НА ГЛАВНУЮТЕКСТЫ КНИГ БКАУДИОКНИГИ БКПОЛИТ-ИНФОСОВЕТСКИЕ УЧЕБНИКИЗА СТРАНИЦАМИ УЧЕБНИКАФОТО-ПИТЕРНАСТРОИ СЫТИНАРАДИОСПЕКТАКЛИКНИЖНАЯ ИЛЛЮСТРАЦИЯ

Библиотечка «За страницами учебника»


Звёзды и атомы. Эддингтон А. С. — 1928 г.

А. С. Эддингтон

Звёзды и атомы

*** 1928 ***


DjVu


 

PEKЛAMA

Услада для слуха, пища для ума, радость для души. Надёжный запас в офф-лайне, который не помешает. Заказать 500 советских радиоспектаклей на 9-ти DVD. Ознакомьтесь подробнее >>>>


Полный текст книги

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие переводчика 5
Предисловие автора 7

Лекция первая, звездные недра 11
Температура внутри звезды 15
Ионизация атомов 21
Давление радиации и масса 32
Недра звезды 35
Непрозрачность звездной цртерии 37
Связь яркости и массы 41
Плотные звезды 46

Лекция вторая, некоторые новые исследования 52
История Алголя 52
История Спутника Сириуса 59
Неизвестные атомы и толкование спектров 65
Спектральные серии 71
Облака в пространстве 77
Солнечная хромосфера 84
История Бетельгейзе 92

Лекция третья, возраст звёзд 101
Пульсирующие звезды 102
Цефеиды, как "нормальная свеча" 107
Гипотеза сжатия
Субатомная энергия 117
Эволюция звезд 125
Излучение массы 134
Добавление, дальнейшие замечания о спутнике сирнуса 144


      ПРЕДИСЛОВИЕ ПЕРЕВОДЧИКА
      Книга Эддингтона — редкое событие в научно-популярной литературе. Содержание ее, основанное главным образом на собственных исследованиях автора, вероятно, будет в некоторых частях новым даже для специалистов. Тема так увлекательна и изложение настолько просто и остроумно, что чтение книги доставит удовольствие, несомненно, очень широкому кругу читателей.
      250 лет тому назад Ньютон создавал на основе астрономических фактов теоретическую физику. Сейчас положение изменилось: на фундаменте новой физики вырастает современная теоретическая астрономия — наука о внутреннем строении звезд. Эта наука навсегда останется теоретической, ибо никогда мы не увидим звездных недр, и потому она должна строиться на прочной основе физических законов. Все содержание новой физики — теория квантов, теория относительности, учение о строении вещества, теория электронов, радиоактивность — бросается на завоевание новой области. Теоретическая астрономия в точном смысле слова — прикладная физика. В этом оправдание того, что книга переводилась физиком, а не астрономом.
      Многие читатели-специалисты, вероятно, не будут удовлетворены блестящим, но кратким и упрощенным (иногда до шаржа) изложением автора во многих крайне важных положениях книги. Таким лицам надлежит обратиться к большой монографии Эддингтона, цитированной в предисловии автора. До некоторой степени настоящая книга является только популярным конспектом этого большого замечательного сочинения.
      Задача о внутреннем строении звезд содержит слишком много неизвестных, чтобы ее можно было считать хотя бы принципиально решенной. Теория Эддингтона — не единственно возможная, и, что самое существенное, в ней есть явные пробелы. Большая монография автора кончается довольно пессимистическим признанием о существовании двух грозных туч на горизонте теории. Эти тучи: 1) вопрос о коэффициенте непрозрачности звездной материи; 2) источники энергии звезд. Может быть, здесь перед нами новые физические факты, остававшиеся доселе неизвестными земному физику и требующие в первую очередь изменения самой физической теории. Во всяком случае теория Эддингтона, как на это указывается и в книге, — только первый, очень увлекательный, но незаконченный опыт.
      Мы сочли полезным некоторые важные места текста, изложенные слишком кратко, пояснить примечаниями, материалом для которых во многих случаях послужила большая монография автора.
      С. Вавилов.
     
      ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА
      "Звезды и атомы" — заглавие вечернего чтения во время съезда Британской ассоциации в Оксфорде в августе 1926 г. Обрабатывая эту тему для печати, я уже ие был ограничен временем, и соответственно она разрослась в книгу из трех лекций. До этого я читал курс из трех лекций в Королевском колледже в Лондоне по тому же вопросу; эти лекции послужили материалом для большинства добавлений.
      Полное изложение вопроса, включающее и математическую теорию, дано в моей большой книге: "Внутреннее строение звезд" (The Internal Constitution of the Stars, Cambr. Univ. Press, 1926). Здесь я излагаю только основные идеи и результаты.
      Развитие наших знаний об атомах и радиации привело к ряду интересных результатов в астрономии; обратно, изучение материи в предельных условиях звезд и туманностей играло не меньшую роль в прогрессе дтомной физики. Это — главная тема лекций. Мы выбрали такие результаты и открытия, которые можно изложить сравнительно элементарно. Но часто в тексте приходится рассчитывать на сосредоточенность читателя, что возместится, надеюсь, увлекательностью предмета. Изложение скорее эпизодическое, чем систематическое, но от навыков мысли трудно отказаться совсем, некоторая доля системы имеется в книге. В таких проблемах, где мысль непрерывно переходит от крайне большого к крайне малому, от звезды к атому, и обратно, к звезде, характер тем очень разнообразен; если бы не удерживаться, то пришлось бы в полной мере погрузиться во все радости и печали" научного исследования во всех фазах.
      Температура всюду в тексте дана в градусах Цельсия. Биллион = миллиону миллионов = 10 в 12 степени; триллион — 10 в 18 ст.; квадриллион = 10 в 24 ст. и т. д.
      А. С. Э.
            Формулы пропущены, вoзмoжны oшибки, сверяйте с оригиналом
     
      Лекция первая
      ЗВЕЗДНЫЕ НЕДРА
     
      Солнце входит в состав системы, насчитывающей приблизительно три миллиарда звезд. Звезды — шары, по величине сравнимые с Солнцем, т. е. их диаметры порядка миллиона км. В их распоряжении огромные свободные пространства. Вообразите тридцать крикетных мячей, разбросанных и блуждающих по всему объему земли; в своих странствованиях во вселенной звезды не более стеснены и не больше подвергаются риску столкновений, чем крикетные мячи. Но, вероятно,, этой системой не ограничивается мир. Все больше уверенности в том, что спиральные туманности — новые "острова-вселенные", расположенные вне нашей звездной системы. Очень может быть, что наши сведения о мире касаются только ничтожной части обширного целого.
      В капле воды содержится несколько тысяч триллионов атомов. Диаметр атома составляет около стомиллионной доли см, и мы, естественно, удивляемся этой тонкости и сложности. Но здесь еще не граница. Внутри атомов вращаются по своим орбитам, подобно планетам вокруг Солнца, сце более мелкие электроны, причем размеры их таковы, что внутри атома им не менее просторно, чем планетам в солнечной системе.
      Приблизительно посередине шкалы размеров от атома до звезды находится другая не менее чудесная структура — человеческое тело. Человек несколько ближе к атому, чем к звезде: его тело построено приблизительно из 1027 атомов, а 1028 человеческих тел составили бы достаточный материал для построения звезды.
      Со своего центрального места человек может следить за величайшими проявлениями природы вместе с астрономом или за ее мельчайшими деталями — с физиком. Сегодня я приглашаю вас взглянуть в обе стороны. Ибо путь к познанию звезд идет через атомы, а важнейшие сведения об атомах были получены при изучении звезд.
      Самая знакомая для нас звезда — Соушце. Говоря астрономически, оно у нас под рукою. Мы можем измерить его размеры, свешать его, узнать его температуру и т. д. много легче, чем у других звезд. С его поверхности можно получить фотрграфический снимок, другие же звезды столь далеки, что самые большие телескопы мира не могут дать их увеличенного изображения: они и в телескоп остаются только точками. На рис. 1 и 2 даны современные фотографии поверхности Солнца. Несомненно, что и звезды оказались бы очень похожими на Солнце, если бы мы могли рассмотреть их вблизи.
      Я должен, однако, пояснить, что это не обычные фотографии: на простых фотографиях очень хорошо выходят темные прыщи, так называемые солнечные пятна, но в остальном рни однородны и мало интересны. Приведенные здесь снимки получены спектрогелиографом, который запечатлевает только свет какой-нибудь определенной спектральной линии (длины волны) и не реагирует на остальное. В конечном счете, в результате такой фильтрации света, получаются снимки различных высот или уровней солнечной атмосферы и того, что гам происходит, на простом же снимке получается смазанная картина сразу всех уровней, налагающихся друг на друга. Рис. 2, соответствующий высокому уровню, дает поразительную картину вихрей, ветров и движений.
      Солнечные метеоролога, думается мне, описали бы это смятение знакомыми нам словами: "Можно ждать очень низкого давления со второстепенными депрессиями, вероятно возобновление неустойчивой погоды". Но, как бы там ни . было, относительно Солнца всегда можно сделать
      Рис. 2г Солнце. Фотография в свете водородной линии, снята на обсерватории Маунт Вильсон в Калифорнии.
      правильное предсказание погоды; циклон ли там, или антициклон, температура все равно будет очень высокой — около 6 000°.
      Но сейчас я не хочу задерживаться на поверхностных слоях солнечной атмосферы. За последнее время по этому вопросу сделано чрезвычайно много нового, интересного и очень существенного для моей темы о звездах и атомах. Но лично я чувствую себя больше "дома" под поверхностью и потому без замедления погружаюсь туда. Итак, после короткой остановки наверху нам предстоит путешествие в глубокие недра, куда не может проникнуть глаз, но где научное рассуждение позволяет выяснить очень многое.
     
      Температура внутри звезды
      Математическими методами можно выяснить, как должно возрастать давление внутри Солнца по мере удаления от поверхности и как одновременно будет повышаться температура, противодействующая давлению. Архитектор знает, как рассчитать натяжения балок, для этого ему нет надобности просверливать в них дыры. Также и астронбм может вычислить натяжения, или давления внутри Солнца, не пробуравливая последнего. Может показаться особенно удивительным, что и температура может быть найдена также чистым вычислением. Весьма естественен скептицизм по поводу наших претензий на знание температуры сокровенных недр звезды, скептицизм, может быть, станет еще ббльшим, когда- я приведу цифры. Поэтому я полагаю, сначала лучше описать, насколько возможно, метод вычисления. Я не пытаюсь входить в подробности, надеюсь, однако, показать, в чем заключается путь, надлежащая математическая обработка которого и приводит к цели.
      Я предполагаю, что теплота газа соответствует главным образом движению его частиц, бегающих по всем направлениям и стремящихся рассеяться. Отсюда и проистекает упругость газа или его стремление к расширению. Эта упругость газа известна каждому на примере пневматического пистолета. Вообразите теперь себя где-нибудь внутри звезды так, что вы можете смотреть вверх на поверхность или вниз, через центр. Где бы вы ни находились, всюду должно быть достигнуто некоторое состояние равновесия: с одной стороны имеется вес всех слоев над вами, надавливающий вниз и стремящийся сжать газ нижних слоев, с другой стороны, под вами, проявляется упругость газа, стремящегося расшириться и преодолеть верхние слои. Но не удается ни то, ни другое, и звезда остается столетиями практически неизменной; мы должны поэтому заключить, что оба стремления уравновешиваются. В каждой точке звезды упругость, газа должна как раз равняться весу выше лежащих слоев. Но упругость доставляется теплом, поэтому условие равновесия показывает, какое количество тепла должно развиться. Таким способом и находится степень нагревания, или температура, в каждой точке.
      То же самое можно выразить и несколько иначе. Как и прежде, выберем какую-нибудь точку внутри звезды и рассмотрим, какое количество материи находится над нею и сдерживается нижними слоями. Если бы ма-. терия не сдерживалась, она упала бы к центру вследствие силы тяготения. Такое сдерживание осуществляется непрерывными ничтожными ударами нижних частиц; мы знаем, что тепловая энергия заставляет частицы двигаться по всем направлениям, такие частицы своими ударами и сдерживают верхние слои газа. Каждый удар дает легкий импульс вверх, подобно тому как удар ракетки подбрасывает мяч. Такой процесс не ограничивается звездами: такими же ударами поддерживается, например, движение автомобиля. Увеличению температуры соответствует возрастание активности частиц, т. е. их
      быстроты и силы ударов. Разумеется, мы должны приписать данному месту внутри звезды такую температуру, чтобы общая сумма ударов была не больше и не меньше того, что требуется для выдерживания напора верхних слоев. Таков принцип нашего метода расчета температуры.
      При этом возникает одна очевидная трудность. Общая сдерживающая сила должна зависеть не только от активности частиц (температуры), но также и от их числа (плотности). Мы наперед не знаем плотности материи в любой, произвольной точке внутри звезды. Тут требуется ловкость математика. Ему дано определенное количество материи, например известная масса Солнца, такое-то количество он полагает находящимся в определенном месте шара, остальное распределяется по другим местам. Он может рассуждать так: "Не буду преувеличивать температуры, попробую, могу ли я справиться, если положу, что она не превосходит 10 000 000°. Этим кладется предел активности, которую можно приписать каждой частице. Когда математик переходит к более глубоким слоям Солнца, где частицам приходится выдерживать больший вес нависающего над ними материала, то единственная возможность (при выбранном пределе температуры) предположить большее число частиц, так, чтобы получалось требуемое общее противодействие. И вот оказывается, что математик слишком поспешно израсходовал все частицы, находившиеся в его распоряжении, ему ничего не остается для заполнения центра. Все его построение с пустотой внутри, разумеется, рухнет в эту пещеру. Таким путем мы убеждаемся, что невозможно построить звезды солнечных размеров, если температура внутри не превосходит 10 000 000°. Математик делает дальнейший шаг: вместо произвольных поисков нижнего предела температуры он отыскивает приблизительное истинное распределение температуры, учитывая, что она должна меняться непрерывно. Тепло переходит из одного места в другое, и всякие "островки" температуры скоро Должны выравняться в действительной звезде. Предоставим математику заниматься подробной обработкой этих соображений и ограничимся общим указанием, каким образом можно подойти к решению.
      Исследования такого рода начались больше 50 лет тому назад. Постепенно они развивались и исправлялись, и теперь мы думаем, что результаты близки к истине, т. е. мы действительно знаем, какая температура царит внутри звезды.
      Я упоминал уже температуру 6 000°; это — температура вблизи поверхности, которую мы видим. Эту поверхностную температуру можно без особых затруднений определить наблюдениями. При этом метод тот же, которым на заводах определяют снаружи температуру внутри печей. Для глубоких слоев звезды, лежащих за пределами нашего зрения, требуются чисто теоретические расчеты. 6 000° — только наружное тепло огромного солнечного очага, эта цифра не дает никакого представления о чудовищной интенсивности температуры внутри. По мере погружения внутрь Солнца температура быстро подымается выше миллиона градусов и возрастает в центре приблизительно до 40 000 000°.
      Не думайте, однако, что 40 000 000° такая степень тепла, что само понятие температуры теряет смысл. Эти звездные температуры должны пониматься буквально Тепло есть энергия движения атомов или молекул вещества, и температура, указывающая степень тепла, служит
      мерою быстроты движения атомов и молекул. Например, при комнатной температуре молекулы воздуха носятся со средней скоростью около 450 м в секунду; если бы воздух нагреть до 40 миллионов градусов, то скорость превосходила бы полтораста километров в секунду. В этом нет ничего необычайного, астроном привык к таким скоростям. Скорости звезды или метеоров, врезающихся в земную атмосферу, обыкновенно измеряются 15 — 150 километрами в секунду. Скорость движения Земли вокруг Солнца в среднем составляет около 30 Для астронома такие скорости самая обычная вещь, и поэтому он смотрит на 40 000 000° как на весьма естественное условие. Если астроном не пугается скоростей в сотни километров, то физик - экспериментатор смотрит на них просто презрительно: он привык иметь дело с атомами, вылетающими из радия и других веществ со скоростями в десятки тысяч километров в секунду. После таких атомов - экспрессов и их действий "легкая рысца" звездных атомов кажется физику тривиальной.
      Кроме атомов, летающих во все стороны, внутри звезды находятся колоссальные количества эфирных волн, также носящихся по всем направлениям. Эфирные волны называют разными именами, соответственно их длине. Самые длинные из них — волны Г е р ц а, применяемые в широковещании, за ними идут инфра-красные, тепловые волны, затем волны обычно видимого света, с последними граничат ультра-фиолетовые или химические лучи; далее следуют д:-лучи и у-лучи, испускаемые радиоактивными веществами. Повидимому, наиболее короткие волны имеют лучи чрезвычайно проникающей радиации, обнаруживаемой в нашей атмосфере. Согласно исследованиям Кольгерстера и Милликэна, эти лучи доходят до нас из межзвездного пространства. Все названные лучи отличаются только длиною волн и принадлежат к различным октавам. На глаз действует только одна октава, остальные лучи невидимы, однако природа их такая же, как и у видимого света.
      Эфирные волны внутри звезды относятся к классу так называемых д:-лучей. В среднем эти звездные лучи "мягче" (т. е. с большими длинами волн), чем х-лучи, применяемые в медицине, но в лабораторных условиях можно получить лучи еще более мягкие, чем внутри звезды. Таким образом в недрах звезд находятся вещи, вполне известные и хорошо изученные в лабораториях.
      Кроме атомов и эфирных волн есть еще третий партнер общего бешеного танца. Внутри звезд — огромное количество свободных электронов. Электрон — наиболее
      легкая вещь на свете: он весит не больше -г — г самого
      1о4э
      легкого атома. Он представляет собой просто заряд отрицательного электричества, странствующий в одиночестве. Атом состоит из тяжелого ядра, которое обыкновенно окружено гирляндой электронов. Его часто сравнивают с миниатюрной солнечной системой; это сравнение дает правильное представление о том, насколько пусто в атоме. Ядро сравнивают с Солнцем, а электроны с планетами. У каждого сорта атомов, т. е. у каждого элемента, имеется свой различный "кворум" электронов. В частности наша солнечная система с 8 планетами похожа на атом кислорода, у которого вокруг ядра крутятся 8 электронов. В земной физике мы считаем обыкновенно, что электронная гирлянда, или электронный "кринолин" атома, составляет существенную
      часть последнего, ибо нам редко приходится встречаться с атомами, "не вполне одетыми". Когда мы находим атом, потерявший один или два электрона, мы называем его ионом. Но в сумятице, происходящей в недрах звезд, было бы странным ожидать, что такой хрупкий наряд может сохраниться. Там все наши атомы теряют значительную часть своих планет-электронов и становятся ионами, если пользоваться земной терминологией.
      Ионизация атомов
      При высоких температурах внутри звезды столкновения частиц друг с другом и в особенности встреча с эфирными волнами (д:-лучами) заставляют электроны отрываться от атомов и становиться свободными. Эти свободные электроны и составляют третью группу населения звезды, о котором я упоминал выше. Для каждого отдельного электрона эта свобода — временная, ибо он скоро захватывается другим искалеченным атомом, но зато где-нибудь, в другом атоме, освобождается другой электрон, замещая таким образом захваченный. Отрыв электронов от атомов называется ионизацией и составляет процесс, чрезвычайно важный при изучении звезд. Сейчас я покажу фотографии этого процесса.
      Предмет моей беседы — "звезды и атомы". Я уже показывал вам фотографии звезды, теперь я должен показать фотографию атома. В наше время это очень легко сделать. В тончайшем кусочке вещества находятся триллионы атомов; если бы на фотографии они были видны все сразу, то получилась бы совершенно смытая картина. К счастью, фотография выбирает и запечатлевает только "атомы-экспрессы", которые пролетают, как метеоры, не обращая
      внимания на остальные. Можно так установить крупинку радия, что через поле зрения будут пролетать только очень немногие "атомы-экспрессы", и на фотографии получится ясное изображение.
      Рис. 3. Пути быстрых а-частиц.
      На рис. 3 1 дана фотография 3 — 4 атомов, пролетающих в поле зрения и оставляющих широкие прямые следы. Это — атомы гелия, вылетающие с огромными скоростями из радиоактивного вещества.
      Я не удивлюсь, если у кого-нибудь появится подозрение, что эти фотографии являются каким-нибудь фоку-
      1 Фотографии3 — 6предоставлены мне проф. Ч. Т. Р. Вильсоном.
      Сом. Неужели это обнаруживаются отдельные атомы, т. е. бесконечно-малые частицы, которые еще не так давно казались вообще лежащими за пределами возможности восприятия? Я; отвечу, задав в свою очередь вопрос: на фотографии - вы видите дактилоскопический
      Рис. 4. Луги электронов.
      отпечаток; что это — чей-нибудь палец или нет? Если вы ответите — да, то я без колебания отвечаю, что и прямые линии соответствуют отдельным атомам. Но вы становитесь придирчивым и говорите: "Нет, это не палец, но только след того, что на пластинке был чей-то палец". После этого я также становлюсь осторожным и говорю, что линия — след, показывающий, что по ней шел атом. Фотография передает не отпечаток атома, но отпечаток его действий, точно так же, как на ней нет картины пальца, а передается только результат действия пальца. Мне кажется, что несущественно, получен ли отпечаток "из Первых рук" или "из вторых". Мы поступаем так же, как в уголовном розыске, где отпечаток пальца посыпают порошком, благодаря чему ои становится видимым, или как биолог, который делает слепки со своих объектов. Атом, так сказать, оставляет некоторый "запах" на своем пути, и мы обязаны профессору Вильсону остроумным способом обнаружения этого "запаха". "Собачья свора" профессора Вильсона состоит из водяных паров, которые "нюх" подводит к атомному следу и заставляет там сгущаться в капли.
      Теперь вы, естественно, желаете видеть фотографию электрона. Это тоже можно устроить. Изломанный, волнистый след на рис. 3 — след электрона. Благодаря еврей ничтржной массе электрон значительно легче отклоняете от своего пути, чем тяжелый атом, который словно пуля пролетает через все препятствия. На рис. 4 видно большое число электронов, причем один из них — с очень большой скоростью, вследствие чего от него получился прямолинейный след. В частности эта фотография поясняет механизм, посредством коего пути частиц становятся видимыми; вы замечаете, что пути состоят из отдельных капелек воды.
      Мы. видели фотографии атомов и свободных электронов. Для пополнения картины звездного населения нам хотелось бы иметь фотографию х-лучей. Выполнить это в точности нельзя, можно, однако, близко подойти к цели. Фотографии посредством х-лучей достаточно хорошо известны, но фотография самих х-лучей — дело другое. Я уже говорил, что электроны можно вышибить из атомов при помощи х-лучей. Когда это происходит, то обыкновенно свободный электрон вылетает с большой скоростью; вот такрй быстрый электрон и можно фото-
      графировать. На рис. 5 вы видите четыре электрона, вылетевшие под действием х-лучей. Заметьте, что все они выходят из точек, лежащих на одной прямой, и не требуется большого воображения, чтобы представить себе некоторую таинственную силу, распространяющуюся по этой прямой и вызывающую взрывы. Эта сила и есть х-лучи, распространявшиеся узким пучком вдоль прямой справа налево при фотографировании. Хоти перед вами и нет прямого образа самих х-лучей, но фотография во всяком случае показывает процесс ионизации, столь важный в звездных глубинах и состоящий в освобождении электрона из атома при падении х-лучей. Вы замечаете, что ионизация атома х-лучами — дело случая. На пути лучей находятся триллионы атомов, не видных на фотографии, тем не менее х-лучи проходят длинный путь, прежде чем найдут атом, которой они избирают для ионизации.
      Наконец, я могу показать вам другой способ ионизации атомов более механическим путем, при соударении с быстрыми электронами. На рис. 6 свободный электрон шел почти горизонтально, но маленькие водяные капли, которые должны отмечать траекторию электрона, так удалены друг от друга, что с первого взгляда вы не можете связать их в одну линию. Обратите внимание на то, что капли расположены парами. Это происходит потому, что быстрый электрон, ударяясь о некоторые атомы, выбивает из них по электрону. Таким образом вдоль траектории быстрого электрона вам виден разбитый атом и свободный электрон, расположенные рядом, хотя вы и не можете сказать, какая капля соответствует атому и какая — электрону. В данном случае первоначальный быстрый электрон был слишком силен, поэтому процесс усложнился, но обыкновенно на фотографии ясно видны только два осколка, образующихся при ударе г.
      Циник скажет, пожалуй, что недра звезд — очень безопасная тема для сказок, так как никто не может пойти
      1 Характер фотографии определяется, собственно, электрическим зарядом, а не скоростью частицы. Но при огромной скорости электрона он оставляет за собою хвост электрически заряженных частиц — жертв его бешеного полета, эти жертвы и указывают косвенно линию полета.
      туда и доказать вашу ложь. В защиту я отвечу, что, по крайней мере, я не злоупотребляю неограниченными возможностями воображения. Я прошу только допустить, что внутри звезд существуют достаточно привычные предметы и процессы, которые можно фотографировать. Но, может быть, вы перемените фронт и скажете: "Какое право имеете вы предполагать, что природа столь же лишена воображения, как вы сами? Может быть, она спрятала в звездах что-нибудь новое, опрокидывающее у все ваши идеи? Но я думаю, что в науке не было бы i никакого продвижения, если бы мы всегда боялись неиз-1 вестных препятствий, скрытых за каждым углом. По крайней мере надо тщательно осмотреться вокруг этого угла, и, может быть, окажется, что за ним нет ничего страшного. Наша цель при изучении звездных недр не только подивиться фантастическому миру, условия .которого превосходят данные нашего обычного опыта, мы хотим узнать внутренний механизм, который делает звезды такими, каковы они есть. Если мы хотим понять явления на поверхности звезды и узнать, почему "звезды разнствуют во славе своей", мы должны спуститься вниз, в "машинное отделение", чтобы найти истоки тепла и энергии, проникающих через поверхность. В конце концов теория должна вернуть нас на поверхность, и нам придется сравнить ее результаты с наблюдениями, чтобы убедиться, не сделано ли грубой ошибки. Пока все возможности не исчерпаны, нет основания предполагать что-либо, чего не дает лабораторный опыт. ЛГ-лучи на звезде такие же, как и в земных лабораториях, но на звезде их огромное количество. Можно получить х-лучи такие же, как на звезде, но мы не в состоянии производить их в таком же изобилии.
      Первое таково. Архитектор, прежде чем высказать свое мнение относительно плана здания, желает знать, будет ли постройка, для которой изготовлен план, строиться из дерева, стали, камня и т. д. Подобным же образом, прежде чем разрабатывать детали строения звездных недр, нужно знать, построены ли они из тяжелых материалов вроде свинца или легких вроде углерода. При помощи спектроскопа можно узнать многое о химическом составе солнечной атмосферы; но отсюда еще далеко до знания состава Солнца в целом. Чрезвычайно рискованно делать догадки о том, какие элементы преимущественно находятся в глубоких недрах. Повидимому, мы зашли в тупик. Но теперь время вспомнить, что атомы внутри звезд почти лишены внешних электронов, поэтому они будут вести себя почти одинаково, по крайней мере в отношении свойств, существенных в астрономии. Высокая температура, которая несколько пугала нас вначале, упрощает дело: она в значительной мере стирает различие между сортами звездного материала. Структура звезды г является поэтому непривычно простой физической задачей. Только при низких температурах, с которыми производятся опыты на земле, материя становится сложной и приобретает запутанные свойства. Звездные атомы — голые дикари, непричастные к классовым различиям
      наших разряженных земных атомов. Поэтому мы можем двигаться дальше, не делая догадок о химическом составе звездных недр. Необходима, впрочем, одна оговорка: там нет слишком больших относительных количеств водорода. Водород ьедет себя несколько особенно. В отношении же остальных 91 элементов почти безразлично, какой из них находится в избытке.
      Второе обстоятельство, связанное с почти полной ионизацией атомов внутри звезд, заключается в следующем. Размеры тех же атомов на земле и внутри звезд совершенно иные, так как у звездных атомов в сравнении с земными оборваны внешние электроны. Поэтому свойства вещества, зависящие от размеров атомов, на земле и звездах будут различными; об этдм еще будет речь впереди.
      Для пояснения значения химического состава звезды мы вернемся к вопросу о необходимости сдерживания нижними слоями давления верхних. При данной температуре любая индивидуальная частица имеет одинаковое значение для такого сдерживания, как и всякая другая, независимо от ее химической природы: более легкие атомы взамен малости своей массы имеют соответственно ббльшую скорость. В этом заключается известный закон экспериментальной химии, объясняемый кинетической теорией Максвелла и Больцмана. Положим сначала, что Солнце нацело составлено из серебряных атомов, и на основании этого предположения сделаем расчет температуры; затем сделаем другое предположение — о том, что Солнце построено из более легкого элемента — алюминия. Атом серебра весит ровно в 4 раза больше, чем атом алюминия; для определенной массы Солнца придется, следовательно, взять вчетверо большее количество атомов
      алюминия, чем серебра. При этом, однако, учетверится и противодействие давлению верхних слоев, и массы будут отталкиваться наружу, если мы не введем каких-либо изменений. Чтобы поддержать равновесие, надо уменьшить активность каждой частицы в 4 раза. Иными словами, алюминиевому Солнцу придется приписать 1/4 температуры серебряного Солнца. Таким образом, для неионизованных атомов изменение химического состава равносильно резкому изменению внутренней температуры.
      Но если электроны оторваны от атома, они сами, т. е. электроны, также становятся независимыми частицами, сдерживающими верхние слои. Один свободный электрон при этом дает столько же, как и атом; масса его во много раз «меньше, чем у атома, зато он движется в сотни раз быстрее. При полной ионизации атома серебра получится 47 свободных электронов, вместе с остающимся ядром образуется, следовательно, 48 частиц. Атом алюминия содержит 13 электронов и при полной ионизации дает всего 14 частиц? 4 атома алюминия дают таким образом 56 независимых частиц. Переход от ионизованных атомов серебра к равной массе ионизованного алюминия соответствует, стало быть, только переходу от 48 частиц к 56, что равносильно понижению температуры на 14 процентов. Такая степень неопределенности терпима при определении внутренней температуры Ч Это
      1 Если вместо серебра взять другой элемент, отличие будет небольшим; это отличие практически будет еще меньше благодаря тому, что на Солнце находится смесь элементов. За исключением во юрода наиболее резко отличаются серебро (81 частица) и гелий (48 частиц). Но для водоро?а число частиц будет 216, так что водород дает цифры, значительно отличающиеся от других элементов.
      большой шаг вперед в сравнении с расчетом для неразбитых атомов, где неопределенность, как мы видели, достигает 400 процентов.
      Благодаря ионизации результаты становятся, таким образом, мало отличающимися друг от друга при любых предположениях о химическом составе звездных недр Ч Помимо этого вследствие ионизации значительно понижается вычисляемая температура, так как число сдерживающих частиц при ионизации возрастает. Иногда думают, что чрезвычайно высокая температура, приписываемая звездным недрам, — современная сенсация. Это не так. Прежние исследователи, пренебрегавшие ионизацией и световым давлением, приписывали звездам значительно более высокие температуры, чем принятые теперь.
     
