Астрономия

PDF

      ОБ УЧЕБНИКЕ
     
      В X классе вам предстоит изучить новый предмет — астрономию. Он занимает в системе школьных курсов совершенно особое место. Астрономия обобщает, систематизирует и дополняет знания, полученные вами при изучении всех школьных предметов, и самое важное — она закладывает основы материалистического мировоззрения. И хотя не каждый из вас станет астрономом, изучение этого курса совершенно необходимо.
      На уроках астрономии вы узнаете, как устроен окружающий нас мир и как он развивается, как движутся небесные тела (в том числе и искусственные спутники Земли и космические аппараты), почему светят звезды, как они возникли и многое другое. Полученные знания помогут вам научиться правильно объяснять многие астрономические явления. В процессе изучения астрономии вы поймете, что законы, рассматриваемые на уроках физики, химии и других предметов, помогают нам понять процессы, происходящие в небесных телах. В то же время астрономия познакомит вас с такими явлениями и процессами, которые протекают в условиях, пока еще недостижимых в земных лабораториях, т. е. вы убедитесь, что она ставит перед другими науками все новые задачи, решать которые предстоит и вам.
      В соответствии с задачами курса построен и учебник. Уже сами названия глав нетрадиционны. Но они выбраны такими, чтобы сразу подчеркнуть содержание очередной главы.
      В учебнике мало определений и формулировок, которые нужно заучивать. Но их следует внимательно изучать, так как почти все рассматриваемые законы используются в дальнейшем. Поэтому работа с учебником потребует от вас трудолюбия и самостоятельности. Нужно каждый раз хорошо разобраться в том, что именно происходит и как это явление объясняется с точки зрения физических законов.
      По мере изучения отдельных разделов вы будете переходить ко все более далеким и более сложным объектам. Наконец, последняя глава посвящена космологии - науке о Вселенной. В ней вы познакомитесь с современными представлениями о строении и эволюции Вселенной. Это очень сложная проблема, которая решается на основании всех наших знаний о природе.
      Каждая глава заключается вопросами и задачами. Их немного, и нужно ответить на все вопросы и решить все задачи. Это поможет вам глубже понять и усвоить материал учебника.
      Астрономические данные получают в основном путем наблюдений. Проводить эксперименты, т. е. направленно воздействовать на изучаемые объекты, астроном не может. Поэтому самостоятельные наблюдения при изучении астрономии чрезвычайно полезны. В связи с этим вам следует приобрести навыки выполнять простейшие наблюдения. Для выработки программы наблюдений используйте «Школьный астрономический календарь» на текущий учебный год и приложенную к нему подвижную карту звездного неба. Если у вас есть школьный или любительский телескоп, то ваши наблюдения станут еще более интересными.
      В заключение выразим надежду, что знакомство с астрономией будет не только полезным, но и приятным. Желаем успехов!
     
      Глава I
      ВВЕДЕНИЕ
     
      § 1. НАЧАЛЬНЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ АСТРОНОМИИ
     
      1. Предмет астрономии. Астрономия — наука о строении и развитии небесных тел, образуемых ими систем и Вселенной в целом. Название ее происходит от двух греческих слов: астрой — звезда и номос — закон.
      Эта наука возникла в древности из практических потребностей человека: необходимости счета времени, предсказания сезонных явлений, определения положения наблюдателя на поверхности Земли, нахождения правильного курса корабля в море или каравана в пустыне. Уже в самых древних письменных источниках мы находим хорошо развитую систему астрономических знаний.
      Астрономия — наука, основанная на наблюдениях. Простейшие из них — это наблюдения за звездным небом невооруженным глазом. В темную безлунную ночь небо представляется нам полусферой, усеянной звездами, в центре которой находится наблюдатель. Вторая половина сферы закрыта Землей. Мы замечаем, что на востоке из-под горизонта поднимаются невидимые ранее светила, а на западе они опускаются за горизонт. Образ сферы возникает потому, что мы можем непосредственно оценить расстояния только меньшие 3—4 км. Все предметы, расположенные дальше, кажутся нам одинаково удаленными.
      При первом знакомстве со звездным небом кажется, что число звезд бесконечно велико. В действительности же невооруженному глазу доступно для наблюдения на всем небе около 6000 звезд, а одновременно можно видеть только около 2000, так как половина неба закрыта Землей; кроме того, у горизонта всегда существует дымка, скрывающая многочисленные слабые звезды.
     
