פתיחת הקשת - כיצד הובילו סודות האור את האנושות לגילוי החומר האפל?

המרחב, כפי שהמדע הראה לנו, הוא הרבהמסתורי יותר ממה שיכולנו לדמיין. אפילו הכוכבים שאנו רואים כל לילה שונים לחלוטין ממה שהם נראים. אור, זמן, מרחב וכבידה יוצרים מציאות מעבר להבנתנו. ובכל זאת, כיום, התרבות האנושית הגיעה לשיאים חסרי תקדים. הצלחנו לעבור משבטי ציידים-לקטים קדומים לאנשים הראשונים שנכנסו לחלל החיצון. הדבר התאפשר הודות למספר רב של גורמים ואנשים שחיו בתקופות שונות, אך בלעדיהם בקושי הייתם קוראים מאמר זה כעת. היווצרות העולם המודרני התאפשרה הודות לתעלומות העולם שלא נפתחו, שכן עידן הקוסמוס וגודלו טבועים בו. כל מה שאנחנו רואים היום וכל מה שאנחנו יודעים על היקום התאפשר בזכות האור, שמסתיר בפני עצמו הרבה יותר סודות מכפי שנראה במבט ראשון.

האור אינו כפי שהוא נראה

התוכן

• 1 איפה "הרפאים" בשמיים?
• 2 למה יכול האור?
• 3 פירוק הקשת: קשת אור וקרינת אינפרא אדום
• 4 מדוע האור הוא המפתח להבנת הקוסמוס?
• 5 האם באמת יש צבעים?
• 6 מהם קווים ספקטרליים?

איפה בשמיים "רוחות רפאים"?

בשנת 1802, האסטרונום האנגלי וויליאם הרשלהגיעו למסקנה שהכוכבים הם אותם "שמשות", אך הם ממוקמים מאוד רחוקים מכדור הארץ ולכן נראים לנו קטנטנים. האור של הכוכבים הללו נע במהירות רבה, אך עדיין לוקח זמן להגיע אלינו. ייקח שנים עד שאור הכוכבים הקרובים ביותר יגיע לכדור הארץ, ואורם של כוכבים רחוקים יותר ייקח מאות שנים. כמה גופות שמימיות ממוקמות כל כך רחוק שעד שהאור שלהן יגיע אלינו, הן כבר יאבדו. מסתבר שהשמיים שאנחנו רואים מלאים ברוחות רפאים, והטלסקופ הוא מכונת זמן אמת. אבל מה אנו יודעים על אור?

האור זז במהירות של 300 אלף ק"מ פנימהשנייה. בערך המרחק הזה מכדור הארץ (במרחק של אור שנייה אחד) נמצא הירח. בכל פעם שאנחנו מסתכלים על הירח, אנו מסתכלים שנייה אחת אל העבר. אבל מה עם השמש? אור השמש לוקח בערך 8 דקות להגיע אלינו. המשמעות היא שאם הכוכב היליד שלנו פתאום ייצא לדרך, נדע עליו רק שמונה דקות לאחר מכן. אולם המרחק מכדור הארץ לנפטון משתנה בהתאם למיקומם היחסי במסלולי מסלול. בממוצע האור מתגבר עליו בארבע שעות. מסתבר שכדור הארץ אנו רואים את נפטון כפי שהיה לפני ארבע שעות. למותר לציין כמה רחוק אל העבר יכולים טלסקופים מודרניים להיראות.

אם אתה מתרחק בהדרגה ממערכת השמש,שעות האור הופכות לשבועות, חודשים ושנים. מדענים מודדים מרחק בחלל בשנות אור. בשנת אור אחת אור עובר כעשרה טריליון ק"מ. אז, פרוקסימה קנטאורי - הכוכב הקרוב ביותר אלינו - ממוקם ארבע שנות אור מכדור הארץ, ואשכול הפליאדות הוא 400 שנות אור. בשנת 1609, גלילאו גליליי הביט לראשונה דרך טלסקופ. אז הגיע האור של הפליאדות לכוכב הלכת שלנו.

ערפילית הסרטן נמצאת 6,523 שנות אור מכדור הארץ

כשאנחנו מסתכלים מכדור הארץ לסרטןהערפילית, שנמצאת בקבוצת הכוכבים מזל שור, אנו מסתכלים על העבר הרחוק יותר. פעם, ערפילית בצורת סרטנים הייתה כוכב ענקי, מסיבי פי 10 יותר מהשמש שלנו, ואז הפכה לסופרנובה המכונה SN 1054. במרכז הערפילית נמצא פולסאר - כוכב מגודר עירוני שעושה 30 סיבובים בשנייה. מערבולות של מהפכות פולסר מאיצות אלקטרונים סמוכים כמעט למהירות האור. כתוצאה מכך הם מתחילים לזהור בכחול, ומאירים את זרמי הגז שעדיין נובעים מהסופרנובה.

