Антон Первушин - Космос. Прошлое, настоящее, будущее

Подлинный передний край науки о космосе сегодня – это, конечно, астрофизика.

Астрофизикой обычно называют раздел астрономии, изучающий космические объекты и явления физическими методами. Но можно сказать и по-другому: астрофизика – это физика за пределами земной лаборатории. По сравнению с лабораторной, экспериментальной физикой особенность астрофизики заключается в том, что с космическими объектами (кроме объектов Солнечной системы) невозможно экспериментировать. Их можно только наблюдать издалека, изучая приходящее от них электромагнитное излучение (свет, радиоволны и т. д.), и лишь в редчайших случаях ловить частицы их вещества (например космические лучи) и регистрировать возбужденные ими гравитационные волны.

Считается, что астрофизика родилась благодаря изобретению спектрального анализа и фотографии в середине XIX века. Но не будем забывать, что рождение современной физики, занявшее весь XVII век – от эпохи Галилея до эпохи Ньютона, – неразрывно связано с астрономическими наблюдениями. Основа физики – механика – рождалась как небесная механика, поскольку движение планет демонстрирует нам законы Ньютона «в чистом виде», не обремененном такими второстепенными эффектами, как трение, столкновения и проч. И лишь позже, получив развитие на основе лабораторных экспериментов, физика отдала свой долг астрономии, привнеся в нее искусство оптики и методы анализа света. Впрочем, рождению астрофизики в равной мере способствовала и химия, с которой связано изобретение фотографии, и техника, позволившая создать тонкие оптические приборы.

С середины XIX до середины XX века астрофизика развивалась как искусство анализа света. Тогда же сложился и образ астрофизика как астронома, вооруженного спектрографом. Вместе с телескопом спектрограф до сих пор остается главным инструментом астрофизиков, хотя к нему добавились и другие приборы для анализа света – поляриметры, болометры, магнитографы и т. п.

Считается, что область исследований становится наукой, когда рождается возможность неоднократно воспроизводить результаты опытов. Если один ученый заявляет, что он открыл, например, новое свойство вещества, то это открытие будет признано и станет частью науки лишь тогда, когда его много раз воспроизведут и в тех же условиях проверят другие ученые. Такую возможность дает лаборатория, где мы можем в контролируемых условиях раз за разом ставить опыты, убеждаясь, что всегда при одинаковых условиях получаем один и тот же результат. Но в космосе опыты ставит сама природа, неожиданно для нас и каждый раз по-разному, а мы лишь издалека наблюдаем за их результатом, пытаясь понять, как именно природе удалось этого добиться.

Все это затрудняет астрофизические исследования и удлиняет путь от наблюдаемого феномена к разгадке его механизмов на годы и даже на столетия. Тогда почему же физики так дорожат астрофизическими исследованиями?

Дело в том, что возможности наших земных лабораторий ограничены, а ученые стремятся исследовать вещество и поля в максимально широком диапазоне физических условий. Ведь свойства вещества очень сильно зависят от его плотности, температуры и давления, от присутствия электрического и магнитного полей. Сравните, например, воду в состоянии пара, жидкости и льда – между ними мало общего, а ведь это одно и то же вещество. Немного изменили температуру и давление, и вот уже перед нами вещество с совершенно иными свойствами. Конечно, физики стараются расширить возможности своих лабораторий, но на Земле всему есть предел. А природа на просторах космоса легко выходит за эти пределы. Вот некоторые примеры.

Многие свойства атомов можно изучать только при крайне низких плотностях, когда каждый атом «сам по себе» и не взаимодействует с соседями. В лаборатории предельно низкие плотности называют сверхвысоким вакуумом; сегодня это 10 9частиц в кубическом сантиметре. Действительно, это очень разреженная среда – в десятки миллиардов раз разреженнее комнатного воздуха. Но меньше никак не получается. А насколько низкие плотности достижимы в «космической лаборатории»?

Во время солнечного затмения мы видим сияющую корону Солнца; ее плотность 10 8–10 9см −3. На Земле это сверхвысокий вакуум, а в космосе – весьма ощутимая среда. Удаляясь от Солнца, мы видим, как солнечная корона, превращаясь в поток солнечного ветра, становится все менее и менее плотной. У орбиты Земли ее плотность снижается до 10 см −3. Примерно такую же плотность имеют облака межзвездного газа, а между этими облаками межзвездное пространство еще разреженнее – всего лишь 1 см −3, а то и меньше. Это в миллиард раз меньше плотности самого высокого лабораторного вакуума. Атомы в таких условиях могут долго оставаться в одиночестве, не взаимодействуя с другими атомами. При этом проявляются их свойства, недоступные изучению в лаборатории, например, возбужденные состояния с большим временем жизни. Переходы из таких состояний в состояния с меньшей энергией «запрещены», т. е. происходят крайне редко, поэтому соответствующие линии в спектре излучения тоже называют запрещенными. В лаборатории такой возбужденный атом обязательно столкнется с соседом и передаст ему энергию без излучения. А в разреженном космосе атом долго может летать без столкновения, пока не излучит запрещенную линию. Поэтому именно в спектрах межзвездных облаков были обнаружены и изучены запрещенные переходы в атомах, что заметно продвинуло атомную физику и даже привело к некоторым забавным открытиям.