      2. Созвездия. Наименования звезд. Для проведения систематических наблюдений звездного неба нужно запомнить относительное расположение большого числа звезд. Для облегчения этой задачи уже в древности наиболее яркие и заметные звезды были объединены в группы — созвездия. Самые первые созвездия получили названия по именам животных (Рак, Лев, Овен и т. д.), более поздние — по именам героев известных мифов (Персей, Андромеда, Геркулес и др.) или по именам тех предметов. которые напоминали их фигуры (Лира, Стрела, Северная Корона и др.); на южном небе созвездия выделялись уже в период Великих географических открытии, что отразилось на их названиях (Микроскоп, Компас). На звездных картах созвездия изображались красивыми рисунками (рис. 1).
      В созвездия объединялись не все звезды. Поэтому некоторые астрономы выделяли на небе все новые и новые созвездия. Чтобы ликвидировать создавшуюся путаницу, Международный астрономический союз в 1922 г. постановил оставить только 88 созвездий с их традиционными названиями и принял решение называть созвездием всю область неба, находящуюся в пределах установленных границ. Все звезды, видимые в данной области как невооруженным глазом, так и в телескоп, считаются принадлежащими этому созвездию (рис, 2).
      Тогда же были сформулированы и правила наименования звезд. В порядке убывания видимой яркости звезды созвездия обозначаются сначала греческими (а, р, у, ...), затем латинскими буквами, потом цифрами с прибавлением названия созвездия, например: а Большого Пса, р Лиры, г Зайца, 61 Лебедя. Звезды, невидимые невооруженным глазом, как правило, обозначаются номером в каком-либо каталоге (списке звезд).
      Внимательно наблюдая за небом, люди убедились, что взаимное расположение звезд не изменяется. Только несколько светил, внешне отличающееся лишь ровным сиянием (звезды все время мерцают), меняли свое положение относительно звезд. Эти светила назвали планетами (лат. planeta — блуждающая). В древности к планетам причисляли Луну и Солнце. Уже тогда было выяснено, что Луна и Солнце перемещаются среди звезд только с запада на восток (такое движение называется прямым), планеты же могут совершать прямое движение, останавливаться (стояние) и перемещаться в обратную сторону (обратное движение с востока на запад) (рис. 3).
     
      3. Системы мира. Геоцентрическая система Птолемея. Одной из основных задач астрономии всегда было создание системы мира, или, говоря современным языком, такой модели, которая, соответствуя существующим представлениям об окружающем мире и об основных законах природы, позволяла бы описывать наблюдаемые явления и предсказывать важнейшие из них, т. е. позволяла бы судить о действительном устройстве мира.
      Первая научная система мира начала формироваться в трудах Аристотеля, Гиппарха и других ученых Древней Греции.
      Свое завершение она получила в работах выдающегося древнегреческого астронома Птолемея, жившего во II в. н. э. Эта система называется геоцентрической системой Птолемея (рис. 4) или птолемеевой системой мира.
      Согласно этой системе, в центре мира расположена Земля (по-греч. Гея, откуда и название «геоцентрическая»). Вселенная ограничена хрустальной сферой, на которой расположены звезды (небо неподвижных звезд). Между Землей и сферой движутся планеты, в число которых включали Луну и Солнце.
      В древности (да и в средние века) господствовало представление о том, что круговое равномерное движение является наиболее совершенным и что все небесные тела обладают именно таким движением. Но наблюдения показывали, что и Луна, н Солнце перемещаются по небу неравномерно, поэтому пришлось предположить, что они движутся равномерно по таким окружностям, центры которых не совпадают ни между собой, ни с центром Земли (а следовательно, и с центром мира). Еще более сложное видимое перемещение планет по небу (см рис 3) пришлось представить как сумму нескольких равномерных круговых движений. Согласно взглядам Пталемея. каждая планета равномерно движется по такой окружности, центр которой, в
      свою очередь, скользит по боль-шой, а уже центр этой окружности совпадает с центром Земли. Только сложная комбинация равномерных движений по окружностям могла объяснить неравномерное движение планет и позволяла с достаточной для наблюдений невооруженным глазом точностью рассчитывать взаимное расположение планет на будущее.
     
