Астрономия XVIII века

Хотя Ньютон не проводил значимых астрономических наблюдений, в 1668 году он сконструировал первый телескоп-рефлектор (зеркальный телескоп). В телескопе-рефлекторе, в отличие от телескопа-рефрактора, увеличение достигается с помощью вогнутого зеркала, а не линзы. Это позволяет избавиться от хроматической аберрации, возникающей в линзе из-за зависимости показателя преломления от длины волны (цвета излучения). Телескоп-рефлектор — основной тип астрономического оптического телескопа, используемый сегодня в космосе и на Земле, хотя на возвышенностях их начали устанавливать только в конце XIX века.

С появлением телескопа астрономия вышла за пределы пространства, доступного невооруженному человеческому глазу, и людям стала открываться картина космоса, которую до того невозможно было представить. В 1655 году нидерландский физик и астроном Христиан Гюйгенс (1629–1695) построил телескоп-рефрактор с 50-кратным увеличением и открыл Титан, спутник Сатурна — самый крупный спутник Солнечной системы^[6]. Наблюдая за Сатурном, он сделал вывод, что эту планету окружает сплошное кольцо. Позднее Гюйгенсу удалось рассмотреть отдельные звезды в туманности Ориона и наблюдать прохождение Меркурия по солнечному диску.

Гюйгенс был также одним из величайших физиков всех времен. Он изобрел маятниковые часы и двигатель внутреннего сгорания, вывел формулу центробежной силы и написал книгу по теории вероятностей.

Среди множества его достижений — вышедшее в 1678 году количественное описание волновой теории света, предложенной Робертом Гуком в 1672 году. Корпускулярная теория Ньютона появилась позже. Гюйгенс продемонстрировал эффект огибания волнами препятствий (дифракции). Корпускулярная теория света Ньютона, казалось, была опровергнута в 1800 году, когда Томас Юнг (1772–1829) доказал, что свет проявляет волновые свойства — интерференцию и дифракцию. Как мы вскоре увидим, в XX веке стало ясно, что свет состоит из частиц, называемых фотонами, а световые волны соотносятся не с отдельными фотонами, а со статистическим поведением световых лучей, состоящих из множества фотонов.

 

Космос Канта

В 1755 году молодой приват-доцент Кёнигсбергского университета по имени Иммануил Кант (1724–1804) издал книгу о строении Вселенной под названием «Всеобщая естественная история и теория неба» (Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels)^{73}. В отличие от Ньютона и подобно Лейбницу, Кант не видел потребности в Божественных чудесах для объяснения Вселенной. Он писал:

«Мироустройство, которое не может удержаться без чуда, не отличается постоянством, а ведь постоянство — признак Божественного выбора»^{74}.

Вселенная Канта начинается из созданного Богом хаоса частиц, находящихся в бесконечной пустоте. Частицы притягиваются друг к другу гравитационными силами и формируют сгустки материи, которые превращаются в упорядоченные структуры, подобные Солнечной системе. Млечный Путь представляет собой скопление звезд в форме диска. Наблюдаемые туманности — это не отдельные звезды, а скопления, подобные Млечному Пути, вечно дрейфующие в бесконечном пространстве^{75}.

Эта книга была неизвестна широким кругам до 1854 года, когда немецкий физик Герман фон Гельмгольц (1821–1894) упомянул ее в своей лекции. Кант все же больше известен благодаря своей философии, однако в области астрофизики он также не ударил в грязь лицом.

 

Небеса Гершеля

Фредерик Уильям Гершель (1738–1822) был, возможно, самым продуктивным астрономом XVIII века. Во второй половине столетия Гершель построил несколько зеркальных телескопов и сделал ряд важных открытий. Он помог установить, что Уран, ранее считавшийся звездой, на самом деле является планетой. Он открыл два спутника Сатурна и два спутника Урана. Он определил, что галактика Млечный Путь имеет форму диска. Гершель наблюдал двойные и множественные звезды. Он обнаружил, что Солнце испускает инфракрасное излучение. Среди прочего он также доказал при помощи микроскопа, что кораллы — это животные, а не растения.

В период между 1782 и 1802 годом Гершель проводил систематическое исследование незвездных объектов, то есть расплывчатых образований, называемых туманностями. Он составил каталог, включающий более 1000 туманностей, классифицировав их в зависимости от яркости, формы, размеров и других характеристик.

Начиная с 1785 года Гершель пишет серию работ под общим названием «Строение небес» (The Construction of the Heavens), в которой выдвигает предположение, что туманности находятся на очень большом расстоянии от Земли. Поскольку скорость света имеет предел, астроном, наблюдающий за туманностями, должен был бы заметить их перемещение в небе. Однако этого движения не видно, следовательно, туманности находятся очень далеко от нас^{76}.

В 2009 году Европейское космическое агентство запустило космическую обсерваторию «Гершель» — огромный инфракрасный телескоп, проработавший до 2013 года^{77}.

 

Парадокс Ольберса

Галлей, Кеплер, а также швейцарский астроном Жан Филипп де Шезо (1718–1751) осознавали проблему, вытекающую из высказанной Николаем Кузанским и Томасом Диггесом идеи о бесконечном числе звезд во Вселенной. После того как немецкий астроном Генрих Вильгельм Маттеус Ольберс (1758–1840) сформулировал эту проблему, она стала известна как парадокс Ольберса: если Вселенная вечна и бесконечна, то ночное небо должно быть не темным, а ярким от света всех наполняющих ее звезд.

Чтобы понять, почему должно быть так, представьте себе сферическую оболочку определенной толщины, расположенную на некотором расстоянии от Земли. Объем этой оболочки будет равен ее толщине, умноженной на площадь ее поверхности, 4πr 2. Если мы предположим, что пространство этой оболочки равномерно заполнено звездами, то ее яркость будет пропорциональна ее объему. Однако интенсивность света (мощность источника на единицу площади), достигающего Земли, снижается по формуле 1/r 2. Таким образом, если средняя яркость звезды не зависит от ее удаленности от Земли, каждая последующая оболочка той же толщины будет давать такую же яркость и наблюдаемый с Земли свет будет исходить от совокупности всех звезд во Вселенной. В бесконечной Вселенной этот свет будет ярче солнечного — более того, его интенсивность будет бесконечна. Очевидно, это совсем не похоже на то, что мы видим вокруг.

Есть несколько возможных объяснений того, почему небо ночью темное. Эдгар Аллан По (1809–1849) в своем эссе 1848 года под названием «Эврика» предположил, что свет от наиболее удаленных звезд просто еще не достиг Земли. То есть возраст Вселенной конечен и мы можем увидеть свет только тех звезд, от которых он успел дойти за срок ее существования.

Это так, но еще одна причина, которую мы обсудим позднее, заключается в том, что Вселенная расширяется. Энергия света, идущего с большого расстояния, снижается из-за красного смещения в сторону длинноволнового низкоэнергетического излучения.