раздался смех: мол, от этого дилетант философии ждать нечего. Сегодня Кант по праву считается одним из величайших философов не только своего времени, но и всей истории человечества. А кто помнит смешливых профессоров Гёттингена конца XVIII века?

Иммануил Кант был гением, намного опередившим своё время. Его считают великим философом, но если бы он не занялся философией, то вошёл бы в историю как выдающийся астроном.

Примечания для любопытных

Иммануил Кант (1724–1804) – великий астроном и философ из Кёнигсберга (ныне – Калининград). Современная модель образования планет называется моделью Канта– Лапласа, но надо отметить, что от Канта в ней гораздо больше, чем от Лапласа.

Луций Сенека (4 год до н. э. – 65 год н. э.) – великий римский философ, воспитатель императора Нерона (37–68).

Пьер-Симон Лаплас (1749–1827) – знаменитый французский математик, физик и астроном, один из создателей небесной механики.

Джеймс Максвелл (1831–1879) – великий британский физик и математик, создатель электродинамики. Занимался задачей устойчивости колец Сатурна.

Алексей Максимович Фридман (1940–2010) – известный советский и российский учёный, академик Российской академии наук. Занимался динамикой и устойчивостью планетных колец. Лауреат Государственной премии СССР (1989) и двух Государственных премий России (2003 и 2008).

Уильям Гершель (1738–1822) – выдающийся английский астроном немецкого происхождения. Открыл планету Уран и два её спутника – Титанию и Оберон, а также инфракрасное излучение.

Джон Адамс (1819–1892) – выдающийся британский математик и астроном. Предсказал положение неизвестной планеты Нептун на основании анализа движения известной планеты Уран.

Урбен Леверье (1811–1877) – выдающийся французский математик и астроном. Независимо от Адамса вычислил положение невидимого Нептуна и 23 сентября 1846 года сообщил его координаты в Берлинскую обсерваторию немецкому астроному Иоганну Галле (1812–1910), который вместе с Генрихом д’Арре (1822–1875) в тот же день открыл новую планету.

Млечный Путь (наша Галактика) – спиральная галактика, в которой находится Солнце и все звёзды, видимые невооруженным глазом. В ясную ночь Млечный Путь виден как светлая полоса, пересекающая всё небо.

Вселенная – вся существующая совокупность галактик, звёзд и межзвёздной материи.

Жан-Жак Руссо (1712–1778) – знаменитый французский философ и писатель. Родился в Женеве (Швейцария). Разработал систему прямой демократии, которая используется в современной Швейцарии.

Исаак Ньютон (1643–1727) – великий английский физик и математик. Основатель современного естествознания, построенного на использовании математических моделей.

Гёттинген – университетский город в Нижней Саксонии (Германия). Гёттингенский университет основан в 1734 году и в XVIII веке считался одним из крупнейших университетов Европы.

Сказка о стекловаре Фраунгофере и таинственных пожирателях солнечного света

В конце XVIII века в Баварии в семье бедного стекольщика родился мальчик Йозеф. Он был одиннадцатым ребенком и, хотя очень любил учиться, книг не имел. Да и времени на учёбу не оставалось: мальчик весь день трудился в мастерской отца. В те времена стекольное производство было очень вредным – работа возле раскалённой печи быстро сокращала жизнь стеклодувов. Отец умер, когда Йозефу исполнилось всего одиннадцать лет, и мальчик попал в подмастерья к суровому владельцу стекольной фабрики. Тот запрещал ему заниматься чем-либо, кроме полировки линз, и загружал работой с утра до ночи.

Галатея удивилась:

– Мама, разве можно детям в одиннадцать лет работать? Ведь они должны только учиться!

– В конце XVIII века таких прав у детей бедняков не было. Они работали с юных лет и в ужасных условиях – на фабриках и даже в угольных шахтах. Жизнь подростков часто подвергалась смертельной опасности.

На стекольной фабрике жар от расплавленного стекла смешивался с ядовитыми парами соединений свинца. При полировке линз в легких оседала стеклянная пыль. Но стекло было для мальчика делом всей жизни: он родился и вырос в мире стекла, знал его секреты и ловко управлялся с цветной раскалённой патокой, которая, попадая в формы, послушно застывала и становилась похожей на разноцветные леденцы, иногда достававшиеся Йозефу на ярмарке.

Однажды утром четырнадцатилетний Йозеф, как обычно, пришёл на фабрику и стал разжигать стекольную печь, делать тысячу ежедневных дел. Вдруг раздался скрип, грохот, и ветхие стены фабрики обрушились, завалив мальчика тяжёлыми камнями и деревянными балками.

– Ой! – в страхе воскликнула Галатея.

