Оптическое путешествие по космосу

В 1611 году выдающийся немецкий астроном Иоганн Кеплер создал астрономическую трубу, которую можно считать предшественницей современных мощных телескопов-рефракторов. Астрономическая труба постепенно совершенствовалась: улучшалось качество линз, увеличивался их размер, создавались механизмы для наводки трубы на определенный участок неба, был придуман механизм для сохранения постоянства точки наблюдения независимо от вращения Земли. Одним словом, астрономическая труба превратилась в мощный, очень усовершенствованный телескоп. Ученые с помощью таких телескопов могли все глубже и глубже проникать взглядом в отдаленные участки Вселенной. Появилась возможность познакомиться более подробно с планетами Солнечной системы. У многих из них были обнаружены спутники, о существовании которых раньше не было известно, улучшилось наблюдение комет.

Сейчас, кроме оптических телескопов, получают все большее распространение радио- и рентгеновские телескопы. Они дают возможность изучать не внешние признаки небесных тел, а узнавать иногда и о тех процессах, которые происходят в их недрах.

Радиотелескопы сообщают ученым о многих интересных событиях, которые происходят в самых отдаленных местах нашей Галактики и даже за ее пределами, в других звездных системах.

Улавливая радиоволны и рентгеновское излучение, приходящие из космического пространства, ученые узнают много нового. Но не о том, что происходит сейчас. Ученые узнают о том, что происходило многие годы назад. От нескольких лет до тысяч, миллионов и даже миллиардов лет! Скорость света и радиоволн 300 000 километров в секунду. Это самая большая скорость, возможная в природе. Свет Солнца доходит до нас тоже не мгновенно, а спустя 8,3 минуты после «вылета» с солнечной поверхности.

Однако, сопоставляя разные наблюдения, изучая по существу прошлое нашей Вселенной, ученые могут судить и о том, что происходит в ней теперь.

 

Самодельный телескоп-рефрактор

Существует два типа оптических телескопов: телескопы-рефракторы и телескопы-рефлекторы.

В телескопах-рефракторах оптическая система состоит из линз. И объектив (оптическая система, направленная на наблюдаемый объект) и окуляр (оптическая система, в которую рассматривается пойманное объективом изображение) — линзы. В телескопах-рефлекторах исследуемый объект ловится параболическим зеркалом, а затем полученное изображение рассматривается с помощью окуляра, состоящего из системы линз.

Мы с вами сделаем телескоп-рефрактор, потому что линзы к нему приобрести легко и изготовление его несложно. Параболическое же зеркало к телескопу-рефлектору нужно шлифовать самому, а это довольно сложное и длительное дело. Но если кто из вас заинтересуется изготовлением телескопа-рефлектора, нужные сведения сможет получить из книги М. С. Навашина «Телескоп астронома любителя» (Физматгиз, 1962).

С помощью телескопа, который мы с вами изготовим, можно будет совершать увлекательные «прогулки» по небу, конечно, когда оно свободно от туч и облаков и на открытом воздухе достаточно тепло. Из комнаты через оконное стекло наблюдать звездное небо неудобно, кроме того, оконное стекло исказит изображение. Телескоп, который мы сделаем, даст возможность наблюдать Луну, планеты и звезды, увеличивать он будет в сто раз. При наблюдении, например, Марса во время его противостояния, то есть когда он ближе всего находится к Земле, вы увидите красноватый кружочек размером с горошину, если ее рассматривать на расстоянии 30 сантиметров.

Для нашего телескопа понадобятся две линзы, несколько листов толстой настольной бумаги и клей.

Линзу для объектива можно приобрести в аптеке в отделе оптики. Нужна очковая линза +0,5 диоптрии. У линзы могут быть неровные края, пусть это вас не смущает. Диаметр линзы около пяти сантиметров, и такого же диаметра мы будем клеить трубу.

Для окуляра нужно приобрести лупу с фокусным расстоянием два сантиметра. Диаметр лупы значения не имеет, но лучше, чтобы он был не больше пяти сантиметров. Основная труба телескопа должна быть 1,9 метра, а вместе с окулярной трубкой — 2 метра.

Если вам не удастся достать линзу +0,5 диоптрии, то можно взять линзу в +1 диоптрию. Но тогда телескоп будет длиною в один метр. При том же окуляре это даст увеличение в 50 раз. И этого увеличения достаточно для многих интересных наблюдений. Изображение планет будет меньшего размера, но зато более четкое.

Для изготовления основной трубы нужно взять лист плотной настольной бумаги, свернуть его в трубку на ровной палке или подходящей трубе диаметром пять сантиметров, затем, распрямив лист, следует отметить, сколько бумаги приходится на внутреннюю поверхность трубы. Эту часть листа закрасьте черной не блестящей краской (черной гуашью или «соусом»). Внутренняя поверхность трубы должна быть черная и не блестящая. Затем промажьте клеем край листа и, свернув его опять в трубку на той же палке, туго намотайте на нее остальную часть листа. С внутренней стороны смажьте край листа клеем, тогда труба не развернется. Нужно позаботиться, чтобы трубка была свернута туго и все слои бумаги плотно прилегали друг к другу. Для трубы длиною в 1,9 метра, возможно, понадобится склеить еще одну такую же трубку, а затем, состыковав их концами, обмотать стык два-три раза бумагой, хорошо промазывая внутреннюю сторону листа клеем. Если вы предполагаете взять будущий телескоп в поездку, то для удобства место стыка надо изготовить так, чтобы одну трубку можно было бы легко отсоединить от другой.

