Расплетая радугу — как тайны света привели человечество к открытию темной материи?

Космос, как это показала нам наука, намного загадочнее, чем мы могли себе представить. Даже звезды , которые мы видим каждую ночь совершенно не то, чем кажутся. Свет, время, пространство и гравитация создают реальность за гранью нашего понимания. И все же сегодня человеческая цивилизация достигла небывалых высот. Нам удалось пройти путь от древних племен охотников-собирателей до первых людей, вышедших в открытый космос. Это стало возможным благодаря большому количеству факторов и людям, которые жили в разные эпохи, но без которых вы вряд ли сейчас читали бы эту статью. Становление современного мира стало возможным благодаря разгаданным тайнам света , так как возраст и размер космоса запечатлены в нем. Все, что мы видим сегодня и все, что знаем о Вселенной стало возможным благодаря свету, который скрывает в себе намного больше тайн, чем кажется на первый взгляд.

Откуда в небе “призраки”?
В 1802 году английский астроном Уильям Гершель пришел к выводу, что звезды — это такие же “солнца”, но расположены они очень и очень далеко от Земли, а потому кажутся нам крохотными. Свет этих звезд движется очень быстро, но ему все же требуется время чтобы добраться до нас. Чтобы достичь Земли свету ближайших звезд потребуются годы, а свету более далеких звезд — целые столетия. Некоторые небесные светилы расположены настолько далеко, что к тому моменту, как их свет дойдет до нас, они уже погибнут. Выходит, небо которое мы видим, полно “призраков”, а телескоп — самая настоящая машина времени. Но что мы знаем о свете?
Свет движется со скоростью 300 тысяч километров в секунду. Примерно на таком расстоянии от Земли (на расстоянии одной световой секунды) находится Луна. Каждый раз когда мы смотрим на Луну, мы заглядываем на одну секунду в прошлое. Но как насчет Солнца? Чтобы добраться до нас, солнечному свету требуется около 8 минут. Это значит, что если наша родная звезда внезапно погаснет, мы узнаем об этом лишь восемь минут спустя. А вот расстояние от Земли до Нептуна меняется в зависимости от их взаимного расположения на орбитах. В среднем свет преодолевает его за четыре часа. Выходит, с Земли мы видим Нептун таким, каким он был четыре часа назад. Стоит ли говорить, как далеко в прошлое могут заглянуть современные телескопы.
Если постепенно удаляться от Солнечной системы, световые часы превращаются в недели, месяцы и годы. Расстояние в космосе ученые измеряют в световых годах. За один световой год свет проходит примерно 10 триллионов километров. Так, Проксима Центавра — ближайшая к нам звезда — расположена в четырех световых годах от Земли, а скопление Плеяд в 400 световых годах. В 1609 году Галилео Галилей впервые посмотрел в телескоп. Именно тогда свет Плеяд достиг нашей планеты.
Крабовидная туманность находится на расстоянии 6 523 световых лет от Земли
Когда мы смотрим с Земли на крабовидную туманность, которая находится в созвездии Тельца, мы заглядываем в более далекое прошлое. Когда-то давно крабовидная туманность была гигантской звездой, в 10 раз массивнее нашего Солнца, а затем превратилась в сверхновую, известную под названием SN 1054. В центре туманности находится пульсар — сколапсировавшая звезда размером с город, которая совершает 30 оборотов в секунду. Вихри оборотов пульсара разгоняют близлежащие электроны почти до скорости света. В результате они начинают светиться голубым светом, подсвечивая потоки газа, все еще исходящие из сверхновой.
Таким образом, чем больше небесных объектов видят наши телескопы, тем дальше в прошлое мы можем отправиться. Самому древнему свету, который удалось запечатлеть космическому телескопу Hubble, 13,4 миллиарда лет. Это свет от самой ранней галактики, которой нам когда-либо приходилось видеть, а звезды в ней появились во времена, когда ни Солнца, ни нашей планеты еще не существовало. Всматриваясь еще дальше в космические глубины, нам может показаться, что мы увидим конец Вселенной. Но на самом деле мы видим ее начало — Большой взрыв, который произошел 13,8 миллиардов лет назад и положил начало всему живому. А вот что было до Большого взрыва не знает никто.
Так выглядит свет от самой древней галактики возрастом 13,4 миллиарда лет
На что способен свет?
Древние китайцы и греки видели, какие причудливые вещи может вытворять свет. Подтверждением этому служат камеры-обскура — простейший вид устройства, позволяющего получать оптическое изображение объектов. Первая камеры-обскура представляла собой светонепроницаемый ящик с маленьким отверстием в одной из стенок и экраном — листом белой бумаги или матовым стеклом — на противоположной стороне. Когда лучи света проходили через малое отверстие, они создавали перевернутое изображение на экране. Первые упоминания камеры-обскура восходят к V веку и китайскому философу Мао-цзы. Однако ответа на вопрос о том почему так происходит человечеству пришлось ждать еще долго.