– Город взволновался. К обрушившемуся зданию прибежали горожане, прибыл даже баварский принц Максимилиан I Иосиф, который стал лично руководить разбором завалов, чтобы найти тело мальчика. Как обрадовались люди, когда из-под обломков извлекли чудом уцелевшего Йозефа!

Галатея облегчённо вздохнула, а потом проворчала:

– Какие добрые люди – спасли ребенка, чтобы он и дальше тяжело работал…

Дзинтара добавила:

– Этот случай принёс мальчику удачу: принц стал ему покровительствовать, дал денег на книги и велел мастеру разрешить Йозефу учиться в свободное от работы время.

– Разрешил учиться в свободное от работы время? – не поверила своим ушам Галатея.

– Богатый горожанин Утцшнейдер, который присутствовал при разборе завалов стекольной фабрики и спасении Йозефа, тоже принял участие в судьбе мальчика. Когда Йозефу исполнилось 19 лет, он помог ему устроиться в Оптический институт, созданный при монастыре бенедиктинцев. Благодаря таланту и трудолюбию бедный подмастерье превратился в известного мастера-оптика, изготовителя лучших в мире линз. Впоследствии Фраунгофер стал директором Оптического института и вместе со своим покровителем создал процветающую фирму «Утцшнейдер и Фраунгофер». Она, например, изготовила линзы для телескопа Берлинской обсерватории, с помощью которых была открыта планета Нептун. Йозеф Фраунгофер стал почётным доктором Эрлангенского университета и академиком Баварской академии наук, а король Баварии наградил его Орденом почёта и возвёл в дворянство.

Однако самым главным в жизни Фраунгофера оставалось стекло – властелин солнечного света. Оно заставляло свет приближать далёкие предметы, собирало звёздное сияние в стеклянные плошки и направляло, отцеживало его в окуляр, к которому приникал любопытный глаз астронома. Стекло раскладывало лучи солнца в яркую радугу, раскрывая его тайны. Благодаря высокому качеству созданных оптических приборов Фраунгофер, обладавший редким сочетанием таланта мастера-оптика и внимательности учёного, сделал ряд удивительных открытий. Самое важное из них относится к радуге.

Развитие науки знало периоды затишья и времена революционных прорывов. Последние были часто связаны с постепенным развитием приборов, в определённый момент приобретавших способность показывать нечто качественно новое. Микроскопы существовали и до Левенгука, но лишь он, создав более совершенный прибор, совершил прорыв и открыл мир микробов, ранее неизвестный людям. Такой же прорыв в науке посчастливилось сделать баварскому оптику Йозефу Фраунгоферу. Ещё древние римляне могли призмой разложить солнечный свет в радугу. Это занятие любил великий Ньютон, который назвал многоцветную полосу, выходящую из стеклянной треугольной призмы, спектром. Фраунгофер пошёл дальше всех и благодаря качеству своих призм создал совершенный спектрограф, позволивший открыть удивительную тайну солнечной радуги.

Когда Йозеф решил испытать новый прибор на солнечном свете, он не поверил своим глазам: на хорошо знакомой цветной радуге, полученной из солнечного света, появились странные тёмные полосы! Словно таинственные существа выгрызали в солнечном спектре тёмные щели, поедая свет с определённой длиной волн.

– Кем были эти таинственные существа? – заинтересованно спросила Галатея.

– Эти существа были атомами, которые обладали «аппетитом» к волнам определённой длины.

– А почему атомы интересовались только волнами конкретной длины?

– Об этом мы обязательно поговорим, но позднее, когда дойдём до изучения атомов, которое фактически началось с небольшого прибора, созданного Йозефом Фраунгофером. Обнаружив эти линии, учёный открыл дверь в мир атомов и одновременно – в мир звёзд.

Йозеф понимал, что полосы что-то говорят о химическом составе Солнца, но расшифровать световую тайнопись не мог. Зато он составил список из 574 линий, введя их классификацию. Фраунгофер показывал свой прибор другим оптикам и учёным, опубликовал статью о наблюдениях спектра – так его открытия стали достоянием науки.

– А почему Фраунгофер решил изучить спектр Солнца? Вряд ли такое желание возникало у других стекловаров! – сказал Андрей.

– Он был пытливым человеком. Всё началось с того, что с помощью своего прибора Фраунгофер изучил спектр свечи и заметил в нём яркую жёлтую линию натрия – вездесущего элемента, который спектроскописты в будущем назовут «проходимцем», потому что он встречался почти в каждом спектре.

– А почему он такой… распространённый? – удивилась Галатея.

– Двойная линия натрия очень сильная, а сам натрий входит в состав соли, которую можно найти везде. Даже солёный пот с рук исследователя вносит вклад в измеряемые спектры.

