Страница:
Профессор. Гипотезе Ритца не повезло: от нее отказались, воспользовавшись нечеткими представлениями о различиях в свойствах упомянутых выше двух видов двойных звезд. По гипотезе Ритца, две звезды, вращаясь относительно друг друга, излучают потоки света с разными скоростями. Все зависит от мгновенного положения звезды на орбите. Максимальной скорость фотонов будет в том случае, когда звезда движется в сторону наблюдателя, находящегося на Земле (скорость света складывается со скоростью орбитального движения звезды), и минимальная, когда звезда движется от наблюдателя. Разница в этих скоростях должна привести к очень интересному явлению. На некотором расстоянии фотоны, летящие от одной звезды с большей скоростью, обгонят фотоны, излученные другой звездой на период раньше, но летящие с меньшей скоростью. Создаются условия, когда наблюдатель будет видеть двойные звезды одновременно в разных местах. То есть рядом с основным изображением пары звезд появится другое -"привидения". Причем "звездные привидения" будут исчезать и появляться вновь в соответствии с периодом вращения звезд относительно друг друга.
Автор. Что же показали астрономические наблюдения? Обнаружены ли такие "привидения"?
Профессор. Противники гипотезы Ритца привели данные о наблюдении двойных звезд (видимых раздельно и с большим периодом орбитального движения), у которых таких явлений, как "привидения", не наблюдается. Отсюда и был сделан вывод, что гипотеза Ритца не верна, а гипотеза о постоянстве скорости света в относительном движении -- якобы справедлива.
Автор. Но ведь есть вторая группа двойных звезд с короткими периодами обращения, которые мигают. Учтен ли данный факт при решении столь важного вопроса?
Профессор. Конечно, нет! Дело в том, что двойные звезды с длительным периодом обращения и не должны были создавать "привидения" в пределах не только нашей Галактики, но и на расстояниях до многих миллионов световых лет от Земли, что и подтверждают астрономические наблюдения. А двойные звезды с короткими периодами обращения, которые мигают в звездном небе, как раз и создают эти "привидения". Но анализ этих "привидений" и увязка их с баллистической теорией распространения света не были сделаны.
Автор. Похоже, в столь принципиальном споре между сторонниками двух гипотез одна из сторон использовала не совсем корректные доказательства своей правоты. Но как же в таком случае использовать накопленные знания в области астрономии и экспериментальные данные наземных опытов со светом, чтобы объективно разобраться в этом непростом вопросе?
Профессор. Современных научных фактов вполне достаточно, чтобы подойти к решению данной проблемы весьма убедительно и в наглядной форме. Однако логические доказательства, приводимые ниже, требуют философского обобщения и соответствующих принципиальных оценок.
Автор. Двойные звезды оказались тем камнем преткновения, о который якобы разбились все корпускулярные теории света (Ньютон, Ритц), предполагавшие изменение скорости света в относительном движении тел. Исследователи (Ритц, Де Ситтер, Эйнштейн и др.), анализируя характер прохождения света от двойных звезд, с учетом переменной скорости света, обнаружили, по их мнению, несоответствие расчетных траекторий с кеплеровскими. Несмотря на многие загадочные явления, наблюдаемые у двойных звезд (периодическое изменение яркости, температуры и т. п.), эти исследователи не заметили связи загадочных явлений с вышеназванными особенностями прохождения света. Не здесь ли кроется разгадка?
Профессор. Двойные звезды обращаются около их общего центра масс под действием взаимного тяготения. Периоды обращения двойных звезд, различимых в телескопы как две светящиеся звезды, составляют тысячи лет. Самый короткий из них около года. Имеются двойные звезды, расположенные так близко друг от друга, что при наблюдении в телескопы они сливаются в одну светящуюся точку. Периоды таких спектрально-двойных звезд более короткие -- от 2 часов до 15 лет. Скорости движения двойных звезд по их орбитам достигают десятков км/сек. Рассмотрим прохождение света от двойных звезд, движущихся по круговой орбите (рис. 74-а) вокруг центра. Расстояние от центра орбиты до наблюдателя равно L. Полагаем, что радиус орбиты намного меньше этого расстояния, благодаря чему лучи света можно принять параллельными (все эти допущения ни в коей мере не снижают общности задачи, но упрощают ее решение). Плоскость орбиты совпадает с лучом зрения.
