общ, изследване, технология

Разплитане на дъгата - как тайните на светлината доведоха човечеството до откриването на тъмната материя?

Космосът, както ни показа науката, е многопо-загадъчна, отколкото можехме да си представим. Дори звездите, които виждаме всяка вечер, са напълно различни от това, което изглеждат. Светлината, времето, пространството и гравитацията създават реалност извън нашето разбиране. И все пак днес човешката цивилизация достигна невиждани висоти. Успяхме да преминем от древни племена ловци-събирачи до първите хора, които отидоха в космоса. Това стана възможно благодарение на голям брой фактори и хора, живели в различни епохи, но без които сега едва ли бихте прочели тази статия. Формирането на съвременния свят стана възможно благодарение на разгаданите мистерии на света, тъй като епохата и размерите на Космоса са отпечатани в него. Всичко, което виждаме днес, и всичко, което знаем за Вселената, стана възможно благодарение на светлината, която крие в себе си много повече тайни, отколкото изглежда на пръв поглед.

Светлината не е това, което изглежда

Съдържанието

  • 1 Къде са „призраците“ в небето?
  • 2 На какво е способна светлината?
  • 3 Разплитане на дъгата: спектър от светлина и инфрачервено лъчение
  • 4 Защо светлината е ключът към разбирането на Космоса?
  • 5 Има ли наистина цветове?
  • 6 Какво представляват спектралните линии?

Къде на небето са „призраци“?

През 1802 г. английският астроном Уилям ХершелСтигнах до извода, че звездите са същите „слънца“, но те са разположени много, много далеч от Земята и затова ни изглеждат мънички. Светлината на тези звезди се движи много бързо, но все пак отнема време, за да достигне до нас. Ще минат години, докато светлината на най-близките звезди достигне Земята, а светлината на по-далечни звезди ще отнеме векове. Някои небесни тела са разположени толкова далеч, че когато светлината им достигне до нас, те вече ще загинат. Оказва се, че небето, което виждаме, е пълно с „призраци“, а телескопът е машина в реално време. Но какво знаем за светлината?

Светлината се движи със скорост от 300 хиляди километра всекунда. На приблизително това разстояние от Земята (на разстояние една светлинна секунда) е Луната. Всеки път, когато гледаме луната, ние поглеждаме за една секунда в миналото. Но какво да кажем за слънцето? Слънчевата светлина отнема около 8 минути, за да стигне до нас. Това означава, че ако нашата родна звезда внезапно изгасне, ще разберем за това само осем минути по-късно. Но разстоянието от Земята до Нептун варира в зависимост от относителното им положение в орбитите. Средно светлината я преодолява за четири часа. Оказва се, че от Земята виждаме Нептун такъв, какъвто е бил преди четири часа. Излишно е да казвам, колко далеч в миналото могат да изглеждат съвременните телескопи.

Ако постепенно се отдалечите от слънчевата система,светлинните часове се превръщат в седмици, месеци и години. Учените измерват разстоянието в космоса в светлинни години. За една светлинна година светлината изминава около 10 трилиона километра. И така, Проксима Кентавър - най-близката до нас звезда - се намира на четири светлинни години от Земята, а клъстерът Плеяди е на 400 светлинни години. През 1609 г. Галилео Галилей за пръв път поглежда през телескоп. Тогава светлината на Плеядите достигна до нашата планета.

Мъглявината Рак се намира на 6 533 светлинни години от Земята

Когато погледнем от Земята към рацитеМъглявината, която се намира в съзвездието Телец, поглеждаме към по-далечното минало. Някога мъглявината с форма на раци беше гигантска звезда, 10 пъти по-масивна от нашето Слънце, а след това се превърна в свръхнова, известна като SN 1054. В центъра на мъглявината е пулсар - градирана звезда с размер на града, която прави 30 оборота в секунда. Вихрите на пулсарни обороти ускоряват близките електрони почти до скоростта на светлината. В резултат на това те започват да светят в синьо, осветявайки газовите потоци, които все още се излъчват от свръхновата.

Така че по-небесните обекти виждатнашите телескопи, колкото по-назад можем да отидем. Най-старата светлина, заснета от космическия телескоп Хъбъл, е на 13,4 милиарда години. Това е светлината от най-ранната галактика, която някога сме виждали, и звездите се появиха в нея във време, когато нито Слънцето, нито нашата планета все още не съществуваха. Надниквайки още по-дълбоко в космическите дълбини, може да ни се струва, че ще видим края на Вселената. Но всъщност виждаме неговото начало - Големият взрив, възникнал преди 13,8 милиарда години и постави основата на всичко живо. Но никой не знае какво се е случило преди Големия взрив.

Прилича на светлина от най-старата галактика на възраст 13,4 милиарда години

На какво е способна светлината?