В работе 1815 года Фраунгофер написал: «Я решил выяснить, можно ли видеть подобную светящуюся линию в солнечном спектре. И с помощью телескопа я обнаружил не одну линию, а большое количество вертикальных линий, резких и слабых. Слабые оказались темнее остальной части спектра, а некоторые из них – почти совершенно чёрными…»

Одна из тёмных линий в спектре Солнца в точности совпала по длине волны с яркой жёлтой линией натрия в спектре свечи. Этот факт – что спектральная линия, в зависимости от условий, может быть и тёмной, и яркой – оказался очень важен. Работа Фраунгофера дала будущим исследователям возможность разгадать многие секреты звёздного света. Солнечный свет не только освещал и согревал – он был посланием, содержащим информацию о сокровенных тайнах Солнца и звёзд, и эта информация ждала своего расшифровщика.

Фраунгофер сумел выделить несколько сотен линий, а сейчас их известно несколько миллионов! Он снял спектр ярких звёзд и установил, что спектр Сириуса отличается от спектра Солнца. Тем самым Фраунгофер заложил основы звёздной спектроскопии.

С помощью своих волшебных стёкол Йозеф Фраунгофер заглянул в сердце звёзд, дал ключ к тайне, которую Огюст Конт считал неразрешимой, – к тайне химического состава звёзд. Через 45 лет учёные сумели соотнести основные линии Фраунгофера с конкретными химическими элементами. Эти линии стали основой измерения на расстоянии химического состава, температуры, массы и движения звёзд, наличия у них магнитного поля, планет и дисков.

Йозеф Фраунгофер умер в 39 лет из-за отравления парами тяжёлых металлов, унёся с собой в могилу самые ценные рецепты варки стекла. Но он навсегда остался в истории оптики и астрофизики: изучение линий Фраунгофера до сих пор является мощным инструментом изучения космоса.

Галатея спросила:

– Баварский принц дал Йозефу денег на книги. Но как же остальные мальчики-бедняки, жившие в то время? Кто им помог с учёбой?

– Обычно – никто. История хранит рассказы лишь о тех, кому повезло.

– Это несправедливо! – разгорячилась Галатея.

– Это не только несправедливо, но и глупо. Страна, в которой дети хотят учиться, но не могут из-за отсутствия денег, обкрадывает себя. Деньги, которые принц дал Йозефу, принесли Баварии мировое лидерство в оптике на несколько веков. Благодаря многочисленным изобретениям Фраунгофера, Бавария обогнала Англию по качеству оптических линз. Учёный прославил свою страну. Сейчас в Германии есть Общество Фраунгофера, объединяющее 67 научных институтов в области оптики и прикладной физики, где работают более 20 000 человек.

Фраунгофер основал новую науку – спектроскопию, которая изучает спектры разных объектов. Серьёзный вклад в эту науку внесли немецкие учёные Бунзен (все химики знают горелку Бунзена) и Кирхгоф. Последний сформулировал три правила – так называемые правила Кирхгофа, ставшие основой спектроскопии:

1. Раскалённые твёрдые тела, жидкости и газы при большом давлении испускают непрерывный спектр.

2. Раскалённый газ при низком давлении излучает яркие, так называемые эмиссионные, линии.

3. Холодный газ при низком давлении, размещённый между горячим телом и наблюдателем, вызывает тёмные линии поглощения в непрерывном спектре горячего тела. (Именно такие тёмные линии, вызванные существованием в горячей атмосфере Солнца более холодного слоя, и обнаружил Фраунгофер.)

Кирхгоф родился в Кёнигсберге через 20 лет после смерти Канта и, кроме трёх правил спектроскопии, открыл широко известные сейчас законы для расчёта электрических схем (законы Кирхгофа). Если вспомнить, что этот город дал миру ещё и гения астрономии Региомонтана, можно сказать, что на мировой карте науки Кёнигсберг (современный Калининград) выделен крупным шрифтом.

Правила Кирхгофа отражают принципиальную разницу между излучением твёрдого тела и газа.

– А почему они отличаются? – поинтересовалась Галатея.

Дзинтара пояснила:

– Каждый атом – как крошечный гном с набором колокольчиков, каждый из которых звенит своей нотой. В твёрдом теле атомам-гномам тесно, они толкают друг друга и мешают колокольчикам звенеть. В результате наружу из твёрдого тела выходит не музыка, а шум. В разреженном газе колокольчики звенят свободно, и снаружи слышна гармоничная музыка из нескольких нот – регистрируются узкие спектральные линии.

Из правил Кирхгофа следует удивительный факт: длины волны ярких эмиссионных линий и тёмных линий поглощения практически одинаковы для одного и того же газа.

– Значит, атомы-гномики не только звенят своими колокольчиками, но и ловят ими нужные ноты? – спросил Андрей.