Составляющие скорости света от звезд S1 и S2 в сторону приемника 1 соответственно C1 и С2 определяются суммой скоростей света относительно излучателей и составляющими скоростей движения звезд по орбитам. Зная расстояния звезд S1 и S2 относительно приемника и скорости распространения света C1 и C2, можно определить время прихода лучей t1 и t2. Наблюдатель, находящийся на расстоянии L от пары звезд, будет видеть движение звезд не по круговой орбите, а по орбите эллиптической формы. На рис. 74-б показана эволюция видимой формы орбиты по мере удаления наблюдателя на расстояния L1, L2, ... Ln от звезд. Видимые орбиты постепенно вытягиваются, а эксцентриситет их увеличивается. Если принять за единицу времени период обращения Т звезд по орбите и изобразить формы наблюдаемых орбит через единичные интервалы времени, то смещение к 11 относительно 1 будет равно VT, точек 21 относительно 2 -- равно 2 VT, а точек n1 относительно n -- nVT. Из рисунка видно, что при удалении более некоторого критического расстояния Lкр. орбиты начинают накладываться друг на друга (заштрихованные области на рисунке). Это означает, что наблюдатель будет видеть двойные звезды одновременно в различных местах, причем "звездные привидения" будут появляться и исчезать в согласии с их периодическим движением.
Автор. Возможно ли такое удивительное явление в природе? Ведь, по мнению Эйнштейна и его последователей, никаких следов таких явлений не было обнаружено, что дало им основание исключить из рассмотрения альтернативные объяснения загадочного феномена.
Профессор. Однако именно в этом и состоит их ошибка. В звездном мире имеются многочисленные примеры двойных звезд, у которых наблюдаются как раз такие удивительные физические явления. Особенно это относится к двойным закритическим звездам, расстояние которых до наблюдателя превосходит критические (LКР.), и видимые орбиты накладываются друг на друга (если расстояние менее LКР., ТО Такие звезды называются докритическими. Период закритических спектрально-двойных звезд невелик -- от 2 часов до 15 лет, а вследствие большого расстояния до Земли они сливаются в одну светящуюся точку, которая периодически меняет свой блеск и спектральный состав. В качестве примера таких "дьявольских" звезд уместно привести и уже упомянутый Алголь -- звезду b Персея с периодом 68 часов 49 минут (из них 59 часов блеск звезды сохраняется на одном уровне, затем он в течение 5 часов уменьшается на 2/3), и звезду b Лиры, которая периодически изменяет свой блеск от 3,4 до 4,4 звездной величины за период около 13 суток.
Автор. Существует еще один удивительный тип переменных звезд. Это -- цефеиды, или пульсирующие звезды-гиганты.
Профессор. На таких звездах бывают неоднородные по яркости, температуре и химическому составу участки поверхности, напоминающие пятна на Солнце. При вращении такой звезды движение участков поверхности будет происходить по различным орбитам, причем половину периода они будут находиться на невидимой стороне. Поскольку период обращения цефеид невелик (от 1,5 часа до 45 суток), а периферическая скорость значительная (до 100 км/сек), то создаются благоприятные условия для возникновения явлений, аналогичных двойным закритическим звездам с учетом обязательных затмений.
Суммирование световых потоков от неоднородных участков, происходящее за счет перекрытия кажущихся орбит, значительно усиливает эффект пульсации блеска и температуры звезды. Если звезда прецессирует, то интенсивность пульсаций блеска и температуры может происходить с некоторым изменением периодичности. Одновременно может изменяться и спектр звезды. Примером подобных звездных объектов могут как раз и служить физически переменные звезды.
