Долгое время астрофизики пытались разгадать, каков источник столь мощного излучения Солнцем световой энергии. В прошлом веке образование солнечной энергии пытались объяснить сильным сжатием Солнца, т. е. превращением механической энергии. Однако подсчеты показали, что величина энергии, которую возможно получить за счет сжатия, была бы ничтожно мала по сравнению с действительной. Точно так же было выяснено, что огромную величину излучаемой солнечной энергии нельзя объяснить никакими химическими реакциями окисления.
Только тогда, когда ученые постигли структуру атомов и их различные превращения, они поняли, что солнечная энергия образуется в результате ядерных реакций. В настоящее время полагают, что световая энергия Солнца получается в результате ядерной реакции, при которой 4 атома водорода превращаются в атом гелия и два позитрона; при этом выделяется около 27 миллионов электрон-вольт энергии в расчете на один грамм превращенного водорода. Количественный спектральный анализ показал, что на 80% Солнце состоит из водорода и на 18% из гелия. Расчеты показывают, что Солнцу с его огромным запасом водорода и при его теперешней интенсивности излучения хватило бы энергии, освобождаемой при превращении водорода в гелий, на сотни миллиардов лет.
Интерес физиков все более приковывается к процессам, происходящим во Вселенной. Ведь звезды представляют собой гигантские ядерные котлы, в которых природа создала исключительные условия высоких температур и давлений, недостижимые в земных условиях. Мы знаем об этих исключительных условиях опять-таки из анализа звездных спектров. В недрах звезд протекают реакции, о которых мы, быть может, еще не имеем представления и которые служат источником колоссальных энергий, излучаемых в мировое пространство. Какие колоссальные запасы энергий хранятся в звездах и испускаются в виде энергии света, трудно себе и представить. Энергия некоторых звезд превышает солнечную в десятки и сотни тысяч раз. Длительность излучения у каждой звезды исчисляется многими миллиардами лет. Только в одной нашей Галактике содержится более ста миллиардов звезд.
Замечательно, что вся эта информация прочитана путем расшифровки языка света, падающего на Землю.
Мощные источники энергии в ядрах радиогалактик
Не все явления, наблюдаемые астрофизиками, можно объяснить посредством ядерной реакции превращения водорода в гелий. Уже около полусотни лет ученые изучают космические лучи, приходящие к нам на Землю из далеких глубин Вселенной. Эти «лучи» представляют собой поток быстродвижущихся положительно заряженных частиц — протонов, а также в небольшом количестве альфа-частиц и других ядер. Энергия этих частиц огромна, она измеряется миллиардами электрон-вольт, а в отдельных случаях доходит до сотен миллионов миллиардов электрон-вольт.
Где и в каких условиях космические частицы получают такую колоссальную энергию? Ни в нашей Солнечной системе, ни в нашей Галактике таких условий не обнаруживается.
Быть может, ответ на этот вопрос даст анализ радиоизлучений, наблюдаемых с помощью радиотелескопов.
Как известно, все галактики испускают кроме видимого излучения еще и радиоизлучения. У большинства галактик мощность этих радиоизлучений невелика по сравнению с мощностью их видимого светового излучения. Но все же находятся и такие галактики, у которых мощность радиоизлучения сравнима с мощностью их видимого светового излучения. Естественно, что эти «радиогалактики» привлекли к себе внимание. Чем они отличаются от других, что за процессы там происходят?
Советские астрофизики установили, что источником мощных радиоизлучений радиогалактик является поток электронов весьма высоких энергий, движущихся в сильных магнитных полях. Этот поток электронов высоких энергий выбрасывается из ядра радиогалактик. Именно в ядрах галактик происходят какие-то, еще нам неизвестные, процессы, в результате которых возникают потоки частиц высоких энергий и испускаются мощные радиоизлучения.
Так исследование Вселенной с помощью света дает физикам возможность лучше понять природу и условия тех превращений, которые испытывают элементарные частицы и атомные ядра в галактиках и звездных системах. Оно открывает пути к новым практически неисчерпаемым источникам энергии.
Незаменимым орудием этого исследования является свет в широком смысле этого слова, т. е. электромагнитное излучение.
Заключение. Что дала человеку наука о свете
О чем рассказывает свет
В этой книге был дан лишь самый общий очерк того, каким путем шли ученые в познании свойств света и к каким огромным результатам привело это познание.
Что же дало человеку познание законов света, законов возникновения, распространения и преобразования электромагнитных излучений?
Прежде всего выяснилось, что свет является надежным паспортом вещества — атомов и молекул, кристаллов и даже белков. Установление этого факта помогло человеку открыть еще не открытые элементы, осуществлять точнейший спектральный анализ вещества, контролировать составы сплавов и смесей.