אז ככל שהם רואים יותר חפצים שמימייםהטלסקופים שלנו, ככל שאנו יכולים ללכת רחוק יותר. האור העתיק ביותר שנתפס על ידי טלסקופ החלל האבל הוא בן 13.4 מיליארד שנה. זה האור מהגלקסיה הקדומה ביותר שראינו אי פעם, והכוכבים הופיעו בה בזמן שלא השמש ולא כוכב הלכת שלנו עדיין לא היו קיימים. בהצצה עמוקה עוד יותר אל העומקים הקוסמיים, נראה לנו שנראה את סוף היקום. אך למעשה, אנו רואים את תחילתו - המפץ הגדול, שהתרחש לפני 13.8 מיליארד שנה והניח את הבסיס לכל היצורים החיים. אבל איש אינו יודע מה קרה לפני המפץ הגדול.

זה נראה כמו אור מהגלקסיה העתיקה ביותר בגיל 13.4 מיליארד שנה

מה יכול האור?

הסינים והיוונים הקדמונים ראו כמה ביזארידברים יכולים לעשות אור. זה אושר על ידי מצלמות חור-חריר - המכשיר הפשוט ביותר המאפשר להשיג תמונה אופטית של אובייקטים. המצלמה הראשית של חור הציפורן הייתה קופסה אטומה קלילה עם חור קטן באחד הקירות ומסך - דף נייר לבן או זכוכית חלבית - בצד הנגדי. כאשר קרני האור עברו דרך חור קטן, הם יצרו תמונה הפוכה על המסך. האזכור הראשון של המצלמה אובסקורה מתוארך למאה ה- V והפילוסוף הסיני מאו צו. עם זאת, התשובה לשאלה מדוע זה קורה לאנושות נאלצה להמתין זמן רב.

האם אתה רוצה להיות מודע תמיד לתגליות האחרונות מעולם המדע והטכנולוגיה הגבוהה? הירשמו לערוץ החדשות שלנו בטלגרם

לפני אלף שנה בבצרה (מודרניתעירק) חי את המדען האוניברסאלי אבן אל-ח'אסאם. פיזיקאי, מתמטיקאי, מכונאי ואסטרונום התעניינו בדברים שאנשים אחרים קיבלו כמובן מאליו. אל-הית'ם רצה להבין כיצד אנו רואים ופותחים את סודות העולם. זה הוא שגילה שהאור זז במישור ישר וכעבור זמן קצר יצר את מצלמת חור הזנב שלו. אבל המצלמה עם חור הנקבה עובדת רק טוב לאור שמש, ואור הירח והכוכבים אינו מספיק. לצפייה באובייקטים שמימיים רחוקים, היה צורך במשהו אחר. משהו זה התגלה כעדשות אופטיות. עם זאת, לפני שגלילאו גליליי הביט לראשונה דרך טלסקופ, חלפו 600 שנה.

עדשות אפשרו לטלסקופים להגיע כמה שיותר גבוה.אזור גדול יותר לאיסוף אור מהעיניים שלנו. ככל שהעדשות גדולות יותר, כך הן יכולות לאסוף אור רב יותר. לטלסקופים מודרניים יש צמצם ענק וגלאים רגישים מאוד. הם צופים באותו חפץ קוסמי במשך שעות, אוספים את הכמות המרבית של האור שלו.

פירוק הקשת: קשת אור וקרינת אינפרא אדום

לאור יש תכונות מדהימות שאינן כאלהנראה כמו משהו מוכר אחר לאדם. חלקיק אור אלמנטרי - פוטון הנפלט על ידי אטום או מולקולה, "נולד" - אם מילה זו מתאימה לשימוש - במהירות האור. שום חלקיק אחר אינו מסוגל להאיץ במהירות האור במהירות. המציאות היא ששום דבר לא יכול לנוע מהר יותר. אבל מה אור?

כל צייד יודע היכן פסיון יושב

כמו אבן אל-הייזם, אייזק ניוטון רצה לדעתהתשובה לשאלה זו מאז ילדותה. בגיל 20 הוא הפך לאדם הראשון שגילה את תעלומת הקשת: ניוטון ראה שאור לבן שמש אינו אלא תערובת של כל צבעי הקשת. ניוטון כינה את תמונת האור הפרושה בכל הצבעים ספקטרום. אולם תגלית מדהימה זו של מדען צעיר לא הייתה שלמה, מכיוון שאור, כידוע, הוא המפתח לסודות החלל החיצון והעולמות הרחוקים. בפעם הבאה שהעולם לומד על המאפיינים הבלתי שגרתיים של האור רק לאחר 150 שנה. זה יפול על חלקו של מדען אחר שיגלה את התגלית שלו, כפי שקורה לעתים קרובות, במקרה. זו תולדות המדע - גיבורים רבים חושפים את סודות קיומנו מאה אחרי מאה.