Автор. Можно ли обнаружить с помощью телескопа или каких-либо приборов искажения орбит звезд, возникающие вследствие переменной скорости света?
Профессор. Так как расстояния до далеких звезд определяются со значительными ошибками (до 20% от расстояния), а искажение орбиты происходит только в направлении луча зрения, то заметить искажение весьма сложно. Зато при наблюдении планет Солнечной системы искажения орбит становятся заметными. Более того, неучет таких искажений может привести к серьезным негативным последствиям. Так, ошибки, допущенные при радиолокационном измерении расстояний до Луны, Венеры, Марса, привели к неудачным запускам космических автоматических аппаратов, в разное время направляемых к этим планетам.
Автор. Думается, читателям небезынтересно более подробно познакомиться с этими поучительными фактами.
Профессор. Напомню, что измерение расстояния и скорости относительного движения между Землей и Венерой осуществлялось путем посылки мощных радиолокационных сигналов в сторону Венеры наземными станциями, при этом определялось время прихода на Землю отраженных сигналов от венерианской поверхности. Учитывая характер орбитального движения этих планет, локацию начинали в период, когда расстояние до Венеры достигало около r1=80 млн. км (положение планет 1--1 на рис. 75), затем оно сокращалось до r2=40 млн. км (положение 2--2 противостояния планет) и потом опять увеличивалось до r3. Длительность всего процесса измерений достигала трех месяцев.
На первом участке движения от 1--1 до 2--2 Земля и Венера сближаются, а на втором участке, от 2--2 до 3--3, удаляются друг от друга. Следовательно, результирующая скорость С1 прохождения радиосигналов от Земли до Венеры и обратно на первом участке больше, чем С, а на втором -- меньше, и это должно отразиться на продолжительности интервала времени от момента посылки сигналов до их приема. Поскольку эти особенности распространения радиосигналов не учитывались и скорость их распространения принималась постоянной и равной скорости света, расчетные данные не совпали с фактическими: на первом участке расчетные расстояния ri* оказались короче (ri*ri..
Чтобы подогнать расчетно-экспериментальные данные к истинным, исследователи приняли "оригинальное" решение -условно переместить Венеру вперед по орбите примерно на 700 км (положения Венеры 11, 21, 31 на рисунке). Только в этом случае оказалось возможным "свести концы с концами" и якобы подтвердить справедливость специальной теории относительности. Однако если отбросить какие-либо подгонки и учесть действительные скорости распространения радиосигналов между планетами, то проведенный эксперимент является убедительным подтверждением справедливости классического закона сложения скоростей для световых излучений и радиоизлучений. Нельзя пренебрегать законами распространения сигналов в относительном движении, поскольку это может оказаться особенно опасным, например, при навигации в условиях космического полета.
Автор. У нас радиолокационные измерения расстояний до Венеры проводились в 1962--1975 годах. Нет ли других данных, свидетельствующих о трудностях, к которым приводят релятивистские расчеты, и ошибках навигации в современной космонавтике?
Прфессор. События, связанные с полетами космических летательных аппаратов "Фобос-I" и "Фобос-II" к Марсу, и их загадочное исчезновение, навигационные просчеты при запусках других летательных аппаратов имеют прямое отношение к проблеме распространения электромагнитных сигналов. Наиболее показательны в данном плане неудачи с "Фобосами". Напомню, что эти аппараты, оснащенные новейшей исследовательской и навигационной аппаратурой, после длительного полета достигли окрестностей Марса. Предполагалось, что "Фобос-I" будет проводить изучение поверхности планеты Марс, а "Фобос-II" осуществит посадку на спутник Марса Фобос. Связь с "Фобосом-I" прекратилась внезапно, в это время второй аппарат, "Фобос-II", продолжал процесс сближения с марсианским спутником. Однако, несмотря на принятые меры предосторожности в процессе дальнего наведения аппарата по радиосигналам с Земли, и "Фобос-II" также прекратил взаимодействие с наземными станциями. В итоге космическая эпопея завершилась безрезультатно. Конечно, у подобной неудачи может быть много случайных причин. Однако есть одна возможная причина, носящая не случайный, а систематический характер. Если навигацию осуществлять, опираясь на постулат постоянства скорости света (радиосигналов), то в этом случае неизбежны роковые ошибки наведения, которые могут служить причиной провала всей операции.