      Давление радиации и масса
      Звезды отличаются одна от другой по массам, т. е по количеству материала, из которого они образованы, однако различия не столь велики, как можно бы думать, судя по грома тным различиям яркости звезд. Мы не всегда можем определить массу звезды, но есть порядочное число звезд, для которых масса определена астрономическими наблюдениями. Масса Солнца, если ее выразить в тоннах, напишется такой цифрой:
      2 000 000 000 000 000 000 000 000 000.
      Надеюсь, что я не обсчитался, приписывая нули справа; осмеливаюсь, однако, сказать, что вы наверное не придали бы большого значения, если бы одним или двумя нулями было больше или меньше. Но для природы это имеет значение. При формировании звезд правильное число нулей имело, очевидно, огромный смысл. У природы как бы существовало задание об определенном количестве материала на каждую звезду. Без сомнения, некоторая нехватка или избыток допускались. Пропускались даже звезды с целым лишним нулем, причем возникали необычайно большие светила, «или очень малые звезды с нехватающим нулем. Но такие отклонения редки, и ошибка в два нуля была бы неслыханной С ОбыкнЬвенно массы звезд близко подходят к образцу.
      1 В 1927 г. О. Струве определил массу четверной звезды 27 Canis inajoris. Общая масса всех звезд системы оказалась приблизительно в 1 000 раз большей, чем у Солнца. В среднем масса каждой из компонент почти в 250 раз превосходит почти "нормальную" массу Солнца. Если расчеты Струве верны, то перед нами .неслыханное" отклонение от нормы. Прим. переводчика.
      Каким образом природа считала нули? Ясно, что должно быть нечто внутри самой звезды, ведущее этот счет и, так сказать, протестующее, если превзойдена норма. Мы думаем, что этот механизм нам известен. Вспомните об эфирных волнах внутри звезды. Они стремятся выбраться наружу и при этом давят на материю, в которой они заключены. Эта сила, направленная наружу, если она достаточно велика, заслуживает внимания наряду с другими силами при изучении равновесия или устойчивости звезды. В сферах небольшого размера эта сила ничтожна, но значение ее возрастает по мере увеличения массы сферы. Вычислено, что она достигает того же порядка величины, как и другие силы, управляющие равновесием звезды, когда масса последней доходит приблизительно до написанной выше цифры. Если бы мы никогда не видели звезд и просто занимались задачей о максимальной массе шара, которая была бы в состоянии удерживаться в равновесии, то мы нашли бы, что затруднений нет до масс приблизительно в две тысячи квадриллионов тонн, но далее обстоятельства резко должны измениться, и сила светового давления приобретает основное значение г. Здесь я чувствую себя не совсем прочно: точные вычисления дальше невозможны, и никто не мог рассчитать пока, что будет производить
     
      1 Приводим следующую таблицу из большой книги Эддингтона. В первом столбце находятся массы, выраженные в тоннах, во втором — световое давление в центре сферы, выраженное в единицах общего давления верхних. слоев материн на центр при равновесии. В третьем столбце находится давление газа, выраженное в тех же единицах. Ясно, что при равновесии сумма светового давления и газового, противодействующих внешнему давлению ( — 1), должна быть равной единице.
     
      световое давление дальше. Но едва ли случайно, что все звезды по своей массе столь близки к критической. Поэтому я осмеливаюсь высказать догадку и о дальнейшем. Новая сила, световое давление, не запрещает больших масс, но она делает их рискованными. Даже при умеренном вращении звезды вследствие добавления центробежной силы при этих условиях звезда может разорваться. Следовательно, большие массы могут осуществиться только в редких случаях; поэтому большая часть звезд существует с массами, при которых новая сила только начинает угрожать. Сила тяготения собирает рассеянный материал туманностей и космической материи, давление радиации формует массы подходящих размеров.
      Многим эго давление радиации более известно под названием "светового давления". Термин "радиация" соответствует всем видам эфирных волн, включая и свет, так что смысл остается прежним. Сначала было показано теоретически а затем проверено на опыте, что свет проявляет очень слабое давление на всякий встречный предмет. Теоретически возможно сбить с ног человека, повернув навстречу ему световой пучок прожектора; для этого, однако, прожектор должен быть чудовищной интенсивности, и человек, вероятно, обратился бы в пар под действием такого пучка света. Давление света играет, повидимому, большую роль во многих небесных явлениях. Еще очень давно предполагалось, что мельчайшие частицы кометных хвостов отклоняются в сторону под давлением солнечного света. Но такое объяснение сомнительно. Внутри звезды интенсивный поток света (х-лучей) подобен вихрю, дующему наружу и разрыхляющему звезду.
     
      Недра звезды
      Теперь можно составить некоторую картину звездных недр, в которых мечутся атомы, электроны и эфирные волны. Растерзанные атомы носятся со скоростями в сотни километров в секунду, их обычный наряд из электронов сорван с них в общей свалке. Оторвавшиеся электроны летят в согни раз быстрее, отыскивая новые места. Проследим за одним из них. Когда электрон приближается к ядру, то как будто соударение близко, но электрон, увеличивая скорость, огибает ядро по крутой кривой дальше. Иногда кривая несколько загибается назад, но все же электрон уходит с увеличенной или уменьшенной энергией. После тысяч таких встреч, протекающих в течение миллиардных долей секунды, изнурительный бег электрона кончается при каком-нибудь на редкость неудачном повороте около ядра. Он захватывается и приковывается к атому. Но едва успеет он занять свое место, как цепи- разрываются .лг-лучом, попавшим внутрь атома. Набравшись энергии луча, электрон вырывается снова на пбиски дальнейших приключений. Я чувствую, что костоломная комедия современной атомной физики не очень деликатна и не соответствует эстетическим идеалам. Величественная драма эволюции звезд становится более похожей на трюки кино-фильмы, а музыка сфер напоминает джаз-банд.
      И каков результат всей этой суматохи? Очень небольшой. Несмотря на всю суетню, атомы и электроны не находят себе постоянного места, они только меняются местами. Только эфирные волны — единственная часть звездного населения, выполняющая что-то остающееся. Хотя и они разлетаются по всем направлениям, но в среднем все же слегка продвигаются вперед. Атомы и электроны вперед не двигаются: этому препятствует тяготение. Но эфирные волны медленно пробираются наружу, как сквозь сито. Эфирная волна перелетает от одного атома к другому - вперед, назад, то поглощаясь, то вновь вылетая в другом направлении, теряя индивидуальность, но оставляя наследника. Если посчастливится, то через срок не безгранично долгий (от десяти тысяч до десяти миллионов лет, в зависимости от массы звезды) волна очутится вблизи поверхности. При низких температурах она превращается из лг-луча в видимый свет, постепенно меняясь при каждом новом излучении. Наконец, она столь
      близка к границе, что может выбраться наружу, и мирно путешествует вперед в течение сотен лет. Может быть, в конце концов она достигнет и нового удаленного мира, где ее ждет астроном, чтобы поймать в телескоп и вынудить у нее тайны ее месторождения.
      Важно определить скорость продвижения эфирных волн в звездах, поэтому нам надо терпеливо изучить, что происходит среди этой бурной толкотни. Иными словами: волны выходят наружу вследствие разницы температуры внутри и на поверхности звезды. Прохождению волн мешают их встречи с атомами и электронами. Задача математика — определить на основании законов и теорий, полученных при изучении тех же процессов в лаборатории, какова величина фактора, заставляющего волны итти наружу, и фактора, задерживающего волны. Отсюда получится скорость прохождения волны. Разумеется, вычисленная величина должна согласоваться с астрономическими измеренйями тепла и света, исходящих от звезды. Таким образом, наконец, мы приходим к следствиям теории, доступным опытной проверке.
     
      Непрозрачность звездной материи
      Рассмотрим причину, задерживающую диффузию волн, поворачивающую волны назад при встречах с атомами и электронами. Если бы мы имели дело с видимыми волнами, то назвали бы такую задержку . непрозрачностью, или темнотой материала. Тот же термин мы будем применять и к задержке jf-лучей.
      Нетрудно» видеть, что материал звезды должен быть очень темным. Количество радиации внутри звезды столь велико, что если бы радиация ничем не задерживалась, тo диффузия наружу должна бы во много раз превосходить в действительности наблюдаемую. Мы приведем такой пример типичной степени непрозрачности, требующейся для согласия с наблюдаемой диффузией. Предположим, что мы находимся на звезде Капелле. Отыщем там область, где плотность материи такая же, как у атмосферы на поверхности Земли *. Материя Капеллы должна быть настолько непрозрачной, чтобы через слой в 5 сМ толщиною проходила только треть эфирных волн, остальное должно поглотиться. 30 — 50 см толщины практически достаточно для полной непроницаемости. Если иметь в виду световые волны, то такая непрозрачность кажется поразительной для материала с плотностью воздуха; но нужно помнить, что мы говорим о непрозрачности для х-лучей. Физик-практик хорошо знает, насколько трудно пропустить мягкие сорта х-лучей даже через толщу нескольких миллиметров воздуха.
      Имеется отрадное согласие в общем порядке величин между непрозрачностью звезды, определяемой астрономически, по наблюдениям диффузии излучения, и непрозрачностью земных веществ по отношению к х-лучам приблизительно с такой же длиной волны, как внутри звезды. Это дает нам некоторую гарантию, что наша теория на правильном пути. Однако тщательное сравнение показывает наличие и некоторого важного различия звездной и земной непрозрачности.
      В лаборатории мы находим, что непрозрачность очень быстро возрастает с длиною волны х-лучей. Мы не видим, однако, такого возрастания в звездах, хотя х-лучи
     
      * Средняя плотность Капеллы приблизительно такая же, как плотность воздуха на поверхности земли.
     
      в более холодных светилах должны обладать значительно большей длиной волны, чем в горячих звездах. Сравнивая непрозрачность для одной и той же волны в обеих звездах, мы находим, что звездная непрозрачность меньше земной. Рассмотрим это разногласие подробнее.
      Есть много способов, которыми атом может поглощать эфирные волны, однако несомненно, что для х-лучей как внутри звезд, так и в лаборатории главная доля непрозрачности зависит от процесса ионизации. Эфирные волны попадают в атом, их энергия всасывается одним из планетных электронов, который за счет этой энергии выскакивает из атома и улетает с большой скоростью. Следует заметить, что при таком акте поглощения абсорбирующий механизм перестает действовать до тех пор пока он снова не будет исправлен. Для исправления атом должен захватить один из свободных электронов, странствующих вокруг, принуждая его занять место потерянного электрона.
      В лаборатории можно производить только слабые потоки х-лучей, захват волн атомами происходит изредка и случайно. Здесь очень много времени для восстановления нарушенного механизма, при следующей встрече атом опять готов к захвату, поэтому практически нельзя заметить ослабления поглощательной способности вследствие выведения из строя захватывающих механизмов. Но в звездах поток х-лучей чрезвычайно интенсивен. Его можно сравнить с армией мышей, марширующих по вашей кладовой и попадающих в мышеловки без промаха, если только мышеловки открыты и пружины в них натянуты. На очищение мышеловок и восстановление пружин требуется время, и число пойманных мышей главным образом будет зависеть от скорости этой операции.
      Мы видели, что звездные атомы потеряли большинство своих электронов — это значит, что в каждый момент значительная доля поглощающих капканов ждет починки. По этой причине непрозрачность звезд и оказывается меньшей, чем на земле. Пониженное поглощение есть простой результат перегруженности работой абсорбирующих механизмов: им приходится оперировать слишком большим количеством радиации. Отсюда понятно, почему законы звездного и земного поглощения несколько различны. Скорость "починки", которая имеет основное значение для поглощения внутри звезд, возрастает при сжатии материала, ибо в этом случае атомам не приходится долго ждать встречи и захвата свободного электрона. Следовательно, непрозрачность звезды будет возрастать вместе с плотностью. В земных условиях ускорение "починки" не дает преимуществ, так как и без того атом будет восстановлен своевременно, следовательно, поглощение на земле цр зависит от плотности.
      Таким образом теория непрозрачности звезды сводится главным образом к теории захвата электронов ионизованными атомами; разумеется, этот процесс не играет никакой роли в самом поглощении х-лучей (он сопровождается, наоборот, излучением), однако он — необходимая подготовка к абсорпции. Физическая теория захвата электронов еще не вполне определенна, но она уже достаточно развита для того, чтобы ею воспользоваться при предварительных расчетах задерживающего фактора в диффузии радиации звезд.
     