Хотите всегда быть в курсе последних открытий из мира науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram
Тысячу лет назад в городе Басра (современный Ирак) жил ученый-универсал Ибн аль-Хайсам. Физик, математик, механик и астроном интересовался вещами, которые другие люди воспринимали как должное. Аль-Хайсам хотел понять как мы видим и разгадать тайны света. Именно он обнаружил, что свет движется прямолинейно и вскоре создал собственную камеру-обскура. Но камера-обскура хорошо работает только при солнечном свете , а света Луны и звезд не достаточно. Для того, чтобы рассмотреть далекие небесные объекты требовалось что-то другое. Этим чем-то оказались оптические линзы. Однако прежде чем Галилео Галилей впервые посмотрел в телескоп прошло 600 лет.
Линзы позволили телескопам получить как можно большую площадь для сбора света, чем у наших глаз. Чем больше линзы, тем больше света они могут собрать. Современные телескопы имеют огромную светосилу и высокочувствительные детекторы. Они часами следят за одним и тем же космическим объектом, собирая максимальный объем его света.
Расплетая радугу: спектр света и инфракрасное излучение
Свет обладает невероятными свойствами, которые не похожи на на что другое, знакомое человеку. Элементарная частица света — фотон, излучаемая атомом или молекулой, “рождается” — если это слово уместно употребить — со скоростью света. Никакая другая частица не способна в одно мгновение разогнаться до скорости света. Реальность такова, что ничто не может двигаться быстрее. Но что такое свет?
Каждый Охотник Знает Где Сидит Фазан
Как и Ибн аль-Хайсам, Исаак Ньютон хотел знать ответ на этот вопрос с самого детства. К 20 годам он стал первым человеком, который разгадал тайну радуги: Ньютон увидел, что солнечный белый свет — ни что иное как смесь всех цветов радуги. Разложенное изображение света по всем цветам Ньютон назвал спектром . Это поразительное открытие молодого ученого, однако, было неполным, ведь свет, как мы знаем сегодня, является ключом к тайнам космоса и далеких миров. В следующий раз о самых необычных свойствах света мир узнает лишь спустя 150 лет. Это выпадет на долю другого ученого, который совершит свое открытие, как это часто бывает, совершенно случайно. Такова история науки — множество героев раскрывают тайны нашего существования столетие за столетием.
В 1800 году английский астроном Уильям Гершел, который первым понял что ночное небо полно “призраков”, изучал небо с помощью самых современных телескопов своего времени. Учитывая тайну радуги, которую разгадал Исаак Ньютон, Гершель задумался — могут ли какие-то цвета быть теплее или холоднее других? Чтобы проверить эту гипотезу, Гершель установил три термометра на белом листе бумаги. Контрольный термометр находился вне спектра — то есть не освещался солнечными лучами. Результаты эксперимента показали — красный цвет действительно теплее синего. Однако показатели контрольного термометра долго не давали ученому покоя: дело в том, что он обнаружил невидимое присутствие, которое сокрыто ниже красной части спектра. Впоследствии его стали называть инфракрасным, так как infra на латыни означает “ниже”. Человеческий глаз, в отличие от кожи, не способен уловить инфракрасное излучение. Но мы чувствуем его тепло.
Почему свет — ключ к пониманию космоса?
Примерно в то самое время, как Уильем Гершель обнаружил инфракрасное излучение, Йозеф Фраунгофер, сын бедного стекольщика, работал в мастерской отца. После его смерти юный Фраунгофер в возрасте 12 лет поступил обучаться, а затем работать в стекольную мастерскую в Мюнхене. Благодаря череде случайных событий, будущий физик в 1806 году получил математическое образование и стал ассистентом математического и оптического института в Мюнхене. Именно там изготавливались линзы и оптические приборы. К 27 годам, Йозеф Фраунгофер стал ведущим создателем высококачественных линз для телескопов и оптического оборудования.
В поисках наилучшего стекла для линз Фраунгофер экспериментировал с призмами. Так как свет — это одновременно частица и волна, также как длина волны звука определяет высоту тона, который мы слышим, длина световой волны определяет цвет, который мы видим. Но как призма разделяет цвета, скрытые в луче солнечного света? Когда свет движется сквозь воздух или космос, все его цвета движутся с одной скоростью. Но столкнувшись со стеклом под углом, свет замедляется и меняет свое направление. Получается, что внутри призмы каждый цвет движется с разной скоростью.