– Да, эти колокольчики похожи на идеальные камертоны, звучащие в тон приходящему звуку и испускающие волны той же частоты. Фраунгофер открыл в солнечном спектре тёмные линии, вызванные поглощением света атомами, а в наземных спектрах позже были зарегистрированы аналогичные по длине волны яркие эмиссионные линии.

Шведский учёный Ангстрем в 1862 году показал, что в спектре Солнца есть водород, так что утверждение Огюста Конта о невозможности узнать состав звёзд оказалось неверным уже через двадцать лет. Линии водорода в спектре Солнца видны сквозь забор линий железа и других металлов. Итальянский астроном Секки выделил на небе класс белых звёзд, в спектре которых виден практически один водород. То, что это именно водород, стало известно из эмиссионного спектра, полученного в лаборатории: в нём светлые линии располагались там же, где тёмные прорези в звёздных спектрах. В 1868 году Ангстрем опубликовал свой атлас солнечного спектра, а Секки – первую спектральную классификацию звёзд, за что его назвали «отцом современной астрофизики».

Одним из первых спектроскопистов, изучившим спектры многих небесных объектов, стал английский астроном Уильям Хаггинс. Он наблюдал небо на своей частной обсерватории в Лондоне и обнаружил, что галактика Туманность Андромеды даёт сплошной радужный спектр, похожий на спектры звёзд. Когда в 1864 году Хаггинс навёл свой телескоп с присоединённым к нему спектроскопом на красивую туманность Кошачий Глаз в созвездии Дракона, к своему удивлению, получил на выходе не типичную светящуюся радугу, а тёмный фон с тремя яркими линиями. Это означало, что, в отличие от плотных звёзд, дающих сплошной спектр, туманности состоят из разреженного газа, который светится в отдельных линиях.

Позже Уильям Хаггинс женился на ирландской девушке Маргарет, которая с детства увлекалась звёздами и сама конструировала спектроскопы. Супруги Хаггинс выпустили каталог небесных спектров туманностей, звёзд и галактик, где показали отличие спектра галактики Туманность Андромеды от спектров отдельных звёзд.

Открытие спектров в видимой области света стало началом изучения космических спектров. Далее исследователи двинулись в области более длинных и более коротких волн. Загадки открываемых спектров множились. Как показали швейцарский математик Бальмер и шведский физик Ридберг, длины волн отдельных линий подчиняются простым числовым соотношениям. Эта загадка была решена, лишь когда физики построили правильную модель атома. Линии, открытые Фраунгофером, повели учёных и внутрь крошечных атомов, и вдаль, к огромным звёздам.

Примечания для любопытных

Йозеф Фраунгофер (1787–1826) – знаменитый баварский оптик и механик. Открыл линии Фраунгофера и дифракцию Фраунгофера.

Принц Максимилиан (1756–1825) – принц Баварии (1799–1805), первый король Баварии Максимилиан I Иосиф (1806–1825).

Спектр (излучения) – зависимость интенсивности свечения объекта от длины волны. Спектр может быть линейчатым (состоящим из отдельных линий), полосатым (многочисленные линии сливаются в полосы) или сплошным (зависимость яркости объекта от длины волны представляет собой плавную линию), а для сложных объектов из нескольких компонент – сплошным с дополнительными тёмными и светлыми линиями.

Антони ван Левенгук (1632–1723) – знаменитый нидерландский натуралист, конструктор микроскопов, открывший мир микроорганизмов.

Роберт Бунзен (1811–1899) – известный немецкий химик-экспериментатор, вместе с Кирхгофом разработавший в 1860 году основы нового экспериментального метода – спектрального анализа.

Густав Кирхгоф (1824–1887) – знаменитый немецкий физик, родившийся в Кёнигсберге и оставивший след во многих областях физики. Основатель спектрального анализа.

Региомонтан (Иоганн Мюллер) (1436–1476) – выдающийся немецкий астроном, выходец из Кёнигсберга. Гений. Перевёл с греческого на латынь «Альмагест» Птолемея (100–170), заново рассчитал движения звёзд и планет, в 1474 году выпустил «Эфемериды» – первые напечатанные типографским способом астрономические таблицы, которые использовали Колумб, Васко да Гама и другие мореплаватели.

Огюст Конт (1798–1857) – выдающийся французский философ, основоположник социологии как самостоятельной науки.

Андерс Ангстрем (1814–1874) – известный шведский учёный-астрофизик, один из основателей спектрального анализа. Изучил 1000 спектральных линий. В 1862 году обнаружил водород на Солнце. Его именем названа единица «ангстрем» – одна десятимиллионная доля миллиметра.

Анджело Пьетро Секки (1818–1878) – выдающийся итальянский астроном, священник, директор обсерватории Папского Григорианского университета. Пионер звёздной спектроскопии.