      Связь яркости и массы
      Не будем с самого начала браться за слишком трудную задачу и рассмотрим пока звезду, состоящую из идеального газа. Если вам не нравится специальное выражение "идеальный газ", можно называть его просто "газом", так как все земные газы, которые вы себе представляете, в достаточной степени совершенны и идеальны. Укажу, что имеется много примеров газообразных 1 звезд. Во многих звездах вещество столь расширено, что плотность меньше, чем у воздуха около нас; иапример, если бы вы находились внутри Капеллы, то материя Капеллы была бы для вас еще менее заметна, чем воздух в комнате.
      Для газообразных звезд в результате исследования получаются формулы, при помощи коих можно вычислить, какое количество энергии, света и тепла должно диффундировать сквозь их поверхность, короче, какова должна быть их яркость. На рис. 7 проведена кривая, показывающая теоретическую связь между яркостью и массой звезды. Строго говоря, есть и другой фактор, помимо дает очень резкое расхождение с данными астрономического наблюдения; именно, теоретическая величина приблизительно в 10 раз меньше наблюденной. Эддингтон (в своей большой книге) пока не находит выхода из этого серьезного затруднения и называет его "мрачным облаком" на горизонте теории звезд. Джинс видит в огромной величине непрозрачности звезд доказательство того, что недра звезд состоят из очень тяжелых атомов, неизвестных иа земле элементов, атомные веса которых много больше, чем у урана. Прим. переводчика.
      1 Там, где в дальнейшем нет особых оговорок, под "газообразной" звездой мы понимаем звезду, состоящую из идеального газа.
      массы, который влияет на вычисленную яркость: могут существовать две звезды с одинаковой массой, но одна будет плотной, другая разреженной, яркость их не одинакова. Но довольно неожиданно оказывается, что этот другой фактор — плотность — мало влияет на яркость, если, впрочем, материал не слишком плотен, так что его можно считать идеальным газом. Поэтому здесь я ничего не буду говорить о плотности.
      Привожу некоторые детали относительно диаграммы. Яркость-измерена в "величинах", т. е. практических единицах. Надо помнить, что чем больше звездная "величина", тем меньше ее яркость. Диаграмма заключает практически всю шкалу яркостей: 4 наверху соответствует наиболее ярким известным звездам, а 12 внизу
      Относится к звездам предельной слабости. Различие между верхом и низом приблизительно такое же, как между вольтовой дугой и светляком. Солнце соответствует приблизительно яркости 5. Разумеется, эти величины относятся к истинной, а не к кажущейся яркости, которая зависит от расстояния; кроме того, цифры на диаграмме представляют так называемую "тепловую яркость или интенсивность", которая иногда несколько отлична от световой интенсивности. Имеются астрономические инструменты, измеряющие непосредственно энергию, приходящую от звезд, а не свет. В показания этих приборов приходится, однако, вносить сложные поправки вследствие большого поглощения радиации в земной атмосфере, и в большинстве случаев легче и точнее найти "тепловую яркость" из световой, учитывая окраску звезды. На горизонтальной шкале диаграммы нанесены логарифмы масс. С крайней левой стороны масса составляет приблизительно Ye солнечной, а с правой стороны — 30 солнечных масс; вне этих пределов имеется очень мало звезд. Масса Солнца соответствует цифре 0,0 на шкале.
      Получив теоретическую кривую, мы должны прежде всего сравнить ее с наблюдениями, иными словами, мы собираем данные, относящиеся к звездам, для которых одновременно известны масса и абсолютная яркость. Соответствующие точки наносятся на диаграмму, и мы смотрим, попадают ли они на кривую, чтб должно быть, если теория верна. Для немногих звезд масса определена с большой точностью. Все достаточно достоверное включено в диаграмму на рис. 7. Кружочки, крестики, квадраты и треугольники относятся к различным классам данных; некоторые из них хороши, другие плохие, часть совсем плохие.
      Наиболее достоверны кружочки. Просмотрим их справа налево. Сначала* идет яркая компонента Капеллы, прекрасно укладывающаяся на кривую... потому что я провел теоретическую кривую через нее. Вы видите отсюда, что была числовая постоянная, которая при современном состоянии наших знаний об атомах, эфирных волнах и прочем не может быть определена с достоверностью чисто теоретически *. Таким образом полученная кривая была произвольна в одном направлении, она могла быть поднята или опущена. Мы закрепили ее, пропустив через точку, соответствующую яркой компоненте Капеллы; это, повидимому, лучшая звезда для данной цели. После этого всякий произвол был устранен. Спускаясь вниз, мы встречаемся с более слабой компонентой Капеллы, затем с Сириусом, далее с двумя компонентами а Сеп-tauri (ближайшая неподвижная звезда) и Солнцем между ними. Тут же на кривую ложится кружок, представляющий среднее для шести двойных звезд Гиады. Наконец, далеко влево находятся две компоненты хорошо известной двойной звезды, называемой "Крюгер 60.
      Данные наблюдений для проверки кривой не настолько обширны и достоверны, насколько хотелось бы; я думаю, однако, что из рис. 7 ясно, что в существенном теория подтверждается: она действительно дает возможность по яркости предсказать массу звезды, или обратно; это полезный результат, ибо имеются тысячи звезд, у которых мы можем измерить яркость, но не массу; по кривой мы можем оценить их массы с некоторой достоверностью.
      * Эта постоянная непосредственно связана с коэффициентом непрозрачности звездного материала. Ср. наше примечание иа стр. 40. Прим. переводчика.
      Я не мог здесь привести деталей расчета и ограничиваюсь указанием на то, что кривая рис. 7 проведена на основании чистой теории или земных опытов, за исключением того, что одна постоянная формулы определяется путем проведения кривой через точку, соответствующую Капелле. Вообразим себе физика, работающего на окутанной облаками планете, вроде Юпитера. Пусть этот физик никогда не видал звезд, но он может вывести методами, о которых говорилось на стр. 33, что если за облаками существует вселенная, то она должна собраться в массы порядка тысяч квадриллионов тонн. Он предскажет далее, что эти скопления должны быть сферами, испускающими свет и тепло, и что яркость их зависит от массы по закону, представленному на кривой рис. 7. Все данные, нужные для его расчета, будут ему доступны, несмотря на облачную завесу. У. нас было только одно преимущество: мы могли воспользоваться данными, относящимися к яркой компоненте Капеллы. Однако даже без этого незаконного подсматривания он приписал бы на основании современной физической теории незримым для него звездам такую яркость, которая не была бы ошибочной до абсурда. Если он не мудрее и не осведомленнее нас, то он приписал бы звездам яркость, приблизительно в десять раз превосходящую действительную *, это уже не такая грубая ошибка для первой попытки решения столь загадочного вопроса. Мы надеемся выяснить смысл этого лишнего фактора 10
      1 Для такого предсказания не нужно знать химического состава звезд, если только исключить крайние случаи (т. е. избыток водорода). Например, рассмотрим две гипотезы: а) Капелла состоит из железа, Ь) из золота. На основании теории непрозрачности звезда, состоящая из более тяжелого элемента, будет при дальнейшем изучении атомных процессов, временно же исключаем его, определяя сомнительную постоянную из астрономических наблюденийг.
      Плотные звезды
      Согласие наблюденных точек с кривой замечательно хорошее, если принять во внимание неточность наблюдений; перед нами, повидимому, сильное подтверждение теории. Приходится сделать, однако, ужасное признание — мы сравнивали с теорией неправильные звезды. По крайней мере сначала, в 1924 г., когда такое сравнение было впервые сделано, никто не сомневался, что звезды выбраны неправильно.
      Напомним, что теория была разработана для звезд, находящихся в условии идеального газа. В правой половине рис. 7 все точки соответствуют диффузным звездам. Типичной для таких звезд может считаться Капелла, средняя плотность которой почти равна плотности комнатного воздуха. Они построены, очевидно, из истинного газа, и поскольку такие звезды согласуются с кривой, теория подтверждается. Но в левой части диаграммы находится Солнце, материя которого в среднем плотнее воды, у "Крюгер 60 плотность больше, чем у железа, в 2/а Раза непрозрачнее жечезной звезды. Поэтому, казалось бы, золотая звезда- будет светить в 2*/а раза слабее. Однако с повышением непрозрачности возрастает температура, в результате чего отдача тепла увеличивается приблизительно в 2*/ раза Окончательно яркость золотой и железной звезд будет практически одинаковой. Такая независимость от химического строения делает результат очень определенным, но одновременно тем труднее становится понять смысл лишнего фактора 10.
      * Ср. примеч. на стр. 40. Прим. переводчика.
      у других звезд плотности такие, которые мы обычно связываем с жидким или твердым состоянием. Какое отношение имеют эти звезды к кривой, полученной для идеального газа? Когда данные для этих звезд наносились на диаграмму, то не было никакой надежды, что они уложатся на кривую, в действительности обнаружилось досадное согласие. Была мысль, что теория уже достаточно подтверждается согласием с данными, относящимися к диффузным звездам; по измерениям отклонений для плотных звезд, точки которых должны бы расположиться ниже кривой, была надежда определить, насколько различается вещество в плотных звездах от идеального газа. Согласно существовавшим воззрениям ожидалось, что Солнце на диаграмме должно расположиться на 3 — 4 величины ниже кривой, а "Крюгер 60 — почти на 10 величин ниже1. Вы видите, что это ожидание совершенно не оправдалось.
      Удивление было даже сйльнее, чем я здесь могу выразить, ибо резкое падение, яркости при переходе звезды в конденсированное состояние было догматом наших представлений об эволюции звезд. На основании этого догмата звезды были разделены на две группы — гигантов
      1 Наблюдения показывают, что Солнце почти на 4 величины слабее, чем средняя диффузная звезда того же класса, а "Крюгер 60 — на 10 величин слабее. Такая разница обыкновенно объяснялась отклонениями от условий идеального газа, но при этом не учитывалось возможное различие масс. Кривая заставляет сравнивать плотную и диффузную звезды с одинаковыми массами, и тогда расхождение исчезает. Таким образом (если тут нет какой-либо ошибки) плотная звезда находится в газообразном состоянии, и указанные различия яркости полностью объясняются различием масс.
      и карликов; первые соответствовали газообразным звездам, вторые — плотным.
      Перед нами две возможности. Первая состоит в том, что в нашей теории что-то ошибочно, истинная кривая для диффузных звезд отличается от нашей, в левой части она проходит выше, так что Солнце, "Крюгер 60 и г. д. находятся от нее на требующихся расстояниях. Иными словами, наш воображаемый критик оказался прав: природа утаила что-то неожиданное внутри звезд, -и наши расчеты оказались тщетными. Если это так, то это не плохо: в результате нашего исследования обнаружилось кое-что новое.
      Другое объяснение состоит в следующем: исключена ли возможность того, что идеальный газ может иметь плотность железа? Ответ довольно неожиданный. Нет основания отрицать, будучи на Земле, отсутствие такой возможности на звездах. Или, вернее, это невозможно на Земле, но возможно на звездах.
      Материя Солнца, хотя она.и плотнее воды, в действительности — идеальный газ. Это звучит невероятно, но это должно быть так. Признак истинного газа в том, что у него достаточно свободного пространства между частицами: в газе мало вещества и много пустоты. Сжимая газ, вы не сжимаете субстанции, вы только устраняете из него некоторую долю пустого пространства. Но если продолжать сжатие, то настанет момент, когда почти все пустое пространство будет устранено, атомы придут в соприкосновение, и всякое дальнейшее давление должно сжимать самую субстанцию, что, разумеется, совсем другое дело. По мере приближения к такой плотности сжимаемость, характерная для газа, исчезает, и материя перестает быть газом в точном смысле слова. В жидкости атомы весьма сближены между собою, плотность жидкости и дает вам представление о материи, когда она теряет свойство сжимаемости.
      Толстые земные атомы, которые начинают задевать друг друга при плотностях жидкого состояния, на звездах не существуют. Звездные атомы раздеты, у них оторваны все внешние электроны. Атомы наиболее легких элементов ощипаны так, что остаются голые ядра почти исче-зающе-малого размера. Более тяжелые атомы удерживают несколько внутренних электронов, но все же диаметр их составляет немного больше сотой доли поперечника вполне одетого атома. Стало быть, можно очень сильно сжимать такой газ, прежде чем тонкие звездные атомы и ионы придут в соприкосновение. При плотности воды и даже платины еще достаточно места между такими частицами, здесь можно еще долго вытеснять пустое пространство, как в идеальном газе.
      Ошибка наша произошла оттого, что, обсуждая толкотню в бальном зале звездных недр, мы позабыли, что там кринолины уже не в моде.
      С нашей стороны было весьма недальновидно просмотреть это обстоятельство, хотя мы уделили столько внимания ионизации атомов в других частях исследования. Окольным путем мы пришли к заключению, которое следовало бы сделать с самого начала. Итак, мы полагаем, что звезды в левой части диаграммы в конце концов совсем не "неправильные" звезды. Солнце и другие плотные звезды ложатся на кривую идеального газа, потому что состоят из идеального газа. Тщательное рассмотрение показало, что в малых звездах в крайней левой части рис. 7 электрические заряды атомов и электронов вызывают небольшие отклонения от обычных газовых законов. Фоулер показал, что в результате газ не делается неидеальным, а, наоборот, становится сверхъидеальным, т. е. он сжимается легче, чем обычный газ. Вы можете видеть, что в среднем в левой части рис. 7 звезды расположены несколько выше кривой. Вероятно, что эти отклонения истинные и вызываются частью " сверхъидеальностью газа; мы говорили уже, что несовершенство газа заставило бы точки расположиться ниже кривой.
      Если звезда имеет даже плотность платины, то все же в ней много пустого пространства, и звездный материал можно сжимать дальше до плотностей, превосходящих все известное на Земле. Но это уже другая история, о ней будет речь в свое время.
      Общее согласие наблюденных и вычисленных яркостей звезд с различными массами — главное доказательство правильности нашей теории внутреннего строения звезд. То обстоятельство, что массы звезд находятся в тех пределах, при которых становится критическим давление радиации, также составляет ценное подтверждение. Было бы преувеличением говорить, что этот ограниченный успех доказывает, что мы знаем истину о звездных недрах. Это не доказательство, но залог того, что и дальше следует работать в избранном направлении мысли. Узел начинает развязываться. Оптимисты могут думать, что нить уже расправлена, более осторожные готовятся к следующим узелкам. Одно из оснований надеяться, что мы недалеко ушли от истины, состоит в том, что в звездных недрах больше, чем где-либо, задача о материи поставлена с крайней простотой. Астроному приходится иметь дело с задачей, значительно менее запутанной, чем земному физику, перед которым материя всегда является в ореоле электронных систем с крайне сложной организацией.
      Мы воспользовались современными физическими теориями и извлекли из них самые отдаленные выводы. В этом нет никакого догматизма: это лучшее средство проверить теории или обнаружить их слабости, если таковые имеются.
      В древности два авиатора соорудили себе крылья. Дедал осторожно полетел на небольшой высоте и получил заслуженные почести при спуске. Икар воспарил к Солнцу, воск, связывавший его крылья, растаял, и полет кончился падением. При суждении об их деяниях можно кое-что сказать и в пользу Икара. Классические авторы говорят о нем просто, что он "сделал глупость", но я предпочитаю думать о нем как о человеке, выяснившем серьезный конструктивный недостаток летательных машин своего времени. Эго — частое явление в науке. Осторожный Дедал желает применять свои теории только там, где он уверен, что они несомненно годятся; однако благодаря этой излишней осторожности скрытые недостатки теорий остаются необнаруженными. Икар, наоборот, доводит свои теории до крайнего напряжения, так что они ломаются в соединительных узлах. Для чего? Из простого авантюризма? Может быть, частью и так. Такова человеческая природа. Но если ему и не суждено достигнуть Солнца и окончательно разрешить загадку его строения, мы можем, по крайней мере, надеяться по его путешествию научиться строить лучшие машины.
     
     
      Лекция вторая
      НЕКОТОРЫЕ НОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
     
      Для оценки астрономического значения сказанного в первой лекции будет полезно перейти от общего к частному и посмотреть, как применяются полученные результаты к отдельным звездам. Я выберу две звезды, история которых особенно интересна, и изложу наши сведения о них.
     
      История Алголя
      Это — детективная история, которую можно назвать: "Пропавшее слово или поиски в неверном направлении".
      В астрономии в отличие от других наук объекты исследования не в наших руках, мы не можем с ними производить опытов, приходится пассивно ждать, получать и расшифровывать их послания к нам. Все наши сведения о звездах приносятся лучами света, мы стережем эти.сигналы и пытаемся их понять. Некоторые звезды как будто посылают нам правильные ряды точек и тире, подобно перемежающемуся свету маяка. Перевести эти сигналы по азбуке Мор за нельзя, однако тщательным исследованием мы узнали очень многое из этих посланий. Звезда Алголь наиболее знаменитая из этих "переменных
      звезд". По сигналам мы узнаем, что в действительности там две звезды, вращающихся одна вокруг другой. Иногда прячется более яркая из двух звезд, и получается темное затмение, или "точка"; иногда скрывается слабая звезда, и мы видим "тире". Это повторяется с периодом в 2 суток 21 час (период обращения звезд).
      Из этих посланий можно было получить много сведений,. но было и нечто мучительное, как муки Тантала. Не хватало, так сказать, одного слова. Если это слово вставить, то из послания мы получили бы полные и точные сведения о размерах системы (диаметрах и массах обеих компонент), их абсолютную яркость, расстояние между ними, их расстояние от Солнца. Но при отсутствии этого слова послание не говорило нам ничего реального обо всех этих вещах.
      Астрономы не были бы людьми, если бы при таких обстоятельствах они не пытались догадаться, какое это слово. Слово должно нам сообщить, насколько больше яркая звезда, чем слабая, иначе: каково отношение масс этих двух звезд. Некоторые менее знаменитые переменные звезды дают нам полный текст (ими можно, следовательно, воспользоваться для проверки связи между массой и абсолютной яркостью; соответствующие данные нанесены на рис. 7 в виде треугольников). Затруднение с Алголем происходит вследствие исключительной яркости большей компоненты: она засвечивает и делает неясными более деликатные сигналы слабой звезды. По другим двойным системам можно найти наиболее частое отношение масс и на этом основании догадаться о вероятном значении отношения у Алголя. Различные авторы выбирали па этом основании несколько различные значения, но по общему суждению в системах, подобных Алголю, яркая компонента вдвое массивнее, чем слабая. Итак, нехватающее слово по догадке было "два"; на этом основании были вычислены размеры системы, и по общему мнению они считались близкими к истине. Это было 16 лет тому назад С
      Таким путем по световым сигналам читали, что радиус яркой звезды равен 1100 000 км (ИД солнечных радиуса), масса ее составляет половину солнечной массы, абсолютная яркость в 30 раз больше, чем у Солнца, и т. д. Сразу видно, что эти цифры не согласуются с нашей кривой на рис. 7: звезда с массою, составляющей половину солнечной, должна быть во много раз слабее Солнца. Было крайне неприятно видеть, что столь знаменитая звезда протестует против теории. Но в конце концов всякая теория должна проверяться фактами, а не догадками, а база нашей теории основательнее, чем домыслы о "нехватающем слове". Кроме того спектральный тип Алголя таков, который обыкновенно не встречается у звезд с небольшими массами. Эго заставляет усомниться в справедливости догадки о "слове".
      Если считать теорию, изложенную в первой лекции, верной, то можно обойтись и без "нехватающего слова*. Иначе говоря, мы можем подставлять другие значения вместо "двух", пока не достигнем того, что яркость и масса яркой компоненты будут согласоваться с кривой рис. 7. "Два", как мы видели, дает точку, далеко отклоняющуюся от кривой. Подставим "три" и перечислим массу и яркость на основе такого предположения; на этот раз точка будет ближе к кривой. Пробуем "четыре", "пять" и т. д. Если точка перейдет через кривую, мы увидим, что взяли слишком много, и придется вернуться к промежуточной величине, чтобы получить желаемое согласие. Так было сделано в ноябре 1925 г., и оказалось, что "пропавшее слово" должно быть "пять", а не "два", — изменение чрезвычайно большое. Теперь световые сигналы говорят:
      Радиус яркой компоненты = 2140 000 км Масса " " =4,3 солнечной массы.
      Сравнив эти цифры с прежними, вы найдете большое различие. Теперь звезде приписана большая масса, более подходящая к спектральному типу В. Яркость Алголя превосходит теперь более чем в 100 раз яркость Солнца; параллакс ее теперь 0,028", т. е. расстояние вдвое больше, чем предполагалось прежде.
      В то время казалось мало вероятным, что это заключение может быть проверено. Возможно, что предсказание относительно параллакса подтвердится или будет опровергнуто при тригонометрических определениях. Но параллакс так мал, что лежит почти за пределами точных. измерений. Оставалось занять позицию: "хотите — берите, хотите — нет". "Если вы принимаете теорию, Алголь должен быть таким; если вы не доверяете теории, эти результэты для вас неинтересны". *
      В это время, однако, два астронома в обсерватории Ann Arbor произвели розыски "пропавшего слова" замечательным новым методом. Они фактически нашли это слово и еще годом раньше до предсказания опубликовали его; оно не было, однако, широко известным. Если звезда вращается, то один край лимба движется к нам, другой от нас. Скорости, направленные к нам или
      от нас, мы можем измерять по спектральному эффекту Допплера, причем получаем определенный результат выраженный, например, в Таким способом измеряют экваториальную скорость вращения Солнца наблюдением западного и восточного лимба. Все это хорошо известно относительно Солнца, где можно закрыть весь диск за исключением части, подлежащей наблюдению. Но как вы закроете часть звезды, когда она видна нам в виде простой световой точки? Вы не можете этого сделать, но на Алголе такое закрывание производится и без вас, экраном является более слабая звезда. Когда она проходит перед яркой звездой, то есть момент, когда остается незакрытым только тонкий серп на западе, в другой момент открыт только узкий серп на востоке. Разумеется, звезда слишком далека, чтобы можно было в действительности видеть серповидную форму, но в указанные моменты вы получаете свет только от серпов, остальное закрыто. Измеряя эти моменты, можно производить измерения так, как будто бы мы сами манипулировали экраном. К счастью, скорость вращения Алголя велика, и ее можно измерить с относительно малой ошибкой. Теперь помножьте экваториальную скорость на период вращения, отсюда получится окружность Алголя Разделив на 2тг, получим радиус. В этом состоял метод, разработанный Росситером и Мак-
     
      1 Наблюдению доступен период обращения Алголя, а не вращения звезды вокруг оси. Однако обе звезды столь близки друг к другу, что несомненно вследствие приливных сил они обращены одна к другой всегда одной и той же стороною, т. с. периоды вращения и обращения совпадают.
     
      Логлином. Последний, применив его к Алголю, нашел, что радиус яркой компоненты составляет:
      2 180 000 км.
      Поскольку можно судить, этот результат очень точен; во всяком случае вероятно, что радиус этой звезды известен теперь лучше, чем какой-либо другой, за исключением Солнца. Если вы потрудитесь теперь вернуться к стр. 55 и сравнить написанное число с тем, что найдено теоретически, вы увидите, что можно чувствовать себя удовлетворенным. Мак-Логлин вычислил и другие постоянные и размеры системы, они столь же хорошо согласуются. Но это следует уже автоматически, так как не хватало ведь одного только слова. Пропавшее слово, или отношение масс, оказалось "пять" (5,0).
      Но здесь история еще не кончается. Почему же первая догадка об отношении масс оказалась столь ошибочной? Мы знаем теперь, что неравенство масс тесно связано с неравенством яркостей двух звезд. Неравенство яркостей непосредственно видно по световым сигналам Алголя; -мы знаем, что слабая компонента дает около 3/33 света яркой звезды (nt крайней мере, по нашему толкованию). Согласно нашей кривой это соответствует отношению масс 21/2, что немного лучше 2. При отношении масс, равном 5, спутник должен быгь значительно слабее, так что свет его перестал бы замечаться. Хотя это соображение и не имело значительного влияния на первоначальное предположение ("два"), однако оно все же несколько подкрепляло его.
      Назовем яркую компоненту Алголем А, а слабую — Алголем В. Несколько лет тому назад было сделано новое открытие: найден Алголь С. Оказалось, что Алгол и А и В вместе ходят по одной орбите вокруг третьей звезды с периодом около двух лет; по крайней мере они обходят эту орбиту, и мы должны предположить существование чего-то, вокруг чего они обращаются. До сих пор мы думали, что в- моменты наибольшего затмения Алголя А весь остаточный свет идет от Алголя В\ но теперь ясно, что этот свет относится к Алголю С, который светит непрерывно, не затмеваясь. Следовательно, отношение масс, равное 21/а, соответствует Алголю А и Алголю С. Свет Алголя В неощутим, как это и должно быть для отношения масс, равного 5 Е
      Послание Алголя А к В было запутанным не только потому, что в нем не хватало одного слова, но также и по той причине, что в тексте были еще одно-два слова другого послания, от Алголя С; даже после того, как пропущенное слово "пять" было найдено и подтверждено двумя способами, текст все же оставался непонятным: в некоторых местах казалось, что пропущенное слово следует читать "два с половиною". Последний шаг расшифровывания послания заключался в том, что 2г/а относится к другой, ранее неизвестной, звезде — Алголю С. Здесь все счастливо кончается.
      Даже лучшие сыщики ошибаются. .В этой истории наш астрономический детектив сделал основательное, но безуспешное предположение в начале дела. Ошибка раскрылась бы раньше, однако имелся "фальшивый ключ", подброшенный третьим партнером, присутствовавшим при
      1 Можно добавить, что хотя собственный свет Алголя £ незаметен, однако на нем можно наблюдать отражение (или новое испускание) света Алголя А. Этот отраженный свет меняется наподобие лунного света в зависимости от того, находится Алголь В "в ущербе" или "полным".
      совершении преступления, этот ключ как будто подтверждал первоначальную догадку. Это оказалось гибельным для розысков. Но зато получилась хорошая детективная история.
     