Для окулярной трубки нужно склеить из такой же бумаги трубку длиной 20 сантиметров. Ее внутренний диаметр должен равняться наружному диаметру большой трубы. Необходимо, чтобы окулярная трубка, плотно надетая на конец основной трубы, достаточно свободно передвигалась по ней.

Когда основная и окулярная трубы будут склеены, нужно укрепить в них линзы.

Из тонкого картона или из той же плотной бумаги изготовьте с помощью ножниц и клея две крышечки; одну для конца трубы, где будет объектив, другую на конец окулярной трубки. Точно в середине крышечек надо прорезать отверстия чуть меньше диаметров наших линз. Поставив снаружи линзу точно посередине, наложите на линзу кольцевой ободок из плотной бумаги и слегка закрепите его клеем. Теперь крышечки вместе с линзами в любое время можно будет снять, протереть линзы чистой байковой тряпочкой и положить в коробочку, чтобы не пылились.

Линза объектива должна устанавливаться выпуклостью наружу. Когда все будет готово, линзы протерты и надеты на свои места, можно считать, что оптическая часть телескопа готова. Неплохо трубки телескопа покрыть снаружи масляной краской и дать ей хорошо высохнуть.

Для склеивания больших трубок можно использовать клейстер, который готовят для клейки обоев. Для клейки колпачков — держателей стекол — лучше пользоваться синтетическим или каким-либо другим клеем в тюбике, который хорошо клеит бумагу. При работе с клеем ни в коем случае нельзя пачкать стекла. Стекла должны быть идеально чистыми. Брать линзу можно охватив двумя пальцами ее противоположные края.

Перед установкой линз в оправах их нужно помыть с мылом (если только линзы не склеенные), дать хорошо просохнуть и затем протереть чистой байковой тряпочкой.

Нам осталось сделать еще одну важную часть телескопа — штатив. Без штатива пользоваться телескопом невозможно.

Штатив нужно сделать такой высоты, чтобы можно было, сидя на складном стуле, без особого напряжения наблюдать разные участки неба — от Полярной звезды (над головой) до самого горизонта.

Штатив будет комбинированный — состоять из неподвижного треножника и выдвижного, поворачивающегося во все стороны устройства.

Ножки штатива нужно сделать из деревянных планок длиной около 120 сантиметров, сечением 2x4 сантиметра. Из доски толщиной 4 сантиметра выпилите треугольник со сторонами примерно по 12 сантиметров.

В центре треугольника просверлите отверстие, в которое будет вставляться круглая палка диаметром 2–2,5 сантиметра. Это будет держатель нашего телескопа. В палке-держателе через каждые 5 сантиметров сделайте сквозные отверстия, в которые можно вставить металлическую шпильку. Упираясь в треугольник треножника, шпилька не даст держателю опускаться вниз.

К треугольнику, срезав его углы, на навесных петлях прикрепите ножки, заострив их.

К верхней части держателя, сбоку, привинтите двумя шурупами деревянный кружок. К нему на винте с барашком прикрепите второй кружок, который может поворачиваться на винте. Винт с барашком при его завинчивании до отказа должен прижимать один кружок к другому. Ко второму кружку по его хорде прикрепите деревянную рейку длиной 50–60 сантиметров. К ее концам перпендикулярно к ней прикрепите два фанерных кружка диаметром 12–15 сантиметров. В кружках нужно сделать кольцевые гнезда, в которые будет вкладываться наш телескоп. К этим кружкам приделайте шнурки для закрепления телескопа, тогда он не вывалится из гнезд. Здесь дано описание деталей простейшего треножника; вы можете придумать более совершенную конструкцию. Например, весь держатель телескопа сделать металлический: вместо деревянной круглой палки — алюминиевая трубка, все остальные крепежные детали— из имеющегося под рукой металла. Все деревянные детали штатива перед их сборкой нужно хорошо обработать наждачной шкуркой, покрасить и покрыть лаком.

Уровень расположения трубы регулируется подниманием или опусканием держателя (палка или трубка). Вставленная в соответствующее отверстие деревянная палочка не даст телескопу вместе с держателем сдвинуться вниз. Для того чтобы у держателя телескопа не было перекоса, вставьте наглухо в деревянный треугольник штатива небольшой металлический патрубок, а уж в него стержень держателя. Тогда система будет устойчивее и держатель будет легче поворачиваться вокруг своей оси.

Наклон трубы телескопа обеспечивается поворотом кружка с рейкой вокруг болта с барашком. Барашек крепко фиксирует наклон трубы.

На подгонку приспособлений для наклона и поворота телескопа нужно обратить особое внимание. Телескоп все время придется вращать, даже когда он уже наведен на определенный объект ваших наблюдений. Земля вращается, и наблюдаемый вами объект все время будет выскальзывать из поля наблюдения. В обсерваториях у каждого телескопа есть механизм, который вращает телескоп с той же скоростью, с какой Земля «уводит» его от объекта наблюдения. В результате телескоп оказывается «намертво» нацеленным в нужную точку неба, и астроном может спокойно вести свои наблюдения или производить фотосъемку.

