Урок №2. АСТРОНОМИЯ И ЦИВИЛИЗАЦИЯ.
1. Немного из истории астрономии.
2. Астрономические расстояния.
3. Почему астрономия необходима современной цивилизации?
1. Немного из истории астрономии.
Астрономия – наука, которая изучает строение Вселенной, движение, физическую природу, происхождение и эволюцию небесных тел и образованных ими систем. Практически всю информацию о небесных телах приносит нам электромагнитное излучение. И только в последние сорок лет отдельные миры стали изучать непосредственно: зондировать атмосферы планет, изучать лунный и марсианский грунт.
Почему астрономию называют древнейшей из наук? А все повторяется в небе над нами: каждую ночь восходят и заходят звезды, меняются лунные фазы, Солнце находит свой путь между звезд. Скорее всего, именно эти закономерности были открыты первыми астрономами, сидевшими у первобытного костра. Движение Луны было положено в основу первого лунного календаря, затем было открыто движение Солнца, и появился солнечный календарь. В это же время достигла расцвета и «небесная» мифология: первобытные люди обожествляли Солнце, Луну и другие светила, совершали различные обряды, чтобы задобрить небесных богов.
З а несколько тысяч лет до нашей эры в долинах крупных рек (Нил, Евфрат, Ганг, Хуанхэ) осели земледельцы. Календарь, составлявшийся жрецами Солнца и Луны, стал играть важнейшее значение в их хозяйственной жизни. Наблюдения за светилами жрецы проводили в древних обсерваториях, одновременно бывших и храмами. Археологи нашли довольно много подобных обсерваторий. Простейшие из них – мегалиты – представляли собой один или несколько камней, расположенных в строгом порядке друг относительно друга. Мегалиты отмечали места восхода и захода светил в определенное время года. Одним из самых известных сооружений древности является Стоунхендж, расположенный в Южной Англии. Обсерватория представляет собой 30 вкопанных камней высотой более 5 м с положенными сверху плитами, составлявшие кольцо диаметром почти 30 м. Внутри него располагались еще несколько камней. Сейчас ученые полагают, что Стоунхендж строился между 1900 и 1600 гг. до н.э. Его основная функция – наблюдение Солнца и Луны, определение дней зимнего и летнего солнцестояний, предсказание лунных и солнечных затмений. Стоунхендж – это своеобразный компьютер каменного века.
Важнейшее событие в жизни такой сельскохозяйственной страны, как Египет, – разлив Нила – определялось по восходу Сириуса и летнему солнцестоянию. В Египте уже существовал лунно-солнечный календарь, деливший год на 365 суток и 12 месяцев. Хотя астрономический год – полный оборот Земли вокруг Солнца - это 365суток 5 часов и 48минут. Сутки делились на день и ночь по 12 часов. Египтяне делили небо на созвездия, знали о существовании планет, умели определять высоту Солнца над горизонтом.
Новый толчок астрономия получает, когда на европейском континенте возникает греческая цивилизация. Греки, а вслед за ними и римляне, использовали лунно-солнечный календарь. Неточность календаря компенсировали тем, что вставляли в некоторые месяца дополнительные дни. Часто при этом преследовались политические или экономические цели. Чтобы избежать этого в 46 г. до н.э. Юлий Цезарь вводит юлианский календарь, который в наше время называется «старым стилем».
Первым человеком, занимавшимся систематическими наблюдениями светил, стал Гиппарх (2 век до н.э.). Ученый составил огромный по тем временам каталог положений 850 звезд, разделив их по блеску на 6 степеней (звездных величин). Гиппарх ввел географические координаты - широту и долготу, и его можно считать основателем математической географии. Он открыл явление прецессии земной оси, первым правильно оценил расстояние от Земли до Луны и ее размеры, вычислил продолжительность года с точностью до 7 минут.
Его последователь – александрийский ученый Птолемей (2 век н.э.) – написал самый великий астрономический труд античности – «Альмагест», в котором систематизировал все астрономические знания своей эпохи и описал собственную геоцентрическую систему мира, которая господствовала в европейской науке на протяжении пятнадцати веков.
