Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе - Герайнт Фрэнсис Льюис

у каждого из них своё ядро. Следовательно, «отпечатки пальцев» каждого элемента оставлены квантовыми «чернилами».

Верно и обратное: электрон может поглощать свет. Однако тут дело обстоит более хитро. Чтобы перескочить с одного энергетического уровня на другой, более высокий, электрон должен поглотить строго определённое количество энергии. Обращая линии, наблюдаемые в спектре излучения, то есть посылая электронам свет точно такого же цвета, мы позволяем электронам переходить на орбиты с более высокими энергиями или можем освещать атомы светом всех цветов (тогда поглощены будут только те из них, которые соответствуют разрешённым энергетическим переходам, а остальные просто пройдут сквозь атомы незамеченными). Проводя наблюдения с другой стороны слоя атомов, мы увидим тот же свет, которым освещали эти атомы, но без спектральных линий, соответствующих поглощённым цветам. Так и образуются тёмные линии в спектре поглощения.

Мы успели поговорить о многом. Давайте остановимся и подведём итоги. Орбиты электронов в атомах квантованы, то есть соответствуют строго определённым значениям энергии: они не непрерывны, а дискретны. Чтобы электрон мог перескочить с орбиты с более низкой энергией на более высокоэнергетическую, атом должен поглотить фотон с соответствующей энергией. Это приводит тому, что в спектре появляется линия поглощения определённой частоты. Когда электроны спускаются с высокоэнергетической орбиты на низкоэнергетическую, атомы испускают фотоны определённой частоты, и в спектре излучения появляется эмиссионная линия.

Смотрим на Солнце (не пытайтесь повторить дома!)

Раскалённые недра Солнца испускают свет всех цветов; наши глаза воспринимают их смесь как белый свет. Когда этот свет проходит сквозь менее плотные внешние слои Солнца, в их атомах начинаются квантовые скачки. Каждый фотон, энергия которого соответствует величине скачка, поглощается. Потом он быстро излучается, но на этот раз в случайном направлении. В результате телескопы на Земле получают спектры с линиями поглощения, в точности соответствующими энергии электронных скачков. Таким же образом объясняются и эмиссионные спектры, которые наблюдаются, когда телескоп не направлен прямо на яркий источник света. Излучённые фотоны хорошо видны на относительно тёмном фоне. Квантовые скачки также позволяют нам видеть «отпечатки пальцев» атомов во внешней атмосфере Солнца во время затмений или в межзвёздных пылевых облаках.

Модель атома Бора ещё много раз модифицировалась и улучшалась, прежде чем в конце концов уступила место полному квантовому описанию с волновыми функциями и вероятностями. Это стало возможным только, когда все математические элементы квантовой механики были наконец разработаны. Однако идея дискретности атомной энергии и механизм взаимодействия электронов со светом остались неизменными. Квантовая физика объяснила спектральные наблюдения астрономов. Но, что было ещё важнее, каждый новый теоретический метод, который появлялся в квантовой теории света и вещества, открывал новый путь интерпретации результатов исследований звёзд. Так возникла астрофизика – новая наука, изучающая жизненные циклы звёзд, планет и других объектов Вселенной. Учёные теперь не ограничивались нанесением на звёздные карты положений планет и звёзд – они начали понимать глубинную природу этих тел.

Открытие квантования энергетических уровней в атомах открыло и современную эру квантовой механики. Понимание строения атома привело к революции в астрономии и космологии. Каждую ночь телескопы по всему миру направлялись на небо. А те, что не ограничены оптической частью электромагнитного спектра, чувствительны к радиоволнам или волнам миллиметровой длины, могли и могут вести наблюдения и днём.

Телескопы решают две главных задачи. Первая – построение изображений, фотографирование небесных тел и целых участков неба. Из этих картин можно узнать очень много: например, сколько звёзд в галактиках и галактик во Вселенной. Но если мы ведём наблюдения через светофильтры и можем сравнить, что мы видим в синих лучах с тем, что видим в зелёных или красных, нам открывается гораздо больше тайн. Зная цвет звезды, мы можем определить её температуру, а зная цвет галактики – судить о жизненном цикле входящих в неё звёзд.

Однако по-настоящему могучим исследовательским инструментом телескоп делает спектроскопия. Воспроизводя опыт Ньютона с призмой в гораздо большем масштабе, астрономы разлагают свет далёких звёзд и галактик на составляющие. Стеклянные призмы для этого теперь применяются редко. В современной астрофизике используются гораздо более эффективные дифракционные решётки. Хороший бытовой пример последней – обычный компакт-диск. Даже с хорошей призмой увидеть спектр нелегко: свет должен падать на неё под строго определённым углом, и к тому же дважды переходить из одной среды в другую (из воздуха в стекло, в потом из стекла опять в воздух). А на поверхность компакт-диска достаточно взглянуть почти при любом свете – и вы увидите яркую радугу.

Чего же ищут астрономы в разложенном в спектр свете далёких небесных тел? Эти крохотные радуги наполнены разнообразной информацией об источнике света. По ним можно, например, отличить источники, светящиеся благодаря высокой температуре (такие, как звёзды), от более сложного излучения вещества, движущегося со сверхвысокими скоростями и обладающего громадной энергией (например, вещества, с огромной скоростью вращающегося вокруг сверхмассивных чёрных дыр в ядрах активных галактик – квазаров).

Набор радужных эмиссионных линий от источника подробно рассказывает об электронных переходах в атомах. В случае звёзд эти же линии обычно видны как линии поглощения: атомы в звёздных атмосферах поглощают свет вполне определённых частот, и в них тоже происходят электронные переходы, только в обратном направлении. Впрочем, иногда, в зависимости от физических условий в атмосферах, электроны и здесь спускаются с более высоких энергетических уровней на нижние, испуская световые фотоны, которые образуют в спектре линии излучения, а не поглощения.

Квазары – одни из самых ярких известных нам объектов; мы видим их буквально с другого конца Вселенной. С помощью оборудованных спектроскопами телескопов астрономы смогли разгадать природу этих ослепительно ярких монстров. В центре квазара – чёрная дыра, масса которой может достигать миллиардов солнечных масс! Она и в самом деле чёрная, то есть невидимая, но окружена быстро вращающимся диском вещества. Разогретый огромными силами трения, диск ярко светится, освещая находящиеся в его окрестностях мощные газовые облака. Нагревание возбуждает атомы вещества, и электронные переходы в них порождают яркие эмиссионные линии – в частности, водорода и углерода.

Свет далёких квазаров преодолевает расстояния во много миллиардов световых лет, прежде чем дойти до нас. Но это пространство не совсем пустое. В межгалактическом пространстве разбросаны гигантские облака газа, преимущественно водорода, хотя, как и в большей части вещества во Вселенной, в них есть и добавки более тяжёлых элементов, образовавшихся в звёздах. Когда свет от квазара распространяется через пространство Вселенной, водородные облака «выедают» в нём волны определённых длин. Это приводит к появлению в спектрах квазаров набора линий поглощения, на положения которых влияет и вездесущее расширение Вселенной.

Квантование электронных орбит и наборы точных значений энергии, поглощаемой и излучаемой при переходах электронов с одной орбиты на другую, открыли перед