Когда у вас все будет готово и телескоп укреплен в гнездах штатива, поверните трубу горизонтально и наведите ее на какой-нибудь отдаленный предмет — дерево, дом, фонарный столб и т. п. Лучше это делать днем. Направлять телескоп на объект наблюдения нужно так, как будто вы собираетесь выстрелить из ружья и наводите его на цель. «Цель» должна оказаться на линии, проходящей по самому верху трубы. Ни мушки, ни прицельной рамки на трубе нет, но их легко себе представить. А когда «цель» поймана, тогда легко навести и объектив на намеченный объект. Смотря в окуляр, двигайте его взад и вперед, пока не увидите четкое изображение. Изображение будет «вверх ногами», но это не имеет никакого значения при наблюдении небесных тел.

Четкость изображения зависит от правильной центровки линз нашего телескопа. Центры линз объектива и окуляра должны совпадать с осью трубы. Для проверки центровки попробуйте, смотря на наблюдаемый предмет, вращать трубку окуляра вокруг своей оси. Если изображение остается без изменений, значит, центровка правильная и, дождавшись вечера и, конечно, безоблачного неба, можно будет приступить к увлекательному путешествию по небу.

С помощью телескопа вы сможете познакомиться со многими планетами Солнечной системы, с кратерами Луны и ее «морями». Правда, звезды будут выглядеть почти так же, как и без телескопа, только немного ярче, но в телескоп вы увидите и такие звезды, которые простым, невооруженным глазом не разглядишь.

Для тех, кто увлечется астрономией, а ею трудно не увлечься, можно порекомендовать книгу И. Д. Новикова и В. А. Шишакова «Самодельные астрономические инструменты и наблюдения с ними». В ней описано, как изготовить разнообразные астрономические инструменты.

Чтобы «путешествовать» по небу не вслепую, приобретите «путеводитель по небу» — «Школьный астрономический календарь». Его ежегодно выпускает издательство «Просвещение». В календаре дана карта звездного неба, рассказано, что, когда и где можно наблюдать.

 

Чем недовольны астрономы

Чем же они недовольны? Сейчас созданы замечательные обсерватории с мощными телескопами и другими совершенными приборами. С их помощью изучают не только планеты Солнечной системы и звезды нашей Галактики, но и проникают в тайны других галактик. Оборудованием обсерваторий астрономы вполне довольны, недовольны же они… земной атмосферой! Это звучит, конечно, странно — жизнь на Земле существует только благодаря атмосфере и солнечным лучам. Как же можно быть недовольным тем, без чего невозможна жизнь?

Земная атмосфера так преломляет световые лучи, идущие от планет, звезд, других галактик, что их изображение получается с некоторым искажением. Кроме этого, атмосфера влияет и на прием радиосигналов, приходящих из отдаленных глубин Вселенной. Атмосфера содержит в себе и влагу и частички пыли, не говоря уже о том, что тучи и облака в самый нужный для наблюдений момент могут закрыть небо.

Мечта всех астрономов — скорее вырваться в космос за пределы земной атмосферы и там без всяких помех производить свои наблюдения. Но пока астрономы остаются на Земле. И только космонавтам, когда они находятся на орбитальной станции, удается наблюдать далекие миры без атмосферных помех. Поэтому летчики-космонавты, когда они отправляются в космическую командировку, получают много различных поручений от астрономов. Наши орбитальные станции оснащены совершенными приборами. Правда, размеры телескопов пока несколько ограничены. Из космических командировок космонавты привозят фотоснимки, записанные приборами на пленках и бумажных лентах графики, результаты самых разнообразных наблюдений и исследований. На Земле ученые весь этот материал изучают и готовят задания для следующих летчиков-космонавтов, которые полетят на орбитальную станцию.

Конечно, для наших астрономических наблюдений атмосферные помехи не будут иметь большого значения. И мы удовлетворимся инструментами и теми условиями, которые у нас имеются.

 

Цветовые сообщения из далеких миров

Кроме оптических телескопов, которые дают возможность увидеть далекие миры или сфотографировать определенные участки неба для их детального изучения, существуют специальные приборы, которые улавливают радиосигналы, возникающие в результате сложных физических процессов, происходящих в отдаленных районах нашей Галактики. Имеются приборы для изучения космических лучей. С помощью специального телескопа изучаются рентгеновские излучения Солнца и звезд.

Но есть и еще один очень интересный способ изучения далеких миров, который дает возможность узнать, из каких элементов состоит далекая звезда, а также в каком направлении и с какой скоростью она движется.

Этот способ — спектральный анализ. Ученые с помощью приборов спектроскопов получают из космоса своеобразные, как бы шифрованные донесения. Расшифровывая цветовой язык этих сообщений, ученые многое узнают о нашей Вселенной.

Чтобы понять, как расшифровываются цветовые сообщения из далеких миров, мы с вами сначала проделаем несколько опытов.

 

Солнечный зайчик и его превращение

Начнем с солнечного луча.

Трехгранная стеклянная призма у вас дома вряд ли есть, но зеркало из толстого стекла может быть. У зеркал из толстого стекла края всегда скошенные. Наведите с помощью маленького зеркальца на зеркало со скошенными краями солнечный зайчик. Падая на зеркало под небольшим углом, он отразится от амальгамы и выйдет наружу через скошенный край зеркала. И тогда на стене или на подставленном листе бумаги вы увидите цветовую полоску — радугу.

Бывает и так, что радуга возникает в комнате случайно. В ясный день против зеркала на потолке или стене вдруг появляется красивая цветная полоска.

Каждый цвет спектра незаметно переходит в другой. Исаак Ньютон выделил семь цветов спектра:

Красный.

Оранжевый.

Желтый.

Зеленый.

Голубой.