Автор. Можно ли оценить масштабы подобных ошибок?
Профессор. К сожалению, в печати не приводятся сведения о навигационной космической обстановке и методике проведения локационных измерений. Поэтому оценку подобной ситуации можно дать, исходя из общих положений небесной механики. Как известно, "Фобосы" успешно преодолели весь путь от Земли до Марса. Радиолокационный сигнал, который посылался с наземной радиостанции на летательный аппарат, принимался его бортовой станцией, а затем переизлучался и возвращался обратно на Землю, преодолевая расстояние туда и обратно за время более 10 минут. Навигация осложняется тем, что планеты -- Земля и Марс -движутся по своим орбитам с разными скоростями (Земля -- со скоростью 29,76 км/сек, а Марс -- 24,11 км/сек), а естественный марсианский спутник Фобос летает вокруг Красной планеты со скоростью около 3 км/сек и периодом обращения 7,68 часа. Интересно отметить, что Фобос вращается вокруг Марса в 3,2 раза быстрее, чем Марс вращается вокруг своей оси, -- это единственный случай в Солнечной системе.
Если при навигационных расчетах скорость света (радиосигналов) принималась постоянной в относительном движении небесных тел, то погрешности локационных измерений достигают следующих величии. Вследствие неучета скорости Марса относительно Земли, равной 5,65 км/сек, и длительности прохождения прямого и обратного радиосигналов около 10 минут погрешность в определении расстояния до Марса может достигать до 1000--2500 км. Такая ошибка в определении расстояния от поверхности Марса до летательного аппарата "Фобос-I" уже могла служить причиной его гибели. Для навигации же "Фобоса-II" особую коварность представляет орбитальная скорость спутника Марса -- Фобоса. В течение половины периода обращения, когда спутник не закрыт от наблюдателя Марсом, он совершает движение навстречу Земле, а затем удаляется со скоростью 3 км/сек. Вследствие этого ошибка радиолокации со стороны Земли может периодически меняться в пределах ? 1500 км в течение 3,84 часа (половина периода обращения). Если "Фобос-II" вышел на ту же орбиту, что и спутник Фобос, и летел на некотором постоянном расстоянии от него, то наземные радиолокационные станции фиксировали расстояние между ними со знакопеременной ошибкой в течение каждого полупериода вращения (3,84 часа). Так, например, если расстояние между аппаратом и спутником составляло четверть длины орбиты, то ошибка в измерении этого расстояния была не менее ? 1500 км. Поскольку дальность действия автономной системы наведения "Фобоса-II" может быть меньше указанной ошибки измерения, то вероятность столкновения и гибели аппарата становится существенной. Избежать всех этих ошибок можно при условии проведения навигационных измерений на основе классического сложения скоростей распространения радиосигналов в относительном движении небесных тел.
Автор. Из этого примера видно, как дорого платит человечество за ошибочные гипотезы, если оно слепо принимает их на веру. Уточнение особенностей распространения света при относительном движении тел, по-видимому, позволяет выяснить и весьма интересный вопрос: почему скорость света, идущего от звезд, больше, чем скорость света земных источников излучения почти на 3000 км/сек?
