ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра физики космоса

Мишуров Юрий Николаевич

ПЛАНЕТЫ И ЗВЕЗДЫ

курс лекций

для студентов 3 курса физического факультета

г. Ростов-на-Дону

2007

ВВЕДЕНИЕ

I. Предмет и цели курса

Предметом изучения настоящего курса являются планеты, звезды, Солнце как ближайшая звезда и Солнечная система, межзвездная среда, наша Галактика, другие галактики, крупномасштабная структура Вселенной и, наконец, Вселенная в целом.

Наша цель  познакомить с физическим строением и химическим составом этих объектов, с их происхождением и эволюцией. Но не только это является целью курса. Главное  это дать основные фундаментальные физические представления, на основе которых исследуется Природа в больших масштабах.

Вещество во Вселенной эволюционирует от простого к сложному, и на некотором этапе его эволюции в локальной области возникают условия для зарождения жизни. Происхождение жизни во Вселенной  один из центральных вопросов нашего курса.

2. Основные этапы развития представлений о строении Мира

В развитии наших представлений о картине Мира выделяются четыре этапа: I) древний; 2) средневековый; 3)новый и 4)новейший, или современный.

В течение первого этапа был сделан ряд открытий. Их следует оценивать как крупнейшие уже хотя бы потому, что отсчет сделанному здесь идет от нуля. Но не только поэтому. Открытия, о которых речь будет идти ниже, позволили в дальнейшем установить масштабы Мира. Остановимся вкратце на некоторых из них.

Пифагор (VI век до н.э.) высказал идею о том, что Земля и другие небесные тела  шары. Подтверждения этому были найдены еще в древности, в частности, Аристотелем в IV веке до н.э. (в этой связи возникает вопрос: какие данные указывают на то, что Земля  шар?). Эратосфен (III век до н.э.) с удивительной точностью определил радиус Земли . Согласно Эратосфену (современное значение ).

Задача №1. Предложите метод нахождения радиуса Земли. Как это можно сделать сейчас, и как это можно было сделать еще в древности?

Гиппарх (II век до н.э.) первым начал проводить систематические наблюдения положения на небе Солнца, Луны и планет. Он определил радиус Луны, расстояние до неё и разработал метод предвычисления моментов затмений.

Задача №2. Предложите метод определения расстояния до Луны.

Примерно за тысячу лет до нашей эры была установлена продолжительность года и то, что год содержит нецелое число суток. Последнее очень важно, так как оно характеризует точность его определения и уровень исследований. Сейчас мы знаем, что продолжительность года есть период вращения Земли вокруг Солнца, а суток  вокруг своей оси. И совершенно ясно, что в общем случае эти периоды не обязаны быть кратными друг другу^. Однако в то время природа этих периодов не была известна. Продолжительность года определялась с помощью измерения положения на небе небесных тел. Следовательно, эти измерения выполнялись с такой точностью, которая как раз и позволила установить, что в году нецелое число суток. (Чтобы почувствовать сложность этой проблемы, можно поставить такую задачу: предложите метод определения продолжительности года.). В I веке до н.э. при Юлии Цезаре был разработан календарь  он называется юлианским, который с незначительными изменениями дошел до наших дней.

Этот период заканчивается созданием геоцентрической системы Мира, которую принято называть Птолемеевой (II век н.э.), хотя в ее разработке принимали участие известнейшие ученые различных поколений, такие как Платон (V-IV век до н.э.), Аристотель и другие. Согласно этой системе в центре Мира находится Земля. Вокруг нее вращаются Луна, Солнце, планеты и звезды. Планеты и звезды видны как точки. Звезды отличаются от планет тем, что их расположения относительно друг друга не меняются, тогда как положения планет меняются относительно звезд и относительно друг друга (в переводе с греческого слово "планета" означает "блуждающая"). Во времена Птолемея были известны пять планет.

Обсудим вкратце систему Птолемея. В качестве первого шага естественно принять простейшую картину устройства Мира, согласно которой все небесные тела вращаются по круговым орбитам, скажем, вокруг Земли. Вообще говоря, такие идеи высказывались и до Птолемея (кстати, принцип исследования, основанный на том, что природа избирает простейшие решения, является весьма плодотворным и в дальнейшем будет неоднократно демонстрироваться). Однако уже во времена Птолемея были известны факты, которые не укладывались в эту схему. Главный из них  это так называемое попятное движение планет. Как показали наблюдения, планеты на небе прочерчивают замысловатые петлеобразные траектории (рис. 1). Необходимо было объяснить, почему в некоторые периоды планеты движутся назад.

