Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек - Сергей Бердышев

Фраунгоферовские телескопы в XIX в. становятся главным инструментом астрономов. И только со второй половины XIX в. зеркальные телескопы вновь занимают прежние позиции. Полностью они не вытеснили рефракторы и по сей день, однако являются наиболее значимыми инструментами ученых. Зеркальные системы в наше время главенствуют в науке. Учеными строятся рефлекторы со все большим размером зеркала.

Самое большое цельное зеркало установлено на телескопе Зеленчукской обсерватории в Ставрополье. Его диаметр составляет 6 м. Гораздо крупнее сборные большие зеркала, составляемые из маленьких. Два телескопа Кека, установленные на Гавайях, представляют собой спаренную оптическую систему и имеют общее на двоих зеркало диаметром 85 м. Истинные размеры зеркал в этой системе составляют всего 1,8 м. Малые зеркала числом 36 объединяются в одно 10-метровое зеркало, установленное на одном телескопе. На втором установлено точно такое же. Расстояние между телескопами равно 85 м. Компьютер объединяет оба телескопа в один с гигантской, 85-метровой базой.

Сегодня телескопом называют практически любое устройство, предназначенное для приема волновой энергии всех видов из мирового пространства. Если рефлекторы и рефракторы принимают исключительно волны видимого света, то есть телескопы, которые способны принимать ультрафиолетовые, инфракрасные, рентгеновские и радиоволны, а также гамма-лучи. Таким образом, астрономы изучают космос по поступающему из него излучению с любой частотой из всего диапазона.

Естественно, ультрафиолетовые телескопы или радиотелескопы имеют мало общего в техническом плане с оптическими системами. Однако удобное название прочно закрепилось за устройствами для наблюдения за космическими телами и процессами. Ультрафиолетовые телескопы предназначены главным образом для изучения поверхности Солнца, поскольку оно испускает много ультрафиолета.

Инфракрасное излучение несет информацию о тепловом режиме на планетах. Оно свободно проходит сквозь планетные атмосферы и представляет собой поток энергии от неодинаково нагретых участков космического тела. Инфракрасные лучи позволяют более результативно изучать колоссальные газовые скопления в мировом пространстве, строение далеких звезд и т. д. Рентгеновские лучи особо информативны при изучении рентгеновских пульсаров и прочих источников этого излучения, гамма-лучи позволяют наблюдать уникальные внегалактические гамма-источники, а радиоволны одинаково хороши для исследования почти всех космических объектов.

Нужно заметить, что эта упрощенная схема возможностей всеволновой астрономии показывает лишь одно: какие виды волн (излучения) особо информативны и полезны при исследовании тех или иных объектов. В действительности же астрономы никогда не изучают какой-нибудь объект исключительно одним типом волн. Почти каждое небесное тело рассматривается и в радиоволнах, и в ультрафиолетовом диапазоне, и в инфракрасном диапазоне, и в «рентгене», а иногда даже в гамма-лучах.

Волновая и лазерная оптика

Современная оптика есть не что иное, как совокупность дисциплин, тесно взаимосвязанных друг с другом и одновременно совершенно различных. Объединяют эти дисциплины лишь предмет изучения (свет) и фундаментальные законы физики света. Отрасль оптики, изучающая самые общие свойства светового луча, получила название геометрической оптики. Ее сегодня дополняют волновая, молекулярная, волоконная, нелинейная отрасли оптики и многие другие. Причиной недостаточности единственно геометрической оптики для описания всех свойств света послужило то, что он проявляет себя двояко, т. е. в виде волн и потока частиц сразу.

Теория корпускулярно-волнового дуализма

Еще античные атомисты, такие как Демокрит, Эпикур и Лукреций, догадывались, что свет представляет собой поток частиц, которые достигают человеческого глаза и оставляют в нем отпечаток предметов окружающего мира. Аристотель полагал, что свет есть движение, распространяющееся само по себе в пространстве. Тем самым эти философы отказывались от традиционных представлений о природе световых лучей и заложили фундамент двух физических теорий — корпускулярной и волновой. Эти теории вновь возродились в XVII в., когда ученые попытались объяснить оптические явления.

