Леонард Сасскинд - Космический ландшафт. Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной

Согласно модели атома, придуманной Нильсом Бором, электроны в атоме располагаются на определённых дискретных орбитах. Ньютоновская механика разрешает электрону обращаться по любой орбите на любом расстоянии от ядра, но квантовая механика накладывает на движение электрона ограничения, подобные правилам движения транспортных средств по полосам. Двигаясь между полосами, транспортное средство нарушает правила дорожного движения; двигаясь между разрешёнными орбитами, электрон нарушает правила квантовой механики. Каждой орбите соответствует своя энергия, поэтому при переходе электрона с одной орбиты на другую его энергия изменяется. Когда электрон перескакивает с более высокой орбиты на более низкую, он излучает фотон, уносящий избыток энергии. И наоборот, чтобы перескочить с более низкой орбиты на более высокую, электрону требуется поглотить фотон.

Обычно электрон находится на самой нижней из разрешённых орбит, не занятой другими электронами (вспомните принцип запрета Паули, не позволяющий двум электронам находиться в одном и том же квантовом состоянии). Но в случае столкновения атома с другой частицей электрон может получить часть энергии этого столкновения и перейти на новую орбиту, расположенную дальше от ядра. Атом в таком состоянии называется возбуждённым . Спустя короткое время электрон испускает фотон и возвращается на свою прежнюю орбиту. Свет, излучаемый в таком процессе, имеет строго определённую длину волны, зависящую от типа атома. Таким образом, каждый химический элемент имеет собственную уникальную «подпись» – набор спектральных линий, обусловленный квантовыми переходами электронов в атомах этого элемента.

Если фотон, падающий на атом, имеет энергию, соответствующую энергии разрешённого перехода в атоме, то может произойти обратный процесс: фотон будет поглощён, а электрон, получив дополнительную энергию, перейдёт на более высокую разрешённую орбиту. При прохождении света звезды через водород, из которого состоит звёздная атмосфера, атомы водорода поглощают фотоны, имеющие длину волны, соответствующую разности энергий между разрешёнными орбитами электронов, оставляя в спектре изучения звезды тёмные линии. Если в атмосфере звезды присутствуют гелий, углерод и другие химические элементы, то каждый из них оставит свою собственную уникальную подпись в виде набора тёмных линий в спектре. Изучая спектры излучения звёзд, учёные определяют их химический состав. Но в отношении задачи, которую решал Хаббл, нас интересует не химический состав звёзд, а их скорости относительно наблюдателя. Ключ к определению скоростей звёзд спрятан в зависимости расположения спектральных линий в свете звезды от скорости, с которой звезда приближается или удаляется от земного наблюдателя. Это ключ называется эффектом Доплера .

Если вы слышали сирену полицейской машины, проносящейся мимо вас, значит, вы знакомы с эффектом Доплера. Звук высокого тона типа «иииии» в момент проезда машины мимо вас переходит в более низкий звук «ууууу». При приближении машины звуковые волны, исходящие от неё, следуют более часто, а при удалении, наоборот, становятся более редкими. Поскольку длина волны и частота тесно связаны, вы слышите изменяющийся звук «иииииууууу». Более того, обладая музыкальным слухом, вы можете оценить, с какой скоростью движется автомобиль, на основании разности частот звучания сирены во время его приближения и удаления.

Но эффект Доплера способен не только развлекать пешеходов. Для астрономов он является не чем иным, как ключом к структуре и истории Вселенной. Эффект Доплера имеет место для всех типов волн: звуковых волн, волн в кристаллах и даже для волн на поверхности воды. Попробуйте пошевелить пальцами в воде, свесив руку за борт медленно движущейся лодки. [49]Вы увидите, что волны, распространяющиеся вперёд по направлению движения, образуют более тесную группу, чем волны, распространяющиеся назад.

Волны от источника, движущегося вправо

К счастью для астрономов, свет, излучаемый движущимися объектами, тоже подвержен эффекту Доплера. Лимон, ракетой улетающий прочь от наблюдателя, изменит свой цвет в красную сторону и станет похожим на апельсин или даже помидор, если только он движется достаточно быстро. [50]Если же лимон полетит с такой же скоростью на вас, то сможет ввести вас в заблуждение, показавшись лаймом или гигантской черничиной. Это происходит потому, что свет от источника, удаляющегося от наблюдателя, испытывает красное смещение , а свет приближающегося к наблюдателю источника – фиолетовое смещение . Точно так же как изменяется цвет лимона, изменяется и цвет галактик. Таким образом, измеряя величину смещения линий в спектре галактики, можно определить, с какой скоростью она движется относительно Земли.