Наука и удивительное (Как человек понимает природу) - Вайскопф Виктор. Страница 2

Глядя в окно на ландшафт, мы видим предметы больших размеров, находящиеся на больших расстояниях, например горы и равнины. Мы можем измерить расстояния до них, считая шаги, которые нужно сделать, чтобы достичь их, иначе говоря, прямо сравнивая эти расстояния с размерами своего тела. Мы находим, что предметы, которые мы еще можем увидеть на расстоянии — горы, холмы и леса, отстоят от нас только на несколько километров, не более чем на 100 км, даже если речь идет об огромных Скалистых горах.

На этом кончается наше непосредственное восприятие расстояния. Было бы слишком трудно измерить размеры какого-либо континента, не говоря уже о размерах Земли, считая шаги. Поэтому надо применять непрямые методы, чтобы получить представление о размерах и расстояниях, превышающих, скажем, 100 км. Один из таких способов состоит в измерении расстояний с помощью скорости. Если я еду из одного пункта в другой с заданной скоростью, скажем 100 км/час, и знаю время, которое заняла поездка, то я могу получить представление о расстоянии между ними. Современные средства передвижения облегчают эту задачу. Самолету требуется около 10 мин, чтобы пролететь 100 км; расстояние от западного до восточного побережья США он покроет примерно за 500 мин. Следовательно, ширина Америки приблизительно равна 5000 км. Тому же самолету потребовалось бы примерно в 10 раз больше времени, чтобы облететь вокруг Земли; значит, ее окружность составляет около 50 000 км. На самом деле она составляет 40 000 км. Так как Земля — шар, нетрудно найти и ее диаметр, он равен 13 000 км. Это размер нашей родной планеты — Земли.

Обратимся теперь к небесным телам. Как мы можем измерить расстояния до них и их размеры? Солнце, Луна и звезды кажутся прикрепленными к какому-то своду, окружающему пространство, в котором мы живем. Когда мы смотрим на звездное небо, оно выглядит так, как если бы все небесные тела находились на одинаковом расстоянии (рис. 1).

Рис.1. Средневековая гравюра на дереве, на которой показано преобладавшее в то время представление о картине мира. Странник просовывает голову сквозь небесный свод и видит устройства, движущие звезды.

Истинное расстояние до этих тел столь велико, что его невозможно воспринять непосредственно.

Однако существуют очень простые способы измерения расстояний до ближайших небесных тел. Наиболее простой способ разработан в самые последние годы, он основан на методе радиолокации.

Луч радара направляют на объект и посылают весьма короткий сигнал. Затем ждут возвращения отраженной волны и измеряют время, протекшее от посылки сигнала до его возвращения. Если сигнал наделен на Луну, то это время составит 2,6 сек. Столько времени понадобилось сигналу радара, чтобы достичь Луны и вернуться. Волна радара имеет ту же природу, что и световая, и распространяется с той же скоростью (см. гл. III) — 300 000 км/сек. Отсюда мы заключаем, что расстояние Земля — Луна — Земля равно 2,6·300 000 км, т. е. что Луна отстоит от нас приблизительно на 400 000 км. Это — еще один пример определения расстояния по скорости.

Теперь, когда мы уже знаем расстояние до Луны, спросим, как она велика? Мы видим Луну как диск. Размеры его таковы, что понадобилось бы 360 таких дисков, чтобы выложить их рядом по большому кругу от западного горизонта через зенит к восточному. Так как нам известно расстояние до Луны, мы можем узнать и длину полуокружности, радиус которой равен расстоянию до Луны. Эта длина равна радиусу, умноженному на π, т. е. произведению π на 400 000 км. Диаметр Луны составляет 1/360 этой длины, или 3600 км. Это примерно в три раза меньше диаметра Земли, а расстояние до Луны равно приблизительно тридцати диаметрам Земли. Луна почти земной объект.

