Физика и астрономия

Физика и астрономия тесно связаны между собой. В течение многих  веков астрономия была привязана к Земле.
Так, движение Луны вокруг Земли и падение тел на Землю происходят по одной и той же причине – силе тяготения. Одинаковы процессы, происходящие, например, в недрах Солнца и в ускорителях частиц, установленных на Земле. Развитие физики приводит к новым открытиям и в астрономии. В частности, изучить строение и состав звезд стало возможным благодаря использованию специальных физических методов исследования. Космические полеты стали реальными, когда научились рассчитывать траектории космических кораблей и создавать специальные материалы, обладающие необходимыми свойствами: прочностью, легкостью, жаростойкостью и т.п.

Еще на заре человеческого общества у людей возникла необходимость ориентироваться при передвижении к своему жилищу, к местам охоты и т.д. По мере развития земледелия появилась потребность в отсчете времени, например, для проведения сельскохозяйственных работ, в соответствии с наступлением того или иного времени года. Однако у древнего человека не было никаких приборов для измерения времени или расстояний. Именно по расположению и движению Солнца, Луны и звезд на небе люди уже более двух тысяч лет назад научились ориентироваться на местности и вести счет больших и малых промежутков времени. Так возникла потребность в изучении звездного неба и появилась еще одна наука – астрономия (слово «астрономия» образовано от греч. astron – звезда и nomos – закон).
Астрономия возникла и независимо развивалась практически у всех древних народов: в Вавилоне и Египте, Индии и Китае. Значительного расцвета она достигла в Древней Греции, поэтому многие астрономические термины имеют греческое происхождение, а некоторые пришли к нам из арабского языка.

Рис.1. «Небесный замок» (обсерватория)

 Так в 1576 г. датский король Фридрих II – усердный покровитель науки и искусств – назначил Тихо содержание  для астрономических исследований с астрономической     щедростью.
Венценосный "спонсор" отвел звездочету целый остров Вен в проливе Зунд для постройки дома и обсерватории, что обошлось королю в бочку золота. В добавление к ежегодному окладу в пользу Тихо отводились доходы от аренды острова местными крестьянами. Это был настоящий средневековый замок со шпилями, бойницами и даже тюрьмой, расположенной в подвале... (рис. 1). Тихо назвал его Ураниборгом (Небесным замком), а по-другому – "Дворцом Урании" (музы – покровительницы астрономии).

Стараясь вспомнить расположение звезд, человек мысленно объединял их в отдельные группы – созвездия. В те далекие времена в сознании людей знания о небе тесно переплетались с мифологией. В расположении звезд различные народы видели очертания того, что их окружало: всевозможных животных, рыб, птиц, предметов своего быта, а также героев легенд и сказаний. На рисунке 2 показана старинная звездная карта.

Рис.2. Старинная звездная карта

Постепенно человек все глубже познавал Вселенную. После великого открытия Н.Коперника (рис.3), предложившего гелиоцентрическую модель, непрерывно расширяются доступные для наблюдения пределы космического пространства. Передовые ученые разных стран продолжали делать выдающиеся открытия.

Рис.3. Николай Коперник

До середины XX века астрономы определяли размеры небесных тел и расстояния между ними, пользуясь телескопом и опираясь на физические законы. Они рассчитали, что от Земли до Солнца примерно 150 млн. км, и назвали эту величину астрономической единицей (а.е.). В а.е. принято измерять разные расстояния в Солнечной системе.
В таблице 1 приведены: среднее расстояние ro от Солнца до ближайших планет, выраженное в астрономических единицах, их период обращения Т и вторая космическая скорость ?2 на этих планетах.

Таблица 1

Некоторые характеристики ближайших планет Солнечной системы

 Сейчас более точные сведения получают с помощью радаров и космических аппаратов. А за пределами Солнечной системы астрономы измеряют расстояния световыми годами. Свет распространяется со скоростью 300.000 км/с, а значит, световой год – это примерно 10 млрд. км. Так как Млечный путь выглядит дисковидной спиралью, состоящей из множества вращающихся
вокруг его центра звезд, диаметр этого диска около 100.000 световых лет, а толщина в 100 раз меньше. От центра Галактики до Солнца около 33.000 световых лет, т.е. примерно две трети пути к краю диска. А наше Солнце совершает полный оборот вокруг центра своей Галактики за 226 млн. лет.
Для развития астрономии много сделано и делается в нашей стране. Еще в конце XVII века Петр I открыл в Москве в Сухаревской башне школу, где обучали астрономии. Затем в Петербурге открылась обсерватория при Академии наук. Для исследований строения звездного мира в 1839 году на Пулковских холмах под Петербургом, была построена крупнейшая обсерватория, названная астрономической столицей мира, куда приезжали учиться астрономы из Западной Европы и Америки. Наша астрономия занимает виднейшее место в мировой науке.