Синий.

Фиолетовый.

С отдельными цветами спектра можно проделать любопытные опыты. Например, «смешать» два основных цвета спектра, взятых через один и получить третий основной цвет спектра, стоящий между ними.

Так, красный и желтый превращаются в оранжевый; оранжевый и зеленый, смешиваясь, дают желтый; желтый и голубой дают зеленый; зеленый и синий — голубой…

В лаборатории смешивать цвета удобно с помощью проекционных фонарей и наборов цветных стекол — светофильтров. У нас с вами ничего этого нет. Поэтому мы будем смешивать не различные цвета спектра, а различные цвета красок. Для этого воспользуемся хорошими акварельными красками и простым самодельным волчком.

Вырежьте из белой плотной (рисовальной) бумаги несколько кружков диаметром 4,5–5 сантиметров и один такой же кружок из не очень толстого картона. Бумажные кружки разделите на восемь одинаковых секторов. Проводите карандашом линии слегка, чтобы меньше загрязнялся цвет, который мы хотим получить. Закрасьте сектора поочередно теми цветами, которые вы предполагаете сложить. Например, один сектор красный, другой— желтый, снова красный, затем желтый и так далее. Краску нужно наносить не густо, а так, как принято в акварельной живописи, чтобы и цвет был достаточно насыщенный, и бумага просвечивала. Краска должна лежать ровно, без подтеков. Перед нанесением краски смочите сектор, который вы собираетесь закрашивать, чистой водой, удалите кистью лишнюю воду и по ровновлажной поверхности нанесите разведенную заранее краску. Когда краска высохнет, разровняйте кружок, наложите его на картонный кружок и проткните их заостренной спичкой. Запустите полученный волчок на гладкой поверхности, и вы увидите тот цвет, который появился от сложения красного и желтого цветов — оранжевый.

Для неоднократного проведения этого опыта советуем наклеить на картон белую бумагу и вырезать столько кружков, сколько пар цветов вы собираетесь смешивать.

Со смешением цветов можно проделать и такие опыты. В спектре существуют так называемые дополнительные цвета. Они при оптическом смешении дают белый цвет. Вот эти цвета: красный и голубовато-зеленый, оранжевый и голубой, желтовато-зеленый и фиолетовый. Если с помощью волчка сложить три цвета: красный, зеленый и синий, тоже получится белый цвет.

Красный, зеленый и синий цвета применяются как основные цвета в цветной фотографии, цветном кино и телевидении.

Конечно, на ваших волчках чисто-белого цвета добиться будет трудно, даже самая хорошая акварельная краска содержит некоторые посторонние примеси. Чем нежнее, прозрачнее вы нанесете на сектора краску, тем лучший результат получится.

Мы неправильно употребляем слово «цвет» к белому и черному. Белого цвета нет. Это оптическая сумма всех цветов. Также не существует черного цвета. Черное — это полное отсутствие любого цвета и света вообще. Но так уж принято наряду со всеми цветами спектра говорить «черный цвет», «белый цвет».

Художники широко использовали смешение различных цветов. Существовало течение — пуантелизм. Художник наносил на холст чистую краску маленькими мазками, чередуя мазки разных цветов так, чтобы они на некотором расстоянии от зрителя давали впечатление нового цвета.

 

Неизбежный разговор о волнах

Почему стеклянная призма разлагает белый свет на цветные лучи? Почему простой солнечный зайчик превращается вдруг в цветную полоску?

Свет, обыкновенный белый свет, который нам щедро, правда, с опозданием на восемь минут, присылает Солнце, сложен по своему составу. Ученые доказали, что свет распространяется волнами, что природа света — волновая, что это очень короткие электромагнитные волны, подобные тем, на которых мы с вами слушаем радиопередачи и смотрим телевизионные программы. Только если длина радиоволн измеряется метрами и сантиметрами, то длина световых волн измеряется миллионными долями миллиметра.

Луч белого света состоит из нескольких цветных лучей, но мы их в отдельности не различаем. Когда белый луч проходит через стеклянную трехгранную призму, она сортирует цветные лучи, расставляет их по своим местам, получается цветная полоса спектра.

Самые длинные волны (в пределах видимого спектра) — это волны красного цвета. Они отклоняются призмой меньше всего. Самые же короткие волны — фиолетового цвета. Они отклоняются больше всех других волн. Волны остальных лучей спектра располагаются между красным и фиолетовым.

 

О чем может рассказать спектр

Солнечные лучи превращаются стеклянной призмой в радужную полоску. Ученые построили прибор — спектроскоп, который дает возможность получать не узенькую полоску спектра, а очень широкую, на которой более плавно один цвет переходит в другой. На этом приборе имеется специальная шкала, по которой видно, что каждый цвет находится строго на своем месте. Опыты показали, что раскаленные твердые тела дают сплошной спектр, а раскаленные газы сплошного спектра не дают, а дают только несколько цветных полосок, настолько узких, что их можно считать линиями.

Например, раскаленные пары металла натрия дают только две близко расположенные друг от друга желтые линии.

Если рассматривать полоску сплошного спектра через сравнительно холодные, то есть не светящиеся пары натрия, то на том месте шкалы спектроскопа, где наблюдались желтые линии от раскаленного натрия, теперь будут две близко расположенные друг к другу черные линии. Пары натрия пропустили через себя все остальные цвета спектра и задержали только те цвета, которые они излучают, когда находятся в раскаленном состоянии.