      4. Коперниканскин переворот в науке. На протяжении многих столетий ученые средневековья вели тщательные наблюдения за небом, непрерывно совершенствуя и уточняя систему Птолемея. По необходимости вводились новые круги, смещались центры планетных орбит. Система мира все более и более усложнялась. Становилось ясным, что она ложна в своей основе.
      В 1543 г. вышла в свет книга гениального польского ученого Николая Коперника «Об обращении небесных сфер». В ней была изложена новая, гелиоцентрическая система мира. Согласно этой системе, в центре мира находится Солнце (по-греч.— Гел иос, откуда и название «гелиоцентрическая»). Планеты, в том числе и Земля, обращаются вокруг Солнца по круговым орбитам, а Луна — вокруг Земли и одновременно с ней — вокруг Солнца (рис. 5).
      Гелиоцентрическая система позволила освободиться от ряда произвольных и противоречивых допущений, которых требовала система Птолемея, и объяснить наблюдаемые факты с единой точки зрения. Труд Н. Коперника и сформулированный им метод исследования на многие годы определили путь развития науки.
      Но не только в этом состоит величайшее значение учения Коперника. Оно произвело настоящую революцию в человеческом мировоззрении. Это учение впервые отвергло лежащее в основе любой религии представление о принципиальном отличии «земного» — низкого и порочного — от «небесного» — чистого и возвышенного. Планета Земля была сведена в число рядовых планет, вместе с которыми она вращалась вокруг Солнца. Стала ясна несостоятельность религиозных взглядов на мир. Произошел разрыв науки с теологией, открылся путь для материалистического познания природы. Важнейший шаг в направлении развития материалистического мировоззрения был сделан Джордано Бруно, сформулировавшим идею о бесконечности Вселенной и множественности обитаемых миров.
      Церковь ответила запрещением книги Н. Коперника и яростным преследованием его сторонников. Так, Джордано Бруно был осужден инквизицией и в 1600 г. сожжен на костре. Но остановить движение науки уже было невозможно.
     
      5. Кеплер и его законы движения планет. Окончательная победа коперниканства связана с именами И. Кеплера и Г. Галилея. Выдающийся немецкий астроном и математик Иоганн Кеплер получил в наследство от датского астронома Тихо Браге результаты многолетних наблюдений за движением планеты Марс. Обработав их, И. Кеплер смог сформулировать три основных закона движения планет, которые носят теперь его имя. Важнейший вывод, сформулированный Кеплером, состоит в том, что планеты движутся не по кругу, а по эллипсам и неравномерно. Отказ от идеи равномерного кругового движения планет намного улучшил точность определения их положения на орбите.
     