בשנת 1800, האסטרונום האנגלי וויליאם הרשל,מי שהבין לראשונה ששמי הלילה מלאים ברוחות רפאים, הוא בחן את השמיים באמצעות הטלסקופים המודרניים ביותר בתקופתו. בהתחשב בתעלומת הקשת שאותה פתר אייזק ניוטון, תהה הרשל אם צבעים מסוימים יכולים להיות חמים או קרים יותר מאחרים. כדי לבחון השערה זו, הרשל התקין שלושה מדחומים על דף נייר לבן. מדחום הבקרה היה מחוץ לספקטרום - כלומר הוא לא הואר באור השמש. תוצאות הניסוי הראו כי אדום באמת חם מכחול. עם זאת, האינדיקטורים של מדחום הבקרה לא הניחו את המדען זמן רב: העובדה היא שגילה נוכחות בלתי נראית, המוסתרת מתחת לחלק האדום של הספקטרום. בהמשך, זה התחיל להיקרא אינפרא אדום, מכיוון שהאינפרה בלטינית פירושה "נמוך". העין האנושית, בשונה מהעור, אינה מסוגלת לתפוס קרינת אינפרא אדום. אבל אנחנו מרגישים את זה חם.

מדוע האור הוא המפתח להבנת הקוסמוס?

בערך באותה תקופה עם ויליאם הרשלגילה קרינה אינפרא אדום, ג'וזף פרונהופר, בנו של זגג מסכן, עבד בבית המלאכה של אביו. לאחר מותו, פרונהופר הצעיר, בגיל 12, נכנס לבית הספר ואז עבד בבית מלאכה לזכוכית במינכן. הודות לסדרת אירועים אקראיים, הפיזיקאי העתידי קיבל חינוך מתמטי בשנת 1806 והפך לעוזר במכון המתמטי והאופטטי במינכן. שם נעשו עדשות וכלים אופטיים. בגיל 27 ג'וזף פראנהופר הפך ליוצר מוביל של עדשות איכותיות לטלסקופים וציוד אופטי.

מציאת הזכוכית הטובה ביותר לעדשות Fraunhoferניסו מנסרות. מכיוון שאור הוא גם חלקיק וגם גל, בדיוק כמו שאורך הגל של הקול קובע את גובה הצליל שאנו שומעים, אורך גל האור קובע את הצבע שאנו רואים. אבל איך מנסרה מחלקת את הצבעים החבויים בקרן אור שמש? כאשר האור נע באוויר או בחלל, כל צבעיו נעים באותה המהירות. אולם האור מתאט ומשנה את כיוונו, אולם הוא מתנגש בזכוכית בזווית. מסתבר שבתוך הפריזמה, כל צבע נע במהירות שונה.

האור מול זכוכית בזווית, האור משנה את כיווןו

צבע סגול בזכוכית - גלי האור שלואחד הקצרים ביותר - מאט יותר מאדום, שגליו הארוכים ביותר. שינויים אלה במהירות נפרדים בצבעים כך שהם נעים בכיוונים שונים במקצת. זה היה הגילוי הזה שאייזק ניוטון יכול היה לגלות, אך הכוכבים הורהו אחרת. גילוי Fraunhofer הניח את היסוד לאסטרופיזיקה - ענף אסטרונומיה החוקר תהליכים פיזיים באובייקטים אסטרונומיים תוך שימוש בעקרונות הפיזיקה והכימיה. אבל איך? Fraunhofer ראה שקווים שחורים אנכיים נלכדו באור - הקוד הסודי האמיתי. על פי האסטרופיזיקאי והפופולריזר של המדע, ניל דגראס טייסון בסדרה "מרחב: מרחב וזמן", הקוד הזה הגיע אלינו מ"יקום אחר ". לקח כמעט מאה שנה לפענח את ההודעה המצורפת בקווים השחורים המסתוריים הללו.

קווים שחורים אנכיים - המפתח להבנת המרחב

האם הצבעים באמת קיימים?