Только в XV веке под влиянием античной культуры Европа очнулась от тяжелого сна, называемого Средневековьем. Поворот в мировоззрении связывают с жившим на границе XV и XVI веков польским ученым Николаем Коперником. Именно он в сознании миллионов людей стал автором гелиоцентрической картины мира. Вслед за этим Иоганн Кеплер открывает экспериментально законы движения небесных тел. А в 1609 году в астрономии свершилась новая революция: используя изобретенную голландцами зрительную трубу, Галилео Галилей создает телескоп и впервые направляет его на небо. Перечисление открытий, сделанных с его помощью, заняло бы целую страницу. Но над головой ученого уже сгущались тучи. В 1600 году был казнен придерживавшийся теории Коперника Джордано Бруно, а в 1633 инквизиция вынудила Галилея отречься от своего учения. Но прогресс уже было не остановить. В середине XVII в. Исаак Ньютон открывает закон всемирного тяготения, чем подтверждает правильность законов Кеплера. Он разработал основы дифференциального и интегрального исчислений, в результате чего астрономия приобрела стройную математическую опору. Двести пятьдесят лет была незыблема механика Ньютона.
X
X век начался с низвержения механики Ньютона как универсального принципа мироздания. Два великих открытия: теория относительности Эйнштейна и квантовая механика Планка – Бора – Дирака полностью преобразили существующую картину мира. Изменили они и астрономию. Александр Фридман в 1922 году стал автором теории расширяющейся Вселенной, а Георгий Гамов в 1946 году на основании этой теории предложил гипотезу "Большого взрыва", которой ученые придерживаются до сих пор.
Сейчас в начале ХХI века астрономическая наука переживает новую революцию. Крупнейшее событие последних лет в астрономии это открытие ускоренного расширения нашей Вселенной, которое говорит о наличии во Вселенной еще одной формы материи "темной энергии", обладающей антигравитационными свойствами. Сто лет назад мы с гордостью могли сказать, что знаем на 95%, из чего состоит Вселенная, сейчас мы говорим, что знаем только на 5%, из чего состоит наша Вселенная, но, несмотря на это, наши знания за сто лет значительно выросли.
Основным источником информации о космических телах и вообще явлениях происходящих во Вселенной по-прежнему остаются наблюдения. К сожалению, к большинству космических объектов мы никогда не прикоснемся и никогда эксперимента по рождению даже самой маленькой звезды не проведем. Но надо, с гордостью за человечество, сказать, что оно значительно продвинулось в методах получения информации даже за последние 400 лет, с момента создания первого оптического телескопа Галилеем. Конечно, гигантский скачок приходится на 20 век и связан он с успехами в практической космонавтике и фундаментальной физике. В XX веке астрономия стала всеволновой, т.е. для наблюдений используется весь электромагнитный спектр. Современные телескопы работают не только в оптическом диапазоне спектра, но и в инфракрасном, радио, ультрафиолетовом, рентгеновском и даже гамма-диапазоне. На подходе нейтринная и гравитационная астрономия - получение информации из космоса с помощью нейтрино и гравитационных волн. И теперь древо современных астрономических наук выглядит так, как показано на рисунке. Все эти разделы мы с вами будем в той или иной степени изучать, даже практическую астрономию, так как имеем свою собственную обсерваторию. Это пока единственная в нашей стране школьная полностью автоматизированная обсерватория, управление которой может осуществляется с помощью любого школьного компьютера через локальную сеть. Это позволяет нам, не выходя из школьной аудитории, в режиме реального времени, наблюдать на экране различные астрономические объекты и явления.
2. Астрономические расстояния.
Я хочу вам наглядно продемонстрировать, с чем имеет дело астрономия и сколько еще в природе свободного места. Короче говоря, мы сейчас с вами построим модель Вселенной в некотором масштабе, который способно представить наше воображение.
Для начала представим Землю в виде шара диаметром 10 см. В нашей модели высота бывшей станции "Мир" над "земной" поверхностью составила бы 2.7 мм (350 км). В таком масштабе Луна будет шариком диаметром 3 см, расстояние которого от Земли 3м. Моделью Солнца будет шар диаметром 10 м, удаленный от Земли на 1 км.