С помощью собственных наблюдений, а также используя наблюдения Гиппарха и высказывавшиеся ранее идеи о том, что неравномерные движения небесных тел можно разложить на сумму равномерных движений по окружностям, Птолемей смог не просто объяснить попятное движение планет, но и дать метод, с помощью которого можно было наперед рассчитывать положения планет. Вкратце суть теории Птолемея заключается в следующем. Движение планет в первом приближении можно представить в виде суммы двух движений. Первое  это движение планеты по некоей окружности  эпициклу. В свою очередь, центр эпицикла, или как бы мы сейчас сказали  ведущий центр  движется по окружности большего радиуса, названной деферентом (рис. 2). В действительности для того, чтобы объяснить все известные в то время особенности в движении планет, Птолемею приходилось прибегать к более сложным построениям, но мы ограничимся этой простейшей схемой.

В литературе иногда можно встретить категорическую оценку, что система Птолемея в принципе неверна и даже чуть ли не реакционная. На самом деле теория строения природных объектов сама по себе не может быть реакционной. Что же касается физического содержания, то оно, безусловно, отсутствовало в теории Птолемея. Это и неудивительно, ведь законы механики были открыты Ньютоном спустя примерно полторы тысячи лет. Система Птолемея носила чисто геометрический характер (впрочем, для того чтобы понять природу эпициклов, ниже предлагается Задача №6). Она прослужила до середины второго тысячелетия и вполне удовлетворяла практическим запросам того времени^.

Расположение Земли в центре Вселенной на современном языке означает, что Птолемей связал начало координат с Землей. С точки зрения современной физики выбор системы отсчета, вообще говоря, не является принципиальным в том смысле, что в любой системе отсчета можно правильно описывать явления природы. Просто некоторые системы отсчета являются более предпочтительными, поскольку в этих системах отсчета законы движения тел выглядят проще. Так, при описании движения замкнутой системы тел, взаимодействующих, скажем, гравитационно, предпочтительной является система координат, связанная с центром масс. Применительно к Солнечной системе можно сказать, что масса Солнца почти в I000 раз больше суммарной массы всех планет, и размеры ее таковы, что центр масс располагается внутри Солнца. Именно по этой причине система отсчета, связанная с Солнцем, оказывается наиболее предпочтительной при рассмотрении движения планет.

Во времена Птолемея почти не было наблюдательных данных, которые непосредственно указывали бы на движение Земли вокруг Солнца (попятные движения планет он объяснил с помощью эпициклов). Поэтому он естественно принял наиболее простую с его (да и не только его) точки зрения систему координат, связанную с Землей. Хотя еще задолго до него, в III веке до н.э. Аристарх Самосский пришел к выводу о том, что Солнце является самым большим телом в нашей системе, и поэтому оно должно быть в центре, а Земля вращается вокруг него. Однако эта идея не получила в то время должного признания, и восторжествовала геоцентрическая система Мира Птолемея  Аристотеля.

Как известно на смену античному миру пришла эпоха мрачного средневековья. Развитие всех наук затормозилось более чем на тысячу лет. Геоцентрическая система Мира совпала с установкой господствующей идеологии, что Земля в центре Вселенной. Поэтому в этот период если что и делается, то в основном для подтверждения ортодоксальной точки зрения, и напротив, пресекаются всякие попытки выйти за ее рамки. Этот период можно охарактеризовать отсутствием значительных открытий, хотя и нельзя сказать, что совершенно ничего не делалось. При каждом приличном дворе обязательно были ученые, занимавшиеся изучением небесных тел, строились обсерватории, накапливался наблюдательный материал. В частности, в начале второго тысячелетия было обнаружено значительное отклонение действительных положений планет на небе от предсказанных в рамках теории Птолемея. В общем, подготавливался фундамент для последующих эпохальных открытий.

Новое время принято отсчитывать с XVI-XVII веков, когда в Нидерландах, а затем в Англии произошли буржуазные революции. Капитализм, пришедший на смену феодализму, разрушил путы, сковывавшие развитие производительных сил и науки. Но еще раньше, в XV веке началась эпоха великих географических открытий. Освоение новых пространств, путешествия через океан, где нет никаких ориентиров, кроме звезд на небе, стимулировали разработку более точных и простых методов ориентирования и счисления времени, чем те, которые могла обеспечить геоцентрическая система Птолемея. Все это, а также накопленный материал подготовили почву для революции в наших представлениях о строении Мира, которую и совершил в середине XVI века Николай Коперник. Коперник предложил ставшую сейчас общепринятой гелиоцентрическую систему, согласно которой Солнце расположено в центре, а Земля и другие планеты вращаются вокруг него (кстати сказать, эта система строения Солнечной системы даже еще проще, чем геоцентрическая, так что принцип максимальной простоты устройства Природы здесь полностью оправдался). Попятное движение планет в теории Коперника объясняется совершенно непринужденно (как?).

Открытие Коперника оценивается как первая революция в естествознании. Оно явилось началом целой серии эпохальных открытий. После Коперника в течение короткого времени, порядка ста лет, произошел качественный скачок в понимании фундаментальных принципов устройства окружающего нас Мира. Спустя приблизительно полвека И. Кеплер открыл законы движения планет, а еще примерно через полвека И. Ньютон установил законы механики и закон всемирного тяготения. Сюда нужно также добавить развитие математики, в особенности, дифференциального и интегрального исчисления. В совокупности эти открытия позволили не только вычислять с огромной точностью движения небесных тел, но и предсказать существование новых планет  Нептуна и Плутона, Блестящим подтверждением этих идей явилось также предсказанное Ньютоном возвращение кометы Галлея.