האם חשבת אי פעם איפההאם כל הצבעים המדהימים האלה של צבעים טבעיים מגיעים? הסוד הוא שגלי אור באורכים שונים נופלים על כדור הארץ. עלי הכותרת של כל פרח מסוים, כמו תורמוס, סופגים את כל גלי האור האדום בעלי האנרגיה הנמוכה, אך משקפים כחולים קצרים ואנרגטיים יותר. האינטראקציה בין עלה הכותרת לאור האור היא מה שהופך את הפרח לכחול. אותו עיקרון חל על כל השאר על כדור הארץ. מסתבר שצבע הוא האופן בו העין האנושית רואה את האנרגיה של גלי האור. לא יותר מאשליה מיומנת, נכון?

אילו סודות אחרים לדעתך האור מסתיר בפני עצמו? שתף את דעתך בתגובות למאמר זה, כמו גם עם משתתפי הצ'אט הטלגרם שלנו

למעשה, לתאורות אין צבע ספציפי. עינינו רואות אותן בכחול

מהם קווים ספקטרליים?

אבל בחזרה לספקטרום Fraunhofer. מה יוצר את השורות המסתוריות הללו? התברר שהם מתעוררים כאשר גלי אור בצבעים מסוימים נקלטים. זה פשוט קורה ברמה אחרת לגמרי של מציאות - בעולם הקוונטי.

כדי לא להתבלבל, בואו נזכור מה מעצמנומייצגים אטומים. אז, חלקיק של חומר בגודל ומסה מיקרוסקופיים - החלק הקטן ביותר של יסוד כימי ונשא תכונותיו - נקרא אטום. האטומים מורכבים מגרעין ומאלקטרונים, והגרעין של האטום עצמו מורכב מפרוטונים ונויטרונים. מספר הנויטרונים בגרעין יכול להשתנות מאפס למספר עשרות. ככל שפחות אלקטרונים פחות, האטום פשוט יותר. אז, אגב, הוא אטום מימן. בחלל הוא מופיע לעתים קרובות יותר מאחרים ומורכב מאלקטרון אחד ופרוטון אחד. אבל בעולם הקוונטי הכל שונה לחלוטין משלנו. אז כל אלקטרון מסתובב סביב הגרעין, אך האורביטלים והגודל שלו מוגבלים בהחלט לכל אחד מהיסודות הכימיים. מסיבה זו חומרים שונים כל כך זה מזה - תכונות האנרגיה של החומר נקבעות על ידי האורביטלים של האלקטרונים שלה. ככל שהמסלול גדול יותר, כך אנרגיית האלקטרונים גדולה יותר.

מבנה האטום: אלקטרונים "רוקדים" באורביטלים סביב הגרעין

כשפרונהופר התבונן באור השמשבאמצעות מנסרה הוא הגדיל את הספקטרום שלו באמצעות טלסקופ. אז המדען פתר את צופן האור הסודי - הקווים השחורים התבררו כלא יותר מריקוד אלקטרונים באטום. כאשר אנרגיית האלקטרונים נופלת והיא קופצת למסלול התחתון, האור שהוא פולט נעלם. קווים אנכיים שחורים מופיעים בספקטרום מכיוון שרוב האור פשוט לא מגיע אלינו. חלק מהקווים הכהים הללו הם צללים שהותירו אטומי מימן באטמוספירה של השמש. אחרים משאירים אטומי נתרן, ברזל וכו '. אטומים של אלמנטים כימיים שונים מטילים צללים שונים וזה נובע מכמות האלקטרונים והאורביטלים שלהם.

ראו גם: מה זה חומר אפל? חלקיקים או לא?

מסתבר אם מסתכלים על הכוכב דרךספקטרומטר, אתה יכול לראות קווים כהים מהיסודות הכלולים באטמוספרה שלו. אבל בעזרת ספקטרומטר, אתה יכול להסתכל לא רק על כוכבים וגלקסיות רחוקות. שיטות ספקטרוסקופיה כיום מאפשרות לך לקבוע את ההרכב של כל דבר. בזכות הקווים הספקטרליים של פראונהופר, למדנו שכל הגלקסיות, הכוכבים וכל הדברים החיים בכוכב הלכת שלנו מורכבים מאותם יסודות. לכל אלמנט, באשר הוא, יש חתימה ייחודית משלו. עם זאת, התגלית המפתיעה ביותר מהספקטרוסקופיה הייתה שהיא לא הצליחה לראות. זה קשור לחומר אפל. ההערכה היא כי צורת החומר המסתורית ביותר ביקום אינה בשום דרך עם קרינה אלקטרומגנטית. יתר על כן, הוא מהווה 85% מכל החומר. כיום, מדענים מאמינים כי חומר אפל מורכב מחלקיקים שטרם התגלו. ולמרות העובדה שיש לנו היום יותר שאלות מתשובות, ההיסטוריה של המדע מראה שאנחנו בדרך הנכונה.