Но спектральные закономерности излучаемого света — не простая этикетка вещества. Спектр излучений однозначно связан с его структурой. Переходя из одного энергетического состояния в другое, вещество излучает свет. Изучение спектров излучений помогало не только распознавать или устанавливать присутствие даже крайне малых долей того или иного вещества, но и раскрывать внутренние взаимосвязи в различных физических системах, познавать структуру атомов, молекул, кристаллов.
Свет обладает свойством переносить информацию и энергию. Для своего распространения он не требует какой-либо вещественной среды. Практически он переносит информацию и энергию через все земные расстояния и через бесконечно далекие космические пространства.
На основе изучения и практического использования законов возникновения и распространения электромагнитных излучений, а также законов их преобразования, получили развитие целые отрасли науки и техники: светотехника, рентгенотехника, электронная микроскопия, радиовещание, радиолокация и радионавигация, телевидение, телеуправление.
В силу своих свойств, свет служит орудием исследования структуры звезд и галактик, физических процессов, в них протекающих. Они предоставляют человеку возможность изучать условия жизни в космосе, овладевать им.
Свет помог раскрыть огромные кладовые энергии в атомах, звездах и галактиках. Научная мысль настойчиво работает над проблемой управления атомной энергией, а также над превращением в больших масштабах солнечной энергии непосредственно в электрическую. Быть может, еще более перспективным окажется открытие факта превращения в световые фотоны пары сопряженных частиц вещества — частицы и античастицы. Оно возбуждает надежды на то, что когда-нибудь человек будет в состоянии превращать по своему плану любое вещество в излучение, которое легко передавать на любые расстояния и энергию которого нетрудно использовать.
Уже и современный уровень культуры был бы невозможен без тех результатов, которые достигнуты благодаря науке о свете. А развитие производительных сил коммунистического общества, которое должно далеко позади себя оставить современный уровень, будет еще шире использовать свойства света — этой гибкой, подвижной формы материи.
Познание человека беспредельно
Наш рассказ подходит к концу. Мы узнали теперь, какое мощное теоретическое и практическое оружие получил человек, изучив законы возникновения и распространения света, и как сложен путь познания законов света.
На этом пути встречалось немало и скептиков. Еще в 1909 году немецкий физик Ритц писал: «Спектральные измерения с крайней точностью дают нам в руки многочисленные драгоценные документы, но, к несчастью, они написаны иероглифами (символами), которые мы не умеем расшифровывать». Прогресс пауки очень скоро опроверг этот скептицизм: световые «иероглифы» были расшифрованы в ближайшее же десятилетие. Были и ныне еще есть такие «ученые», которые пытаются доказать, будто познание человека ограничено.
— Мы не можем затащить кусочек звезды в наши лаборатории, профильтровать, выпарить, взвесить его, всунуть в него термометр, а значит, мы никогда не узнаем ни о химическом составе звезд, ни о том, какова их температура, плотность, — так рассуждал, например, один из родоначальников современных идеалистов в естествознании позитивист Огюст Конт. Очень скоро после этих рассуждений были открыты спектральные методы и возникла новая наука — астрофизика.
Атомы мы тоже не воспринимаем непосредственно чувствами, не можем их увидеть глазами или ощупать руками. На этом основании физик и философ Мах и химик Оствальд заявляли о том, что бессмысленно утверждать, будто атомы существуют. А ныне физика знает основные характеристики атомов, их массу, составные части, спектр излучений, важнейшие черты структуры и т. д.
Вся история познания природы опровергает антинаучные «доводы» скептиков.
Познание законов природы есть сложный процесс. Человек — сам часть природы — взаимодействует с ней в процессе практической деятельности. Органы чувств доставляют ему необходимые сведения. Но кроме органов чувств человек, в отличие от животных, имеет также и разум. С помощью разума человек исследует то, о чем ему рассказали органы чувств. Он создает догадки (гипотезы) о том, какие законы лежат в основе наблюдаемых явлений, а затем проверяет свои догадки на практике.
Так, из того, что знакомые линии в звездном спектре сдвинулись в сторону длинных волн, Белопольский высказал догадку, что звезда удаляется от Земли. Он проверил свою догадку, поставил опыт в лаборатории и доказал, что подобные сдвиги линий действительно происходят при удалении источника света. Звезды стали доступными для исследования благодаря тому, что они испускают свет, а мы изучили его свойства.
Изучая свойства света, мы познали строение атомов, применили это познание в технике и тем самым доказали существование атомов. Некоторые физики-идеалисты, вроде Иордана, утверждают, что атомы есть только «наша мыслительная конструкция»; в наше время, когда люди научились извлекать из атомных яцер огромные запасы энергии, становится особенно ясным, как далека философия этих людей от поступательного процесса познания и вытекающей из него практики.