Первыми в истории человечества 4 октября 1957 года мы запустили искусственный спутник Земли. «Умом и глазом» астрономы проникли вглубь Вселенной на миллиарды световых лет или секстильоны километров. Но они не могли оторваться от Земли. Они смогли это сделать только 12 апреля 1961 года, когда на космическом корабле Восток (Рис. 4) Ю. А. Гагарин (Рис.5) совершил первый полет продолжительностью 108 минут. Теперь наступила эпоха, когда вселенную можно наблюдать и изучать не только с Земли, но и из космического пространства. А это открыло новые и невиданны еще перспективы познания Вселенной. С выходом человека в космическое пространство появились новые разделы астрономии: ультрафиолетовая и инфракрасная астрономия, рентгеновская и гамма-астрономия. Необычно расширилась возможность исследования первичных космических частиц, падающих на границу земной атмосферы: астрономы могут исследовать все виды частиц и излучений, приходящих из космического пространства.

Рис.4. Космический корабль «Восток»

Рис.5. Ю.А. Гагарин первый в мире летчик-космонавт

ЧТО ИЗУЧАЕТ АСТРОНОМИЯ?

С древних времен и до наших дней астрономия изучает явления, происходящие с небесными телами  и их системами. К небесным телам относятся звезды, планеты, в том числе и Земля, спутники планет, например Луна, кометы, метеориты. Системы звезд и их скопления представляют собой галактики. Наша Земля является одной из планет солнечной системы (рис.6), в которую входят и другие планеты с их спутниками.
Астрономия также изучает движение звезд, планет, спутников, процессы, происходящие в атмосферах планет, в звездах и в других небесных телах.

Рис.6. Планеты солнечной системы

  Астрономия не только раскрывает тайны глубин Вселенной, но и помогает людям в их практической деятельности: в составлении точных карт поверхности Земли, правильном определении курса кораблей и самолетов, Службе точного времени. На протяжении тысячелетий астрономы получали только ту информацию о небесных явлениях, которую им приносил свет. Можно сказать, что они изучали эти явления через узенькую щель в обширном спектре электромагнитных излучений. Четыре десятилетия тому назад благодаря развитию радиофизики возникла радиоастрономия, необычно расширившая наши представления о Вселенной.  Она помогла узнать о существовании многих космических объектов, о которых ранее не было известно. Дополнительным источником астрономических знаний стал участок электромагнитной шкалы, лежащий в диапазоне дециметровых и сантиметровых радиоволн. Огромный поток научной информации приносят из космоса другие виды электромагнитного излучения, которые не достигают поверхности Земли, поглощаясь в ее атмосфере.

Современная астрономия включает в себя несколько разделов. Часть астрономии, изучающая происхождение и развитие небесных тел, называется космогонией (от греч. kosmos – вселенная и genos – происхождение). Космогония отвечает на вопросы, как и когда возникли Вселенная, галактики, звезды, планеты, какие на них происходят изменения.

Рис.7. К.Э.Циолковский

Космология представляет собой учение о Вселенной в целом, о ее наиболее общих свойствах. Само слово «космос» – синоним Вселенной, и астрономы, изучающие ее строение, называются космологами.  Они пользуются самыми крупными и чувствительными телескопами, так как только они могут зарегистрировать слабый свет, доходящий до нас от далеких галактик. Космологами было установлено, что галактики – это основные «кирпичики» Вселенной. Они образуют скопления типа Местной группы, включающей наш Млечный путь. А эти группы составляют скопления высшего уровня (Местная групп входит в Местное сверхскопление), то есть образуются в системы еще более высокого порядка. Значительно увеличила возможности изучения Земли и других небесных тел космонавтика (от греч. kosmos + nautike – кораблевождение). Она изучает движение космических аппаратов в космическом пространстве. Основоположником космонавтики является выдающийся русский ученый К.Э. Циолковский (1857–1935) (рис.7). Он теоретически обосновал возможность покорения космоса при помощи ракет. Начало нашей практической космонавтике было положено запуском первого искусственного спутника Земли. Вскоре после этого, в 1959 году, были запущены советские межпланетные автоматические станции для исследования

 Луны, были получены фотографии ее стороны, невидимой с Земли.  К настоящему времени совершено уже более пятидесяти космических экспедиций. Если первый космический полет продолжался немногим более двух часов, то  позднее космонавты проводили на орбите более года. Они работали на орбитальных станциях «Салют» и «Мир» (рис.8), выполняя различные научные исследования (См. Приложение).

