Виктор Вайскопф - Наука и удивительное [Как человек понимает природу]

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.

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.

На каком же расстоянии от нас находятся звезды? Предположим, что звезды, которые мы видим на небе, примерно столь же велики и ярки, как и Солнце, что в значительной степени верно. Нам они совсем не кажутся одинаково блестящими: одни светят ярко, другие — слабо. Если наше исходное предположение верно, то это можно объяснить только тем, что одни звезды ближе к нам, другие — дальше. Тогда нам легко вычислить расстояния до звезд.

Обратимся теперь к Сириусу и вспомним такой хорошо известный факт: если одно из двух одинаково ярких тел находится от нас на расстоянии в n раз большем, чем другое, то более близкое тело кажется в n 2раз ярче. Применим этот закон к Солнцу и Сириусу. Солнце кажется значительно более ярким. Сравнивая интенсивности света, мы увидим, что Солнце в (миллион) 2раз ярче Сириуса. Тогда из нашего закона следует, что Сириус находится от нас в миллион раз дальше, чем Солнце. Яркость других звезд, например семи звезд ковша Большой Медведицы, в девять раз меньше яркости Сириуса. Тогда, если справедливо наше предположение о равной абсолютной светимости, они должны находиться еще в три раза дальше. Было бы легко найти расстояния до всех звезд, а значит и размеры всей нашей видимой Вселенной, если бы все звезды имели приблизительно равную светимость.

Нельзя ли подтвердить эту гипотезу какими-либо другими наблюдениями? Да, можно. Это делают, непосредственно измеряя расстояния до некоторых звезд и сравнивая полученный результат с тем, который следует из нашей гипотезы. Если результаты, найденные обоими способами, совпадают, гипотеза верна. Простейший способ измерения расстояния до какого-либо недоступного предмета состоит в том, чтобы визировать его из двух разных точек и затем определить, как изменяется направление, в котором он виден. Отдаленное дерево будет видно слегка в ином направлении, если мы пройдем несколько шагов в направлении, перпендикулярном линии, соединяющей дерево и наблюдателя. Чем дальше дерево, тем меньше изменится направление, в котором оно видно. Из этого изменения можно вычислить расстояние до дерева [3] Если выразить изменение направления в градусах, например считать его равным а , и пройти n метров, то расстояние до дерева составит 57 n / a . Чем меньше а, тем дальше от нас находится дерево. . Конечно, звезды так далеки, что, ведя наблюдения из разных точек земного шара, невозможно заметить ни малейшего изменения в направлении.

Но здесь можно воспользоваться тем обстоятельством, что Земля вращается вокруг Солнца и мы поэтому непрерывно меняем точку наблюдения звезды (рис. 4).

Рис. 4. Кажущееся смещение. Зимой звезда видна в направлении З, а летом — в направлении Л (а). Поэтому звезда, видимая с Земли, кажется смещенной на расстояние, равное диаметру земной орбиты (б).

Зимой мы смотрим на звезду из точки, которая на 300 миллионов километров удалена от летней точки наблюдения. Если мы перемещаемся из некоторой точки круга в противоположную, то звезды, в особенности ближайшие, будут казаться слегка смещенными. Если за полгода Земля переместилась, скажем, справа налево, то звезды должны переместиться по небесному своду слева направо. Звезда переместится то небесному своду на расстояние, равное диаметру земной орбиты (300 миллионов километров), если считать неподвижной Землю, иначе говоря, мы увидим звезду, сместившуюся на угол, под которым виден диаметр земной орбиты со звезды. Если наша предыдущая гипотеза верна, то Сириус, который в миллион раз дальше от нас, чем Солнце, должен совершать периодические смещения, не превышающие размеры гривенника, наблюдаемого с расстояния в 5 км (увеличенный в миллион раз радиус гривенника). Такое смещение действительно было найдено!