Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Итак, в середине XIX века было четко понятно, что солнечный спектр и, по-видимому, спектр других звезд простирается от глубокого ультрафиолетового до глубокого инфракрасного. Относительно небольшой участок посреди спектра (правда, на котором наблюдается максимальная яркость излучения Солнца), выделяющийся лишь тем, что свет с длиной волн, лежащей на этом отрезке, возбуждает сетчатку, на всем протяжении истории человечества и считался «светом». Теперь же его стали обозначать как «видимый свет». То, что до 1800 года было тавтологией, теперь стало осмысленным словосочетанием, поскольку по обе стороны от видимого спектра было обнаружено много невидимого света.

Теперь понятно, почему предположение Допплера было ошибочным. Величина допплеровского сдвига в любой волне зависит от скорости волны в сравнении со скоростью движения друг относительно друга источника волны и наблюдателя. Звезды в нашей Галактике движутся (относительно нас) со скоростями порядка всего лишь десятков километров в секунду, в то время как скорость света — 300 000 километров в секунду. Следовательно, применительно к свету эффект Допплера будет очень невелик. Будет наблюдаться лишь крошечный сдвиг в сторону красного или синего — слишком малый для того, чтобы вызывать синеву или красноту видимого света конкретных звезд. (Эта цветовая разница имеет другие причины, см. гл. 8.)

Более того, если имеется крошечный сдвиг в сторону фиолетового, часть фиолетового на краю спектра конечно же исчезает, уходя в ультрафиолетовый спектр, но это уравновешивается тем, что часть инфракрасного спектра смещается в красную часть. В результате цвет звезды вообще не меняется. То же самое происходит и в случае сдвига в красную сторону: часть спектра добавляется в инфракрасную часть и забирается из ультрафиолетовой, но общий видимый цвет звезды не меняется.

Физо указал на это в 1848 году, но добавил, что если обратить внимание на волну одной определенной длины, выбрав ее по присутствию спектральной линии, то можно отметить ее сдвиг либо в сторону красного, либо в сторону фиолетового. Так и оказалось, и, говоря об эффекте Допплера применительно к свету, его иногда называют эффектом Допплера — Физо.

Важные астрономические открытия были сделаны в результате наблюдения перемен в положении известных спектральных линий в спектре небесных тел по сравнению с положением тех же линий, воспроизводимых в лаборатории, где нет никакого относительного движения. Одним изучением спектра, например, можно было доказать вращение Солнца, показав, что одна сторона вращающегося Солнца удалялась, а другая приближалась; об этом свидетельствовало положение линий спектра в свете с одной стороны и с другой. Или опять же свет от колец Сатурна показал, что внешнее кольцо движется настолько медленнее внутреннего, что кольца явно не могут вращаться как единое целое, а должны состоять из отдельных фрагментов.

В 1868 году английский астроном Уильям Хёггинс (1824–1910) изучил линии спектра звезды Сириус и смог показать, что Сириус удаляется от нас со скоростью около 40 километров в секунду (позднейшие исследования несколько уменьшили эту цифру). С тех пор была измерена радиальная скорость (скорость удаления от нас или приближения к нам) тысяч звезд, и для большинства звезд она составила от 10 до 40 километров в секунду. Для одних звезд это оказалась скорость приближения, для других — скорость удаления.

В XX веке такие измерения проводились уже для света, идущего к нам из других галактик. Тогда быстро выяснилось, что происходит вселенское отдаление. За исключением двух ближайших к нам галактик, везде наличествовал неизменный сдвиг спектральных линий в сторону красного края — эффект, известный как красное смещение. Более того, чем тусклее светит (соответственно, предположительно, чем дальше находится) галактика, тем больше было красное смещение. Эту связь расстояния со скоростью удаления можно ожидать, только если галактики, все до одной, движутся все дальше и дальше друг от друга, как будто вся Вселенная расширяется; именно этой гипотезой и принято обычно объяснять красное смещение.

Смещение Допплера — Физо

Поскольку красное смещение возрастает по мере удаления галактики от нас, значит, скорость этого удаления тоже возрастает. Для очень удаленных галактик эти скорости уже можно выражать в значительных долях скорости света. В некоторых из удаленных галактик были отмечены скорости до 4/5 скорости света. В таких условиях есть массивное смещение света в инфракрасный спектр, большее, чем может компенсировать заимствование из ультрафиолетового излучения, присутствующего в свете этих галактик. Поэтому общий объем видимого света из этих далеких галактик тусклее и это ставит предел тому, какую часть Вселенной мы можем увидеть в лучах видимого света, какими бы сильными ни были наши телескопы.

Недостаточно просто сказать, что свет состоит из волн, потому что существуют два класса волн, свойства которых сильно различаются. Так, волны на воде — поперечные волны, волнообразно пульсирующие вверх и вниз под правильными углами к направлению, в котором движется сама волна. Звуковые волны — продольные волны, волнообразно пульсирующие вперед и назад в том же самом направлении, в котором движется сама волна (см. ч. I). К какой же разновидности относятся световые волны?

До второго десятилетия XIX века то меньшинство ученых, которые считали свет волновой формой, рассматривали его как продольную волну. В частности, так считал и Хайгенс. Однако оставался еще эксперимент XVII века по свету, который не объяснили удовлетворительно ни ньютоновская теория частиц, ни хайгенсовская теория продольных волн, и это в конце концов изменило всеобщую точку зрения.

Этот эксперимент был впервые описан в 1669 году голландским физиком Эразмом Бартолином (1625–1698). Он обнаружил, что кристалл исландского шпата (прозрачной формы карбоната кальция) производил двойное изображение. Если, например, кристалл поместить на поверхность, на которой есть черная точка, то сквозь него можно было увидеть две точки. Если кристалл вращать, сохраняя контакт с поверхностью, одна из точек оставалась неподвижной, в то время как вторая начинала вращаться вокруг первой. Очевидно, проходя сквозь кристалл, свет расщеплялся на два луча, преломлявшиеся по-разному. Это явление так и назвали «двойное преломление». Луч, воспроизводивший недвижимую точку, Бартолин назвал ординарным лучом, второй же — экстраординардным.

И Хайгенс и Ньютон принимали во внимание этот эксперимент, но не могли прийти к четкому заключению. Очевидно, если свет преломлен двумя различными способами, его составляющие, будь то частицы или продольные волны, должны чем-то различаться. Но чем?

Ньютон выдвинул какие-то смутные предположения, что частицы света могут различаться между собой полярностью, как магниты (см. гл. 9). Он не стал развивать эту теорию, но сама идея не была забыта.