Рассмотрим теперь другие небесные объекты, прежде всего объекты, принадлежащие нашей солнечной системе, состоящей из Солнца и других планет. Люди наблюдали движение планет в течение многих столетий и интересовались, что оно означает. Коперник объяснил странные движения планет на небе тем, что Земля обращается вокруг Солнца и с нее наблюдаются планеты, которые тоже обращаются вокруг Солнца по круговым орбитам (точнее, по эллипсам, близким к кругу) [2]. Земля — одна из планет, ее орбита — третья от Солнца. Тщательные наблюдения с Земли над движением планет позволяют определить относительные размеры орбит различных планет. Например, Меркурий всегда наблюдается близко от Солнца, никогда не далее 23°; отсюда мы заключаем, что радиус орбиты Меркурия равен 0,38 радиуса земной орбиты, т. е. немногим более одной трети ее радиуса. Аналогичным способом мы находим, что радиус орбиты Венеры равен 0,7 радиуса земной орбиты, т. е. немногим более двух третей от него. Таким образом, мы можем построить картину солнечной системы, соблюдая правильные пропорции, но не зная ее истинных размеров (рис. 2).

Рис. 2. Наибольшие угловые отклонения Меркурия и Венеры относительно Солнца. Эти углы определяют отношения радиуса земной орбиты к радиусам орбит Меркурия и Венеры.

Как же нам найти размеры орбит и получить представление об истинной величине солнечной системы? Так как мы знаем расположение членов солнечной системы друг относительно друга, то надо узнать расстояние только до одного из них, чтобы узнать истинную величину всех орбит. Здесь можно снова воспользоваться радарным методом.

Хотя некоторые обещающие опыты и были уже выполнены в момент написания этой книги, еще не удалось применить радарный метод для прямого определения расстояния от Земли до Солнца. Но можно направить луч радара на одну из ближайших планет. Он был послан на Венеру, и время между испусканием и возвращением сигнала лежало где-то между 5 и 15 мин, в зависимости от того, где находились Земля и Венера на своих орбитах во время опыта. По скорости света мы заключаем, что расстояние до Венеры порядка миллионов километров. Так мы определили характерные для солнечной системы расстояния. Размер солнечной системы таков, что свет проходит от одной планеты до другой за несколько минут. После того, как определено единственное расстояние — расстояние Венера — Земля, нетрудно найти и другие расстояния в солнечной системе, так как мы знаем пропорции и относительные размеры орбит. Можно прямо найти и наиболее важное для нас расстояние, а именно расстояние Земля — Солнце. Оно оказывается равным 150 миллионам километров; свету требуется немногим более 8 мин, чтобы дойти от Солнца до нас.

Как велико Солнце? Оно кажется нам таким же, как Луна, но легко показать, что оно в 375 раз дальше. Следовательно, и диаметр Солнца должен быть в 375 раз больше лунного; умножая, получаем, что он равен 1,4 миллиона километров. Солнце более чем в 100 раз больше Земли (рис. 3).

Рис. 3. Соотношение между размерами Луны и Солнца для земного наблюдателя.

Расстояния до звезд

Итак, мы определили размеры солнечной системы, которая в большей степени, чем Земля, может считаться нашим обиталищем. Ведь Солнце, в конце концов, служит нашим источником света, тепла и энергии. Миру этой звезды мы принадлежим, и она служит частью нашей жизни. Солнечная система — это тот мир, в котором мы живем. Теперь выглянем наружу.

Все, что мы видим, — это звезды. Они называются «неподвижными звездами», так как нам кажется, что они все время остаются на месте, в отличие от планет, движение которых вокруг Солнца легко заметно. На самом же деле эти звезды представляются «неподвижными» только потому, что они находятся на слишком большом расстоянии от нас, чтобы за всю нашу жизнь нам удалось обнаружить какое-либо их перемещение. В действительности они движутся. Точные фотографии неба показывают небольшие перемещения звезд за периоды во много лет. Изучая древние манускрипты, мы можем увидеть, что несколько тысяч лет назад некоторые из созвездий выглядели совсем иначе.