Чтобы иметь представление о солнечной системе, выберем масштаб помельче – расстояние от Земли до Солнца, равное 150 млн км или 1 астрономическая единица (1а.е.), примем за 1м, т.е. масштаб 1: 150 млрд. Солнце будет шариком диаметром 1 см, вокруг которого по окружности радиусом 1 м вращается Земля - песчинка диаметром примерно 0.1 мм. Тогда Луна изобразится пылинкой диаметром 0.03 мм на расстоянии всего 2.6 мм от Земли. Остальные планеты будут выглядеть следующим образом. Мекурий и Венера и Марс - шарики диаметрами 0.03, 0.1 и 0.05 мм, на расстояниях 40, 70 и 150 см от Солнца соответственно. Внешняя часть солнечной системы более пустынна: Юпитер диаметром 0.9 мм, Сатурн - 0.8 мм, Уран и Нептун - по 0.3 мм Плутон - 0.015 мм на расстояниях соответственно 5.2, 9.5, 19, 30 и 40 м от Солнца. То есть даже в таком масштабе планетная система будет размером с футбольное поле. Еще дальше расположены звезды. Из них ближайшая - Центавра, в нашей модели будет представлена двумя шариками диаметром по 1 см, удаленных от такого же шарика - Солнца на расстояние 278 км.
Для представления Галактики выберем масштаб 1 парсек (пк) в 1 cм. (1 пк = 206 тыс. а.е.). Тогда в окрестностях Солнца среднее расстояние между звездами составит 1.5 см. Правда, сами звезды при этом изобразить уже нечем, так как они будут намного меньше размера атома. До ближайших к Солнцу звезд (система a Центавра) будет 1.3 см, до звезды Барнарда - 1.8 см, до Сириуса - 2.7 см, до Арктура - 11 см, до Бетельгейзе - 2 м. Галактический центр придется расположить в 100 м от Солнца. Галактика представляет собой диск диаметром 300м.
Переход к миру галактик потребует дальнейшего уменьшения масштаба - до 10 кпк в 1 см. При этом наша Галактика – Млечный Путь, изобразится небольшим диском диаметром 3 см. Спутники Галактики - Большое и Малое Магеллановы Облаки - будут выглядеть еще скромнее - диаметрами 9 и 3 мм, на расстояниях соответственно 5 и 7 см. Галактика М31 (Туманность Андромеды) будет иметь форму диска диаметром примерно 10 см, и от центра Галактики она будет удалена на 70 см. Вся Местная группа (около 40 галактик) в таком масштабе легко уместится в сфере диаметром 2 м.
Ближайшие соседние группы галактик расположатся в 2-5 м от Местной группы, а в пределах 10-20 м от нее будет несколько десятков таких групп. Ближайшее крупное скопление галактик в созвездии Девы будет иметь диаметр 5 м (в скопление входит около 200 галактик) и удалено на 20 м от нашей Галактики. Есть предположение, что это скопление - центр сверхскопления, которое объединяет около 20000 галактик, в том числе и Млечный путь, и в нашем масштабе имеет диаметр 60 м. Рядом с нашим Сверхскоплением расположатся другие - во Льве (на расстоянии 140 м) и Геркулесе (190 м). Ближайший квазар (квазары – это ядра некоторых галактик в особой стадии эволюции, выделяющие огромное количество энергии) придется удалить на 630 м, а самые далекие квазары - на 4 км. «Краю» нашей Метагалактики (13,7 млрд. св. лет) в такой модели будет соответствовать расстояние 4.6 км.
3. Почему астрономия необходима современной цивилизации?
Конечно, прошли те времена, когда астрономические наблюдения были необходимы, чтобы проложить курс корабля в открытом море, определить продолжительность года или время начала сева. Сегодня эти вопросы решаются с помощью технических средств. Но астрономия по-прежнему важна для человечества.
При ответе на этот вопрос можно говорить о двух различных аспектах: философско-духовном и практическом. В духовном смысле: Астрономия полезна потому, что она возвышает нас над нами самими; она полезна потому, что она величественна; она полезна потому, что она прекрасна. Именно она являет нам, как ничтожен человек телом и как велик он духом, ибо ум его в состоянии объять зияющие бездны, где его тело является лишь темной точкой, в состоянии насладиться их безмолвной гармонией. Так мы приходим к сознанию своей мощи, и это сознание многого стоит, потому что делает нас сильнее, - так писал великий физик, математик и астроном - Анри Пуанкаре.