      История Спутника Сириуса
      У этой детективной истории заглавие: "Бессмысленное письмо". Сириус — наиболее заметная звезда на небе. Естественно, что ее очень часто наблюдали в прежние времена, и она применялась астрономами вместе с другими яркими звездами для определения времени и проверки часов. Это была "часовая звезда", как мы говорим. Оказалось, однако, что эти часы совсем не хороши. Они то бегут вперед в течение нескольких лет, то отстают. Бессель в 1844 г. нашел причину такой неправильности: она заключалась в том, что Сириус описывает эллиптическую орбиту. Очевидно, должно существовать нечто, вокруг чего он вращается, и таким образом узнали о существовании темной звезды в таком месте, где раньше ничего не видели. Я думаю, что Спутник Сириуса был первой невидимой звездой, о которой узнали правильным путем. Такую звезду мы не можем называть "гипотетической". Вблизи Сириуса находилось нечто, проявлявшее наиболее общее механическое свойство материи, т. е. силу тяготения. Это доказательство наличия массы лучше, чем визуальные наблюдения.
      Во всяком случае 18 лет спустя Спутник Сириуса был действительно замечен Эльвеном Клэрком. Это открытие было единственным в своем роде; К л эр к смотрел на Сириус не потому, что он его интересовал, но потому, что это была очень отчетливая, яркая точка
      света, при помощи которой можно было проверить оптическое совершенство нового большого объективного стекла, изготовленного его фирмой. Я рискну даже сказать, что он был неприятно поражен, увидав слабую светящуюся точку около Сириуса, и пытался отполировать стекло так, чтобы она исчезла. Но она оставалась и оказалась известным, но дотоле незримым Спутником Сириуса.
      В огромные современные телескопы звезду легко увидеть, и таинственность ее исчезла; но по мере исчезновения романтической завесы росло знание, и теперь нам известно, что Спутник является звездой с массою немного меньшей, чем у Солнца. Его масса составляет 4/5 солнечной, но он дает в 360 раз меньше света, чем Солнце. Такая слабость не особенно удивляла в то время 5; предполагалось, что должны существовать белые накаленные звезды, светящиеся очень ярко, и красные, слабо светящиеся звезды со всеми промежуточными степенями. Спутника считали слабой звездой в красной стадии.
      В 1914г. профессор Адамс на обсерватории Маунт Вильсон нашел, что эта звезда не красная: она белая, с белым накалом. Почему же тогда она светит столь слабо? Очевидно, единственный ответ в том, что это очень маленькая звезда. Природа и характер излучаемого света показывают, что звезда накалена очень сильно, больше, чем Солнце, но общий свет составляет только ]/збо солнечного, поэтому поверхность Спутника должна быть в 360 раз меньше, чем у Солнца. Радиус его должен быть, следовательно, в 19 раз меньше солнечного и размеры шара таковы, как у планеты, а не звезды. Обрабатывая числовые данные более точно, мы находим,
      1 О связи массы и яркости в то время еще не знали.
      что Спутник Сириуса — сфера, размеры которой средние между Землей и Ураном. Но если сосредоточить массу, немного меньшую солнечной, в размеры, немного превосходящие земной шар, то материя окажется чрезвычайно сжатой. Плотность должна быть там 60 000 в сравнении с водою, т. е. вес одного см3 массы Спутника должен составлять 60 килограммов.
      Мы изучаем звезды, получая от них свет и интерпретируя его. Световое послание Спутника Сириуса гласило после расшифровки: "Я состою из вещества, которое в 3 000 раз плотнее самой плотной материи, известной у вас; тонна этого вещества вполне поместится в спичечной коробке". Что можно ответить на такое послание? Ответ, который дали большинство из нас в 1914 г., был такой: "Перестаньте, не говорите чепухи".
      Но в 1924 г. была развита теория, изложенная в первой лекции; может быть, вы помните, что в конце ее есть указание на возможность чрезвычайного сжатия материи в звездах и на плотности, на много превосходящие все, что нам известно из земных опытов. Это надо принять во внимание в связи со странным посланием Спутника Сириуса. Такое послание уже нельзя считать бессмысленным. Мы не утверждаем сразу, что оно несомненно верно, но его надо обсудить и отнестись к нему осторожно, а не как к заведомой бессмыслице.
      Трудно думать, что световые сигналы Спутника были неверно прочтены. Нет никаких оснований серьезно сомневаться в том, что масса Спутника составляет 4/5 солнечной. В этом случае масса определена особенно хорошо. Кроме того очевидно, что масса должна быть большой, ибо Спутник сворачивает Сириус с его пути и делает его непригодным для определения времени. Определение
      радиуса менее непосредственно, но оно сделано по методу, очень успешно применявшемуся к другим звездам. Например, радиус гигантской звезды Бетельгейзе сначала был вычислен таким же образом; после этого стало возможным измерить радиус той же звезды непосредственно интерферометром по способу, придуманному Майкельсоном; эти прямые измерения подтвердили вычисленную величину. Кроме того Спутник Сириуса не один со своими странными особенностями. По крайней мере еще две звезды шлют нам световые сигналы, свидетельствующие о невероятно высокой плотности. Если принять во внимание наши очень ограниченные возможности для обнаружения таких звезд, то останется мало сомнения, что эти "белые карлики", как их называют, сравнительно часто встречаются в звездной вселенной.
      Но, конечно, мы не можем доверять полностью только одному указанию: может быть, оно совсем неожиданно окажется неверным. Поэтому в 1924 г. профессор Адамс снова принялся за работу, чтобы подвергнуть послание Спутника проверке, которая должна быть решающей. Теория тяготения Эйнштейна требует, чтобы все линии спектра звезды были слегка смещены в красную сторону спектра, в сравнении с такими же земными линиями. На Солнце эффект слишком мал-, и его трудно открыть, ибо многие другие причины .также вызывают небольшие смещения линий, и в этих причинах не легко разобраться. Лично для меня сама теория Эйнштейна служит более веской гарантией реальности эффекта смещения линий, чем данные наблюдений. Весьма замечательно, что лица, занимавшиеся исследованием эффекта, теперь единодушно утверждают существование эффекта на Солнце, хотя некоторые из них раньше приводили доказательства против J. До сих пор практическая астрономия знала и рассматривала теорию Эйнштейна главным образом как нечто, требующее астрономической проверки. Теперь теории представлялся случай показать свое могущество и помочь астроному удостовериться в факте значительно более сомнительном, чем сама теория относительности. Эффект Эйнштейна пропорционален массе звезды и обратно-пропорционален ее радиусу. Если мы верно толкуем послание Спутника Сириуса, то радиус его очень мал, и смещение линий на нем должно быть очень большим, именно в 30 раз больше, чем на Солнце. Это значительно превосходит все, чего можно ожидать от вторичных причин смещения, столь затрудняющих измерения на Солнце.
      Наблюдения очень трудны, потому что Спутник Сириуса слишком слабо светит для такого исследования, рассеянный свет от его могущественного блестящего соседа также вызывает много затруднений. Во всяком случае после года работы профессору Адамсу удалось сделать удовлетворительные измерения, и он нашел предсказанное смещение. Если выражать эффект в привычных для астронома единицах, скоростях (аналогично допплеровскому смещению), то среднее измеренное
      1 Автор разумеет известного американского астрофизика Сэнт-Джона. В своих последних наиболее тщательных измерениях (1923 — 1926 гг.) Сэнт-Джон нашел хорошее качественное подтверждение наличия эффекта Эйнштейна на Солнце. Прим. переводчика.
      Профессор Адамс убил таким образом двух зайцев одним ударом. Он дал новое доказательство общей теории относительности Эйнштейна и показал, что плотности, по крайней мере в 2 000 раз превосходящие плотность платины, не только возможны, но и действительно существуют во вселенной г.
      Это лучшее подтверждение нашего вывода о том, что солнечная масса со средней плотностью 1г/а очень далека от максимальной плотности звездной материи, поэтому вполне понятно, что она ведет себя на Солнце как идеальный газ.
      Я сказал, что наблюдения были исключительно трудными. Как бы опытен ни был наблюдатель, я не думаю, что можно слепо положиться на результаты, требовавшие крайнего напряжения его искусства, до тех пор, пока они не будут подтверждены независимо другими. Принимая изложенные заключения, мы должны бы поэтому пока придерживаться обычной осторожности. Но наука не каталог удостоверенных фактов относительно вселенной, наука — движение, иногда извилистое и недостоверное. Наш интерес к науке определяется не только желанием услышать о самых последних фактах, добавленных к коллекции, — в науке мы спорим о наших надеждах, вере, вероятности и ожиданиях. Я рассказал вам детективную историю, поскольку она до сих пор раскрылась, и не знаю, прочли ли мы ее последнюю главу 2.
      * Мои выражения "идеальный газ с плотностью платины" и .материя в 2000 раз более плотная, чем платина", часто превращались газетными репортерами в "идеальный газ, в 2 000 раз более плотный, чем платина". Трудно вычислить, в каких условиях находится материя на Спутнике Сириуса, но я не думаю, что там идеальный газ.
      2 См. добавление автора в конце книги. Прим. переводчика.
      Неизвестные атомы и толкование спектров
      Понятно, что материя с огромной плотностью не является новой субстанцией, новым элементом или элементами. Это — обыкновенное вещество, разбитое вдребезги при высокой температуре и потому поддающееся очень плотной упаковке. Точно так же в комнату можно бы запихнуть очень много людей, если не бояться сломанных ребер, рук и ног. Для астрономической физики характерно,
      Рис. 8. Кольцевая туманность в созвездии Лиры (спектральный снимок).
      что она показывает нам обычные элементы в необычном состоянии, когда они разбиты или ионизованы до такой степени, которая не достигается в лаборатории или достигается только с большим трудом.
      Но материя в таком состоянии, не воспроизводимом в лаборатории, находится не только в недоступных звездных недрах.
      На рис. 8 дана фотография кольцевой туманности в созвездии Лиры г. Она снята через призму, так что мы видим не одно кольцо, но целый ряд их, соответственно различным линиям спектра. Эти кольца получаются от различных сортов атомов, светящихся в туманности. Наименьшее кольцо, очень слабое и отмеченное стрелкой наверху, происходит от света атомов гелия в туманности. Но это не обычный гелий, а разбитый, ионизованный. В 1912 г. профессору Фоулеру удалось разбить атомы гелий в пустотной трубке, так что гелий начал светиться светом, хорошо известным по спектру звезд. В свое время это было большим лабораторным достижением. Два другие кольца на фотографии получены от водорода.
      За, исключением . этих трех случаев, ни одно кольцо из. остальных до сих пор не удалось воспроизвести в лаборатории. Например, мы не знаем, от каких элементов получаются два наиболее ярких кольца по краям фотографии.
      Нас часто спрашивают, не видно ли на звездах каких-нибудь новых элементов, не имеющихся или еще не открытых на Земле. Можно ответить решительно — нет. Такой ответ дается не потому, что все звездные линии отождествлены с известными на Земле элементами. "Нет" говорит не астроном, а физик. Ему удалось привести элементы в порядок, уложить их в схему, и он уверен, что уже не осталось свободных мест для новых элементов, если не говорить об атомах с очень большими атомными весами. Маловероятно, однако, чтобы очень тяжелые элементы могли подняться в атмосферу звезд и стать видными астроному. Каждый элемент имеет номер, начиная с водорода — № 1 и до урана — № 92. Ярлычок с номером на атоме так заметен, что физик может его прочитать. Он может, например, видеть, что у железа № 26, для этого ему нет надобности пересчитывать все
      предшествующие элементы. Все элементы по очереди выкликались по номерам, и все до № 84 включительно отозвались: "я здесь"1.
      Элемент гелий (№ 2) был сначала открыт Л о к а й-ером на Солнце, и только много лет спустя его нашли на Земле. Теперь астрофизики более не надеются на такие открытия, они не могут открыть новый элемент на звездах, если он даже там- имеется. Неизвестный источник двух светлых колец на правом конце фотографии рис. 8 (одно кольцо яркое, другое — слабое) был назван небулием. Но небулий — не новый элемент. Это какой-нибудь уже известный элемент, который мы не можем определить, так как он потерял несколько электронов. Атом, потерявший один электрон, подобен нашему хорошему приятелю, неожиданно сбрившему усы: старые знакомые его не узнают. Когда-нибудь мы узнаем небулий. Физики-теоретики ищут законы, точно определяющие характер света, излучаемого атомами в разных стадиях ионизации. Со временем, можно будет просто расчетом определить атом по виду излучаемого им спектра. С другой стороны, физик-экспериментатор ищет все более могущественные средства для разбивания атомов, так что в один прекрасный день какой-нибудь земной атом засветится светом небулия. В этом деле идет бешеная скачка, и не знаю, кто придет первым. Астроном не много может помочь в решении этой задачи, им же поставленной. Думаю, что если бы он точно измерил отношение интенсивностей двух линий небулия, он оказал бы физику полезную услугу. У астронома есть еще один факт
      1 Недавно открыты №№ 43, 61, 75; это требует, однако, еще дальнейшей проверки. Пробелы остаются пока в №№ 85 и 87, если не говорить о возможных элементах за ураном.
      (хотя из него и трудно что-либо извлечь): это — различные размеры колец на фотографии, они показывают различие в распределении излучающих атомов в туманности. Ясно, что небулий любит наружные области туманности, а гелий — внутренние, однако не ясно, какой вывод можно сделать из этого.
      Атомы различных элементов и атомы того же элемента, но в различных состояниях ионизации, излучают различный свет, линии которого видны в спектроскоп. При некоторых условиях (как в туманностях) эти линии яркие и соответствуют излучению, но чаще они запечатлеваются как темные линии на светлом непрерывном фоне. В обоих случаях по этим линиям можно определить элемент, если только линия не относится к такому состоянию атома, которое неизвестно на Земле. Опрометчивое пророчество о том, что мы никогда не узнаем состава небесных тел, уже давно опровергнуто: такие обычные элементы, как водород, углерод, кальций, тита-ний, железо и другие, можно распознать в самых удаленных частях вселенной. Но программа звездной спектроскопии значительно расширилась, она занимается уже не химическим, а физическим анализом. Встречаясь со старым знакомым, мы сначала его узнаем, а затем задаем вопрос: "Как вы поживаете?" Узнав звездный атом, мы и ему задаем тот же вопрос, и атом отвечает: "Недурно" или "Плохо, совсем разбит" в зависимости от обстоятельств. Из его ответа мы получаем сведения об окружающей обстановке, о том, как сурово с ним обходятся. Таким способом мы узнаем о температуре и давлении на поверхности звезд.
      Переходя последовательно от самых холодных звезд к самым горячим, можно проследить, как атомы кальция сначала существуют целыми, затем становятся однократно ионизованными, далее ионизуются двукратно, что служит признаком сильных столкновений и повышения температуры. (О последней стадии мы судим по исчезновению видимых признаков кальция, так как и он с двумя отсутствующими электронами не дает линий в части спектра, доступной наблюдению.) Последовательное изменение других элементов обнаруживается таким Же образом. Очень много в отношении изучения этого вопроса было сделано в 1920 г. профессором Мег Над Шаха, который впервые применил количественные физические законы, связывающие степень ионизации с данной температурой и давлением. Он показал новый путь астрофизического исследования, который затем широко развивался. Таким образом, если мы найдем в градации светил такую звезду, в которой целый атом кальция уступает место атому с-одним отсутствующим электроном, то физическая теория позволит определить соответствующую температуру или давление1. Методы Шаха были усовершенствованы Фоулером и Мильном. Одно важное применение заключалось в определении поверхностной температуры наиболее горячих типов звезд (12 000 — 25 000°), другие методы, пригодные для более холодных звезд, неудовлетворительны при высоких температурах. Другой весьма поразительный результат заключался в открытии того, что давление на звезде (в верхних слоях, доступных спектроскопу) составляет только десятитысячные доли атмосферы; ранее
      1 Температура и давление сразу не определяются, но если одно известно, то известно и другое. Это очень ценные данные, которые можно связать с другими сведениями об условиях на поверхности звезд.
      на довольно неопределенных основаниях предполагали, что давление в этих слоях порядка давления нашей атмосферы.
      Обыкновенно мы применяем спектральный анализ в тех случаях, когда нужно определить, какие элементы находятся в данном минерале или руде. С одинаковым правом можно исследовать и звезду, так как безразлично, приходит ли свет от тела, находящегося под рукой или удаленного на огромное расстояние. Нужно помнить, однако, об одном ограничении. Когда химик ищет, например, азот в своем минерале, то он подбирает условия, необходимые по данным опыта для обнаружения азотного спектра. На звездах же нам приходится пользоваться такими условбями, какие есть. Если азот не виден, то это еще не значит, что его нет, более вероятно, что в звездной атмосфере нет подходящих условий для возникновения спектра. В спектре Сириуса линии водорода исключительно резки и превосходят все остальные. Отсюда нельзя заключить, что Сириус состоит ( главным образом из водорода, можно вывести только, что температура близка к 10 000°, ибо вычисление показывает, что такая температура наиболее благоприятна для возбуждения водородных линий. На Солнце наиболее силен спектр железа. Мы не говорим на основании этого, что Солнце исключительно богато железом, мы I заключаем только о сравнительно низкой температуре I (около 6 000°), способствующей развитию спектра же-1 леза. Одно время думали, что изобилие водорода на Сириусе и металлических элементов на Солнце указывает на эволюцию элементов: водород обращается в более тяжелые элементы по мере остывания звезды от стадии Сириуса до состояния Солнца. Для такой интер-
      претации наблюдений нет никаких оснований. Спектр водорода будет слабеть, а спектр железа возрастать в любом случае вследствие понижения температуры. Такая кажущаяся эволюция может быть воспроизведена в лаборатории.
      Весьма вероятно, что химические элементы находятся та в таких же относительных количествах на звездах, как и на Земле. С этим согласуются факты, для немногих же наиболее обычных элементов мы имеем положительное прямое подтверждение. Однако, изучая относительные количества элементов как на Земле, так и на звездах, мы ограничены поверхностными слоями, поэтому наше заключение предварительное, и его нельзя переоценивать.
     
      Спектральные серии
      Для дальнейшей иллюстрации этих соображений рассмотрим спектр на рис. 9 и разберем, что из него можно узнать. Без особых затруднений мы можем различить прекрасную стройную серию спектральных линий.
      Черточки наверху фотографии помогут вам отличить первые линии этой серии от многочисленных других спектров, перемешанных с ними. Обратив внимание на уменьшение расстояний между линиями справа налево, вы заметите, что серия продолжается влево по крайней мере еще на 15 линий за пределами последней черточки. В конце линии почти сливаются одна с другою и образуют "границу" серии. Это знаменитая серия Баль-мера, принадлежащая водороду. Заметив ее в спектре, мы мо[Урь утверждать, что водород присутствует в источнике света. Но #это только первый шаг, можно итти и дальше.
      Теория водородного атома профессора Бора утверждает, что каждая лйнйя серии излучается атомами в различных состояниях. Эти "возбужденные, состояния" можкй последовательно перенумеровать, прйчем нормаль-, ное состояние невозбужденного атома водорода назовем № 1.
      Свет, излучаемый в первых состояниях, попадает в область спектра, здесь не воспроизведенную, первая линия на фотографии соответствует состоянию № 8. Считая отсюда влево, вы легко дойдете до состояния № 30. Повышение номера соответствует все большему "разбуханию" атома, т. е. электрон1 описывает вокруг ядра орбиты возрастающих размеров. Радиус (или, точнее говоря, полуось) его орбиты пропорциональна квадрату номера состояния, так что орбита № 30 в 900 раз шире, чем орбита нормального атома № 1. Диаметр орбиты М 30 составляет приблизительно Vioooo мм- От-
      1 В водороде (порядковый номер 1) только один электрон.
      сюда можно сразу заключить, что спектр на фотографии рис. 9 получен не в земных условиях. Даже при наивысшем вакууме земных лабораторий атомам было бы слишком тесно с такими орбитами. Источник такого спектра должен быть материей столь тонкой, что в ней есть место для электронов с пространными орбитами, не мешающими друг другу. Не входя в дальнейшие детали, мы заключаем, что рис. 9 представляет спектр материи более разреженной, чем наивысший вакуум, достигнутый на Земле *, 2.
      Интересно отметить, что, в то время как на большей части снимка линии видны на темном фоне, с крайней левой стороны фон яркий; это изменение происходит как раз в том месте, где кончается серия Б а л ь м е р»а. Этот светлый фон также вызывается водородом и объясняется следующим образом. Разбухшие атомы в состоянии № 30, или около этого, находятся в опасном положении и могут легко, лопнуть, поэтому естественно, что некоторые из них при подходящих условиях распадаются, Они теряют электроны и стараются снова их
      1 Рис. 9 представляет фотографию линий излучения -солнечной хромосферы, снятую Давидсономна Суматре во время затмения 14 января 1926 г.-
      2 Вопрос о наличии или отсутствии высших номеров серии в спектре значительно более сложен, чем можно думать по изложению Эддингтона. Достаточно сказать, что в 1922 г. Вуду удалось в лаборатории при сравнительно большем давлении в разрядной длинной трубке с водородом и примесью водяных паров получить свыше 20 линий серии Бальмера.
      С другой стороны, несомненно, что понижение давления также способствует появлению высших членов серии, как это следует из опытов Уиддннгтона с крайне разреженными трубками в 1923 г. Прим. переводчика.
      захватить. Та лишняя энергия, которая была сообщена электрону при отрыве его из атома и проявилась в виде энергии его движения, оказывается снова лишней при новом пленении дикого, бродячего электрона внутри атома. Эта избыточная энергия, различная у разных электронов, и излучается в виде непрерывного фона, о котором шла речь. Легко понять, что этот непрерывный свет должен начинаться у границы серии и как бы продолжать ее.
      Фотография серии Бальмера дает повод вспомнить историю другой знаменитой серии. Эта серия, известная под названием серии Пикеринга, была открыта на некоторых наиболее горячих звездах в 1896 г. Построена она по тому же стройному плану, но линии попадают на середину в промежутке между линиями серии Бальмера, правда не точно на середину* так как промежутки между линиями справа налево убывают*. В отличие от серии Бальмера, серию Пикеринга не удавалось воспроизвести в лаборатории. От какого элемента она происходит? Ответ казался очевидным. Разумеется, эти две столь схожие серии должны соответствовать двум видам колебания одного и того же
      * Частоты линий серии Бальмера представляются формулой:
      серия Пикеринга формулой:
      где k — постоянная, а п — целое число: 3, ,4, 5... Прим. переводчика.
      атома водорода. В то время такой ответ казался единственно возможным, но с тех пор мы многое узнали об атомах. Мы соглашаемся, что идеальная простота этих двух серий указывает на то, что они получаются от простейшей атомной системы с одним электроном. Однако следует вспомнить, что число электронов говорит нам только о том, как одет атом, а не о том, какой это атом.
      Атом гелия (и даже атом урана) может при случае замаскироваться в скромный наряд водородного атома. У нормального гелия два электрона, но если один из них потерян, то гелий становится водородоподобным и копирует водородную систему, только в несколько отличном масштабе. Весьма знаменательно, что серия Пикеринга видна только на очень горячих звездах, где имеются условия для потери электрона. Различие между водородом и водородоподобным гелием определяется прежде всего атомным весом: ядро гелия вчетверо тяжелее. Однако это обстоятельство мало влияет на спектр, так как оба ядра настолько массивны в сравнении с электроном, что они остаются почти неподвижными при пляске электрона. Далее, у ядра гелия двойной электрический заряд, а это эквивалентно наличию в колеблющейся системе пружины с удвоенным натяжением. Естественно, что такая пружина с двойной силой удвоит число линий в серии в том же интервале, не изменяя, однако, общего плана серии. Таким путем профессор Бор открыл истинное происхождение серии Пикеринга: она вызывается ионизованным гелием, а не водородом г.
      1 Линия гелия в кольцевой туманности, о которой говорилось выше, не является членом серии Пикеринга, но исто-
     
      Тяжелые ядра водорода и гелия почти не отзываются на колебания электронов, но только почти. Позднее профессор Фоулер воспроизвел серию Пикеринга в лаборатории, причем измерил линии с большей точностью, чем это можно было сделать в звездной спектроскопии. На основании этих измерений обнаружилось, что ядро не совсем безучастно к движениям электронов. Здесь стояла задача о двух звездах, перенесенная, однако, внутрь атома; аналогия будет, пожалуй, точнее, если мы сравним задачу с вопросом о взаимном влиянии Юпитера и Солнца. Масса Юпитера составляет тысячную долю массы Солнца, поэтому планета оказывает на Солнце приблизительно такое же возмущающее действие, как электрон на водородное ядро. Ион гелия — точная копия атома водорода (но в другом масштабе) за исключением "тряски": у иона гелия "тряска" меньше, потому что его ядро значительно массивнее и его трудно растрясти. Различие в "тряске" заставляет серии Пикеринга и Бальмера несколько расходиться J. Измерив это расхождение, профессор Фоулер точно определил величину "тряски" и отсюда вычислил массу электрона, она оказалась равной 1/1Я44 массы водородного ядра. Эта цифра хорошо согласуется с цифрами, получаемыми другими методами, и точность определения, повидимому, здесь не меньше.
     
      рия ее такая же. Вначале предполагали, что она принадлежит водороду, позднее (1912 г.) она была получена Фоулером в смеси гелия и водорода, и, наконец, Вор доказал, что она принадлежит гелию. *
      1 Например, красная линия водородной серии соответствует длине волны 656,28 /иц, а гелиевая линия серии П и к е р и и г а — волне 656,01 /пр. Прим. переводчика.
      Так, свет, посланный нам звездами сотни лет тому назад, поочередно исследовался экспериментаторами и теоретиками и в конце концов привел к обнаружению самой маленькой вещи на свете.
     
      Облака в пространстве
      Мы рассмотрели самую плотную материю вселенной, теперь обратимся к самой разреженной.
      Несмотря на огромные успехи в искусстве выкачивания газов из сосудов, мы еще очень далеки от получения действительного вакуума. До откачивания насосом в пустотных трубках находится огромное число атомов, выражающееся цифрой приблизительно в 20 знаков. В результате наилучшей откачки в этом числе отпадают 6 — 7 цифр с конца. Попытки зачеркнуть еще одну цифру остаются до смешного бесплодными: это похоже на вычерпывание моря ложкой.
      Некоторые из звезд необычайно разрежены. Например, у Бетельгейзе плотность не больше Viooo воздуха. Мы назвали бы такую звезду вакуумом, если бы она не находилась в таком контрасте с еще большей пустотой окружающего пространства. Теперь физики . без труда получают вакуум лучший, чем на Бетельгейзе, но в прежние времена эта звезда могла считаться идеалом достижимого вакуума.
      Внешние слои звезд, в особенности светящиеся оболочки вроде солнечной хромосферы и короны, имеют плотности значительно меньшие. Газовые туманности, поскольку можно судить по их виду, также крайне разрежены. Если в газе настолько просторно, что можно просунуть булавочную головку, не задев соседних атомов, можно говорить о реальном вакууме. В центре туманности Ориона эта степень разрежения, вероятно, достигнута и превзойдена.
      У туманности нет определенной границы, и плотность ее уменьшается. постепенно. Есть основания думать, что такое уменьшение плотности на больших расстояниях становится очень медленным. Еше не покинув полностью области одной туманности, мы попадаем в сферу другой, так что в межзвездном пространстве всегда имеется некоторая остаточная плотность.
      Мне кажется, что по протяженности туманностей можно оценить до некоторой степени количество материи, остающейся рассеянной и не собранной в пространстве. Та область, где нет доступной наблюдению туманности, является наивысшим существующим вакуумом, по крайней мере в пределах нашей звездной системы. Но и в этом вакууме остается по крайней мере по одному атому на каждые 15 см3. От нашей точки зрения зависит, считать ли это изумительной заполненностью пространства или не менее изумительной пустотой.
      Первая точка зрения, пожалуй, особенно заслуживает внимания. Оказывается, атом не может найти уединения в целой нашей вселенной; куда бы он ни пошел, всюду ему придется по дороге кивать головою коллегам, пробегающим не дальше чем в 2—3 см от него.
      Подойдем к тому же вопросу с другой стороны.
      В "Истории Алголя" я упоминал, каким способом измеряется скорость вращения Солнца. Мы наводим спектроскоп сначала на один край Солнца, затем на другой. Выбрав какую-либо из темных линий спектра, мы находим, что она слегка смещена в двух наблюдениях. Это свидетельствует о движении материала, в котором возникает линия, по направлению к нам или от нас с различными скоростями в двух наблюдениях. Этого и можно было ожидать: благодаря вращению Солнца звездная материя движется к нам на одном краю диска и от нас на другом краю. Есть, однако, небольшое число темных линий, в которых такого смещения нет. Они остаются в том же положении, наблюдаем ли мы их на западном или восточном краю Солнца. Ясно, что эти линии не могут быть солнечного происхождения. Они запечатлелись на солнечном спектре, после того как свет уже ушел от Солнца, но еще до того, как он попал в телескоп. Мы открыли таким образом среду, находящуюся где-то между Солнцем и нашим телескопом. Некоторые из таких линий соответствуют кислороду; мы заключаем по этому, что в этой среде находится кислород.
      Все это кажется началом великого открытия, а в действительности — тривиальность. Нам уже давно известна среда с кислородом, расположенная между телескопом и Солнцем. Это среда, необходимая для нашего существования, — земная атмосфера; она и виновница появления "неподвижных линий" в солнечном спектре.
      Тем же способом, коим по спектру обнаруживается вращение Солнца (факт давно известный из наблюдения движения солнечных пятен), можно найти, что некоторые звезды вращаются по орбитам, т. е. находятся под действием другой звезды, видимой или невидимой. Но и здесь иногда мы находим "неподвижные" линии, не изменяющиеся вместе с другими. Стало быть, где-то между звездой и телескопом существует неподвижная среда, оставляющая след этих линий на спектре. На
      этот раз действует уже не земная атмосфера. Линии соответствуют двум элементам, кальцию и натрию, которых в атмосфере нет. Кроме того кальций находится в ионизованном состоянии, без одного электпоня. условия же в нашей атмосфере таковы, что такой ионизации не может случиться. Повидимому, несомненно, что среда с натрием, ионизованным кальцием и, вероятно, другими не обнаруживающимися элементами отделена и от Земли и от звезды. Здесь сказывается "заполненность" межзвездного пространства, о которой говорилось выше. Свету приходится, встречаться на пути от звезды к Земле с одним атомом на каждые 2 — 3 см дороги. Пройдя многие сотни биллионов километров до нас, световой луч пройдет через достаточное количество атомов, и в спектре появятся темные линии.
      Сначала предлагалось и другое толкование. Думали, что линии возникают в облаке, связанном со звездой и образующем вокруг нее- род ореола. Две компоненты парной звезды кружатся одна около другой, но их орбитальное движение может и не захватывать диффузной среды, заполняющей и окружающей систему. Это было правдоподобное объяснение, но оно не подтвердилось. Способом проверки снова послужила скорость. Помимо вращательного движения внутри облака кальция и натрия, система должна целиком двигаться к нам или от нас вместе с облаком, и это перемещение, взятое из данных для большого промежутка времени, должно дать одинаковое среднее перемещение как для линий звезд, так и для облака: иначе облако отставало бы от звезд. Профессор Пласкетт проверил это при помошй 72-дюймового рефлектора областной обсерватории в Британской Колумбии. Он нашел, что вековая или средняя величина приближения звезды 1 в общем сильно отличалась от соответствующего значения для "неподвижных" линий кальция и натрия. Ясно, что материя, виновная в появлении этих линий, не связана со звездами, так как движется с иною скоростью.
      Пласкетт пошел дальше, он показал, что в то время как звезды имеют самые различные индивидуальные скорости, материя неподвижных линий обладает одинаковой или почти одинаковой скоростью во всех частях неба, как будто бы эта материя была непрерывной средой, заполняющей все межзвездное пространство. Я думаю, не приходится сомневаться, что это исследование доказывает существование космического облака, окутывающего звездную систему. Заполненность межзвездного пространства становится наблюдаемым фактом, а не теоретической догадкой.
      Система звезд плавает в океане, не только в океане пространства или эфира, но в океане материальном, в котором на литрлриходится около сотни атюмов. Это тихий океан, без заметных относительных движений; вероятно, и в нем существуют течения, но они слабы и не достигают тех больших скоростей, которыми обыкновенно обладают звезды.
      При этом появляется много интересных вопросов. Я коснусь только одного или двух. Почему атомы кальция ионизованы? В тишине межзвездного пространства мы как будто удалились от бури, разбивающей атомы кальция в звездных недрах. На первый взгляд кажется непонятным, почему же атомы в облаке не являются неповрежденными. Однако и в пустынях пространства разбивание атомов продолжается; пространство непрерывно пронизывается светом звезд, и некоторые из световых волн достаточно сильны, чтобы вырвать один и даже два электрона из атома кальция. Одно из самых замечательных открытий новой физики состоит в том, что при расширении световых волн и расхождении на большее пространство они не теряют своей действительной силы, а становятся только, так сказать, ленивыми. Слабеет не сила их, но вероятность того, что они проявят свою силу. Световая волна, способная взорвать атом, сохраняет это качество н при разрежении в миллионы раз, она становится только в миллионы раз более экономной в расходовании этой способности. Иными словами, атом, подвергающийся действию слабого света, должен в среднем ждать в миллионы раз дольше, прежде чем волне будет угодно его взорвать, но если взрыв случится, он произойдет столь же мощно, как и без ослабления света. Это совсем не похоже на поведение водяных волн: волна, способная вначале опрокинуть лодку, при расширении делается бессильной. Излучающее тело похоже в этом смысле на пушку, стреляющую разрывными бомбами: вероятность промаха возрастает при уве-личенйи расстояния, но если бомба попала, она разрывается с одинаковой силой как вблизит так и вдали. Это свойство (квантовое свойство) является одной из глубочайших тайн света.
      Итак, электроны в межзвездном пространстве могут также выбрасываться из атомов, но очень редко. Другая сторона вопроса — "быстрота починки", и в этом отношении ничтожная плотность космического облака является решающим фактором. У атома здесь очень. мало возможностей восстановиться. Блуждая в пространстве, атом встречается с электроном приблизительно только раз в месяц, и ниоткуда не следует, что уже при первой встрече электрон будет пойман.
      Следовательно, даже очень редких случаев ионизации достаточно, чтобы держать большинство атомов в ионизованном состоянии. Разбитое состояние атомов внутри звезды можно сравнить с обвалом дома во время урагана, ионизация в межзвездном пространстве — обвал, вызванный обычным износом, связанным с крайней медленностью исправления.
      Расчет показывает, что большинство атомов кальция в межзвездном пространстве потеряло два электрона, эти атомы не обнаруживаются в видимом спектре. "Неподвижные линии" производятся атомами изредка, когда они несколько исправлены, и у них не хватает только одного электрона; оии должны составлять не более тысячной доли всего числа ионизованных атомов. Однако и этого достаточно для получения наблюдающейся абсорпции.
      Обыкновенно мы считаем, чго в межзвездном пространстве чрезвычайно холодно. Действительно, если бы туда поместить термометр, способный отмечать самые низкие температуры, то он показал бы около 3° выше абсолютного нуля. Компактная материя, каковой является термометр, и даже крайне разреженный, с обычной точки , зрения, газ охладились бы в межзвездном пространстве до этой низкой температуры. Но это неприменимо к материи, разреженной до такой степени,* как космическое облако. Его температуру надо определять из других соображений, и вероятно, что она немного ниже поверхностной температуры самых горячих звезд, т. е. 15 000°. Межзвездное пространство одновременно и исключительно холодно и чрезвычайно горячо *.
     
