О чем рассказывает свет

В атмосфере Солнца уже найдено свыше 60 элементов. Большую долю (по объему) составляет водород — свыше 80 процентов, затем гелий — свыше 18 процентов. На остальные элементы приходятся очень малые доли. Возможно, что на Солнце есть все элементы менделеевской таблицы, но наши инструменты еще слабы и не отмечают их спектров.

Так же тщательно астрономы определяют химический состав и других звезд.

И сколько ни изучают астрономы небо с помощью спектрографов, они нигде больше не находят ни одного нового элемента, неизвестного на Земле. Весь звездный мир, куда только ни проникал человек своим умственным взором, состоит из тех же элементов, какие мы встречаем на Земле.

По-видимому, во всем обозримом нами мире нет условий для образования других элементов.

Куда движутся звезды

Чем больше ученые изучали свойства света, тем больше свет рассказывал им о тайнах природы. Много труда на изучение свойств света положил астроном А. А. Белопольский.

Почти до конца прошлого века астрономы не могли решить вопрос: как узнать, куда движется та или иная звезда, приближается к нам или удаляется от нас и с какой скоростью? Астрономы давно научились вычислять, с какой скоростью звезды движутся по направлениям, поперечным к лучу нашего зрения. Но это не давало полной картины их движения: скорость движения по лучу зрения была неизвестна, и астрономы не знали, как ее измерить (рис. 21). Это была, так сказать, «незримая» для нас скорость. А без этой составляющей нельзя было узнать действительное направление движения и скорость звезды.

Белопольский задумался: не расскажут ли нам о движении звезд по лучу зрения звездные спектры? Эта идея была не случайной. Она была основана на сравнении световых явлений со звуковыми.

Представьте себе, что вы стоите у железнодорожного полотна и мимо вас со свистом проносится поезд. Пока поезд приближается, свист так резок, что вам хочется заткнуть уши. Но вот поезд поравнялся с вами и удаляется. Резкий свист сразу сменяется более низким, спокойным гудком. Почему тон свистка выше, когда поезд приближается, и почему он ниже при удалении поезда? Физики давно изучили это явление. Если источник звука, например, свисток, находится в покое, вокруг него равномерно распространяются звуковые волны, т. е. чередующиеся друг с другом сгущения и разрежения воздуха. Где бы ни стоял человек, к его уху волны будут приходить с одинаковой частотой. Но если свистящий паровоз движется, то картина меняется. Впереди него волны сгущаются, как бы набегая друг на друга (рис. 22). Сгущения и разрежения воздуха становятся чаще. Значит, частота воздушных волн изменяется, увеличивается, а длина волны укорачивается.

Рис. 21. Перемещение звезды вдоль луча зрения глазом не отмечается

Рис. 22. Звуковые волны сгущаются впереди движущегося источника и разрежаются позади него

Это и воспринимается ухом как повышение тона свистка: чем больше частота звуковой волны, тем выше звук. Позади уходящего поезда картина обратная: волны отстают друг от друга, и расстояние между отдельными сгущениями и разрежениями увеличивается. Значит, увеличивается длина волны, уменьшается частота. Это воспринимается ухом как понижение тона.

Стало быть, высота тона или длина волны зависят от того, находится ли источник звука в покое или же он движется в какую-нибудь стороьу.

Эту зависимость установил пражский математик Допплер в 1842 году. Положение, формулирующее эту зависимость, называется принципом Допплера.

Допплер полагал, что этот принцип приложим и к свету, хотя проверить это в то время еще не могли. Ход его мысли был таков: раз свет, как и звук, распространяется волнами, то длина световых волн, приходящих на Землю от движущейся звезды, должна меняться. Можно вычислить, что если звезда удаляется от нас со скоростью, равной одной десятитысячной доле скорости света (т. е. 30 километрам в секунду), то все световые волны, испускаемые ею, должны удлиняться на одну десятитысячную долю первоначальной величины. Возьмем пример. Предположим, что в составе звезды находится литий. Мы уже знаем, что литий испускает излучения с длинами волн 6708Å (красная линия в спектре) и 6108Å (оранжевая линия). Если эта звезда удаляется от Земли, то длины волн света, посылаемого литием, будут увеличиваться: вместо длины волн 6708Å мы измерим длину волн 6708,67Å, а вместо волны 6108Å придет волна 6108,61Å. Ясно, что при другой скорости удаления звезды длины волн получили бы другое увеличение. Если звезда приближается, то длины волн должны, наоборот, укорачиваться.

При удалении звезды все линии звездного спектра сдвинутся в сторону длинных волн, при приближении — в сторону коротких. Или иначе: звезда, движущаяся на нас, немного «голубеет», а удаляющаяся от нас — «краснеет».