Магия реальности. Как мы узнаем истину - Ричард Докинз

Натрий — лишь один из примеров. Вы помните из главы 4, что каждый элемент имеет своё собственное уникальное «атомное число», представляющее собой число протонов в ядре (а также число электронов, вращающихся вокруг него). Что ж, по причинам, связанным с орбитами его электронов, каждый элемент также имеет свой собственный уникальный световой эффект. Уникальный, как штрихкод… фактически, штрихкод представляет собой то, чем в значительной степени является картина линий в спектре звёзд. Вы можете сказать, какие из 92 природных элементов присутствуют в звезде, разлагая свет звезды в спектроскопе и глядя на линии штрихкода в спектре.

Существует вебсайт, где вы можете выбрать любой элемент, какой захотите, и посмотреть на спектральный штрихкод: http://bit.ly/MagicofReality2. Просто перемещайте ползунок, пока не остановитесь на элементе, который вам нужен. Они расположены в порядке атомных номеров, от водорода по возрастанию.

Например, выше показан рисунок для водорода, первого элемента (так как он, как вы помните, имеет только один протон). Вы видите, что излучение водорода состоит из четырёх спектральных линий: в фиолетовой, тёмносиней, голубой и красной частях спектра (длины волн различных цветов приведены сверху).

Для того чтобы понимать картинки на этом сайте, нам нужно понять пару в остальном сбивающих с толку деталей. Прежде всего, обратите внимание на два способа, с помощью которых появляются полосы: как цветные линии на на чёрном фоне (в верхней части картинки) и как чёрные линии на цветном фоне (в нижней части картинки). Они названы спектром излучения (цветные на чёрном фоне) и спектром поглощения(чёрные на цветном фоне). Что получаете вы — зависит от того, излучает ли элемент свет (как элемент натрий, когда светится в натриевом фонаре) или становится на пути света (как это часто происходит, когда элемент присутствует в звезде). Я не буду обременять вас этим различием. Важным моментом является то, что в обоих случаях появляются полосы в одних и тех же местах спектра. Узор штрихкода один и тот же для любого конкретного элемента, будь то линии чёрные или цветные.

Другая усложняющая деталь — то, что некоторые полосы намного ярче, чем другие. Глядя на свет от звезды с помощью спектроскопа, мы обычно видим только очень яркие полосы. Но этот вебсайт даёт все линии, включая слабые, которые могут быть видны в лаборатории, но обычно не обнаруживаются в звёздном свете. Натрий является хорошим примером. Практически, свет натрия жёлтый, и его заметные полосы появляются в жёлтой части спектра: вы можете забыть о других полосах, хотя и интересно, что они там есть, поскольку они заставляют узоры выглядеть ещё более похожими на штрихкоды.

Вот спектр излучения натрия, на котором показаны только три наиболее сильные линии штрихкода. Вы можете видеть, как преобладает жёлтый.

Итак, поскольку каждый элемент имеет свой штрихкодовый рисунок, мы можем посмотреть на свет от любой звезды и увидеть, какие элементы присутствуют в этой звезде. Правда, это довольно сложно, потому что штрихкоды нескольких различных элементов, вероятно, будут путаться. Но есть способы их сортировки. Каким замечательным инструментом является спектроскоп!

Он становится ещё лучше. Спектр натрия в нижней части противоположной страницы — то, что вы увидите, если посмотрите на свет от ламп улиц Солсбери, или от звезды, находящейся не очень далеко. Большинство звёзд, которые мы видим — к примеру, звёзд из всем известных созвездий зодиака — находятся в нашей галактике. И показанная здесь картина спектра натрия — то, что вы увидите, глядя на любую из них. Но если вы посмотрите на спектр натрия от звезды из другой галактики, вы получите очаровательно несхожую картину. В верхней части этой страницы — штрихкодовые узоры свечения натрия из трёх различных мест: на Земле (или от соседней звезды), от отдалённой звезды в соседней галактике, и от очень отдалённой галактики.

Посмотрите сначала на штрихкодовый узор света натрия от отдалённой галактики (нижнее изображение) и сравните его со штрихкодом, произведённым светом натрия на Земле (верхнее изображение). Вы видите ту же схему полос, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Но вся картина смещена к красному концу спектра. Откуда мы знаем, что это все ещё натрий? Ответ содержится в одинаковом расстоянии между штрихами. Это могло показаться не совсем убедительным, если бы это происходило только с натрием. Но то же самое случается со всеми другими элементами. В каждом случае мы видим одну и ту же картину интервалов, присущих конкретному элементу, но смещённых по спектру к красному концу. Более того, для любой галактики, все штрихкоды сдвинуты на одинаковое расстояние вдоль спектра.

Если вы посмотрите на среднее изображение, показывающее штрихкод натрия в свете галактики, которая несколько ближе к нашей — ближе, чем очень отдалённые галактики, о которых я говорил в предыдущем разделе, но дальше, чем звезды в нашей собственной галактике Млечный путь — вы увидите промежуточное смещение. Вы увидите ту же картину интервалов (штрихкод), которая является признаком натрия, но смещённую не так далеко. Первая линия смещена по спектру далеко от темносинего, но не до зеленого: только до светло — голубого. И две линии в жёлтом (которые сочетаются, создавая жёлтый свет уличных фонарей Солсбери), обе смещены в том же самом направлении к красному концу спектра, но не до самого красного, как они смещены в свете от отдалённой галактики, а лишь немного в оранжевый.

Натрий — лишь один из примеров. Любой другой элемент демонстрирует одно и то же смещение вдоль спектра в красном направлении. Чем дальше галактика, тем больше смещение в сторону красного цвета. Оно было названо «смещением Хаббла», потому что было открыто великим американским астрономом Эдвином Хабблом, также давшим после смерти своё имя телескопу Хаббл, который, между прочим, использовался для того, чтобы сфотографировать очень удалённые галактики. Ещё оно называется «красным смещением», так как сдвиг происходит вдоль спектра в сторону его красного конца.

Что означает красное смещение? К счастью, учёные хорошо в этом разобрались. Это пример того, что называется «смещением Доплера». Доплеровское смещение может произойти везде, где есть волны, а свет, как мы увидели в предыдущей главе, состоит из волн. Его часто называют «эффектом Доплера», и он более знаком нам по звуковым волнам. Когда ты стоишь у обочины глядя на с рёвом пролетающие автомашины, звук двигателя каждого автомобиля, кажется, снижает тон, когда он пролетает мимо вас. Вы знаете, что звук двигателя автомобиля в действительности остаётся тем же самым. Так, почему же кажется смещение что его тон, понижается? Ответ — доплеровское смещение, и объяснение его состоит в следующем.