      Хромосфера Солнца
      Мы снова меняем декорации и теперь находимся во внещних слоях Солнца. На рис. 102 изображен один из гигантских пламенных протуберанцев, которые время от времени вылетают из Солнца. Пламя на этой фотографии достигает приблизительно 200 000 км высоты. Оно сильно меняет свои формы и исчезает приблизительно через сутки. Это был исключительный экземпляр. Меньшие пламена — явление обычное. Странные черные пятна на рис. 1, похожие на трещины, являются в действительности, повидимому, протуберанцами, видимыми в проекции на значительно более ярком фоне Солнца. Пламена состоят из кальция, водорода и других элементов.
      1 Слово "температура* иногда применяют в совершенно разных смыслах. Я могу добавить, что 15 000° — температура, соответствующая индивидуальным скоростям атомов и электронов, Пт. е. я применяю старомодное определение температуры в кинетической теории газов.
      (При ионизации атомов кальция, гйтрия и других возможных элементов в межзвездном пространстве будут вылетать электроны с очень большими скоростями. В результате обмена скоростями при встречах атомов и быстрых электронов установится некоторый средний режим кинетической энергии, соответствующий высокой температуре поверхностей горячих звезд, как показывает расчет. Прим. переводчика.).
      9 Фотография снята Коттннгэмом и автором на Принципе во время полного затмения 29 мая 1919 г.
      Нас интересуют не столько сами протуберанцы, сколько слой, из которого они вылетают. Обычная атмосфера Солнца кончается довольно резко, но над ней имеется глубокий, очень разреженный слой, называемый хромосферой. Он состоит из немногих элементов, способных плавать, плавать не на поверхности солнечной атмосферы, а на... солнечных лучах. Искусство плавать на лучах, очевидно, задача трудная, так как необходимой ловкостью обладают только немногие элементы. Особенно опытен кальций. Легкий и проворный атом водорода делает это также недурно, но более увесистый кальций лучше.
      Слой кальция, висящий на солнечном свете, достигает по крайней мере 8 000 км толщины. Наблюдать его лучше всего во время затмения, когда диск Солнца закрыт Луной.. Но при помощи спектрогелиографа его можно изучать до некоторой степени и без затмения.
      В общем этот слой устойчив и спокоен, хотя, как показывают протуберанцы, в нем могут происходить
      колоссальные взрывы. Выводы о.носительио хромосферы кальция, которые я сейчас буду излагать, основаны на ряде замечательных исследований профессора Мильна.
      Каким образом атом может плавать на солнечных лучах? Это возможно вследствие светового давления, о котором уже говорилось выше (стр. 32). Продвигаясь вперед, солнечный свет уносит с собою некоторый импульс; поглощая свет, атом одновременно получает толчок. Этот импульс и дает ему возможность держаться наверху, не "падая на Солнце. Атомы хромосферы как бы подучают от света легкие удары ракеткой, они немного опускаются и затем снова подбрасываются вверх светом. Успешно плавать могут только те атомы, кото-рые поглощают значительные количества солнечного света в сравнении- с их собственным весом. Для того чтобы понять, почему атомы кальция превосходят другиё элементы, нужно внимательно рассмотреть механизм абсорпции этих атомов
      В обычном атоме кальция имеются два электрона, довольно слабо связанные с общей системой; на языке химиков это выражается как двувалентность кальция; слабо связанные электроны игракЗт основную роль в химических свойствах атома. У каждого такого электрона есть механизм дли поглощения света. В условиях хромосферы один из электронов отрывается, остается ионизованный атом, в котором и возникают "неподвижные линии" в межзвездной материи. Атом, отдавая электрон в хромосфере, получает возможность держаться наверху; если бы оторвался и второй электрон кальция, это имело бы для последнего роковое значение: атом не мог бы далее поглощать солнечного света и упал бы вниз. Правда, после потери двух электронов в кальции остаются еще
      18 электронов, но они связаны столь прочно, что солнечный свет на них «не действует, они могут поглощать только очень короткие волны, которые Солнце излучает в ничтожном количестве. Двукратно ионизованный атом хромосферы может спастись, только захватив один из проходящих электронов и восстановив поглощающий механизм; но в разреженной хромосфере мало шансов встретиться с электроном, и потому кальций, потерявший два электрона, почти неминуемо упадет на Солнце.
      Свет может поглощаться двумя способами. Если атом слишком алчен и поглощает столько энергии, что взрывается, то электрон вылетает, унося излишнюю энергию. Это — процесс ионизации, иллюстрированный рис. 5. Ясно, что в хромосфере такой абсорпции нет, так как для атома кальция гибельна потеря второго электрона. В другом способе абсорпции нет .такого жадного поглощения. Атом не взрывается, а только разбухает. Чтобы приспособиться к большой энергии, электрон перескакивает на более широкую орбиту. Оставшись некоторое время в этом возбужденном состоянии, электрон добровольно перескакивает обратно на прежнее место. Этот процесс должен повторяться 20 000 раз в секунду, если атом желает балансировать в хромосфере.
      Теперь перейдем к вопросу: почему же кальций плавает лучше всех других элементов? Всегда казалось странным, что этот тяжелый элемент (с порядковым № 20) находится в самых верхних слоях, где нужно бы ожидать наличие наиболее легких атомов. Мы видим, что требуется особая ловкость для перекидывания электрона 20 000 раз в секунду так, чтобы электрон ни разу не сорвался. Это нелегко даже для атома. Кальций1 занимается этой эквилибристикой без ошибки потому, что одна из возможных орбит возбужденного состояния очень близко расположена к нормальной орбите, перебрасывание электрона между этими двумя орбитами происходит без особого риска. У большинства других элементов первая доступная орбита находится относительно очень далеко; энергия, нужная для достижения такой орбиты, немного меньше энергии, нужной для полного отрыва электрона. С источником света, обладающим непрерывным спектром, трудно осуществить прыжки электронов так, чтобы от поры до времени не поглощалась излишняя энергия, причем электрон срывается с атома. Благоприятные условия калыция объясняются большой разницей между энергией возбуждения и энергией ионизации; у Солнца мною эфирных волн, способных возбуждать кальций, и почти нет волн, кото-1 рые могли бы его ионизовать.
      Среднее время между двумя возбуждениями атома равняется 3/20 000 секунды. Это время разделяется на два периода. В первом периоде атом терпеливо ждет световых волн, чтобы перебросить электрон. Во время второго периода электрон вращается на верхней орбите до тех пор, пока не перескочит обратно. Профессор М и л ь н показал, как вычислить из наблюдений хромосферы длительность обоих периодов. Величина первого периода зависит от интенсивности солнечной радиации. Мы остановим внимание главным образом на втором периоде, ибо он особенно интересен, являясь свойством
      Мы говорим о кальции хромосферы, т. е. о кальции с одним потерянным электроном.
      самого кальция, независимым от окружающих условий. Хотя этот период измеряется для ионов хромосферы, но тот же результат должен получаться для ионов, находящихся где угодно. М и л ь и нашел, что электрон остается на верхней орбите возбужденного состояния в среднем около одной стомиллионной доли секунды, после чего он произвольно возвращается обратно. Можно добавить, что за,это короткое время он успевает сделать около миллиона оборотов по этой орбите.
      Может быть, это покажется вам не особенно нужным. Я думаю, однако, что это интересно для тех, для кого коньком являются вопросы строения атомов. Мне кажется любопытным, что для определения свойства вещества, столь обычного в нашей ежедневной жизни, мы должны повернуть телескоп и спектроскоп на Солнце. Измерения такого рода имеют огромное значение для физики. Теория атомных скачков относится к теории квантов, наиболее путаной теории физики; эта теория крайне нуждается в контроле наблюдениями, особенно в вопросах вроде разбираемого. Можно представить себе наше удивление, если бы планета, сделав миллион оборотов вокруг Солнца, прыгала вроде электрона. С каким жаром принялись бы мы определять средний интервал времени, после которого случается такой прыжок! Атом очень похож на солнечную систему и не менее интересен, хотя и построен в меньшем масштабе.
      В настоящее время не предвидится возможности измерить время длительности возбужденного состояния ионизованного атома кальция другими способами. Для других атомов это осуществимо в лабораторных условиях. Это время ие обязательно должно быть одинаковым для разных элементов. Однако лабораторные измерения для водорода1 дают также величину порядка стомиллионных долей секунды. Поэтому астрономическое определение для кальция едва ли ошибочно.
      Возбуждение атома кальция может осуществляться под влиянием света двух длин волн. Атомы хромосферы поддерживаются в верхних слоях за счет ограбления солнечного света этих длин воли.
      Правда, через стомиллионную, долю секунды происходит рецидив, и атом отдает обратно присвоенное. Но, излучая свет снова, атом может послать его куда угодно вперед или назад, так что уходящий свет Солнца в среднем теряет больше, чем получает обратно.
      В результате, когда мы смотрим на Солнце через завесу кальция, то в спектре остаются прогалины, или темные линии, соответствующие двум длинам волн; эти линии обозначаются буквами Н и К. Они не совсем черные, и важно измерить остаточный свет в центре этих- линий, так как мы знаем, что его интенсивность должна быть как раз достаточной, чтобы удерживать атомы кальция в парящем состоянии, несмотря на тяготение к Солнцу. Как только улетающий свет ослабнет до такой степени, что уже не будет в состоянии поддерживать атомы, дальнейшее поглощение его прекратится, и с этой предельной интенсивностью он уйдет в пространство. Измерения дают числовые данные для определения различных постоянных атома кальция, в том числе и времени восстановления (релаксации).
      Атомы в верхних слоях хромосферы подвергаются действию ослабленного света, прошедшего через све-
     
      1 И для многих других элементов, а также для молекул самого сложного строения, например анилиновых флуоресцирующих красок. Прим. переводчика.
     
      тофильтр внизу; полный солнечный свет унес бы эти атомы в пространство. М и л ь н вывел одно следствие, которое, может быть, имеет практическое значение для явлений взрывов "новых звед (novae) и во всяком случае очень интересно. Вследствие эффекта Допплера движущийся атом поглощает несколько иную длину волны света, чем неподвижный. Во всяком случае, если атом уносится светом от Солнца, то он будет удерживаться от падения светом, длина волны которого несколько сдвинута в сторону от области наибольшего поглощения неподвижного атома. Интенсивность этого света несколько больше того, что требуется для равновесия, поэтому атом будет двигаться быстрее. Постепенно таким образом благодаря собственной абсорпции атом уйдет из области поглощения нижнего слоя. Выражаясь метафорически, атом неустойчиво балансирует на верхушке кривой абсорпции и может свалиться в сторону, в область неослабленного, полного солнечного света. Ясно, что скорость атома будет возрастать, пока он не встретится с соседней линией абсорпций (принадлежащей, может быть, и другому элементу). Если эта линия слишком крута и атом не может через нее перевалить, то возрастание скорости прекратится, и она приобретет некоторое постоянное значение. Последние
      соображения, может быть, слишком переуточнеиы, ио во всяком случае они указывают путь для возможности ухода атома кальция в пространство.
      По теории Мильна можно вычислить общий вес кальциевой хромосферы Солнца. Масса ее составляет около 300 миллионов тонн. Едва ли можно было ожидать такого пустячного количества в области астрономии. Это меньше, чем общий груз, перевозимый за год
      английскими железными дорогами. Я думаю, что наблюдатели Солнца должны почувствовать себя мистифицированными, получив такое ничтожество после огромного затраченного труда. Наука, однако, не гнушается и пустяками. Астрономия остается поучительной и в тех случаях, когда изредка она унижается до самых обычных чисел.
     
      История Бетельгейзе
      Эта история не имеет никакого отношения к атомам и едва ли подходит к заглавию лекций, но мы пользуемся случаем рассказать о Бетельгейзе, как знаменитом примере звезды огромных размеров малой плотности. Ее история тесно связана с некоторыми вопросами, которыми мы занимались.
      Ни у одной звезды нет такого диска, чтобы можно было его увидеть в современные телескопы. Можно вычислить, что потребовался бы объектив или линза в 6 метров диаметром, чтобы заметить следы диска самой боЛыной звезды. Представьте себе на мгновение, что такой телескоп мы построили. С какой же звезды надежнее всего начать?
      Может быть, с Сириуса? Это ведь самая яркая звезда на небе. Но у Сириуса поверхность накалена добела, поэтому он может излучать чрезвычайно интенсивно и не обладая большими размерами. Очевидно, надо предпочесть яркую звезду, но с поверхностью, накаленной возможно слабо. В этом случае кажущаяся яркость должна вызываться большими размерами. Итак, нужна звезда одновременно яркая и красная. Бетельгейзе лучше всего удовлетворяет таким требованиям. Она является более яркой из двух плечевых звезд Ориона и един-
      ственной заметной красной звездой этого созвездия. У нее есть одна или две соперницы (включая Антарес), которые с ней конкурируют. Но мы во всяком случае не сильно ошибемся в нашей надежде отыскать наибольший или приблизительно наибольший звездный диск, если наведем наш воображаемый телескоп на Бетельгейзе.
      Вы, может быть, обратили внимание, что я не говорю о расстояниях этих звезд. Дело в том, что расстояние в нашей задаче не важно. Оно было бы важным, если бы мы искали звезду наибольших действительных размеров. Мы же ищем звезду с наибольшим кажущимся диском3, т. е. закрывающим наибольшую поверхность неба. Если бы расстояние Земли от Солица было вдвое больше, чем теперь, мы получали бы света в четыре раза меньше, но и кажущаяся поверхность составляла бы четверть прежней. Следовательно, количество света на единицу площади диска не зависит от расстояния. Если бы Солнце удалялось дальше, его диск становился бы меньше, но срял бы не менее интенсивно в каждой своей точке. Так будет происходить до тех пор, пока диск перестанет быть различимым.
      Спектроскопическое исследование показывает, что поверхностная температура Бетельгейзе составляет 3 000°. Такую температуру можно получить в лаборатории, и мы знаем частью из опыта, частью теоретически, какова излучающая способность . поверхности в этом
     
      * Довольно неловко применять термин "кажущийся" к предмету настолько малому, что видеть его нельзя; но не следует забывать, чтэ мы вооружились воображаемым телескопом, при помощи которого можно видеть диск звезды. В этом случае смысл слова "кажущийся* будет ясным.
     
      состоянии. Отсюда нетрудно вычислить, какую Часть неба должна закрывать Бетельгейзе так, чтобы площадь, умноженная на излучательную способность, давала наблюденную яркость Бетельгейзе. Поверхность, оказывается, должна быть очень малой. Кажущийся размер Бетельгейзе таков же, как у полупенсовой монеты на расстоянии в 80 км. Если выразиться более научно, то диаметр Бетельгейзе, вычисляемый указанным образом, должен составлять 0,051".
      Столь малый диск нельзя увидеть ни в один из существующих телескопов. Рассмотрим коротко, как образуется изображение в телескопе, в частности как получаются детали, или создается контраст света и темноты, который и позволяет видеть диск или двойную звезду, а не пятно, исходящее из одной точки. Это свойство оптических приборов называется разрешающей способностью. Оно зависит в первую очередь не от увеличения, но от отверстия. Предел разрешающей способности определяется размерами отверстия телескопа.
      Чтобы создать отчетливое, резкое изображение, телескоп не только должен направить свет туда, где он должен быть, но также не направлять его туда, где он не должен быть. Последнее как раз наиболее трудно. Световые волны стремятся распространиться во все стороны, И отдельные волночки заходят при этом в такие части изображения, где бы им быть не надлежало. Против этого есть одно средство. К каждой заблудившейся волне нужно послать другую волну по пути несколько более длинному или более короткому. Если обе волны встретятся в противоположных фазах, то они взаимно уничтожатся. Этим объясняется польза больших апертур. При больших отверстиях получается большее различие путей отдельных волн. Волны, идущие из одной части отверстия, могут относительно запоздать и интерферируют с волнами, идущими от другой части. Маленький объектив дает только свет; чтобы получить и необходимую темноту, нужен большой объектив.
      Является ли обычное круглое отверстие наивыгоднейшим для получения волн с требуемой разностью хода? Всякое отклонение от симметричности формы отверстия приведет к меньшей определенности изображения, получатся пятна и полосы. Изображение не будет похожим на предмет. С другой стороны, иногда выгодно сделать эти недостатки изображения еще более резкими. При этом, конечно, не может быть речи о том, насколько эти пятна и полосы отличаются от самого предмета, здесь важно значение этих пятен. Если нельзя воспроизвести диск звезды, то нельзя ли получить какие-нибудь отчетливые знаки, определяемые диском?
      Нетрудно видеть, что для этого нам придется усовершенствовать прибор следующим образом. Среднюю часть объектива придется закрыть, открытыми останутся только небольшие, диаметрально противоположные отверстия с одной или другой стороны стекла. Для этих отверстий разность световых путей волн — наибольшая, и от них получится наиболее резкая картина интерференционных полос; эти лучи имеют главное значение при получении отчетливого контрастного изображения предмета.
      Но если средняя часть объектива не нужна, зачем же тратиться на ее изготовление? Мы приходим к мысли применить два отдельных отверстия с небольшими линзами, или зеркалами. Так получается прибор, несколько похожий на дальномер.
      С этим инструментом мы не увидим диска звезды. Если посмотреть в него, то общее впечатление таково, что изображение не лучше, чем от каждого отверстия в отдельности. Мы увидим "ложный диск"*, окруженный диффракционными кольцами. Но, посмотрев внимательнее можно заметить, что изображение пересекается темными и светлыми полосами, получающимися по причине интерференции световых волн, идущих от двух отверстий. В центре изображения волны от двух отверстий усиливают друг друга, и там видна яркая полоса, так как они шли симметрично по одинаковым путям. Несколько подальше вследствие асимметрии гребни одной волны налагаются на углубление другой и гасят одна другую; здесь видна темная полоса. Ширина полос уменьшается при возрастании расстояния между отверстиями. Для каждого расстояния легко вычислить соответствующую ширину.
      Каждая точка звездного диска дает диффракционное изображение с системой полос такого же вида, но так как диск мал в сравнении с мельчайшими деталями диф-фракционного изображения, то никакого заметного размывания и слияния полос не получается. Если, однако,-увеличивать расстояние между отверстиями дальше, делая полосы все тоньше, то наконец яркие полосы от одной части диска попадут на темные полосы от другой части диска, и система полос станет неразличимой. Математическим вычислением можно определить, чтб получится при сложении полос в каждой точке диска. Можно показать, что для определенного расстояния между отверстиями
     
      * Светящаяся точка (звезда) видна в трубу всегда в виде кружка, возникающего вследствие диффракции. Этот кружок Эддингтон и называет "ложным диском*. Прим. переводчика.
     
      полосы исчезнут совершенно. Если расстояние увеличивать дальше, полосы появятся снова, но с меньшей резкостью. Полное исчезновение полос должно происходить в том случае, если диаметр диска звезды в 11/5 раза больше ширины полос (считая от центра одной светлой полосы до другой) Как уже говорилось, ширину полос можно вычислить, зная расстояние между отверстиями.
      Наблюдение заключается в том, что оба отверстия раздвигают до тех пор, пока полосы не исчезнут. Зная расстояние между отверстиями при этом, легко найти диаметр диска. Хотя мы и измеряем таким образом размеры диска, не. никогда не видим его.
      Принцип метода можно коротко изложить еще так. Изображение точки света в телескопе — не точка, а маленькое диффракционное пятно. По этой причине, если мы смотрим на довольно большой предмет, скажем на Марс, то диффракционные полосы смывают детали планеты. Когда же мы смотрим на звезду, являющуюся почти точкой, то лучше, так сказать, перевернуть идею: так как предмет не идеальная точка, то он слегка смягчит диффракционные полосы. Такое смягчение или смывание картины будет заметным только в том случае, когда детали картины достаточно тонки. Бетельгейзе по причине своих конечных размеров теоретически должна размыть диффракционные полосы. Обычные диффракционные диски и кольца в самых больших телескопах слишком грубы для этого. Мы создаем диффракционное изображение с более тонкими деталями, пользуясь двумя отверстиями. Теоретически детали можно сделать сколь угодно тонкими, раздвигая отверстия. Следовательно, метод состоит в увеличении расстояния между отверстиями до тех пор, пока полосы не станут настолько тонкими, чтобы заметно размываться при свете Бетельгейзе. Для звезды с меньшим диском отверстия придется раздвигать еще дальше.
      Этот метод был давно придуман профессором Май-кельсоном, но только в 1920 г. он испробовал его в большом масштабе со 100-дюймовым рефлектором на обсерватории Маунт Вильсон. После многих попыток Пиз и Андерсон сумели добиться того, что яркие и темные полосы от Бетельгейзе исчезали при расстоянии в 3 метра между отверстиями. Отсюда диаметр звезды равняется 0,045", в хорошем согласии с предсказанной величиной (стр. 94). Только у 5 — 6 звезд диаметры настолько велики, что их можно измерить таким инструментом. Разумеется, думают о постройке 15-метрового интерферометра, но и он будет недостаточен для огромного большинства звезд. Мы твердо убеждены, что описанный раньше метод расчета дает правильные диаметры звезд, однако подтверждение более прямым методом М а й-кёльсона всегда желательно.
      Для определения действительных размеров звезды по ее кажущемуся диаметру мы должны знать расстояние. Бетельгейзе — очень удаленная звезда, ее расстояние не может быть измерено очень точно; однако некоторая неопределенность не изменит общего порядка величины. Диаметр Бетельгейзе около половины миллиарда километров, объем ее приблизительно в 50 миллионов раз превосходит объем Солнца.
      Прямого способа определения массы Бетельгейзе нет, ибо у нее нет поблизости спутников, движение которых влияло бы на нее. Можно, однако, вывести ее массу из соотношения массы и яркости на кривой рис. 7. Таким способом получается масса, равная 35 солнечным.
      Бели результат верен, то Бетельгейзе — одна из наиболее массивных звезд, однако, разумеется, не слишком массивная в отношении к ее размерам. Ее средняя плотность около миллионной доли плотности воды или не больше одной тысячной плотности воздуха 1.
      Есть один способ, на основании которого можно утверждать, что Бетельгейзе разреженнее Солнца, даже в тем случае, если бы у нас не было возможности теоретически или по аналогии определить ее массу. Согласно современной теории тяготения у шара размеров Бетельгейзе и с плотностью Солнца обнаружились бы следующие замечательные свойства:
      1) благодаря огромной силе тяготения свет не мог бы улететь с такого шара: всякий испущенный луч упал бы обратно на звезду по причине своего веса;
      2) эйнштейновское смещение (которым мы пользовались при определении плотности Спутника Сириуса) было бы настолько велико, что спектр сдвинулся бы в невидимую область;
      3) масса производит искривление пространства; Бетельгейзе с плотностью Солнца вызвала бы такую кривизну, что пространство завернулось бы кругом звезды, оставив нас вне пространства, т. е. нигде.
      Если бы не было последнего обстоятельства, пришлось бы пожалеть, что плотность Бетельгейзе так мала.
      В настоящее время совершенно реально звезды стали очень важным помощником физической лаборатории,
     
      1 Плотности меньшие, чем у воздуха, найдены для некоторых переменных звезд Алголя совсем иным способом; для переменных Цефеид они получены еще третьим методом. Таким образом есть несколько примеров звезд с объемами того же порядка величины, как у Бетельгейзе.
     