      6. Галилей. Первые телескопические наблюдения. 7 января 1610 г. считается днем начала научной астрономии. В этот день знаменитый итальянский ученый Галилео Галилей впервые направил свой телескоп (рис. 6) на небо.
      Небесные светила мы изучаем, собирая, принимая, регистрируя И исследуя падающее от них излучение. До появления телескопов единственным «прибором» для изучения неба был человеческий глаз. Свет, падающий на зрачок глаза, собирается на сетчатке, которая служит приемником излучения, а мозг регистрирует и изучает полученную информацию.
      Телескоп тоже собирает излучение, посылаемое светилом.
      Но диаметр объектива телескопа значительно больше, чем зрачка глаза (0,5 см). Поэтому и света он принимает больше, следовательно, с его помощью можно получить и большую информацию об исследуемом объекте. Объектив телескопа направляет весь собранный свет на приемник излучения, которым может быть глаз человека, фотопластинка или электронный прибор. Там собранный свет регистрируется, и полученная информация изучается.
      Так как телескоп собирает больше света, то ему доступны гораздо более слабые объекты, чем невооруженному глазу. Кроме того, он имеет еще одно важное преимущество, связанное с особенностями распространения света. Дело в том, что даже идеальный объектив может построить изображение светящейся точки в виде небольшого кружка. В результате, если мы рассматриваем две точки, направления на которые образуют угол меньше некоторого предельного, то изображения этих точек сольются, н мы не сможем увидеть их раздельно. Предельный угол а для идеального объектива и видимого света может быть ; оценен по формуле:
      a=14"/D
      где D — диаметр телескопа, выраженный в сантиметрах, а а — предельный угол в секундах дуги. Для человеческого глаза предельный угол, вычисленный по этой формуле, равен 28" (фактически не менее 1 — 1,5'), а для телескопа диаметром 6 м — 0,02".
      Таким образом, телескоп дает исследователю совершенно новые возможности по сравнению с наблюдениями невооруженным глазом. И Г. Галилей использовал эти возможности в полной мере. Его открытия буквально перевернули представления ученых об окружающем мире.
      В первые же дни наблюдений Г. Галилей обнаружил, что на небе есть огромное число слабых, невидимых глазом звезд. Выяснилось, что туманная полоса Млечного Пути состоит из столь близко расположенных слабых звезд, что их изображения для глаз сливаются. Галилей установил, что, в отличие от звезд, планеты обладают видимыми в телескоп дисками, что Венера светит отраженным светом Солнца и, подобно Луне, меняет свой вид, представляясь нам то полным диском, то серпом. Наблюдая Луну, он увидел на ней горы и определил их высоту, а у Юпитера обнаружил четыре спутника, обращающиеся вокруг него.
      Все это самым непосредственным образом опровергало библейские догмы и подтверждало теорию Коперника. На смену наивным религиозным представлениям об исключительности Земли и положения человека во Вселенной приходили новые, материалистические представления о единстве мира.
      В 1633 г. Г. Галилей был обвинен в ереси, предан суду инквизиции, осужден и под угрозой пытки был вынужден отречься от своих взглядов. Но несмотря на яростное сопротивление духовенства, коперниканское учение прочно вошло в науку.
     
      7. Ньютон. Возникновение небесной механики. Огромное значение для астрономии имели открытия гениального английского ученого Исаака Ньютона. Ему удалось показать, что законы Кеплера следуют из закона всемирного тяготения, и дать их обобщенные формулировки. Так под гелиоцентрическую систему был подведен прочный теоретический фундамент, движение планет теперь можно было рассчитывать с учетом сил взаимного притяжения. Это привело к тому, что в астрономии выделились два раздела: астрометрия и небесная механика (подобно тому как в физике в свое время выделились механика, оптика, электродинамика) .
      Астрометрией называется раздел астрономии, занимающийся определением точных положений и движений светшг на небесной сфере, а также смежными вопросами: определением и хранением времени, определением координат на поверхности Земли, изучением вращения Земли и другими связанными с этими задачами.
      Небесной механикой называется раздел астрономии, изучающий движение небесных тел под действием сил всемирного тяготения.
      В XVII—XIX вв. развивались именно эти отрасли астрономии.
      И. Ньютон не только открыл три закона механики и закон всемирного тяготения, которые стали фундаментом классической
      физики, но и сформулировал основные положения новой картины мира Согласно И. Ньютону, пространство бесконечно и однородно, т. е в каждой точке свойства пространства одинаковы. Время течет равномерно и такмг одинаково во веек точках. Материя равномерно заполняет в»-сь мир (в достаточно больших масштабах местные неоднородности незаметны, как не замечаем мы неоднородностей, связанных с молекулярным строением воздуха). В мире нет выделенных направлений и точек, а следовательно, нет н центра, Эта картина мира считалась общепринятой до начала XX в., когда была заменена новой, основанной па теории относительности.