В сплошном спектре Солнца и в сплошных спектрах звезд есть множество черных линий. Дело в том, что лучи Солнца (или далекой звезды) исходят из раскаленной среды в виде сплошного спектра. А атмосфера Солнца и атмосфера рассматриваемой звезды хотя и состоят из раскаленных газов, но их температура значительно ниже температуры раскаленного источника лучей, поэтому каждый газ по-своему задерживает свою долю спектра.

В спектроскопе на сплошном поле спектра видно много черных линий. Расшифровываются они так: каждая группа линий принадлежит определенному газу. Группируя линии, можно точно сказать, какие газы есть на Солнце, какие газы есть на той или другой звезде.

Интересно, что и на Солнце и на звездах ученые обнаружили только те элементы, которые есть у нас на Земле.

Известен случай, когда с помощью спектроскопа на Солнце был обнаружен неизвестный на Земле газ. Его назвали в честь Солнца гелием. А спустя 26 лет этот самый газ был обнаружен и на Земле. Это второй после водорода легкий газ. Он сейчас широко применяется в промышленности и в научных лабораториях.

Сделайте акварельными красками полосу сплошного спектра точно такого же размера, как в учебнике физики для десятого класса, и обведите ее рамкой.

Затем на листе белого целлофана начертите тушью такую же рамку, приложите целлофан к спектру натрия, и там, где вы увидите желтую полоску (упрощенно изображают одну полоску, на самом деле это две тонкие желтые линии), проведите тушью на целлофане черную полоску такого же размера. Когда тушь высохнет, наложите целлофан на нарисованный вами сплошной спектр. Вы получите спектр поглощения натрия. Казалось бы, зачем все это проделывать, когда на цветной таблице все изображено. Но дело в том, что листочек целлофана в ваших руках заменяет те пары натрия, через которые вы рассматриваете сплошной спектр. Уберите «пары натрия», спектр будет без «поправки». Наложите целлофан, на спектре появилась черная полоска — «автограф» натрия.

В учебнике физики вы можете увидеть солнечный спектр с хорошо видными в спектроскопе черными полосками. Это менее раскаленные газы солнечной атмосферы поглотили каждый свою долю сплошного спектра. Но когда происходит полное солнечное затмение, когда Луна оказывает огромную услугу астрономам, закрывая весь солнечный диск, незакрытой остается светящаяся раскаленная солнечная атмосфера. И вот теперь-то в спектроскоп виден спектр этой самой атмосферы. И там на шкале спектроскопа, где наблюдались черные линии, появились цветные линии тех газов, которые содержатся в раскаленной атмосфере Солнца. Теперь они излучают свой спектр сами, говорят о себе своим цветным языком. Верхние слои солнечной атмосферы, хотя и раскалены и светятся довольно ярко, считаются самой холодной областью Солнца. Температура солнечных недр достигает 20 миллионов градусов, а условно принятая за «поверхность» Солнца фотосфера имеет только 6 тысяч градусов. У раскаленной атмосферы Солнца температура еще ниже.

Когда бывают солнечные затмения, вы можете их наблюдать, вооружившись хорошо закопченным стеклом. А еще лучше, если вы заблаговременно приготовите для наблюдения солнечного затмения фотопластинку, которую нужно выставить на свет, а потом проявить и закрепить. Получится стеклянная пластинка с ровной черной поверхностью, очень удобная для наблюдений. До затмения Солнце через такую пластинку просматривается как неяркий светлый кружок.

 

«Радуга» в космосе

«Красота необычайная!» Это слова первооткрывателя космоса Юрия Гагарина. В своем дневнике он написал: «Когда я смотрел на горизонт, то хорошо видел резкий, контрастный переход от светлой поверхности Земли к совсем черному небу. Наша планета была как бы окружена ореолом голубоватого цвета. Потом эта полоса постепенно темнеет, становится фиолетовой, а затем черной. Этот переход очень красив, его трудно передать словами. Даже в нашем могучем русском языке, пожалуй, не найти таких сравнений, чтобы описать эту картину».

И дальше Гагарин пишет:

«Земля, при переходе космического корабля с теневой стороны Земли на дневную, выглядела так. Сначала идет яркая оранжевая полоса. Потом она очень плавно, незаметно переходит все в тот же знакомый уже нам голубоватый цвет, а затем снова в темно-фиолетовые и почти черные тона. Картина по своей цветовой гамме прямо неописуема. Она надолго остается в памяти».

Второй в мире полет в космическое пространство совершил советский летчик-космонавт Герман Степанович Титов. Он сделал несколько цветных снимков Земли из космического пространства. На одном из снимков, сделанном в момент выхода космического корабля из тени Земли, виден вокруг дугообразного земного горизонта радужный ореол, о котором писал Гагарин.

Земная атмосфера играет роль гигантской призмы, разлагающей солнечный свет на его составные цвета.

Конечно, никакая фотография не в силах передать богатство красок, которое удается наблюдать в натуре.

Проделав опыт, который мы сейчас опишем, вы тоже сможете увидеть красоту природных цветов. Это доставит и вам и тем, кому вы этот опыт продемонстрируете, огромное удовольствие.

Правда, яркие цвета спектра вы получите не в результате преломления света в призме, а вследствие явления дифракции.

Но в данном случае это простой и всем доступный способ получения в домашних условиях отличного спектра, даже лучшего, чем с помощью толстого зеркала.