Но еще важнее роль астрономии в реальной жизни современного человечества, астрономия необходима для выживания цивилизации, потому что космос создает постоянные угрозы для нашей цивилизации.
Проблемы сегодняшнего дня. Погодные условия на Земле во многом зависят от гигантских взрывов на Солнце, сопровождающихся вспышками и выбросами космического вещества. Нарушается работа электронных устройств космических аппаратов, повреждаются наземные энергетические сети, создается реальная угроза здоровью экипажей космических станций. В зависимости от энергии, время, за которое солнечные частицы достигают земной поверхности, может составлять от 10 минут до нескольких часов. Надежное и точное предсказание и предупреждение о солнечной активности важно для нормальной работы аппаратур связи и навигации, и может помочь сэкономить сотни миллионов долларов, затрачиваемых на обслуживание и восстановление поврежденных систем.
Проблемы завтрашнего дня. Стивен Хокинг, выдающийся современный физик, человек необычайно сложной судьбы, высказал мрачное предположение по поводу выживания человечества в грядущем тысячелетии. Основанием для этого послужил парниковый эффект, который, по мнению Хокинга, приведет к необратимому повышению температуры. Альтернативой является освоение других планет. Без колонизации космоса у человечества очень мало шансов выжить, полагает известный ученый. Хотя и без этой причины, колонизация планет солнечной системы обязательно начнется не позже середины ХХI века. И первой обживаемой планетой будет Марс. Без астрономии здесь никак не обойтись.
Проблемы недалекого будущего. Астероид Икар в 1968 году приблизился к Земле н а расстояние 6 млн км. Если бы Икар столкнулся с Землей, то произошел бы взрыв, эквивалентный взрыву 100 Мт тротила, или взрыву ста атомных бомб. Используя данные об ударных кратерах на поверхности Земли, планет и их спутников, астрономы пришли к следующим оценкам: столкновения с крупными астероидами, которые могут привести к глобальным катастрофам в развитии Земли, происходят примерно раз в 500 тыс. лет; столкновения с малыми астероидами происходят чаще (каждые 300 лет), но последствия этих столкновений носят лишь локальный характер. На основе орбит уже изученных астероидов астрономы составили список потенциально опасных известных астероидов, которые пройдут на критическом расстоянии от Земли до конца XXI века. Этот список насчитывает более 300 объектов. Орбиты наиболее крупных из них показаны на рисунке. В целом же астрономы считают, что число опасных и пока не обнаруженных опасных астероидов порядка 2500. Именно эти таинственные странники и представляют главную опасность будущем у Земли.
И вот еще два совсем свежих факта. 17 июня 2002 года был открыт новый астероид, орбита которого пересекает орбиту Земли. Новый астероид имеет диаметр правда, всего 100 метров. После расчета его орбиты, оказалось, что за три дня до открытия он пролетел на расстоянии всего в 120 тысяч км от Земли ( что примерно в 3 раза меньше расстояния до Луны). На рисунке показана примерная траектория астероида. Видно, что расстояние от Луны до Земли он пролетел менее, чем за сутки. 2 сентября 2003 года появилось сообщение, что вновь обнаруженный астероид размером уже 1,5 км угрожает Земле столкновением 21 марта 2014 года.
Все приведенные выше факты ставят главный вопрос. Что делать? Ответ на этот вопрос применительно к малым телам Солнечной системы должен содержать два аспекта: астрономический — необходимо заблаговременно открыть неизвестные и потенциально опасные объекты на как можно большем расстоянии от Земли, вычислить их точные орбиты и предсказать момент возможной опасности; технический — необходимо принять решения и их реализовать, чтобы избежать возможного столкновения. Для решения астрономической части создана сеть телескопов. Это позволит обнаружить примерно 90% опасных астероидов и, имея резерв времени в несколько месяцев, принять необходимые решения. К настоящему моменту существует уже несколько технических проектов, как избавиться от конкретных астероидов.
Проблемы далекого будущего. Но, увы, не только столкновения несут в себе глобальные последствия для Земли. Отметим кратко еще три возможные опасности, исходящие из космоса. И первая опасность исходит от Солнца, породившего жизнь на Земле.