Рис.8. Орбитальная станция «Мир»

Рис.9. Американские космонавты на поверхности Луны

Лучший результат показал комплекс  «Мир», почти непрерывно заселенный разными экипажами с 1986 – 1999 гг.

В 1969 году американские космонавты Н. Армстронг и Э. Олдрин вышли из корабля на поверхность Луны, и один из них фотографировал другого, который и изображен на рисунке 9. Передвигались они по Луне на вездеходе (рис.10).

Рис.10. Лунный вездеход

Космические исследования не ограничиваются изучением Земли и ее спутника Луны, они продолжаются: уже запущены автоматические межпланетные станции к Марсу, Венере, Юпитеру (рис.11).

Рис.11. Межпланетная станция к Марсу

Изучение возможности высадки на Марсе – главная цель строящееся сейчас международной станции (рис.12). Следующими шагами человека в космосе станет создание лунных марсианских баз и обитаемых космических обсерваторий.

Рис.12. Международная  космическая станция

Одна из важнейших задач космонавтики – создать целый комплекс приборов и электронно-вычислительных машин, с помощью которых космонавты могут сами ориентироваться по звездам, находит свое место в космическом пространстве и рассчитывать поправки своей траектории; определять скорость, ускорения и точное направление своего движения; быстро обрабатывать полученные показания. Таким образом, космонавтика, это небесная механика и кинематика тел в физическом поле тяготения, это спектральный анализ, это радиосвязь и лазерная связь, это термодинамика и двигатели, то есть это все разделы физики и химии.
Движение космических аппаратов осуществляется по законам, которые были открыты на Земле при изучении движения свободно падающих тел.

А использование законов Ньютона позволило астрономам не только рассчитать размеры Солнечной системы, но и составить точный «график» движения планет (см. Приложение), их спутников и комет.
Развитие астрономии, в частности астрофизики и космонавтики, способствует развитию физики. Вселенная для ученых представляет собой как бы огромную физическую лабораторию. Вещество в ней находится нередко в таких состояниях, которые нельзя получить на Земле. Многие физические открытия были сделаны при анализе явлений в космосе. Так, газ гелий был открыт при исследовании солнечного света, а затем его обнаружили в атмосфере Земли.
Отсюда и его название – helios, в переводе с греческого означает Солнце. Открытие прибора спектроскопа (рис.13)  Бунзеном и Кирхгофом с телескопом позволило анализировать излучение Солнца и установить его химический состав.

Рис.13. Спектроскоп

Оказалось, что там присутствуют те же элементы, что и на Земле.
Спектроскоп может разложить пучок света от звезды на его цветовые составляющие. На фотопластинке регистрируется спектр звезды, полученный после разложения света призмой.
Астрономы изучают спектры звезд, чтобы узнать, из каких химических элементов они состоят. Спектральный анализ позволяет определить и скорость, с которой движутся относительно нас звезды, туманности и галактики.
Измерения с помощью спектроскопа показали, что звезды образованы раскаленными газами, а планеты только отражают их свет. Одни туманности оказались разреженными газовыми облаками, другие – звездными скоплениями. А к 1900 г. благодаря спектроскопу астрономы стали астрофизиками,  изучающими состав различных объектов Вселенной.
И в  настоящее время бурное развитие получила астрофизика. Это часть астрономии, которая изучает физические свойства небесных тел и процессы, протекающие в них и в космическом пространстве. При изучении этой части широко используют физические законы, поэтому она и получила такое название.
Теория относительности Эйнштейна подтвердилось во время солнечного затмения в 1919 году. Из нее следует, что Вселенная расширяется и это доказано наблюдениями астрономов, прежде всего Эдвина Хаббла (1889 – 1953) (рис. 14). Космические аппараты сделали снимки планет Солнечной системы, а новейшие телескопы позволили заглянуть в самые глубины Вселенной. Сейчас создаются основы нейтринной астрономии, которая будет доставлять ученым сведения о процессах, происходящих в недрах космических тел, например, в глубинах нашего Солнца. Появление  нейтринной астрономии стало возможным только благодаря успехам физики атомных ядер и элементарных частиц.

Рис.14. Эдвин Хаббл