Древните китайци и гърци виждали колко страннонещата могат да правят светлина. Това се потвърждава от pinhole камери - най-простият тип устройство, което ви позволява да получите оптично изображение на обекти. Първата камера за пробиване беше светлоустойчива кутия с малък отвор в една от стените и екран - лист бяла хартия или матирано стъкло - от противоположната страна. Когато лъчите на светлината преминаха през малка дупка, те създадоха обърнат образ на екрана. Първото споменаване на камерата обскура датира от V век и китайския философ Мао Дзъ. Отговорът на въпроса защо това се случва с човечеството трябваше да чака дълго време.

Искате ли винаги да сте наясно с най-новите открития от света на науката и високите технологии? Абонирайте се за нашия канал за новини в Telegram

Преди хиляда години в Басра (съвременноИрак) живял универсалният учен Ибн ал Хайсам. Физик, математик, механик и астроном се интересували от неща, които другите хора приемали за даденост. Ал-Хайтам искаше да разбере как виждаме и разгадаваме тайните на света. Именно той откри, че светлината се движи праволинейно и скоро създаде своя собствена камера на върха. Но пиновата камера работи добре само при слънчева светлина, а светлината на луната и звездите не е достатъчна. За да видите далечни небесни обекти, беше необходимо нещо друго. Това нещо се оказа оптични лещи. Въпреки това, преди Галилео Галилей за пръв път да погледне през телескоп, минаха 600 години.

Обективите позволяват на телескопите да се издигнат възможно най-високо.по-голяма площ за събиране на светлина от очите ни. Колкото по-големи са лещите, толкова повече светлина могат да събират. Съвременните телескопи имат огромна бленда и силно чувствителни детектори. Те наблюдават един и същ космически обект с часове, събирайки максималното количество от неговата светлина.

Разплитане на дъгата: спектър от светлинна и инфрачервена радиация

Светлината има невероятни свойства, които не саизглеждат като нещо друго познато на човека. Елементарна частица светлина - фотон, излъчван от атом или молекула, се "ражда" - ако е подходящо да се използва тази дума - със скоростта на светлината. Никоя друга частица не е в състояние да се ускори до скоростта на светлината за миг. Реалността е, че нищо не може да се движи по-бързо. Но какво е светлината?

Всеки ловец знае там, където седи фазан

Подобно на Ибн ал-Хайсам, Исак Нютон искаше да знаеотговорът на този въпрос още от детството. До 20-годишна възраст той става първият човек, разгадал мистерията на дъгата: Нютон видя, че слънчевата бяла светлина не е нищо повече от смес от всички цветове на дъгата. Нютон нарече разпръснатото изображение на светлината във всички цветове спектър. Това невероятно откритие на млад учен обаче беше непълно, защото светлината, както знаем днес, е ключът към тайните на космоса и далечните светове. Следващият път светът научава за най-необичайните свойства на светлината едва след 150 години. Това ще попадне в лота на друг учен, който ще направи своето откритие, както често се случва, случайно. Това е историята на науката - много герои разкриват тайните на нашето съществуване век след век.

През 1800 г. английският астроном Уилям Хершел,който пръв осъзна, че нощното небе е пълно с „призраци”, той изучава небето с най-модерните телескопи на своето време. Предвид загадката на дъгата, която Исаак Нютон разреши, Хершел се зачуди дали някои цветове могат да бъдат по-топли или студени от други. За да провери тази хипотеза, Хершел инсталира три термометра върху бял лист хартия. Контролният термометър беше извън спектъра - тоест не беше осветен от слънчева светлина. Резултатите от експеримента показаха, че червеното наистина е по-топло от синьото. Индикаторите на контролния термометър обаче не даваха покой на учения дълго време: фактът е, че той откри невидимо присъствие, което е скрито под червената част на спектъра. Впоследствие той започна да се нарича инфрачервен, тъй като инфра на латински означава „по-нисък“. Човешкото око, за разлика от кожата, не е в състояние да улавя инфрачервено лъчение. Но ние го усещаме топло.

Защо светлината е ключът към разбирането на Космоса?

Приблизително по същото време като Уилям Хершелоткрил инфрачервено лъчение, Джоузеф Фраунхофер, син на беден гланц, работил в работилницата на баща си. След смъртта му младият Фраунхофер на 12-годишна възраст влиза в училище и след това работи в стъклена работилница в Мюнхен. Благодарение на поредица от случайни събития, бъдещият физик получава математическо образование през 1806 г. и става асистент в Математическия и оптичния институт в Мюнхен. Именно там се правеха лещи и оптични инструменти. До 27-годишна възраст Джоузеф Фраунхофер се е превърнал във водещ създател на висококачествени лещи за телескопи и оптично оборудване.

Намиране на най-доброто стъкло за лещи Fraunhoferекспериментира с призми. Тъй като светлината е едновременно частица и вълна, точно както дължината на вълната на звука определя височината на тона, който чуваме, дължината на светлинната вълна определя цвета, който виждаме. Но как една призма разделя цветовете, скрити в лъч слънчева светлина? Когато светлината се движи през въздуха или пространството, всички нейни цветове се движат със същата скорост. Но се сблъска със стъклото под ъгъл, светлината се забавя и променя посоката си. Оказва се, че вътре в призмата всеки цвят се движи с различна скорост.