Возьмите граммофонную, желательно долгоиграющую, пластинку (на долгоиграющей пластинке звуковые дорожки расположены более тесно), подойдите с ней к окну (опыт этот делают днем) и, держа ее горизонтально, прижав ближайший край к переносице, чуть ниже глаз, посмотрите на ближнюю к вам сторону пластинки, на ее звуковые дорожки. При этом дальний край должен находиться в поле вашего зрения немного ниже верхней рамы окна. Между верхней перекладиной рамы и пластинкой должно быть видно небо. Если вытянуть руку, то пространство, в которое виден кусочек неба, должно укладываться в толщину одного-двух пальцев.

Немного наклоняя дальний край пластинки вверх и вниз, вы на дорожках ближней к глазам стороны увидите яркую цветную полосу. Можно так отрегулировать наклон пластинки, что эта полоса станет предельно яркой.

 

Космическая загадка ученым

Изучая спектры далеких звезд, астрономы вдруг встретились с непонятным явлением: в спектрах некоторых звезд черные линии, характерные для определенных химических элементов, почему-то оказались не на тех местах, где им полагается быть. Сдвиг, правда, небольшой, но он все-таки есть! У разных звезд этот сдвиг разный и главным образом в сторону красной части спектра. Это была загадка. Но ученые быстро ее разгадали. И сразу же использовали это явление. Маленькое изменение в спектре дало ученым такие сведения о далеких звездах, каких никаким другим способом получить не удавалось. Это явление было названо «красным смещением», потому что спектральные линии звезд были сдвинуты к красной части спектра.

Чтобы лучше понять загадку «красного смещения», вернемся к волнам.

 

Разговор о звуковых волнах

Известно, что звуковые волны продольные. А как они выглядят? Ведь продольную волну в природе не увидишь. Со световыми волнами лучше. Они поперечные. И хотя волны на воде довольно грубая модель, все же они дают некоторое представление о природе световых волн.

Чтобы хоть немного представить продольные волны, посмотрите, как сжимаются и растягиваются меха баяна или аккордеона. Вот также и продольные волны распространяются в упругой среде, то сжимая ее, то растягивая.

Звуковая волна бежит в воздухе со скоростью 340 метров в секунду (при средней температуре и средней влажности). Вы можете легко подсчитать по вспышке молнии и раскату грома, на каком расстоянии от вас сверкнула молния. Подсчитав, сколько секунд прошло от вспышки молнии до начала раската грома, умножьте это число на три. Полученный результат и есть примерное расстояние в сотнях метров до места вспышки молнии.

Воздух обладает хорошей упругостью, ему мы обязаны возможностью разговаривать друг с другом и слушать музыку, но все-таки он далеко не идеальный проводник звука… Лучше всего проводят звук твердые тела, затем жидкости, потом газы.

Чтобы убедиться, что воздух не является идеальным проводником звука, проделайте такой старинный опыт.

Возьмите металлическую столовую ложку и подвесьте ее на двух бечевках длиною по тридцать сантиметров. Ударяйте висящую на бечевках ложку о край стола, и вы услышите слабенький звон. Если же вы прижмете пальцами концы двух бечевок к ушам, немного наклонитесь вперед, чтобы дать ложке возможность свободно качаться, и теперь будете ударять ее о стол, вы услышите громкий, красивый звон. Колебания передались в ваши уши через волокна бечевок, на которых висит ложка. Этот громкий звук не сравнить со слабеньким звоном.

Как передаются упругие колебания в твердых телах, можно проследить и на таком опыте. Возьмите шашки (если их нет, одинаковые монеты), положите в один ряд, плотно прижав их друг к другу. Прижмите пальцем к столу крайнюю шашку и резко, но не сильно стукните по ней линейкой скользящим ударом. В прижатой к столу шашке упругое колебание пройдет по ее диаметру, передастся соседней шашке, от нее другой и так далее, пока не дойдет до последней. Последняя шашка отскочит— ей некому передать полученный толчок.

 

Размышления над расческой

Длина волны у поперечных волн измеряется от гребня до гребня или от впадины до соседней впадины. Длина волны у продольных колебаний измеряется от самой сжатой части до соседней такой же сжатой части или от самой «раздвинутой» части до такого же соседнего участка.

Возьмите карманную расческу. У одной половины расчески зубья расположены более часто, чем у другой.

Условимся, что зубья расчески изображают схематический рисунок продольных волн. Толщина зуба и промежуток до следующего зуба — это длина одной «волны». Подсчитайте, сколько таких «волн» приходится на один сантиметр. В одной половине расчески на один сантиметр приходится 4 зуба и 4 промежутка, то есть 4 «волны». На другой половине на один сантиметр приходится 7 зубьев и 7 промежутков, то есть 7 «волн». На вопрос, где частота зубьев больше, вы, не задумываясь, ответите, что там, где на один сантиметр приходится 7 зубьев. Вы, вероятно, обратили внимание и на следующее: чем меньше частота зубьев, чем меньше зубьев приходится на один сантиметр, тем и зубья толще и промежутки между ними шире. На другой половине расчески, где частота зубьев большая, там и зубья тоньше и промежутки уже. Это значит, что длины «волн» на первой половине расчески больше, чем на второй, и зависят они от частоты зубьев.

В звуковых колебаниях и в колебаниях электромагнитных о частоте судят по количеству колебаний в одну секунду. Если скорость распространения колебаний постоянная, то чем больше совершается полных колебаний в одну секунду, тем короче волны. И наоборот, чем меньше колебаний в одну секунду, тем волны длиннее.