На эту же эпоху приходится изобретение Г. Галилеем телескопа (начало XVII века). Дальнейшее его усовершенствования позволило сделать ряд новых открытий. С точностью до нескольких процентов было определено расстояние до Солнца, то есть установлены абсолютные масштабы Солнечной системы (Дж.Кассини, начало XVIII века), и стало возможным найти массу Солнца. В XIX веке измерены расстояния до ближайших звезд (Ф. Бесселем и др.).

В середине XVII века Ньютон положил начало спектральным исследованиям, разложив с помощью трехгранной призмы солнечный свет в спектр. В прошлом веке было замечено, что между видом спектра (скажем, наличием тех или иных спектральных линий) и химическим составом излучающего вещества есть связь. Тем самым появилась возможность изучать химический состав Солнца, планет и звезд. Поразительным результатом этих работ стало открытие на Солнце нового элемента  гелия, второго элемента в таблице Менделеева. Самое удивительное заключается в том, что гелий на Земле был обнаружен лишь после того, как он был открыт на Солнце. Это открытие явилось блестящим подтверждением идеи о материальном единстве Мира.

Во второй, половине прошлого века были начаты работы по спектральной классификации звезд. Одной из самых важных вех в этом направлении явилось обнаружение Э. Герцщпрунгом и Г. Ресселом в начале нашего века зависимости между светимостями, то есть мощностью излучения звезд и их спектрами. На этом фактически завершился период накопления и классификации звездных данных. Установленные связи между звездными параметрами и должна была объяснить теория строения звезд. Этим заканчивается третий этап.

Непременно нужно отметить, что огромную роль, как на этом, так и на последующем этапе сыграло изобретение в прошлом веке фотографии.

Последний, современный этап развития наших представлений о строении природы в больших масштабах можно охарактеризовать несколькими наиболее главными моментами. Становление квантовой механики сделало возможным анализ звездных спектров и определения по ним физического состояния и количественного элементного состава вещества звезд. Наконец, развитие ядерной физики привело к решению основной проблемы звезд  проблемы источников их энергии (А. Эддингтон, Р. Аткинсон, Ф. Хоутерманс, Г. Бете, К.-Ф. Вайцзеккер). Последующее развитие вычислительной техники позволило более-менее детально рассчитывать внутреннее строение звезд. Тем самым в основном получил свое решение вопрос о том, что представляют собой и как устроены звезды, хотя исследования звезд на этом не закончились. Они продолжаются и в нестоящее время. Можно с уверенностью сказать, что звезды  это проблема, которой еще долго будут заниматься. Нас ждет еще немало открытий. Иллюстрацией к тому является открытие нейтронных звезд.

Второе важнейшее направление исследований связано с открытием мира галактик. Спиральные туманности были известны еще в прошлом веке, но лишь в 1923 г. Э. Хаббл надежно определил расстояние до одной из ближайших галактик  Туманности Андромеды. К 30-му году были установлены размеры Млечного Пути. В I922-I924 гг. наш соотечественник А.М. Фридман на основе общей теорий относительности, созданной в 1915 г. А. Эйнштейном, разработал теорию расширяющейся Вселенной. В 1929 г. Хаббл открыл связь между скоростью удаления галактик и расстоянием до них, блестяще подтвердив тем самым теорию Фридмана. Бурное развитие этого направления началось в 60-е годы после открытия реликтового излучения и квазаров. Уже в наше время создана, пожалуй, одна из самых красивых теорий  теория "пенной" структуры Вселенной.

Что еще отличает исследования в нашу эпоху  это вывод аппаратуры за пределы земной атмосферы с помощью космических аппаратов. Исследованиям стал доступен весь диапазон электромагнитного излучения  от инфракрасного до гамма. Образно говоря, окно, через которое к нам поступает информация, стало существенно больше. Благодаря этому, сделан целый ряд крупных открытий, но еще большее количество открытий впереди. Возможно, уже в ближайшие годы мы сможем увидеть планеты у других звезд и, быть может, узнать что-то о жизни вне Земли. Это было бы самым крупным событием за всю историю человечества.

В заключение хотелось бы остановиться на таком вопросе. Прослеживая развитие науки за большой промежуток времени, можно заметить определенную корреляцию между периодами подъема в науке и потребностями той или иной эпохи. В целом, так сказать, статистически этот вывод вряд ли подлежит сомнению. Развитие общества и производительных сил, безусловно, стимулирует развитие науки и даже чуть ли не диктует те или иные открытия. Вместе с тем развитие науки может происходить относительно самостоятельно. Классическим примером тому является создание Эйнштейном общей теории относительности, которая в отличие от, скажем, специальной теории относительности или квантовой механики "в дверь не стучалась".