Изправена пред стъкло под ъгъл, светлината променя посоката си

Виолетов цвят в стъкло - неговите светлинни вълниедин от най-късите - забавя повече от червения, чиито вълни са най-дълги. Тези промени в скоростта отделят цветовете, така че да се движат в малко различни посоки. Това откритие можеше да направи Исак Нютон, но звездите поръчаха друго. Откритието на Фраунхофер поставя основите на астрофизиката - клон на астрономията, който изучава физическите процеси в астрономическите обекти, използвайки принципите на физиката и химията. Но как? Фраунхофер видя, че вертикалните черни линии са заснети на светлината - истинският секретен код. Според астрофизика и популяризатора на науката Нийл Деграс Тайсън в телевизионния сериал „Космос: Космос и време” този код дойде от „друга вселена”. Отне почти 100 години, за да дешифрираме съобщението, затворено в тези мистериозни черни линии.

Вертикални черни линии - ключът към разбирането на пространството

Съществуват ли наистина цветовете?

Замисляли ли сте се къдеПроизтича ли цялата тази поразителна палитра от естествени цветове? Тайната е, че леките вълни с различна дължина падат към Земята. Венчелистчетата на всяко конкретно цвете, като лупина, абсорбират всички нискоенергийни червени светлинни вълни, но отразяват по-късите и енергично сини. Взаимодействието между венчелистчето и звездната светлина е това, което прави цветето синьо. Същият принцип важи за всичко останало на Земята. Оказва се, че цветът е как човешкото око вижда енергията на светлинните вълни. Не повече от умела илюзия, нали?

Какви други тайни смятате, че светлината крие в себе си? Споделете мнението си в коментарите към тази статия, както и с участниците в нашия чат на Telegram

Всъщност лупините нямат специфичен цвят. Очите ни ги виждат в синьо

Какво представляват спектралните линии?

Но обратно към спектъра на Fraunhofer. Какво създава тези мистериозни линии? Оказа се, че те възникват при поглъщане на светлинни вълни от определени цветове. Просто се случва на съвсем различно ниво на реалността - в квантовия свят.

За да не се объркваме, нека си спомним какво от себе сипредставляват атоми. И така, частица от материя с микроскопични размери и маса - най-малката част на химичен елемент и носителят на неговите свойства - се нарича атом. Атомите са изградени от ядро ​​и електрони, а самото ядро ​​на един атом е съставено от протони и неутрони. Броят на неутроните в ядрото може да варира от нула до няколко десетки. Колкото по-малко електрони, толкова по-прост е атома. Така, между другото, е водороден атом. В космоса той се среща по-често от другите и се състои от един електрон и един протон. Но в квантовия свят всичко е напълно различно, отколкото в нашия. Значи, всеки електрон се върти около ядрото, но неговите орбитали и размер са строго ограничени за всеки от химичните елементи. Именно поради тази причина веществата са толкова много различни една от друга - енергийните свойства на материята се определят от орбиталите на нейните електрони. Колкото по-голяма е орбитата, толкова по-голяма е енергията на електроните.

Структура на атома: електрони „танцуват“ в орбитали около ядрото

Когато Фраунхофер гледаше слънчева светлиначрез призма той увеличава спектъра му с телескоп. Така ученият решил тайния шифър на светлината - черните линии се оказали нищо повече от танц на електрони в атом. Когато енергията на електрона падне и скочи към орбиталата отдолу, светлината, която излъчва, изчезва. Черните вертикални линии се появяват в спектъра, защото по-голямата част от светлината просто не ни достига. Някои от тези тъмни линии са сенки, оставени от водородни атоми в атмосферата на слънцето. Други са оставени от атоми на натрий, желязо и т.н. Атомите на различни химични елементи хвърлят различни сенки и това се дължи на броя на електроните и техните орбитали.

Вижте също: Какво е тъмна материя? Частици или не?

Оказва се, ако погледнете звездата презспектрометър, можете да видите тъмни линии от елементите, които се съдържат в неговата атмосфера. Но с помощта на спектрометър можете да гледате не само звезди и далечни галактики. Днес методите на спектроскопията ви позволяват да определите състава на каквото и да било. Благодарение на спектралните линии на Фраунхофер научихме, че всички галактики, звезди и всички живи същества на нашата планета са съставени от едни и същи елементи. Всеки елемент, където и да е, има свой уникален подпис. Най-изненадващото откритие от спектроскопията обаче беше, че не беше в състояние да го види. Става въпрос за тъмна материя. Смята се, че най-загадъчната форма на материята във Вселената по никакъв начин не е с електромагнитно излъчване. Освен това тя съставлява 85% от цялата материя. Днес учените смятат, че тъмната материя се състои от частици, които все още не са открити. И въпреки факта, че днес имаме повече въпроси, отколкото отговори, историята на науката показва, че сме на прав път.