Столкнувшись со стеклом под углом, свет меняет свое направление
В стекле фиолетовый цвет — его световые волны одни из самых коротких — замедляется больше красного, у которого волны длиннее всего. Эти изменения в скорости разделяют цвета так, что они движутся в немного разных направлениях. Именно это открытие мог совершить Исаак Ньютон, но звезды распорядились иначе. Открытие Фраунгофера положило начало астрофизике — разделу астрономии, который изучает физические процессы в астрономических объектах, используя принципы физики и химии. Но как? Фраунгофер увидел, что в свете запечатлены вертикальные черные линии — самый настоящий секретный код. Как рассказывает астрофизик и популяризатор науки Нил Деграсс Тайсон в сериале “Космос: пространство и время” , этот шифр пришел к нам из “другой вселенной”. На расшифровку послания, заключенного в эти загадочные черные линии ушло без малого 100 лет.
Вертикальные черные линии — ключ к пониманию космоса
Существуют ли цвета на самом деле?
Задумывались ли вы когда-нибудь о том, откуда взялась вся эта поразительная палитра природных цветов? Секрет заключается в том, что световые волны разной длины падают на Землю. Лепестки каждого конкретного цветка, например люпина, поглощают все низкоэнергетические красные световые волны, но отражают более короткие и энергичные синие. Взаимодействие между лепестком и звездным светом — вот что делает цветок синим. Этот же принцип касается всего остального на Земле. Выходит, цвет — это то, как человеческий глаз видит энергию световых волн. Не более чем искусная иллюзия, не так ли?
Как вы думаете, какие еще тайны скрывает в себе свет? Поделитесь своим мнением в комментариях к этой статье а также с участниками нашего Telegram-чата
На самом деле люпины не имеют определенного цвета. Синим их видят наши глаза
Что такое спектральные линии?
Но вернемся к спектру Фраунгофера. Что создает эти загадочные линии? Оказалось, они возникают, когда световые волны определенных цветов поглощаются. Вот только происходит это на совершенно ином уровне реальности — в квантовом мире .
Чтобы не запутаться, давайте вспомним что из себя представляют атомы. Итак, частица вещества микроскопических размеров и массы — наименьшая часть химического элемента и носитель его свойств — называется атомом. Атомы состоят из ядра и электронов, а само ядро атома состоит из протонов и нейтронов. При этом количество нейтронов в ядре может варьироваться от нуля до нескольких десятков. Чем меньше электронов, тем проще атом. Таким, к слову, является атом водорода. В космосе он встречается чаще других и состоит из одного электрона и одного протона. Но в квантовом мире все совсем не так, как в нашем. Так, каждый электрон вращается вокруг ядра, но его орбитали и размер строго ограничены для каждого из химических элементов. Именно по этой причине вещества так сильно отличаются друг от друга — энергетические свойства вещества определяются орбиталями его электронов. Чем орбиталь больше, тем больше энергия электрона.
Строение атома: электроны “танцуют” по орбиталям вокруг ядра
Когда Фраунгофер рассматривал солнечный свет через призму, он увеличил его спектр с помощью телескопа. Так ученый разгадал секретный шифр света — черные линии оказались ничем иным, как танцем электронов в атоме. Когда энергия электрона падает и он перескакивает на орбиталь ниже, свет, который он излучает, пропадает. Черные вертикальные линии появляются в спектре потому, что большая часть света попросту не доходит до нас. Некоторые из этих темных линий — тени, оставленные атомами водорода в атмосфере Солнца. Другие оставлены атомами натрия, железа и.т.д. Атомы разных химических элементов отбрасывают разные тени и происходит это из-за количества электронов и их орбиталей.
Читайте также: Что такое темная материя? Частицы или нет?
Получается, если взглянуть на звезду через спектрометр, можно увидеть темные линии от элементов, которые содержатся в ее атмосфере. Но с помощью спектрометра можно смотреть не только на звезды и далекие галактики. Методы спектроскопии сегодня позволяют определить состав чего угодно. Благодаря спектральным линиям Фраунгофера мы узнали, что все галактики, звезды и все живые существа на нашей планете состоят из одних и тех же элементов. Каждый элемент, где бы он ни находился, обладает своей уникальной подписью. Однако наиболее удивительным открытием из спектроскопии оказалось то, что она не способна увидеть. Речь идет о темной материи. Считается, что самая таинственная форма материи во Вселенной никак не с электромагнитным излучением. При этом она составляет 85% всей материи. Сегодня ученые полагают, что темная материя состоит из частиц, которые пока что не обнаружены. И несмотря на то, что сегодня у нас больше вопросов, чем ответов, история науки показывает, что мы на правильном пути.


Свет — не то, чем кажется
Batafsil | Подробно | Read more... Hi News