Будущая жизнь Солнца. Астрофизики могут рассчитать все этапы жизни звезды. Согласно расчетам, например, через 8 млрд лет Солнце превратится в красный сверхгигант, увеличив свой размер в 170 раз, поглотив при этом Меркурий. Нетрудно подсчитать, что на нашем небе Солнце будет выглядеть как красный шар, занимающий половину небесной сферы. В результате температура на Земле повысится, начнется интенсивное испарение океанов, из-за чего увеличится непрозрачность атмосферы, что вызовет так называемый парниковый эффект: Земля станет очень горячей. Дальнейшее раздувание Солнца приведет к тому, что и Земля уже будет вращаться фактически внутри Солнца. Согласно этому сценарию, Земле уготовлена не очень приятная участь. Трение Земли и частиц газа Солнца будет уменьшать орбитальную скорость Земли, в результате Земля по спирали будет падать к центральным областям Солнца. Это приведет к тому, что Солнце нагреет Землю до чрезвычайно высоких температур, превратив ее в раскаленные скалы без всяких признаков наличия воды в океанах и, естественно, жизни.
В спышки сверхновых. Другие звезды, которые имеют большую массу, чем Солнце, заканчивают жизнь иначе. На определенной стадии они взрываются, выделяя при этом гигантскую энергию (такую смерть звезды астрономы называют вспышкой сверхновой). Последняя умершая звезда, которую люди, живущие на Земле, могли наблюдать невооруженным глазом - это сверхновая в Большом Магеллановом облаке, вспыхнувшая в 1987 году. Перед этим сверхновая вспыхнула 11 ноября 1572 года в созвездии Кассиопеи. Она была ярче всех звезд и планет на ночном небе и постепенно гасла в течение 17 месяцев. Есть предположение, что вспышка сверхновой или новой произошла и в год рождения Иисуса Христа, о чем повествует нам Библия. «Когда же родился Иисус в Вифлееме Иудейском, во дни царя Ирода, пришли в Иерусалим волхвы с востока и говорят: где родившийся царь Иудейский? Ибо мы видели звезду его на востоке и пришли поклониться Ему.» Хотя большинство исследователей считают, что это была комета Галлея и родился Христос в начале сентября 12 года до н.э., когда эта яркая комета была видна с Земли невооруженным глазом.
Некоторые астрономы полагают, что взрыв сверхновой мог произойти у близкой к Солнцу звезды 65 млн лет назад. Согласно сценарию, описанному этими авторами, выброшенное вещество после взрыва через несколько тысяч лет достигло Земли. Оно содержало релятивистские частицы, которые при попадании в атмосферу Земли вызвали интенсивный поток вторичных космических частиц, которые при достижении поверхности Земли повысили радиоактивность в 100 раз. Это неизбежно привело бы к мутациям в живых организмах с последующим их исчезновением или наоборот резким изменением признаков. В будущем такая вспышка не очень вероятна. Однако все же следует отметить, что приведенные рассуждения основаны на средних оценках. Например, звезда Бетельгейзе в созвездии Ориона может вспыхнуть в течение нескольких тысяч лет. К счастью, расстояния до нее достаточно велико - 650 световых лет.
Столкновение галактик. И вообще не только Землю, но всю нашу Галактику ждет незавидное будущее. К сожалению, мы движемся навстречу самой крупной галактике нашей местной группы, Туманности Андромеды, и, примерно через три миллиарда лет произойдет неизбежное столкновение. Галактики перестанут существовать. И если через 10 миллиардов лет в этой части Вселенной будет существовать цивилизация, то ее разумные существа уже никогда не узнают, что была такая галактика Млечный путь, не говоря уж о том, что вокруг одной обычной звезды этой Галактики вращалась маленькая голубая планета, и мы с вами на ней изучали астрономию в 2008 году от Рождества Христова.
Д.З. §1.
Вопросы экспресс опроса.
1. Как назывались простейшие обсерватории каменного века?
2. Кто создал телескоп?
3. Каково расстояние от Земли до Солнца?
4. Как называется ведущий раздел астрономии?
5. Что такое нейтринная астрономия?
6. Как называется наша галактика?
7. Что такое всеволновая астрономия?
|