Французский математик и философ P. Декарт разрабатывает волновую теорию света. Согласно его представлениям, свет есть волны, расходящиеся в упругой тонкой среде, заполняющей пространство между телами, — эфире. Декарт не верил в существование пустоты, поэтому прибегнул к эфиру для объяснения физики света. Многие другие ученые придерживались мнения, что свет есть поток частиц. В пустом пространстве, как верили физики этого направления, витают атомы вещества и световые частицы.

Итальянский астроном Ф. Гримальди известен тем, что вел наблюдения за Луной и дал названия 300 объектам на ее поверхности. Двести селенонимов из предложенных им прижились, оказавшись красивыми и очень удачными. Это весьма романтические названия: Море Дождей, Море Кризиса, Море Нектара, Океан Бурь и пр. В физике Гримальди сделал великое открытие, опытным путем доказав волновую природу света.

Астроном, по роду занятий вынужденный много времени отводить на изучение оптики, ставил в начале 1660-х гг. нехитрые эксперименты. Он помещал на пути очень узкого светового пучка предмет. Обычно каждый предмет отбрасывает тень, но в данном случае она была неотчетливой, как если бы свет волнами огибал объект и сходился позади последнего. Ученый присвоил обнаруженному явлению название дифракции, однако не стал спешить с опровержением корпускулярной теории света.

Придерживавшийся данной теории И. Ньютон примерно в это же время провел ставший знаменитым опыт по разложению света на спектр. Ученый пропустил пучок белого света через призму и направил этот луч на экран. Луч распался на семь цветов, выстроившиеся в экране в виде полоски — спектра. Повторив опыт с одноцветным световым пучком, Ньютон не вызвал его разложения на составные части. Пройдя через призму, луч остался одноцветным. Физик пришел к выводу, что белый свет сложный и состоит из частиц семи расцветок.

Одноцветные (монохроматические) лучи простые и образованы только одним родом частиц. Призма отклоняет световые частицы на разный угол в строгой зависимости от цвета последних. Тем самым великий физик убедительно подтвердил справедливость корпускулярной теории. Ньютон провозгласил, что для каждого отдельного цвета величина преломления строго задана и всегда остается неизменной. А значит, неизменны и элементарны световые частицы-корпускулы, подобные в своем постоянстве неделимым атомам вещества. Однако здесь физик ошибался, о чем будет подробнее рассказано ниже.

P. Гук попытался оспорить точку зрения Ньютона, однако так и не смог дать приемлемого объяснения разложению света на спектр. Тем не менее Ньютон внимательно изучил работу Гука и, согласившись со многими доводами своего оппонента, пришел к неожиданному заключению. Свет имеет двойную природу и способен вести себя в разных условиях как поток частиц и как волны эфира. Таким образом, великий англичанин стал первым ученым, провозгласившим корпускулярно-волновой дуализм. К сожалению, об этом надолго забыли.

В XVII столетии Гюйгенс настойчиво разрабатывал волновую теорию, которую связал с законами геометрической оптики. В конце XVIII в. Т. Юнг обнаруживает явление интерференции света, которое объясняется только волновыми свойствами света. С этим оптическим явлением каждый из нас сталкивается всякий раз, когда видит разноцветные разводы от бензина, покрывающего пленкой поверхность лужи. Солнечные лучи отражаются и от бензиновой пленки и от поверхности воды. В результате возникают два перекрывающих друг друга отраженных световых потока. Поскольку свет представляет собой волны, то их перекрывание создает замысловатый узор, который мы воспринимаем как радужные разводы.

В 1864 г. Дж. Максвелл приходит к выводу об электромагнитной природе света. Свет — это волновые колебания электромагнитного поля, заполняющего пространство. Только частота колебаний и, как следствие, длина волны видимого излучения отличают его от прочих видов электромагнитных волн. В остальном радиоволны, инфракрасные (ИК) волны, ультрафиолет (УФ волны), рентгеновские и гамма-лучи родственны видимому свету. То, что они не воспринимаются нашим зрением, объясняется чисто биологическими причинами.

Эволюция вела высших теплокровных животных к умению пользоваться главным каналом оптической информации — световым. Инфракрасные волны передаются сравнительно хуже и сообщают только о нагретых объектах, ультрафиолет поступает лишь от Солнца и поглощается веществом. Жесткие лучи (гамма- и рентгеновские) редко встречаются в природе, т. к. они зарождаются далеко в космосе и гасятся земной атмосферой, не достигая поверхности нашей планеты. Вот почему жесткое излучение интересует среди нефизиков почти единственно астрономов.