      своего рода отделением высоких температур, где можно изучать свойства материи при чрезвычайно широких вариациях условий. Я, как астроном, естественно, смотрю на вещи несколько иначе: физическая лаборатория кажется мне станцией с низкой температурой, состоящей в ведении звезд. Именно лабораторные условия должны считаться ненормальными. За исключением межзвездной материи, находящейся при умеренной температуре около 15 000°, я думаю, девять десятых материи вселенной имеют температуру выше 1 000 000 °. При обычных условиях (вы понимаете, в каком смысле я применяю это слово) свойства материи очень просты. Однако во вселенной есть исключительные области с температурами, близкими к абсолютному нулю, где свойства материи становятся чрезвычайно сложными; ионы окружают себя там полными электронными системами и становятся атомами наших земных опытов. Земля — - одно из наших холодных мест, и здесь могут возникать самые удивительные усложнения. Может быть, наиболее удивительные из таких сложных систем собираются вместе и рассуждают о значении всей схемы.
     
     
      Лекция третья
      ВОЗРАСТ ЗВЕЗД
     
      Мы видели, что пространственно человек находится приблизительно на половине шкалы размеров между атомом и звездой. Я рискну сделать такое же сравнение относительно времени. Длительность жизни человека приходится почти на половине шкалы времен, измеряющих жизнь возбужденного атома и жизнь звезды. Для лиц, любящих точность (я лично, оценивая возраст звезды, не претендую на точность), я сделаю следующее дополнение. В отношении массы человек ближе к атому, и более сильным претендентом на центральное положение между атомом и звездой является гиппопотам. В смысле времени семь десятков лет жизни человеческой несколько ближе к звезде, и на половине шкалы с большим правом можно бы поставить бабочку.
      У этих фантастических рассуждений есть серьезная мораль. Рассмотрим периоды времени, поражающие наше воображение. Нас пугают эти векселя, предъявляемые вечности. Однако громада шкалы времени звездной эволюции менее далека от шкалы человеческого опыта, чем ничтожно малая шкала времени внутриатомных процессов.
      К вопросу о "возрасте звезд" мы подойдем окольными путями, по дороге нас задержат некоторые случайные проблемы.
      Пульсирующие звезды
      Звезда д Cephei — одна из переменных звезд; ее перемежающийся свет, как у Алголя, шлет нам некоторое послание. После расшифровки это послание оказывается, однако, совсем непохожим на то, что сообщает Алголь.
      Скажу сразу, что эксперты расходятся относительно толкования послания д Cephei. Здесь не место излагать подробности или объяснять, почему другие интерпретации мне кажутся неприемлемыми. Я расскажу вам только ту историю, которая, на мой взгляд, наиболее правильна. Эта интерпретация указана Плуммером и Шаплеем. Последний высказал ее особенно убедительно; дальнейшее развитие, как я думаю, имеет тенденцию к укреплению такого толкования. Я не утверждаю, впрочем, что все сомнения устранены.
      Алголь оказался парою звезд, очень близких одна к другой и затмевающих одна другую от поры до времени. д Cephei — одиночная пульсирующая звезда. Это. — сфера, симметрично разбухающая и сжимающаяся с правильным периодом в 51/3 дней. По мере такого расширения и сжатия внутри звезды происходят изменения давления и температуры; поэтому поток света, выходящий наружу, то подымается, то слабеет в отношении интенсивности, причем меняется и его окраска.
      Здесь нет речи о затмениях, в световых сигналах Ь Cephei нет "точек" и "тире", во всяком случае изменение окраски указывает на действительные изменения физических условий источника света. Но прежде для
      объяснения всегда предполагались две звезды, и физические изменения толковали как результат орбитального движения. Предполагали, например, что главная звезда ходит по круговой орбите в сопротивляющейся среде, которая нагревает фронтальную поверхность звезды. Свет меняется оттого, что мы видим то нагретый фронт звезд, то холодную тыльную часть. Орбитальное толкование теперь оставлено, ибо оказалось, что в буквальном смысле для второй звезды нет места. Предполагаемую орбиту определяли обычным путем из спектроскопических измерений скорости приближения и удаления; позднее получили, однако, сведения об истинных размерах звезд, сначала расчетом, а потом (для немногих звезд) и прямыми измерениями. Для Ь Cephei выяснилось, что звезда слишком велика, а орбита мала, вторую звезду, если бы она существовала, пришлось бы поместить внутри главной звезды. Это пространственное совпадение звезд приводит к абсурду гипотезу двойной звезды, и надо искать других объяснений.
      То, что прежде принимали за приближение и удаление звезды в целом, оказалось приближением и удалением ее поверхности, то поднимающейся, то опускающейся вследствие пульсаций. Звезды, изменяющиеся подобно д Cephei, являются диффузными, с объемами, в огромное число раз превосходящими Солнце. Общее смещение их составляет только долю радиуса звезды. Поэтому нет необходимости предполагать смещения звезды в целом вследствие орбитального движения; наблюдая колебания яркости и цвета, мы следим за пульсациями части звезды, повернутой к нам.
      Вывод о том, что о Cephei - одиночная, а не двойная звезда, непосредственно приводит к такому следствию
      Период в 5 уз дней определяется самой звездой и потому является ключом для понимания ее физических условий. Это — период свободных, а не вынужденных колебаний. Важно уяснить значение этого факта. Числа солнечных пятен колеблются от максимума до минимума и обратно с периодом около 111/2 лет. Мы до сих пор не понимаем причины этих колебаний, однако признаем, что период солнечных пятен является чем-то характерным для Солнца в его современном состоянии, и считаем, что этот период изменится, если что-нибудь с Солнцем произойдет. Одно время высказывалось предположение, не вызываются ли колебания чисел солнечных пятен обращением планеты Юпитера, период которого приблизительно такой же. Если бы это было так, то 11у2-летний период Солнца был бы вынужденным, результатом внешней причины, и по этому периоду мы ничего бы не узнали о свойствах самого Солнца. Полагая, что световой период 8 Cephei — собственный, свойственный ей так же, как определенный тон соответствует каждому камертону, мы можем считать этот период ценным индикатором постоянства (или изменений) физических условий звезды.
      В звездной астрономии обыкновенно мы чувствуем себя очень счастливыми, если наши данные, параллакс, радиус, массу, абсолютную яркость и прочее, удается определить с точностью до 5 °/0. Но измерения периода дают возможность значительно большей точности. Я полагаю, что наиболее точным известным количеством в науке (за исключением математики) является средний период Луны, который обыкновенно указывается до двенадцатого знака. Период 8 Cephei может быть определен по крайней мере до шестого знака. Поспешив закрепить наблюдаемый период за внутренними условиями звезды, мы получили чувствительный индикатор, при помощи которого можно обнаруживать крайне малые изменения. Вы можете теперь догадаться, почему я подхожу к возрасту звезд, начав с изложения свойств переменных Цефеид. До настоящего времени это единственные известные звезды, обладающие чувствительным индикатором, при помощи которого есть надежда определить скорость эволюционных изменений. Мы думаем, что 8 Cephei, подобно другим звездам, сгустилась из туманности, причем конденсации и сгущения продолжаются еще и теперь. Нет никакой надежды открыть сжатие, звезд нашими грубыми методами определения радиуса, если даже производить эти наблюдения сотню лет. Но эволюция должна быть очень медленной, если собственный период звезд не обнаруживает в течение века никаких изменений с точностью до одной десятимиллионной доли.
      При этом не очень существенно, понимаем ли мы природу этого внутреннего периода, или нет. Если звезда сжимается, то период пульсации, период вращения или другие ее собственные периоды должны изменяться. Если вам угодно предпочесть какое-либо иное толкование послания 8 Cephei, вы можете заменить некоторые мои слова другими, однако общий вывод, относящийся к скорости эволюции, останется неизменным. Только в том случае, если вы отнимете период от самой звезды и вернетесь к старой гипотезе двойной системы, наша аргументация теряет силу. Но я не думаю, чтобы кто-нибудь из лиц, имеющих другое толкование Цефеид, предложил возврат к старой гипотезе.
      Разумеется, такие пульсирующие звезды должны рассматриваться с особым интересом. На обычные звезды мы смотрим с уважением как на предметы под стеклом в музеях, в наших пальцах появляется зуд щелкнуть по ним и удостовериться в их упругости. Пульсирующие звезды похожи на соблазнительные модели с кнопками в научных музеях: нажав на кнопку, мы приводим модель в движение. Иметь возможность видеть активное биение звездной машинычрезвычайно поучительно для развития науки.
      Теория постоянной звезды, описанная в первой лекции, может быть распространена и на пульсирующие звезды; можно рассчитать собственный период пульсации для звезды определенной вдассы и плотности. Вы помните, что мы уже вычисляли тепловое излучение, или яркость, и сравнивали расчет с наблюдениями; при этом получилось удовлетворительное согласие с теорией. Теперь можно вычислить период пульсации и, сравнив его с наблюдениями, еще раз проверить теорию. По причине отсутствия данных об одной постоянной звездного вещества в расчетах остается некоторая неопределенность, соответствующая фактору, приблизительно равному 2. Иными словами, мы находим два периода, один вдвое больше другого; между этими предельными значениями должно лежать истинное. Наблюдения подтверждают теорию очень хорошо.
      Имеются 16 переменных Цефеид, на которых можно проверить теорию; периоды их различаются от 13 часов до 35 дней; во всех случаях вычисленные величины согласуются с наблюдениями в пределах ожидаемой точности. Косвенным образом это согласие видно из рис. 7, где квадратики, соответствующие переменным Цефеидам, хорошо ложатся на теоретическую кривую.
     
      Цефеиды как "нормальная свеча
      Переменные Цефеиды с одинаковым периодом очень похожи, друг на друга. Всякая Цефеида с периодом в 5г/3 дней где угодно во вселенной будет практически копией й Cephei; в частности ее абсолютная яркость будет та же. Это найдено наблюдением и не предсказано ни в какой мере теорией. Яркость, как мы видели, зависит главным образом от массы; с другой стороны, период зависит главным образом от плотности. Наблюдаемая связь яркости и периода указывает, следовательно, на существование отношения между массой и плотностью. Предположительно это отношение выражается в том, что для данной массы имеется своя, особая плотность (соответствующая некоторой стадии конденсации звезды); при этой плотности могут происходить пульсации, при других плотностях звезда будет гореть постоянно.
      Это свойство делает Цефеиды крайне полезными для астронома. Они служат как нормальная свеча, как источник с постоянной силой света.
      Указать действительную яркость света, просто взглянув на него, нельзя. Если он кажется тусклым, то это означает или действительную слабость, или большое расстояние. На море в ночное время вы видите много светящихся точек, у которых нельзя определить расстояния и истинной яркости; ваша оценка действительной яркости может быть ошибочной в квинтиллион раз, если вы случайно смешаете Арктур с лампой на корабле. Но среди других светящихся точек на море вы заметите правильный, перемежающийся свет, меняющийся определенное число раз в секунду. Вы знаете, что это такой-то и такЬй-то маяк, бросающий свет силою во столько-то тысяч свечей. Вы можете теперь оценить, как далеко до маяка (если только, конечно, нет тумана).
      Таким же образом, когда мы глядим на ночное небо, звезды могут иметь любые действительные яркости и находиться на любых расстояниях. Благодаря самым утонченным методам измерения параллакса удалось найти истинное положение только немногих, ближайших светил. Но если вы увидите светило, подмигивающее, как Цефеиды, и с периодом в 51/3 дня, то вы можете утверждать, что это копия 8 Cephei, с яркостью в 700 раз большей, чем у Солнца. Если период иной, то мы также в состоянии определить его истинную яркость- в сравнении с Солнцем. Для этого измеряется кажущаяся яркость, зависящая от расстояния и действительной яркости; далее простой расчет отвечает на вопрос. На какое расстояние надо поместить светило, в 700 раз более яркое, чем Солнце, для того чтобы получилась наблюдаемая кажущаяся яркость? Какое значение имеет при этом туман? Было произведено тщательное изучение этого вопроса и оказалось, что, несмотря на космическое облако в межзвездном пространстве, свет звезд на пути к нам не поглощается и не рассеивается заметным образом.
      Благодаря услугам Цефеид в качестве нормальной свечи удалось определить такие расстояния в звездной вселенной, которые были недостижимыми для прежних методов. Если бы эти расстояния относились просто к самим переменным Цефеидам, это было бы еще не так важно, в действительности получены данные и для других звезд.
      На рис. 11 1 изображена знаменитая звездная куча, называемая « Centauri. Среди тысячи звезд этой кучи обнаружилось не менее 76 Цефеид. Каждая из них служит нормальной свечой для определения расстояния от земли прежде всего ее самой, но одновременно и всей
      Рис. 11. Звездная куча « Centauri.
      кучи, в которой она расположена. 76 примеров удивительно согласуются между собою, среднее отклонение не превосходит 5 °/0. Таким способом Ш а п л е й нашел, что расстояние кучи равно 20000 световых лет. Световые Послания, которые мы читаем теперь, были посланы из кучи 20 000 лет тому назад г.
      Астроном больше, чем другие жрецы науки, оценивает преимущества положения, не слишком близкою к изучаемым предметам. Ближние звезды, конечно, ходят правильно По сёойМ- путйм, однако очень неприятно находиться срейй Них. Каждую такую звезду приходится изучать отдельно, разыскивать ее расстояние при помощи длительных Измерений, новые знания здесь даются очень трудно. Когда же мы определяем расстояние удаленной кучи, мы срДЗу находим расстояния многих тысяч звезд. Если расстояние известно, то кажущиеся величины можно перевести в истинные; таким образом становится возможной статистика абсолютных яркостей и цветов. Даже не зная расстояний по звездам, собранным в кучу, можно узнать многое такое, что недоступно для нас в менее удаленных звездах. Мы находим, что Цефеиды значительно превосходят по интенсивности среднюю яркость, и только немногие звезды имеют ббльшие яркости. Можно утверждать, что чем ярче Цефеида, тем длиннее ее период. Мы находим, что самые яркие звезды все красные 2. И так далее. Но есть и обратная сторона медали: слабые световые точки в удаленных кучах далеко не самый лучший объект для
     
      1 Для сравнения укажем, что ближайшая неподвижная звезда находится на расстоянии 4 световых лет. За исключением звездных куч мы редко встречаемся с расстоянием более 2000 световых лет.
      2 Не всегда можно быть уверенным, что справедливое для звездной кучи верно для всяких звезд; наши сведения о ближних звездах, хотя и менее достоверные и скудные, чем о кучевых звездах, не совсем согласуются с ними в отношении сочетания цвета и яркости.
     
      измерения и анализа, и в этом отношении надо помянуть добрым словом ближайшие звезды. Но остается фактом, что в некоторых вопросах исследования звезд удаленность — действительное преимущество. Мы перейдем сей-, час от ближних звезд к объектам, находящимся на расстоянии 50000 световых лет.
      Известно около 80 звездных куч с расстояниями от 20 000 до 200 000 световых лет. Есть ли еще что-нибудь более удаленное? Давно уже предполагали, что спиральные туманности J, которые, повидимому, особенно многочисленны, находятся за пределами звездной системы и образуют * острова-вселенные . Доводы в пользу этого становились все сильнее, и теперь этот факт считают окончательно подтвержденным. В 1924 г. Хебл открыл некоторое число переменных Цефеид в большой туманности Андромеды, которая является наибольшей и, вероятно, самой близкой к нам спиральной туманностью. После того как были определены периоды Цефеид, ими можно было воспользоваться как нормальными свечами для определения расстояния туманности. Кажущаяся яркость их значительно слабее, чем у соответствующих Цефеид в шаровых облаках; следовательно, они должны находиться дальше. Хебл тем же способом определил расстояния еще одной или двух спиральных туманностей.
      Невооруженному глазу туманность Андромеды кажется слабым пятнышком. Когда вы на нее глядите, то смотрите на то, что случилось 900 000 лет назад.
      1 Термин .туманность" охватывает разнообразные объекты, и только спиральные туманности, повидимому, расположены за пределами нашей звездной системы.
     
      Гипотеза сжатия
      Проблема о запасах энергии, необходимых для поддержания солнечной световой и тепловой отдачи, часто дебатировалась астрономами и неастрономами. В прошлом веке Гельмгольц и Кельвин показали, что Солнце может поддерживать свое тепло в течение очень большого времени посредством непрерывного сжатия. Вследствие сжатия материя приближается или падает к центру Солнца, при этом освобождается потенциальная энергия, превращающаяся в тепло. Предполагалось, что это — единственный солнечный ресурс, так как других источников столь большой энергии не знали. Но подача энергии за счет сжатия не может быть беспредельной: согласно гипотезе сжатия, Солнце возникло не более чем 20 000000 лет тому назад. Даже в то время такой срок был найден слишком малым, но Кельвин убеждал геологов и биологов, что они должны уложить земную историю в пределы этого срока.
      В начале настоящего столетия гипотеза сжатия находилась в курьезном положении: ее все принимали, но почти никто не знал. Немногие пытались оспаривать гипотезу, а остальные без всякого колебания переносили сроки истории Земли или Луны, если в том была надобность, на большие промежутки времени назад от предполагаемой эпохи образования солнечной системы. Дата творения, предложенная лордом Кельвином, третировалась не с бблъшим уважением, чем библейская.
      Серьезные затруднения, связанные с этой гипотезой, станут особенно резкими, если обратиться к диффузным звездам большой яркости. Они расточают свою энергию в сто или тысячу раз быстрее, чем Солнце. Экономное Солнце могло существовать за счет энергии сжатия 20 миллионов лет, но для диффузных ярких звезд этот срок сокращается до 100 000 лет. К числу таких звезд относится большинство звезд, видимых невооруженным глазом.
      Можно ли поверить, что они образовались за последние сто тысяч лет? Неужели древность человека больше, чем у звезд, которые светят сейчас? Неужели звезды в туманности Андромеды, погибают скорее, чем их свет успеет до нас достигнуть?
      Однако одно дело — чувствовать неприязнь к ограничению шкалы времени, опрокидывающему наши идеи и объяснения, которые в остальном правдоподобны и привлекательны, другое дело — привести определенные доказательства против этой шкалы времени. Я не думаю, что у астрономов на их собственной территории имеется какое-нибудь оружие для прямой атаки гипотезы Гельмгольц-Кельвина, за исключением того, что дают переменные Цефеиды. Перейдем к цифрам. 5 Cephei излучает в 700 раз больше энергии, чем Солнце. Мы знаем ее массу и радиус и без труда можем вычислить, с какою скоростью должен сжиматься радиус, чтобы создать такое излучение. Оказывается, звезда должна сжиматься на Д000о РаДиУса в Г°Д Впервые Ь Cephei тщательно наблюдалась в 1785 г.; с того времени ее радиус должен бы измениться на /зоо* если гипотеза сжатия справедлива. Вы помните, что на 5 Cephei имеется очень чувствительный индикатор всяких изменений — период пульсации. Ясно, что изменения величины звезды должны отозваться на этом индикаторе. Изменяется ли период? Это сомнительно; может быть, и есть указания на легкие изменения, но не более л]ш того, что требуется гипотезой сжатия.
      Если принять теорию пульсации, то период должен уменьшаться на 17 секунд ежегодно. Такую величину легко заметить. Действительные изменения составляют не более 1Д0 секунды за год. Во всяком случае в состоянии Цефеиды звезды черпают энергию из какого-то иного источника, а не за счет сжатия.
      В столь важном вопросе нельзя ограничиться только одним доводом, поэтому мы обращаемся к родственным наукам за другими, может быть, более убедительными доказательствами. Физические и геологические исследования определенно указывают, что возраст Земли (считаемый от того периода, который во всяком случае далеко отстоит от момента рождения Земли как планеты) значительно больше того, что дает шкала Г ельмгольца-Кельвина. Обычно особенное значение придают в этом смысле определениям возраста горных пород по отношению количеств урана и свинца. Уран превращается с определенной скоростью в свинец и гелий. Свинец не похож на уран в химическом отношении, поэтому они не должны бы встречаться вместе; если же они расположены вместе, то, вероятно, свинец получился благодаря разложению уранаг. Измеряя, какое количество свинца соответствует определенной массе урана, мы можем определить, сколько времени лежит здесь уран. Возраст древних пород оказался равным 1 200 миллионам лет; некоторые авторы дают более скромную оценку, однако все же слишком высокую, чгобы можно
     
      Это можно проверить таким способом. Урановый свинец обладает атомным весом, несколько отличающимся от атомного веса свинца другого происхождения. Обычный свинец — смесь различных сортов атомов того же элемента (изотопов).
     
      было спасти гипотезу сжатия. Солнце несомненно должно быть намного древнее, чем Земля и ее породы.
      Нам требуется, повидимому, шкала времени, дающая для Солнца не менее 10 миллиардов лет, во всяком случае мы не можем снизить наши требования меньше, чем до миллиарда лет. Необходимо найти другой более щедрый источник энергии, который мог бы поддерживать теплоту Солнца и звезд в течение столь обширных времен. Можно сразу же сузить направление наших поисков. Ни один источник энергии не может иметь значения, если тепло не освобождается в глубоких недрах звезды. Центр вопроса не в том, чтобы доставить энергию для радиации, а в том, что нужно поддерживать внутреннее тепло, иначе тяготеющая масса будет притянута к центру. В первой лекции, как вы помнете, мы должны были приписать каждой точке звездных недр определенное количество тепла для того, чтобы стало возможным равновесие. Но это внутреннее тепло непрерывно уходит к более холодным внешним слоям и затем улетает в пространство в виде звездной радиации. Этот расход тепла должен быть чем-то покрыт для поддержания постоянного режима, иначе звезда начнет сжиматься и будет развиваться в пределах шкалы времени Кельвина. Бесполезно возвращать энергию звезды на поверхность, например в виде дождя метеоров. Эта энергия не перейдет внутрь, вследствие того, что внутри звезды теплее, чем снаружи, она улетит в пространство при первой же возможности в виде добавочной радиации. Нельзя поддержать градиент температуры, подводя тепло к холодному концу. Оно должно подходить к горячему концу, т. е. в глубины звездных недр.
      Нельзя вообразить себе постороннего источника — тела, подводящего энергию к центру звезды, поэтому идея о засасывании энергии звездою извне, по мере расходования внутренней энергии, совершенно неприемлема. Изо всего этого следует, -что в самой звезде должна быть скрыта энергия, поддерживающая ее существование.
      Энергия обладает массой. Многие предпочли бы сказать: энергия — это масса; но здесь нет необходимости спорить по этому вопросу. Для нас существенен тот факт, что эрг энергии в какой угодно форме обладает массой в 1,1.10 21 г. Эрг — привычная научная единица энергии, но энергию можно измерять также граммами или тоннами, как и все остальное, имеющее массу. Вы могли бы покупать у электрической компании свет фунтами. Неудобство только в том, что это количество значительно больше, чем вам нужно; при существующих ценах фунт света обошелся бы около ста миллиардов рублей. Если бы весь этот свет (эфирные волны) вы заключили в замкнутый ящик с зеркальными стенками, так, чтобы он мог бегать там от стенки до стенки, то оказалось бы, что вес ящика увеличился на 1 фунт, соответственно весу света: ясно, что предмет с .весом в 1 тонну не может содержать энергии больше тонны. Поэтому на Солнце с весом в 2 000 квадриллионов тонн (стр. 32) не может быть энергии больше 2 000 квадриллионов тонн..
      Масса в 2. 1033 г (т. е. масса Солнца) соответствует энергии в 1,8. 1054 эргов. Таковы, следовательно, все запасы энергии Солнца, которыми оно располагает на остаток жизни ]. Мы не знаем, какую долю этого запаса можно превратить в тепло и радиацию. Если можно утилизировать весь запас, то солнечная радиация с современной мощностью может сохраняться 15 биллионов лет. Тепло, отдаваемое Солнцем за год, соответствует массе в 120 биллионов тонн; если такой расход будет продолжаться постоянно, то у Солнца не останется массы через 15 биллионов лет.
     
