General, Research, Technology

Розплітаючи веселку - як таємниці світла привели людство до відкриття темної матерії?

Космос, як це показала нам наука, набагатозагадковіше, ніж ми могли собі уявити. Навіть зірки, які ми бачимо щоночі абсолютно не те, чим здаються. Світло, 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, що 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 б цю статтю. Становлення сучасного світу стало можливим завдяки розгаданим таємниць світла, так як вік і розмір космосу відображені в ньому. Все, що ми бачимо сьогодні і все, що знаємо про Всесвіт стало можливим завдяки світлу, який приховує в собі набагато більше таємниць, ніж здається на перший погляд.

Світло - не те, чим здається

зміст

  • 1 Звідки в небі "примари"?
  • 2 На що здатний світло?
  • 3 розплітаючи веселку: спектр світла і інфрачервоне випромінювання
  • 4 Чому світло - ключ до розуміння космосу?
  • 5 Чи існують кольору насправді?
  • 6 Що таке спектральні лінії?

Звідки в небі "примари"?

У 1802 році англійський астроном Вільям Гершельприйшов 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 будуть потрібні роки, а світла більш далеких зірок - цілі століття. Деякі небесні світила розташовані настільки далеко, що до того моменту, як їх світло дійде до нас, вони вже загинуть. Виходить, небо яке ми бачимо, повно "привидів", а телескоп - справжнісінька машина часу. Але що ми знаємо про світло?

Світло рухається зі швидкістю 300 тисяч кілометрів насекунду. Приблизно на такій відстані від Землі (на відстані однієї світловий секунди) знаходиться 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 ось відстань від Землі до Нептуна змінюється в залежності від їх взаємного розташування на орбітах. В 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 в 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 в 400 світлових роках. У 1609 році Галілео Галілей вперше подивився в телескоп. Саме тоді світ Плеяд досяг нашої планети.

Крабовидная туманність знаходиться на відстані 6 523 світлових років від Землі

Коли ми дивимося з Землі на Крабовиднуютуманність, яка знаходиться в сузір'ї Тельця, ми заглядаємо в більш далеке минуле. Колись давно крабовидная туманність була гігантською зіркою, в 10 разів масивніше нашого Сонця, а потім перетворилася на наднову, відому під назвою SN 1054. У центрі туманності знаходиться пульсар - сколапсіровавшая зірка розміром з місто, яка здійснює 30 обертів на секунду. Вихори оборотів пульсара розганяють прилеглі електрони майже до швидкості світла. В результаті вони починають світитися блакитним світлом, підсвічуючи потоки газу, все ще йдуть від наднової.

Таким чином, чим більше небесних об'єктів бачатьнаші 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, якої нам коли-небудь доводилося бачити, а зірки в ній з'явилися за часів, 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 Великого вибуху не знає ніхто.

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

На що здатний світло?

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

Хочете завжди бути в курсі останніх відкриттів зі світу науки і високих технологій? Підписуйтесь на наш новинний канал в Telegram

Тисячу років тому в місті Басра (сучаснийІрак) жив вчений-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 світло рухається прямолінійно і незабаром створив власну камеру-обскура. Але камера-обскура добре працює тільки при сонячному світлі, а світла Місяця і зірок мало. Для того, щоб розглянути далекі небесні об'єкти потрібно щось інше. Цим чимось виявилися оптичні лінзи. Однак перш ніж Галілео Галілей вперше подивився в телескоп пройшло 600 років.

Лінзи дозволили телескопів отримати якомогавелику площу для збору світла, ніж у наших очей. Чим більше лінзи, тим більше світла вони можуть зібрати. Сучасні телескопи мають величезну светосилу і високочутливі детектори. Вони годинами стежать за одним і тим же космічним об'єктом, збираючи максимальний обсяг його світла.

Розплітаючи веселку: спектр світла і інфрачервоне випромінювання

Світло має неймовірні властивостями, що несхожі на на що інше, знайоме людині. Елементарна частинка світла - фотон, яку випромінює 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 знативідповідь на це питання з самого дитинства. До 20 років він став першою людиною, яка розгадав таємницю веселки: Ньютон побачив, що сонячний білий світ - ні що інше як суміш усіх кольорів веселки. Розкладене зображення світла по всім кольорам Ньютон назвав спектром. 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 самих незвичайних властивостях світла світ дізнається лише через 150 років. Це випаде на долю іншого вченого, який приготує своє відкриття, як це часто буває, абсолютно випадково. Така історія науки - безліч героїв розкривають таємниці нашого існування століття за століттям.