 

Прислушайтесь к свистку локомотива

Когда говорят о звуке, принято говорить не о длине звуковых волн, а о частоте. Чем больше частота, число колебаний в секунду, тем выше звук. При колебаниях с низкими частотами звук ниже.

Случалось ли вам наблюдать, когда вы едете в поезде, как меняется звук свистка локомотива встречного поезда?

Если вы стоите далеко в стороне от железной дороги и слышите свисток локомотива проходящего поезда, то никакого изменения звука вы не обнаружите. Но если вы едете в поезде и слышите свисток встречного локомотива, то обратите внимание, как меняется его тон. Свисток слышится недолго, может быть 2–3 секунды, но и за это короткое время можно уловить, что сначала его звук высокий, а когда встречный локомотив, промелькнув мимо вашего вагона, удаляется от вас, звук становится низким. Получается завывание, похожее на звук «ИУАААА», причем А звучит ниже, чем И.

Звук свистка сам по себе не меняется, но слышите вы его по-разному, когда приближаетесь к нему и когда удаляетесь от него.

Попытаемся понять, почему это так происходит.

Вы едете в поезде со скоростью 60 километров в час.

Навстречу по соседнему пути мчится поезд с такою же скоростью, проезжая мимо вас, его локомотив свистит. Для простоты предположим, что свистящий локомотив стоит на месте, а ваш поезд приближается к нему со скоростью 120 километров в час. Для наших рассуждений это одно и то же. Звуковые волны от свистка локомотива движутся во все стороны. Они идут и к вам, конечно, с одинаковой скоростью, а вы мчитесь им навстречу. Если бы вы стояли на месте, к вам дошло бы за секунду, предположим, 1000 волн, но поскольку вы сами быстро движетесь им навстречу, то за одну секунду вы «ловите» уже не 1000, а гораздо большее количество волн, ну, предположим, 1200. Чтобы им «поместиться» в одной секунде, волны стали короче, а частота колебаний, следовательно, увеличилась. Теперь за секунду совершается не 1000, а 1200 колебаний. А звук с увеличением частоты всегда становится выше, поэтому звук свистка для вас становится более высокого тона, чем на самом деле у источника звука.

Когда же вы, проехав мимо свистящего локомотива, будете быстро удаляться от него, то за одну секунду вы теперь получите меньшее количество звуковых волн. Значит, частота звука уменьшилась и тон звука понизился.

Помните, что все это происходит только в движении, когда вы с большой скоростью либо едете навстречу звуку, либо убегаете от него.

Изменение частоты колебания волн, когда наблюдатель и источник волн движутся либо навстречу друг другу, либо в разные стороны друг от друга, названо «эффектом Доплера», по имени австрийского физика и астронома Христиана Доплера. Он первый открыл и объяснил это явление в 1842 году.

 

Эффект Доплера на рисунках

Эти опыты являются только «живыми» картинками, иллюстрирующими эффект Доплера. Модели и опыты, проделанные на этих моделях, условны, как и схема и рисунки, изображающие волновые процессы. Только вы увидите не неподвижное изображение в виде рисунков или чертежей, а меняющиеся на ваших глазах изображения.

Моделей будет две. Одна очень простая, на ней «волны» будут только сжиматься, а следовательно, их частота увеличиваться. Вторая, более сложная модель даст нам возможность наблюдать, как происходит и сжатие «волн» и их удлинение.

Для первой модели возьмите кусок плотной рисовальной бумаги размером 20х25 сантиметров и начертите на ней черной тушью полоски длиной примерно 15 сантиметров и шириной 0,5 сантиметра. Промежуток между полосками сделайте такой же ширины — 0,5 сантиметра. Расстояние, которое занимает черная и белая полоски, будет у нас означать длину волны, одно полное колебание.

На другом куске бумаги (можно немного меньшего размера) сделайте посередине вертикальное окошко размером 1,5x3,8 сантиметра.

Возьмите в левую руку листочек с «волнами», а в правую листок с окошечком. Смотрите сквозь окошечко на расположенные вертикально «волны» и начните быстро двигать листочки навстречу друг другу. Движения обеих рук должны быть очень быстрыми. Тогда в окошечко вы увидите, как наши «волны» стали уже. Опыт нужно проделывать так, чтобы над листочком с окошечком были видны ничем не загораживаемые черные полоски. Они будут служить вам эталоном для сравнения, и вы ясно увидите разницу в размере «волн» над листочком и в окошечке.

Этот же опыт можно проделать еще проще. Помните, когда у нас был разговор о частоте, мы пользовались расческой? Возьмите расческу и листок бумаги с окошечком и, держа расческу горизонтально в левой руке, а окошко в правой, проделайте те же колебательные движения, но не очень быстро. Лучше этот опыт делать на светлом фоне. Рассматривать нужно ту половину расчески, где зубья крупнее и промежутки больше. При встречных колебаниях расчески и окошка вы увидите в окошко, что зубья и промежутки сузились и стали примерно такими же, как в той половине расчески, где зубья мельче.

А теперь проделайте такой опыт. Нарисуйте на листе бумаги на расстоянии 8 миллиметров друг от друга на одном уровне несколько черных кружков диаметром по два сантиметра.

Возьмите листок с кружочками в левую руку, а листок с окошком в правую и начните быстро двигать листочки навстречу друг другу, как вы это делали и раньше. В мелькающее окошко вы увидите, что черные кружки сузились, превратились в эллипсы, а расстояние между кружками, теперь ставшими эллипсами, тоже сузилось.