      Субатомная энергия
      Энергия, за незначительными исключениями, сосредоточена во внутреннем строении атомов и электронов, мы называем ее поэтому субатомной энергией. Большая часть ее скрыта в структуре электронов и протонов, элементарных отрицательных и положительных зарядов, из коих построена материя. Освободит эту энергию можно, только разрушив электроны и протоны. Основные запасы энергии звезды не могут быть превращены в радиацию, если материя, из которой построена звезда, не будет уничтожена.
      Возможно, что звезда будет существовать долгое время, не прибегая к этому главному источнику энергии. Небольшая часть запаса может быть освобождена посредством менее решительного процесса, чем уничтожение
      ной энергии Солнца, а теперь говорю, что энергия именно такова. Противоречие здесь только словесное, зависящее от научного определения энергии. Всякая масса есть масса чего-нибудь, это "что-нибудь" мы называем теперь "энергией* независимо от того, соответствует ли оно привычным формам энергии или нет. На следующих страницах вы увидите, что мы не предполагаем, что энергия должна обязательно превращаться в известные формы. Здесь вопрос терминологии, не обязывающий нас ни к чему.
      материи. Этой небольшой части может Хватить на 10 миллиардов лет горения Солнца, т. е. на срок, может быть, и достаточный. Этот не столь разрушительный процесс состоит в превращении элементов. Мы подошли к пункту, где нам приходится делать выбор. Можно удовлетвориться превращением элементов, ограничив таким образом довольно значительно шкалу времени, или же можно предположить уничтожение материи, что дает нам обширную . шкалу. Третьей возможности я сейчас не знаю. Очертим еще раз положение вопроса. Прежде всего мы нашли, что энергии сжатия безнадежно недостаточно; далее мы утверждаем, что энергия должна освобождаться в глубине звезд, она должна черпаться из внутреннего, а не из внешнегр источника. Теперь мы рассматриваем, каковы же общие запасы полной внутренней энергии. Все существенные запасы сосредоточены в виде энергии строения систем из электронов и протонов; довольно большое количество энергии может быть освобождено при перегруппировках протонов и электронов внутри атомных ядер (превращение элементов), но ббльшая часть может быть получена только при уничтожении протонов и электронов.
      Превращение элементов, заветная мечта алхимиков осуществляется в радиоактивных процессах. Уран медленно переходит в смесь свинца и гелия. Но ни при одном известном радиоактивном процессе не освобождается количеств энергии, достаточных для поддержания солнечного тепла. Заслуживающая внимания энергия при превращениях освобождается только в начале эволюционной лестницы элементов.
      Начнем с водорода. Атом водорода построен крайне просто, из одного протона с положительным зарядом и одного отрицательного электрона, вращающегося как планета вокруг протона. Будем считать массу водорода равной 1. Из четырех атомов водорода получится атом гелия. Если масса гелия точно равна 4, это будет значить, . что вся энергия водородных атомов осталась в гелии. В действительности масса гелия составляет 3,97. Таким образом энергия с массою 0,03 должна была исчезнуть при образовании гелия из водорода. Из 4 г , водорода мы должны были бы получить 4 г энергии; превратив водород в гелий, мы освобождаем только 0,03 г энергии. Оба процесса могут служить источниками солнечного тепла, но второй процесс дает значительно меньше энергии.
      Освобождение энергии при образовании гелия происходит потому, что только 2 из 4 водородных электронов остаются планетными электронами, два другие вместе с 4 протонами входят в состав ядра гелия. Сближая положительные и отрицательные заряды, мы вызываем изменение энергии электрического поля и освобождаем электрическую энергию, уходящую в виде эфирных волн. При этом и уходят 0,03 г энергии. Звезда может поглотить эти эфирные волны и превратить их в тепло.
      От гелия можно переходить к высшим элементам, но при этом не освобождается новой заметной энергии. Например, кислород можно составить из 16 водородных атомов, или 4 атомов гелия; но, поскольку мы можем судить, вес кислорода почти в точности равен весу 4 гелиевых атомов, следовательно, при превращении водорода в кислород и в гелий, освобождается почти одна и та же энергия. Это станет яснее, если мы положим массу водородного атома равной 1,008, как это обыкновенно делают, тогда масса атома гелия будет в точности 4 и кислорода 1б. По исследованиям Астона с массовым спектрографом следует, что у других элементов массы выражаются очень точно целыми числами. На каждый водородный атом, входящий в состав любого элемента, теряется всегда приблизительно около 0,008.
      Большое преимущество гипотезы об освобождении энергии звезд при образовании элементов из водорода состоит в несомненной возможности такого процесса; с другой стороны, у нас нет никаких доказательств уничтожения материи в природе. При этом нет надобности ссылаться на якобы осуществленное в лаборатории превращение водорода в гелий; лица, авторитету которых я доверяю, не считают эти опыты убедительными 1. По моему мнению, существование гелия — лучшее доказательство возможности его образования. Четыре протона и два электрона, составляющие ядро гелия, должны были где-то когда-то собраться воедино; и почему бы не в звездах? Когда они встретились и соединились, лишняя энергия освободилась, поддерживая внутреннее тепло звезды. Недра звезды уже потому подходящее место для такой встречи, что там существует и действует обильный источник энергии. Я знаю, что многие считают условия в глубинах звезд недостаточными для превращения водорода в гелий — там слишком холодно. Таким критикам предоставляется найти другую, более подходящую реторту, где было бы теплее.
      1 В 1926 г. П а н е т опубликовал описание опытов превращения водорода в гелий при адсоопции газа палладием. Ол-нако недавно П а н е т отказался от такого толкования своих опытов. Ничтожные количества гелия находились в приборе еще до начала процесса, и ни о каком превращении водорода в гелий в этих условиях не может быть речи. Прим. переводчика.
      Но на этом преимущества такого предположения и кончаются. Есть много астрономических данных, указывающих, что превращение водорода в другие элементы — недостаточный источник энергии для звезд. Возможно, что за счет этого процесса происходит бурное излучение энергии в самых ранних (гигантских) стадиях звезд, когда звезды пребывают в диффузном состоянии и щедро излучают энергию; но энергия более взрослых периодов жизни звезды подчиняется, повидимому, иным законам излучения.
      Есть многие данные, указывающие, что по мере старения звезды она теряет значительную долю своей первоначальной массы; ясно, что это может осуществляться только вследствие уничтожения материи. Эти данные не совсем согласны, однако, между собой, и я думаю, что пока нельзя вынести определенного решения. Во всяком случае гипотеза уничтожения материи наиболее заманчива, и я буду пользоваться ею в дальнейшем кратком изложении эволюции звезд.
      Фраза "уничтожениематерии" звучит несколько сверхъестественно. Мы не знаем пока, может ли оно происходить естественным путем или нет, но во всяком случае к этому нет безусловных препятствий. Последние частицы материи — ничтожные положительные и отрицательные заряды, которые можно считать центрами противоположных натяжений в эфире. Если бы слить эти заряды вместе, они уничтожили бы друг друга, и от них не осталось бы ничего, кроме всплеска в эфире, который рассеялся бы в виде «электромагнитных волн, уносящих освободившуюся энергию. Количество этой энергии чрезвычайно велико; уничтожив капельку воды, мы запаслись бы мощностью в 200 лошадиных сил на целый год. Мы жаДным взором смотрим на эти запасы, не питая, однако, большой надежды на открытие секрета освобождения этой энергии. Если бы удалось доказать, что звезды знают секрет и пользуются запасами энергии для поддержания своего тепла, то у нас появились бы перспективы успеха в этом направлении.
      Я думаю, что многие физики будут считать вопрос о субатомной энергии поприщем, открытым для неограниченной фантазии. Не так представляется теперь это астроному. Если считать установленным, что звезды развиваются значительно медленнее, чем следует по гипотезе сжатия, то измерения тепловой отдачи звезд столь привычные для астронома, являются в сущности измерениями скорости освобождения внутриатомной энергии. Собирание данных о мощности освобождения субатомной энергии является, таким образом, будничным делом астронома-практика. Как всегда, мы приводим наши данные наблюдений в некоторый порядок, стараясь найти, как связана отдача тепла с температурой, плотностью и возрастом звезды; короче говоря, мы ищем законы излучения. Характер работы может стать более или менее гипотетическим в зависимости от темперамента исследователя. В этих областях знания трудно надеяться на успех без научного воображения. Чистая фантазия не нужна здесь, как и в других областях. Но некоторые выводы из наблюдений, с должным учётом
     
      1 Измерение тепла, истекающего от какого-нибудь источника, есть измерение отдачи источника, если энергия непрерывно пополняется. Непригодность шкалы времени Кельвина указывает, что в звезде не происходит накопления или убывания энергии, а следовательно, сжатие или расширение ничтожно в сравнении с мощностью излучения.
     
      наших теоретических сведений о возможностях, связанных с атомной структурой, в этой задаче необходимы.
      Я не могу закончить рассмотрение вопроса, не упомянув о проникающем излучении, существование которого в нашей атмосфере давно известно. По исследованиям Кольгерстера и Милликэна, эта радиация приходит к нам из внешнего пространства. Проникающая способность — признак малости длины волны. Наибольшую проникающую способность прежде приписывали у*лУчам радиоактивных процессов. Космическая радиация — еще более проникающая, и естественно связать ее с самыми бурными процессами в атомах, о которых мы говорили, обсуждая возможные источники звездной энергии. Милликэн сделал очень тщательные измерения ,жесткости" этих лучей и пришел к выводу, что свойства их согласуются со свойствами радиации, которая должна появляться при превращении водорода в другие элементы. Однако жесткость этих лучей еще не такова, чтобы их можно было приписать процессам уничтожения протонов и электронов.
      Повидимому, нельзя сомневаться, что проникающая радиация приходит вниз с неба. Это доказывается измерениями интенсивности радиации на разных высотах атмосферы и на разных глубинах горных озер: радиация слабеет соответственно толще воды или воздуха, через которую ей приходится проникать. Вероятно, эта радиация не земного происхождения. Ее интенсивность не зависит от высоты Солнца над горизонтом, следовательно, она идет не от Солнца. Есть некоторые данные, что радиация несколько меняется соответственно положению Млечного пути, она как будто наиболее интенсивна в тех случаях, когда звездная система простирается над нами на наибольшем протяжении. Эти лучи не могут происходить из звездных недр, для этого их проникаюшая способность слишком слаба; вся наиболее горячая и плотная материя вселенной закрыта от нас непроницаемыми стенами. В лучшем случае до нас могут доходить лучи только внешних покровов звезды, где температура умеренна и плотность невелика; более вероятно, что главный источник радиации — диффузные туманности илн, возможно, материя межзвездного пространства Е Нужно подождать дальнейших данных, и только тогда можно будет считать внутриатомное происхождение этой радиации доказанным; мы указываем на нее только как л а возможный путь исследования. Если бы удалось таким способом получить более прямые данные о- процессах, которые мы считаем источником звездной энер- гии, это было бы очень важным. Поэтому данные, приносимые нам космическими лучами, заслуживают самого серьезного внимания.
      Наши воззрения на природу звездной энергии попадают в критическое положение. До сих пор мы обычно предполагали, что высокая температура звездных глубин — одно из существенных условий для освобождения внутриатомной энергии, также, вероятно, важна и большая плотность.
      Теоретически кажется невероятным, что образование высших элементов, или уничтожение протонов и элек-
     
      1 Все звезды, вместе взятые, покрывают поверхность неба значительно меньшую, чем кажущийся диск Солнца. Звезды не могут быть причиной радиации, если только радиация не образуется значительно более обильно на поверхностных слоях звезд, чем на Солнце.
     
      тронов, может происходить в заметной степени там, где встречи частиц редки, где нет высокой температуры или интенсивной радиации, способных вывести атомы из состояния апатии. Однако, чем больше затруднений встречаем мы во всех теориях освобождения внутриатомной энергии, тем с меньшей решимостью называем мы те или иные данные невероятными. Наличие натрия и кальция в космическом облаке, присутствие гелия и небулия в диффузных туманностях, существование больших количеств титана и циркона в атмосферах самых молодых звезд свидетельствуют, что эволюция элементов далеко пошла вперед уже в дозвездной, диффузной стадии, — если только наша вселенная не построена на развалинах прежнего творения. С этой точки зрения понятно, что мы различаем симптомы проявления субатомной активности и в открытом пространстве. Но физик, конечно, цркачает головою, услышав такие вещи. Каким образом могут встретиться 4 протона и 2 электрона, чтобы сложиться в ядро гелия, в среде настолько разреженной, что свободный путь, без встреч, длится целыми днями? Единственный ответ в Том, что такое событие (согласно современным данным) непостижимо при каких угодно температурах и плотностях, а не только в туманностях. Приходится руководствоваться принципом — не все ли равно, за что повесят — за барана или за ягненка.
      Эволюция звезд
      Двадцать лет тому назад эволюция звезд представлялась простой. Звезды начинают жизнь в очень горячем состоянии, постепенно остывают и умирают.
      ПЬ этому взгляду температура звезды указьает стадию достигнутого развития. Последовательность намечалась грубыми наблюдениями цвета — звезда, накаленная добела, до желтого цвета, докрасна. Более детальное чередование температур определялось спектроскопическим исследованием. Красные звезды естественно попадали на конец лестницы, они считались самыми старыми звездами, стоящими на пороге погасания. Сэр Норман Л о кай ер резко возражал против этой схемы и в значительной степени предугадал современные взгляды; но большинство астрономов верили в такую схему приблизительно до 1913 г.
      Десять лет тому назад были получены новые данные о плотности звезд. Казалось естественным, что плотность может служить более прямым критерием эволюции, чем температура. Предположив, что звезды сгущаются из туманности, мы должны ожидать, что самые молодые звезды будут весьма диффузными, затем они должны сжиматься, и плотность их будет возражать.
      Но это требует полного пересмотра схемы эволюции, так как последовательность по плотностям никоим -образом не совпадает с чередованием по поверхностным температурам. На основании прежнего воззрения все холодные красные звезды должны быть старыми и умирающими. Но большое число таких звезд оказались крайне диффузными, вроде Бетельгейзе. Мы должны считать их самыми молодыми среди звезд. В конце концов довольно естественно, что звезда, начав конденсироваться из туманности, находится в стадии самой низкой температуры. Но не все красные звезды — диффузные, некоторые из них, например "Крюгер 60, имеют высокую плотность, их надо оставить как представителей последней стадии эволюции.И первая и последняя стадии жизни звевды характеризуются, таким образом, низкими температурами.
      Между этими пределами температура звезды должна подниматься до максимума и снова опускаться.
      "Теория гигантов и карликов", предложенная Герц-шпрунгом и Рэсселем, привела эти соображения в блестящий порядок. Звезды разделяются в ней на ряд гигантов, т. е. сравнительно диффузных звезд с возрастающей температурой, и ряд карликов, или плотных звезд с понижающейся температурой. Оба ряда встречаются при наивысшйх температурах. Отдельная звезда за время своей жизни проходит через ряд стадий гигантов до высшей температуры и затем опускается по ряду карликовых стадий. Яркость остается почти постоянной в стадиях гигантов, так как возрастающая температура уравновешивается уменьшением поверхности звезды; в ряду карликов уменьшение температуры и сжатие поверхности приводят к быстрому падению яркости по мере эволюции. Это согласовалось с наблюдениями. Теория господствовала в современных астрофизических исследованиях и помогла выяснить многие важные факты. Достаточно одного примера. Могут существовать звезды гиганты и карлики с одинаковой поверхностной температурой и с очень схожими спектрами; однако внимательное рассмотрение спектров обнаруживает предательские различия; в настоящее время довольно легко отличить по спектру диффузного гиганта от плотного карлика.
      Привлекательная черта этой теории заключалась в простоте объяснения восходящей и нисходящей температуры звезд. Переход от гиганта к карлику предполагался в той стадии, когда плотность достигает такой величины (приблизительно четверть плотности воды), что отклонения свойств материала от идеального газа
      становятся очень серьезными. Пятьдесят лет тому назад Л э н показал, что сфера из идеального газа должна нагреваться по мере сжатия, его метод определения внутренней температуры рассматривался на стр. 15; таким образом предсказывалось возрастание температуры в ряду гигантов. Но повышение температуры существенно зависит от легкости сжимания газа; когда сжимаемость при высоких плотностях почти исчезнет, то повышение температуры, надо думать, уступит мёсто падению температуры, и звезда начнет остывать, как твердое или жидкое тело. Так объясняли стадию карликов. Я пытался здесь напомнить идеи, высказывавшиеся 20 — 10 лет тому назад, но вы не должны думать, что с точки зрения современного знания я могу подписаться под всем сказанным. Я намеренно говорил неопределенно о температуре звезд, не указывая, какую температуру я имею в виду, — внутреннюю или поверхностную, так как в этом отношении в те времена существовали очень туманные представления.
      Я не упоминал о "белых карликах", которые теперь считают наиболее плотными и, вероятно, самыми старыми звездами. Предыдущий абзац в частности противоречит нашим прежним заключениям, ибо мы не можем теперь допустить, что звездный материал перестает быть идеальным газом при достижении плотности, в 4 раза меньшей плотности воды. Наш вывод о том, что материал плотных карликовых звезд находится все еще в состоянии идеального газа (стр. 49), наносит сокрушительный удар этой части теории гигантов и карликов.
      Трудно сказать, какую теорию эволюции надо считать принятой сейчас. Теория находится в плавильном тигле, и мы ждем каких-нибудь удовлетворительных результатов. Сомнению подвергнута вся схема, и мы готовы пересматривать почти каждое положение. Я предположу, однако, временно, что прежняя теория была права в том смысле, что последовательность эволюции ведет от наиболее диффузных к наиболее плотным звездам. Я не чувствую, впрочем, уверенности и в этом. Прежняя теория приводила в свое время сильные доказательства, которые теперь не применимы. Пока источником звездного тепла считали сжатие, конденсация и увеличение плотности были существенными для всего развития звезды; но после того как выяснилось значение субатомной энергии, сжатие перестает играть основную роль.
      Я предлагаю обратить внимание на "карликовые звезды" 1, потому что среди них и произошла революция. Они образуют вполне определенный ряд, начиная от высоких поверхностных температур до низких, от больших яркостей до малых, причем плотность непрерывно растет вдоль этого ряда. Я называю этот ряд главным рядом 2. Он охватывает огромное большинство звезд. Для определенности возьмем три типичных звезды в этом ряду — Алголь с вершины ряда, Солнце из середины и "Крюгер 60 с конца. Основные данные об этих звездах собраны в таблице на стр. 130.
     
      Соответственно идее эволюции данные таблицы представляют стадии жизни индивидуальной звезды . Отметим возрастающую плотность в третьем столбце. Согласно нашему предположению это указывает, что развитие идет по линии: Алголь- Солнце — "Крюгер 60".
      Смешение внутренней температуры с поверхностной повинно во многих ошибках старых теорий. Для поверхностного взгляда звезда остывает с 12 000 до 3 000°, спускаясь по ряду, но внутреннее тепло таких изменений не испытывает. Центральная температура остается поразительно постоянной (особенно доверять небольшому падению температуры, будто бы имеющемуся у "Крюгер 60, нельзя). Весьма замечательно, что у всех звезд главного ряда температура одна и та же в пределах точности нашего расчета и равна 40 миллионам градусов. Трудно не поддаться впечатлению, что с этой температурой связано какое-то необычное свойство, хотя наш физический инстинкт предупреждает об абсурдности такого предположения.
      Основным фактом является уменьшение массы, ясное из второго столбца. Если индивидуальная звезда разви-
      1 Едва ли можно предполагать, что все звезды, достигнув главного ряда, проходят в точности через одни и те же стадии. Например, если бы массу Алголя уменьшить до массы Солнца, то, возможно, получились бы несколько отличные от Солииа плотность и температура. Наблюдения показывают, однако, что эти индивидуальные различия малы. Главный ряд является приблизительно линейной последовательностью, кроме "длины" у него должна быть и "ширина. Но пока отклонения отдельных звезд от центральной линии могут быть объяснены вероятными ошибками наблюдений; истинная "ширина «еще не известна. (Ср. наше примеч. на стр. 129. Переводчик.)
      вается по линии главного ряда, она должна терять-массу. Общее можно сказать так. После того как мы нашли, что яркость главным образом зависит от массы, можно утверждать, что переход яркой звезды в слабую может осуществиться только при потере значительной части массы.
      Этот результат и заставляет серьезно относиться к гипотезе уничтожения материи. Прогресс теории эволюции звезд зависит от решения относительно этой гипотезы. Если гипотезу принять, она дает легкий ключ к пониманию таких изменений. Звезда может (пройдя через стадию гиганта) достигнуть стадии Алголя, а затем вследствие постепенного уничтожения в ней материи спуститься вниз по главному ряду. Когда останется только г/16 первоначальной массы, звезда станет слабой красной звездой, похожей на "Крюгер 60". Но если уничтожения материи не происходит, то звезда, достигнув стадии карлика, должна остановиться в своем развитии; она должна застыть на точке главного ряда, соответствующей постоянной массе.
      Постараемся ясно представить себе положение дела. Звезды теряют массу при излучении, в этом отношении нет никаких сомнений. Солнце ежегодно теряет 120 биллионов тонн, независимо от того, берется ли его радиация за счет уничтожения материи или из другого внутреннего источника. Возникает вопрос: долго ли могут длиться такие потери? Если отказаться от возможности уничтожения материи, то вся масса, способная уйти в виде излучения, исчезнет с Солнца в сравнительно короткое время. Солнце погаснет, наступит конец расходам, но одновременно и эволюции. Но если уничтожение материи происходит, то жизнь Солнца и расходование массы будет продолжаться значительно дольше, перед Солнцем в этом случае открывается длинный путь эволюции. Потеряв три четверти современной массы, оно станет слабой звездой, как "Крюгер 60.
      Наш выбор между различными возможными теориями внутриатомной энергии затрагивает идею звездной эволюции в одном пункте, но крайне важном. Если мы не решим в пользу уничтожения материи, мы сократим жизнь звезды настолько, что совсем не останется времени для заметной эволюции.
      Я чувствую неуверенность, которая должна быть у всякого исследователя, энергично возводящего теорию на гипотетическом процессе, без какого-либо прямого доказательства возможности такого процесса в природе. Но другой выход — оставить звезды в дремотном однообразии, без всякой надежды на развитие или изменение до самого конца.
      Что-то нужно для гальванизации этого трупа, для пробуждения в нем той активности прогресса или умирания, в которую мы так долго верили. В отчаянии мы прибегаем к единственной видимой возможности. Окаменевшая система просыпается. Частицы материи одна за другой отдают свою энергию и переходят в небытие. За счет этой жертвы поддерживается жизненная сила звезд:
      Atoms or systems into ruin hurld,
      And now a bubble burst, a now a world *.
      1 Перевод: "Атомы и системы повергаются в развалины. Здесь разлетается мыльный пузырь, а там — целый мир".
     