У 1800 році англійський астроном Вільям Гершель,який першим зрозумів що нічне небо повно "привидів", вивчав небо за допомогою найсучасніших телескопів свого часу. З огляду на таємницю веселки, що розгадав Ісаак Ньютон, Гершель задумався - чи можуть якісь кольору бути тепліше або холодніше інших? Щоб перевірити цю гіпотезу, Гершель встановив три термометра на білому аркуші паперу. Контрольний термометр знаходився поза спектром - тобто не висвітлювався сонячними променями. Результати експерименту показали - червоний колір дійсно тепліше синього. Однак показники контрольного термометра довго не давали вченому спокою: справа в тому, що він виявив невидиму присутність, яке приховано нижче червоної частини спектра. Згодом його стали називати інфрачервоним, так як infra на латині означає "нижче". Людське око, на відміну від шкіри, не здатний вловити інфрачервоне випромінювання. Але ми відчуваємо його тепло.

Чому світло - ключ до розуміння космосу?

Приблизно в той самий час, як Уільем Гершельвиявив інфрачервоне випромінювання, Йозеф Фраунгофер, син бідного скляра, працював в майстерні батька. Після його смерті юний Фраунгофер у віці 12 років вступив навчатися, а потім працювати в 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 і оптичні прилади. До 27 років, Йозеф Фраунгофер став провідним розробником високоякісних лінз для телескопів і оптичного устаткування.

У пошуках найкращого скла для лінз Фраунгоферекспериментував з призмами. Так як світло - це одночасно частка і 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 промені сонячного світла? Коли світло рухається крізь повітря або космос, все його кольору 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 хвиліодні з найкоротших - сповільнюється більше червоного, у якого хвилі найдовша. Ці зміни в швидкості поділяють кольору так, що вони рухаються в трохи різних напрямках. Саме це відкриття міг зробити Ісаак Ньютон, але зірки розпорядилися інакше. Відкриття Фраунгофера поклало початок астрофізиці - розділу астрономії, який 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 астрофізик і популяризатор науки Ніл Деграссі Тайсон в серіалі "Космос: простір і час", цей шифр прийшов до нас з "інший всесвіту". На розшифровку послання, укладеного в ці загадкові чорні лінії пішло без малого 100 років.

Вертикальні чорні лінії - ключ до розуміння космосу

Чи існують кольору насправді?

Чи замислювалися ви коли-небудь про те, звідкивзялася вся ця вражаюча палітра природних кольорів? Секрет полягає в тому, що світлові хвилі 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 стосується всього іншого на Землі. Виходить, колір - це те, як людське око бачить енергію світлових хвиль. Не більше ніж майстерна ілюзія, чи не так?

Як ви думаєте, які ще таємниці приховує в собі світло? Поділіться своєю думкою в коментарях до цієї статті а також з учасниками нашого Telegram-чату

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. Ось тільки відбувається це на зовсім іншому рівні реальності - в квантовому світі.

Щоб не заплутатися, давайте згадаємо що з себепредставляють атоми. Отже, частка речовини мікроскопічних розмірів і маси - найменша частина хімічного елемента і носій його властивостей - називається атомом. Атоми складаються з ядра і електронів, а саме ядро ​​атома складається з протонів і нейтронів. При цьому кількість нейтронів в ядрі може варіюватися від нуля до декількох десятків. Чим менше електронів, тим простіше атом. Таким, до слова, 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 в 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 орбиталями його електронів. Чим орбиталь більше, тим більше енергія електрона.

Будова атома: електрони "танцюють" по орбиталям навколо ядра

Коли Фраунгофер розглядав сонячне світлочерез призму, він збільшив його спектр за допомогою телескопа. Так учений розгадав секретний шифр світла - чорні лінії виявилися нічим іншим, як танцем електронів в атомі. Коли енергія електрона падає і він перескакує на орбиталь нижче, світло, який він випромінює, пропадає. Чорні вертикальні лінії з'являються в спектрі тому, що велика частина світла 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. Атоми різних хімічних елементів відкидають різні тіні і відбувається це через кількість електронів і їх орбіталей.

Читайте також: Що таке темна матерія? Частинки чи ні?

Виходить, якщо поглянути на зірку черезспектрометр, можна побачити темні лінії від елементів, які містяться в її атмосфері. Але за допомогою спектрометра можна дивитися не тільки на зірки і далекі галактики. Методи спектроскопії сьогодні дозволяють визначити склад чого завгодно. Завдяки спектральним лініях 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 не знаходився, має свою унікальну підписом. Однак найбільш дивним відкриттям з спектроскопії виявилося те, що вона не здатна побачити. Йдеться про темну матерію. Вважається, що сама таємнича форма матерії у Всесвіті не від 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.