Более полный вариант этого опыта можно проделать с помощью электрического проигрывателя или пружинного патефона. Скорость вращения диска должна быть максимальная, то есть 78 оборотов в минуту.

Вырежьте из картона кружок по размеру диска проигрывателя. Если картон не белый, наклейте на него белую бумагу. Разделите кружок на 12 частей и, отступя от края на 1,5 сантиметра, начертите циркулем 12 кружков диаметром 2,2–2,5 сантиметра. Кружки закрасьте черной краской. В центре картонного круга сделайте отверстие и наденьте на диск проигрывателя.

Во втором таком же картонном диске на расстоянии 1,5 сантиметра от края прорежьте, на одинаковом расстоянии друг от друга, 6 отверстий, имеющих форму трапеций: широкое основание — 2,2 сантиметра, узкое —1,5 сантиметра, высота — 2,2 сантиметра. В центре диска сделайте небольшое отверстие. Наденьте на длинный гвоздь маленький картонный кружок, а затем диск с прорезями. Когда вы держите гвоздь вертикально, шляпкой вниз, картонный диск должен легко вращаться, если его крутнуть рукой.

Приступим к опыту. Запустите диск проигрывателя с надетым на него вместо пластинки картонным кругом с нарисованными черными кружочками. Поместите над вращающимся кругом диск с прорезями и, приведя его рукой во вращение в противоположную сторону, наблюдайте через мелькающие прорези, что происходит на диске проигрывателя. Нарисованные черные кружочки по экватору стали уже. Они сжались и превратились в черные эллипсы. Меняя скорость вращения картонного диска на гвозде, можно добиться очень четкого, устойчивого изображения. Здесь имитировалось движение наблюдателя навстречу звуку. «Волны» стали короче, частота увеличилась.

А теперь посмотрим, что случится с «волнами» (в нашем опыте их роль выполняют черные кружочки), если наблюдатель отстает от волн. Произойдет удлинение «волн», то есть черные кружочки раздуются по экватору, превратятся в эллипсы, лежащие «на боку». В этом легко убедиться, если картонный круг на гвозде вы будете вращать в ту же сторону, что и диск проигрывателя. При определенной скорости вращения круга, который вы держите на гвозде, а она должна быть чуть меньше скорости диска проигрывателя, вы ясно увидите, как наши «волны» удлинились по экватору.

Для того чтобы лучше следить за трансформацией черных кружков, вращающийся диск проигрывателя нужно очень хорошо осветить.

Картонный диск на гвозде не обязательно должен быть расположен параллельно диску проигрывателя, можно его держать с некоторым наклоном.

 

Тайна «красного смещения»

Разгадывая загадку «красного смещения», ученые поняли, что это — проявление эффекта Доплера у световых волн.

Если звезда, источник световых волн, удаляется или приближается к нам (а вы сами понимаете, что это происходит на космических скоростях), то должна изменяться и длина световых волн, которые она излучает.

Сейчас астрономы широко пользуются эффектом Доплера не только для того, чтобы узнать, от нас или к нам летят наблюдаемые звезды и даже далекие чужие галактики, но и с какой скоростью происходит это движение.

Как же осуществляются эти наблюдения?

Спектр Солнца или звезд имеет на своей радужной полосе темные линии. Эти линии находятся на строго определенных местах спектра. Когда свет от раскаленного тела (Солнца или звезды) проходит через более холодный газ какого-нибудь химического элемента, окружающего это раскаленное тело, то этот сравнительно холодный газ «вынимает» из сплошного спектра тот кусочек спектра, тот цвет, который он сам мог бы излучать, если его раскалить до нужного свечения. Выше приводился пример с парами металла натрия: когда они сами светятся, мы видим в спектроскоп яркую желтую линию. Но когда через несветящиеся пары натрия пропускается сплошной спектр, то на нем появляется в желтой его части черная полоска. Эта полоска находится на определенном месте шкалы, и поэтому точно известно, волны какой длины этот участок спектра испускает. Но если натриевая полоска сдвинута, например, к красной части спектра, то есть оказалось, что у паров натрия длина волны не та, какая должна быть, а увеличилась, — это значит, что изучаемая звезда летит от нас. По величине сдвига линии натрия с ее законного места можно вычислить скорость, с какой эта звезда летит.

Это очень упрощенный пример. На спектрах звезд много черных линий, говорящих о самых разных химических элементах, которые содержатся в атмосфере этих звезд. Как говорилось, черные линии в спектре возникли, когда световые лучи, выходящие из раскаленных недр звезд, проходили через более холодную атмосферу звезды.

По сдвигу черных линий, по величине этого сдвига от того места спектра, на котором им полагалось бы находиться, ученые и делают свои выводы.

Расстояние до наших космических соседей очень велико. Расстояния во Вселенной измеряются миллиардами световых лет. Недавно была открыта новая галактика, расположенная от нас на расстоянии 8 миллиардов световых лет! Чтобы представить себе величину светового года, нужно вспомнить, что свет за секунду проходит 300 000 километров. Сколько же он пройдет за минуту, час, сутки, месяц, год?

Все, что мы с вами видим сейчас на небе в отдаленных местах Вселенной, все, что видят ученые в свои мощные телескопы, все это не то, что там существует в данный момент. До нас доходят лучи, вылетевшие из своих источников очень давно. И возможно, что некоторых звезд уже и нет, а мы их еще видим…