      Излучение массы
      Первым фактом, потребовавшим расширения шкалы времени звездной эволюции, было постоянство условий на 8 Cephei. Дополнением к этому послужили данные о длительности геологических процессов на Земле. Мы могли установить только верхний предел для скорости эволюции и нижний предел возраста звезд. Но этих пределов было достаточно для отказа от гипотезы сжатия и поисков источников в запасах субатомной энергии.
      Теперь мы производим новую атаку, основанную на убеждении, что скорость эволюции определяется скоростью уменьшения массы звезды. Здесь мы рассматриваем только эволюцию ярких звезд в слабые, остается еще объяснить ту часть эволюционного пути, которая соответствует стадии гигантов; наша прежняя аргументация здесь не совсем применима. Если отказаться от всякой идеи эволюции звезд из ярких в слабые, то различие звезд в отношении яркости значило бы, что они с самого начала были различными. Это может быть верно. Но мы не должны сдавать идею звездной эволюции, не попытавшись ее защитить.
      Наша новая линия атаки привела к отчетливому определению шкалы времени, а не только ее нижнего предела. Мы знаем скорость потери массы звездою при излучении в каждой стадии; отсюда можно найти время, которое потребовалось для потери данной массы и для перехода в состояние с меньшей массой. Эволюция от Алголя до Солнца требует 5 биллионов лет, на эволюцию от Солнца до "Крюгер 60 нужно 500 биллионов лет. Интересно отметить, что звезды в состояниях между Солнцем п "Крюгер 60 встречаются значительно чаще, чем звезды в состояниях между Алголем и Солнцем. Этот факт несколько подтверждает вычисленные длительности различных стадий. Количество слабых звезд не растет, однако, столь же быстро, как вычисленная длительность их состояний. Может быть, звездная вселенная существует не так давно, и более старые звезды представлены еще не полностью?
      Звезды с массами большими, чем у Ачголя, очень быстро растрачивают свои массы, так что мы не сильно преувеличим возраст Солнца, если предположим, что оно начало существовать с массою большей, чем у Алголя.
      Верхняя граница срока, прожитого Солнцем, как бы велика ни была его начальная масса, составляет 5,2 биллиона лет.
      Спрашивается, не может ли звезда ускорить свое развитие, сбрасывая материю иными способами, кроме радаации? Не могут ли атомы уходить с поверхности? Если так, то потеря масс, а следовательно, и эволюция пошли бы скорее, и, может быть, время, потребное для этого, уложилось бы в рамке умеренной теории превращения элементов. Но достоверно известно, что масса, улетающая в форме материальных атомов, ничтожна в сравнении с той массой, которая незаметно ускользает с радиацией. Вы, может быть, находитесь в нерешительности, считать ли 120 биллионов тонн массы, теряемые Солнцем ежегодно в виде радиации, большой величиной (в астрономическом смысле) или малой. С известной точки зрения, это очень большое количество. Оно в 100000 раз превосходит массу хромосферы кальция. Солнце должно бы сдувать свою хромосферу каждые пять минут н создавать совсем новую, чтобы сравняться в отношении потери массы с излучением. По солнечным наблюдениям ясно, что такого потока материн нет. Другое сравнение: чтобы достичь половины времени эволюции, указанного выше, Солнцу пришлось бы выбрасывать по биллиону атомов каждую секунду через каждый см2 его поверхности. Я думаю, мы можем заключить, что нет более короткого пути для уменьшения массы, и потеря практически нацело обусловлена радиацией.
      Мы говорили выше (стр. 32), что природа создает звезды почти с одинаковыми массами, но допускает отклонения от образца, доходящие иногда до одного лишнего, а иногда нехватающего нуля справа. Я думаю, что мы судили несправедливо, и природа более аккуратна в своей работе, чем мы предполаг али. Мы должны взвешивать свежие монеты, только что вышедшие из чеканки; неправильно было бы судить о всех монетах без разбора, включая и те, которые находились в обращении сотни биллионов лет и сделались тонкими. Если мы выберем только вновь образовавшиеся звезды, т. е. диффузные, то найдем, что 90 °/0 из них имеют массы, в 2 3/2 — 5 3/2 раз большие массы Солнца. Следовательно, вначале звезды очень близки к образцу, подобно человеческим существам. Для масс, лежащих в этих пределах, световое давление достигает от 17 до 35°/0 всего давления; я думаю, что это и соответствует критической стадии, когда световое давление становится важным. По нашему мнению, массы. звезд вначале очень однообразны (что не исключает возможности некоторой доли исключительных звезд с массами, не укладывающимися в указанные пределы); меньшие массы развиваются из этих звезд в течение времени вследствие излучения массы.
      В наше время Солнце спокойно пребывает в своем состоянии, излучаемая энергия в точности уравновешивается освобождением субатомной энергии в глубинах. Но в конце концов Солнце изменится. Движение или эволюция непрерывны, но для наглядности мы будем говорить о ней так, как если бы она происходила скачками. Можно представить себе две причины изменений: 1) запас субатомной энергии истощится и перестанет уравновешивать излучение; 2) Солнце постепенно станет звездой с меньшей массой. В прежних теориях обыкновенно принималась первая причина, и мы можем и теперь считать ее действенной в стадии гигантских звезд. Но ясно, что .причиною спуска по главному ряду должна быть потеря массы 3. Повидимому, различие между гигантскими и карликовыми звездами, объяснявшееся прежде различием свойств идеального и неидеаль-иого газа, заключается в том, что могучие, но быстро иссякающие источники субатомной энергии в гигантских звездах исчезают и уступают место более постоянному источнику энергии в карликовой стадии.
      Когда Солнце станет звездою с меньшей массою, оно должно будет изменить свои внутренние условия. Предположим, что оно пытается сохранить прежнюю плотность. Как объяснялось на стр. 15, мы можем вычислить внутреннюю температуру и находим, что с уменьшением массы при постоянной плотности должна понизиться температура. Это слегка уменьшит приток субатомной энергии, так как не может быть ни малейшего сомнения, что
      1 Иссякание источника энергии без изменения массы заставит звезду сжаться до большей плотности, получится такое сочетание плотности и массы, которое, как показывают наблюдения, на звездах не встречается.
      освобождение субатомной энергии происходит быстрее при высоких температурах. Уменьшенный приток энергии уже не в состоянии уравновешивать радиацию. Следовательно, звезда сожмется так же, как это предполагалось в старой гипотезе сжатия, где "кран" субатомной энергии предполагается совсем завернутым. Причина — потеря массы, первое следствие — возрастание плотности, которое также характерно для эволюции вдоль главного ряда.
      Проследим за следствиями немного дальше. Повышение плотности вызовет подъем температуры, и кран субатомной энергии снова откроется. Как только приток энергии станет достаточным для уравновешивания радиации звезды, сжатие прекратится, и звезда придет в равновесное состояние при меньшей массе и с большей плотностью.
      Вы видите, что для количественного объяснения, почему определенной массе в главном ряду соответствует определенная плотность, нужно звать законы освобождения субатомной энергии. Сжатие будет происходить до тех пор, пока внутренние условия звезды не придут к такому состоянию, при котором освобождение энергии будет в точности уравновешиваться излучением.
      Я боюсь, что все это звучит очень сложно, моя цель — показать, что приспособление звезды к изменившейся массе происходит автоматически. После изменения массы звезда должна сызнова решать задачу о внутренних условиях, необходимых для равновесия. Что касается механических условий (сопротивление весу верхних слоев), то звезда может выбрать любое из ряда состояний с различными плотностями, лишь бы внутренняя температура соответствовала этой плотности. Но такое равновесие
      будет только временным, и звезда ие установится до тех нор, пока кран субатомной энергии не будет открыт в должной мере, гак, чтобы уравновешивать радиацию, которая, как мы уже видели, практически определяется массой. Звезда "вертит кран", пока равновесие не будет обеспечено.
      Профессор Р э с с е л ь сделал одно важное замечание. Когда звезда устанавливает кран, она не может это делать слишком разумно, — за одной пробой автоматически последует другая, но крайне важно, чтобы следующая проба оказалась автоматически ближе к истинному положению, а не дальше. Условием того, что вторая проба будет вернее, является возрастание скорости освобождения субатомной энергии с температурой или плотностью Если бы приток энергии уменьшался или даже оставался неизменным, то пробы отходили бы все дальше и дальше от истинного положения, и, несмотря на то, что равновесное положение возможно, звезда никогда бы его не достигала. Поэтому важно в виде одного из законов освобождения субатомной энергии допустить, что скорость освобождения возрастает с температурой или плотностью, или обеими вместе. Иначе субатомная энергия не выполнила бы своего назначения — удерживать звезду в равновесии в течение очень долгого времени.
      Удивительно, что условие равновесия достигается, когда центральная температура близка к 40 миллионам градусов, независимо от того, находится ли звезда на вершине, в середине или конце главного ряда. Звезды наверху ряда освобождают на каждый грамм материала 700 эргов
      1 Такое возрастание предполагалось нами в подробном изложении автоматической установки звезды; дальше будет видно, что это предположение было существенным.
      энергии в секунду, Солнце дает 2 эрга в секунду, "Крюгер 60 дает 0,08 эрга в секунду. Кажется весьма странным, что звезды, нуждающиеся в столь различной скорости подачи энергии, все должны достигнуть одной и той же температуры, чтобы подача происходила. Как будто до этой предельной температуры не подается даже 0,08 эрга в секунду, но как только она достигнута, скорость притока может быть практически безграничной. Едва ли можно думать, что существует нечто похожее на точку кипения (независимо от давления), при которой материя переходит в энергию. Явление — крайне непонятное.
      Я могу добавить, что у звезд-гигантов температуры значительно ниже 40 миллионов градусов. Повидимому, они пользуются особыми источниками субатомной энергии, освобождающейся при низших температурах. Израсходовав эти источники, звезда переходит в главный рЛд и начинает применять главные запасы энергии. Повидимому, необходимо предположить далее, что главные запасы не безграничны, так что, наконец, звезда (или то, что от нее остается) сходит с главного ряда и переходит в стадию "белых карликов".
      Теперь мы в состоянии обратиться к вопросу, который вы, вероятно, хотели поставить и раньше. Почему пульсирует 6 Cephei? Возможный ответ заключается в томт что колебания были возбуждены случайно. По вычислениям, колебания, однажды возбужденные в звезде, могут продолжаться приблизительно 10 000 лет, прежде чем затухнут. Но 10000 лет — незначительный срок в жизни звезды, а если вспомнить большое число Цефеид, то объяснение станет неправдоподобным, хотя бы мы и могли указать случайную причину, возбудившую коле-
      бания. Более вероятно, что пульсации вызываются самой звездой. В звезде освобождаются огромные количества тепловой энергии, более чем достаточные для возбуждения и поддерживания колебаний. Есть два способа, которыми тепловая энергия предположительно может поддерживать механизм колебаний.
      Допустим сначала, что существуют очень малые колебания. В фазе сжатия температура и плотность выше, чем обычно, и кран субатомной энергии открывается больше. Звезда получает добавочное тепло, и оно способствует устранению сжатия. В фазе расширения кран несколько закрывается, приток тепла уменьшается, и понижается сопротивление сжатию. Таким образом последовательные расширения и сжатия становятся все более сильными, и ничтожные начальные колебания разрастаются в могущественные пульсации. Кран субатомной энергии в звезде действует так же, как клапан в паровой машине, пропускающий пар в цилиндр; возникновение пульсаций звезды похоже в этом смысле на пуск паровой машины. .
      Единственное возражение, которое я нахожу для этого объяснения, состоит в том, что оно слишком хорошо. Оно показывает, почему можно ожидать пульсаций звезды. Затруднение в том, что звезды в большинстве случаев не пульсируют, пульсирующие звезды — только редкие исключения. Теперь гак легко объяснить поведение Цефеид, что мы должны вернуться обратно и рассмотреть более сложную задачу о нормальном устойчивом состоянии звезд. Возникновение пульсаций или отсутствие, их зависит от мощности пульсационной машины, от того, в состоянии ли она преодолеть силы, стремящиеся затушить колебания. Мы не можем предсказать теоретически наличие или отсутствие таких машин. Нам остается разыскать такие законы освобождения субатомной энергии, чтобы в согласии с опытными данными большинство звезд оставалось в спокойном состоянии, но при некоторых соотношениях массы и плотности пульсационные силы должны преодолевать сопротивления.
      Пульсации Цефеид — род болезни, поражающей звезды в некоторый период младенческого возраста; пройдя через него безболезненно, они дальше существуют без пульсаций. Припадки этой болезни могут случаться и в более поздние периоды жизни; звезды подвергаются иногда катастрофическим взрывам, вызывающим появление "новых звезд*, или novae. Но об условиях на таких звездах известно очень мало, и еще не ясно, происходят ли взрывы произвольно, или вызываются извне.
      Если говорить только вообще, то теория субатомной энергии и особенно теория уничтожения материи кажутся весьма многообещающими. Сомнения и странности возникают только при переходе к техническим деталям. Затруднением является одновременное существование гигантов и карликов в одной и той же звездной куче, несмотря на крайнее различие возрастов этих звезд. Трудно найти такие законы освобождения субатомной энергии, которые сохраняли бы устойчивость звезд и предохраняли бы их от пульсаций. Затруднения возникают потому, что, как правило, в стадии гигантов, чем ниже температура и плотность, тем скорее освобождается энергия. Хотя мы и учитываем это обстоятельство, предполагая ограниченность источников энергии в этой стадии, однако не все факты укладываются в такую схему. Наконец, очень трудно примирить законы освобождения энергии, вытекающие из астрономических наблюдений, с какой угодно теоретической картиной процесса уничтожения материи при взаимодействиях атомов, электронов и радиации.
      Предмет крайне важен, но я не мог изложить его в деталях в этой лекции. Когда теория ясна, интерес сосредоточен на широких принципах; когда теория еще в пеленках, интерес главным образом обращен на технические детали, которые приходится тщательно исследовать, прежде чем сказать, в пользу чего они говорят. Я остановился главным образом на двух важных пунктах: на вопросе об источниках энергии звезд и на изменении массы, которое должно происходить, если только существует переход ярких звезд в слабые. Я показал, как эти два вопроса скрещиваются в гипотезе уничтожения материи. Я не считаю выводы окончательными. Я колеблюсь даже защищать вероятность этой гипотезы, так как есть много деталей, которые, по-моему, делают ее сомнительной. У меня создалось впечатление, что есть какой-то существенный пункт, который еще не удалось понять. Я сообщил вам эту гипотезу только как некоторое возможное направление, по которому мы пробуем итти, не згая, верное оно или ошибочное.
      Казалось бы, я должен был кончить лекции, оставив у вас впечатление большой ясности. Однако действительные условия развития науки таковы, что вам придется удовлетвориться небольшим просветом на темном фоне неизвестного. Я не пытаюсь защищать скудности такого заключения, потому что это — еще не заключение. Я думаю, не ошибаюсь, считая все сказанное только началом.
     
      Дополнение
      ДАЛЬНЕЙШИЕ ЗАМЕЧАНИЯ О СПУТНИКЕ СИРИУСА
     
      Я предпочел в тексте не усложнять истории Спутника Сириуса подробностями технического характера. Некоторые дальнейшие сведения будут, однако, нелишними для тех читателей, которым хотелось бы узнать возможно больше об этой замечательной звезде. Я могу изложить дальнейшие перипетии "детективной истории", о которых только что узнал: на этот раз "сыщиком" был Р, Г. Фоулер.
      Спутник — звезда 8 — 9-й величины и, следовательно, не исключительно слабая. Трудность ее наблюдения объясняется только необычайной яркостью ее соседа. При благоприятных условиях ее можно легко видеть в 8-дюймовый телескоп. Период обращения равен 49 годам.
      Спутник находится от Сириуса почти на таком же расстоянии, как Уран от Солнца, или в 20 раз дальше, чем Земля от Солнца. Высказывалось предположение, что свет Спутника может быть отраженным светом Сириуса. Этим можно бы объяснить его белизну, но невозможно непосредственно понять спектр Спутника, заметно отличающийся от спектра Сириуса. Яркость
      Спутника составляет 0,0001 яркости Сириуса; для отражения такой доли света Спутник должен бы иметь больше 120 миллионов км в диаметре, кажущийся диаметр диска при таком размере достигал бы 0,3"*, что едва ли могло бы пройти незамеченным даже при неблагоприятных условиях наблюдения. Но самое сильное возражение против этой гипотезы отраженного света в том, что она применима только к этой одной звезде. У двух других известных "белых карликов" нет по соседству блестящей звезды, так что они не могут сиять отраженным светом. Едва ли стоит изобретать особое сложное объяснение для одного из этих странных светил, непригодное для двух остальных.
      Эффект Эйнштейна, который считается подтверждением высокой плотности Спутника, состоит в удлинении волны, или уменьшении частоты световых колебаний вследствие наличия интенсивного поля тяготения, в котором происходят излучение и поглощение. Следовательно, темные линии спектра будут иметь более длинные волны, т. е. сместятся в красную сторону в сравнении с соответствующими земными линиями. Этот эффект является следствием учения о тяготении общей теории относительности, а также теории квантов. Для лиц, несколько знакомых с теорией квантов, вероятно, будет понятно следующее простое рассуждение. Звездный атом излучает такой же квант энергии hv, как и земной атом, но на звезде квант затрачивает некоторую энергию, чтобы преодолеть притяжение звезды. Эта энергия равна
     
      Эффект Эйнштейна сказывается так же, как эффект Допплера в случае источника света, уходящего от нас. Поэтому смещение в красную сторону можно различить от допплеровского эффекта только в том случае, если нам заранее известна скорость движения источника по линии зрения. В случае двойной звезды скорость известна по наблюдениям другой компоненты системы; таким образом смешение, которое нужно приписать допплеровскому эффекту, также известно. Различие скоростей Сириуса и Спутника вследствие орбитальной скорости достигает сейчас 4,3 — . Эта скорость была соответственно учтена. Наблюденная разница положений спектральных линий Сириуса и Спутника соответствует
     
      относится к эффекту Эйнштейна. Результаты основаны главным образом на измерении спектральной водородной линии //р. Другие удобные линии лежат в синей части спектра, где примешивается рассеянный свет Сириуса, так как атмосферное рассеяние в синей части
      спектра больше, чем в красной. Однако и здесь получено некоторое подтверждение эффекта.
      Другим "белым карликом" является двойная звезда о2 Eridani; ее спутник — "красный карлик", еще более слабый, чем она сама. Красное смещение в спектре здесь должно быть меньше, чем на Спутнике Сириуса, и его не столь легко будет отделить от других возможных смещений. Однако перспективы не безнадежны. Третьим признанным "белым карликом" является не названная еще звезда, открытая ван-Мааненом. Это — одиночная звезда, и, следовательно, на ней нельзя отличить смещение Эйнштейна or эффекта Допплера. Предположение о состоянии "белого карлика* высказывается относительно различных других звезд, в том числе о Спутниках Про-ниона, 85 Pegasi и Mira Ceti.
      Если материал Спутника Сириуса находится в состоянии идеального газа, то ею центральная температура должна достигать приблизительно миллиарда градусов, и центральная часть звезды будет в миллион раз плотнее воды. Однако едва ли на Спутнике сохраняется состояние идеального газа. При этом, конечно, плотность падает от центра к периферии, и наблюдаемые нами области находятся в совершенно нормальном состоянии. Плотный материал запрятан в недра под действием высокого давления.
      Наиболее удивительно крайнее различие свойств Сириуса и Спутника, которые оба должны были возникнуть в одно и то же время. Судя по массе Сириуса, возраст его менее биллиона лет; любая масса, сколь угодно большой величины вначале, в течение биллиона лет станет меньше Сириуса вследствие излучения массы. Но этот период незначителен для эволюции маленькой звезды, излучающей очень медленно. Трудно понять почему Спутник уже вышел из главного ряда и перешел в следующую (предположительно) стадию "белого карлика". В связи с этим находятся и другие затруднения в проблеме эволюции, и я убежден, что существует обстоятельство основной важности, которое остается еще не открытым.
      До недавнего времени мне казалось, что серьезное (или если угодно комическое) затруднение возникает в вопросе о дальнейшей судьбе "белых карликов". Их высокая плотность возможна только вследствие ионизации атомов, которая в свою очередь зависит от температуры. Кажется недопустимым, что материя может остаться в таком сжатом состоянии и при понижении температуры. Мы можем заглянуть вперед, в будущее, когда приток субатомной энергии иссякнет, и нечем будет поддерживать высокую температуру; тогда при охлаждении материал должен будет вернуться к нормальной плотности земных твердых тел. Звезда, следовательно, должна будет расшириться; для достижения плотности, в тысячу раз меньшей, радиус должен увеличиться в десять раз. Потребуется энергия на пребдолете силы тяготения при расширении. Откуда эта энергия возьмется? В обычной звезде нет достаточной тепловой энергии на столь значительное расширение против силы тяготения. Едва ли можно предполагать, что " белые карлики настолько дальновидны, что делают своевременно специальные запасы на этот случай. Звезда должна попасть в парадоксальное положение — она будет непрерывно терять тепло, но у нее не хватит энергии на охлаждение.
      Напрашивается одно предположение для избежания этой дилеммы, похожее на прием романиста, так запутавшего положение своего героя, что единственная развязка — уморить героя. Можно предположить, что субатомная энергия не перестает освобождаться до тех пор, пока не исчезнет вся масса, или по крайней мере до тех пор, пока звезда не выйдет из условий состояния "белого карлика". Но таким образом затруднения едва ли устранятся. Теория должна так или иначе автоматически гарантировать против невозможных положений, а не апеллировать к неизвестным прерывным свойствам материи.
      Но все затруднение, повидимому, устраняется новым исследованием Р. Г. Фоулера. Он сделал неожиданный вывод, что плотная материя Спутника имеет обширный запас энергии, позволяющий указанному выше расширению осуществиться. Интересно, что вывод основан на самой последней форме теории квантов — "новой статистике" Эйнштейна-Бозе и теории Шрёдингера. Нельзя не отметить интересного совпадения, что в то время как внимание астронома было привлечено свойствами материи с чудовищными плотностями, физики разрабатывали новую теорию материи, касающуюся в частности высокой плотности. Согласно этой теории материя обладает некоторыми волновыми свойствами, которые мало сказываются при земных плотностях; но они приобретают существенную важность при таких плотностях, как у Спутника Сириуса. Учитывая эти свойства, Фоулер и напал на запасы энергии, разрешающие затруднения. Классическая теория материи не содержит никаких намеков на это. "Белые карлики" оказались очень счастливым оселком для применения наиболее революционных результатов теоретической физики.
      Чтобы получить некоторое представление о новой теории плотной материи, мы снова вернемся к фотографии серии Бальмера на рис. 9. На фотографии запечатлен свет, излучаемый большим количеством атомов водорода во всевозможных состояниях до № 30 в отношениях, соответствующих солнечной хромосфере. Старая электромагнитная теория предсказывала, что электроны, движущиеся по кривым путям, будут излучать непрерывный спектр; с другой стороны, старая статистическая теория указывала относительное количество орбит различных размеров, на этом основании можно было рассчитать распределение энергии света по непрерывному спектру. Эти выводы — ошибочны и не соответствуют распределению света на фотографии; однако они становятся менее неправильными по мере приближения к границе серии. Последние линии серии почти сливаются и практически не отличимы от непрерывного спектра. Таким образом классический вывод о непрерывном спектре здесь становится приблизительно правильным, одновременно приближается к истине и классический расчет интенсивности. В этом заключается знаменитый принцип соответствия, высказанный Бором; этот принцип утверждает, что для состояний с высокими номерами новые квантовые законы начинают совпадать с классическими законами. Если мы вовсе не рассматриваем состояний с низкими номерами, то безразлично, вычисляем ли мы радиацию по старым или новым законам.
      В состояниях с высокими номерами электрод ббльшую часть времени находится вдали от ядра. Постоянная близость к ядру — признак состояния с небольшим номером. Можем ли мы ожидать, что в крайне плотной материи постоянная близость частиц вызовет явления, характерные для состояний с малыми номерами? Действительного скачка между строением атомов и звезд нет; узы, связывающие частицы в атоме, соединяют и более пространные группы частиц и в конце концов целую звезду. Если связи соответствуют высоким квантовым номерам, то с достаточным приближением взаимодействия сил можно представлять на классический манер, забывая о "состояниях". Для очень больших плотностей это уже недопустимо: мы должны пользоваться не понятиями "сила", "скорость" и "распределение независимых частиц", а понятием "состояние".
      Недопустимость классической концепции лучше всего видна, если сразу перейти к предельному случаю, когда звезда обращается в систему, или молекулу всостоянии № 1. Подобно возбужденному атому, успокаивающемуся рядом дискретных скачков, дающих серию Бальмера, такая звезда после -нескольких вспышек радиации достигнет предельного состояния, за которым уже нет какого-либо иного. Это не значит, что дальнейшее сжатие невозможно потому, что частицы пришли в соприкосновение, точно так же как нормальный атом водорода несжимаем не потому, что электрон уперся в протон. Сжатие прекращается, ибо звезда дошла до первого состояния в целом ряде возможных состояний материальной системы. Атом водорода в состоянии № 1 не может излучать, тем не менее его электрон движется с большой кинетической энергией. Точно так же звезда, достигнувшая состояния № 1, далее не излучает, тем не менее ее частицы движутся с огромной энергией. Какова ее температура? Если судить по излучательной способности, то она равна абсолютному нулю, так как излучения нет. Если же температуру мерить средней скоростью молекул, то она наивысшая, какая только существует у вещества. Конечная судьба "белых карликов" — стать одновременно самой горячей и самой холодной материей вселенной. Наше затруднение разрешается вдвойне. Так как звезда крайне горяча, у нее достаточно энергии для нужного ей охлаждения; но благодаря той же крайне высокой температуре она прекращает излучение и перестает нагреваться дальше.
      Мы описали то состояние, которое можно считать конечным для "белого карлика" а может быть, поэтому для всякой звезды. Спутник Сириуса еще не достиг такого состояния, но он уже на дороге к этому, поскольку к нему уже не применимы классические законы. Если какая-нибудь из звезд дойдет до состояния № 1, она становится невидимой; точно так же атомы в нормальном (самом низком) состоянии не светят. Внутриатомные связи, к которым не подходит классическое понятие силы, определяют и состояние звезд. Я не думал, когда начинал эту книгу о звездах и атомах, что она кончится намеком на звезду-атом.

 

НА ГЛАВНУЮТЕКСТЫ КНИГ БКАУДИОКНИГИ БКПОЛИТ-ИНФОСОВЕТСКИЕ УЧЕБНИКИЗА СТРАНИЦАМИ УЧЕБНИКАФОТО-ПИТЕРНАСТРОИ СЫТИНАРАДИОСПЕКТАКЛИКНИЖНАЯ ИЛЛЮСТРАЦИЯ

 

Яндекс.Метрика


Творческая студия БК-МТГК 2001-3001 гг. karlov@bk.ru