Профессор. Да, основание для этого вполне достаточное. Звезды как источники светового излучения отличаются тем, что их раскаленная поверхность представляет собой бурно кипящую, фонтанирующую среду. Каждая раскаленная частица этой сферы, излучающая свет, совершает беспорядочные движения с огромными скоростями. Вследствие этого потоки света, идущие от звезды в окружающее пространство, приобретают скорость, которая складывается от скорости излучения частицей (300000 км/сек) и скорости ее теплового движения относительно поверхности звезды. Именно эта добавочная скорость звездных источников излучения (в среднем около 3000 км/сек) и не регистрируется наблюдателями, расположенными на Земле.
Автор. Ну вот, кажется, мы вплотную подошли к анализу всего комплекса загадок Солнечной системы и ее освоения...
СОЛНЦЕ И ЕГО СЕМЬЯ
Звездную систему, с которой навсегда связана космическая судьба человечества, уместно сравнить с гигантской цирковой ареной, где по замкнутым круговым (точнее, эллиптическим) орбитам бегают 5 маленьких собачек, 2 верблюда и 2 слона (рис. 76). Конечно, здесь много и всякой другой космической мелочи: спутники планет (рис. 77.), астероиды, кометы, метеоры, искусственные летательные аппараты, -- но в данный момент этой малозначительной мелюзгой можно пренебречь. Хотя, по подсчетам астрономов, только астероидов в окрестностях солнечной системы не менее четверти миллиарда.
Начнем с крупной "дичи". 5 собачек -- это планеты, как принято говорить, земного типа (их размеры приближаются к земным): сама Земля, Марс, Венера, Меркурий, Плутон. 2 верблюда -- холодные Уран и Нептун. 2 слона -- газообразные гиганты Юпитер и Сатурн (рис. 78). На первый взгляд представляется чистой случайностью, что ближайшая к Солнцу планета названа именно Меркурием (а не в честь какого-то другого Божества), вторая -- по имени Богини любви. И так далее. Но это только на первый взгляд. Все имеет свое объяснение. У каждой из видимых невооруженным глазом планет с самого начала был подмечен свой "характер". Под него, как станет понятным ниже, и подбиралось название.
Как уже говорилось, что наша Галактика имеет размеры диаметра около 100 000 световых лет. Так вот, Солнечная система расположена на расстоянии 27 000 световых лет от центра Галактики и на расстоянии 46 световых лет к северу от плоскости ее симметрии (так называемой галактической плоскости). Галактика вращается, и вместе с ней со скоростью 220 км/сек вращается Солнечная система со всеми большими и малыми планетами. Полный оборот и возвращение в условно исходную точку происходит за 2,2Ч108 лет. Этот промежуток времени именуется космическим годом.
Пять ярких планет на ночном небосклоне известны человеку давным-давно. Существовал даже культ поклонения планетам (а заодно и другим священным звездам), известный под названием сабеизма. Термин этот, как и сама религия, мало что говорит современному человеку. В действительности существовало древнее Сабейское царство, населенное племенами сабеев, говоривших на сабейском языке. Располагалось оно во времена позднеегипетской, древнегреческой и древнеримской истории на юге Аравийского полуострова. Это та самая "Счастливая Аравия" античных авторов, о богатстве и чудесах которой в старину слагались легенды. В современном Йемене от тех времен сохранилось множество развалин домусульманских храмов -- сабеистских святилищ, воздвигнутых в честь звездных и планетных Божеств. Сабеизм достаточно хорошо известен через библейских халдеев -- чародеев и звездопоклонников. Однако "халдеи" -- несколько размытое этническое и лингвистическое понятие. Считается, что народ под таким названием, говоривший на одном из семитских языков, переселился, по одной из версий, именно из Аравии в Месопотамию (Двуречие) в начале 1-го тысячелетия до н.э., смешавшись здесь с коренными семитскими племенами. Но главное -- халдеи принесли в Вавилонию свою "звездную культуру": астрономические навыки, книги, каталоги, результаты многовековых наблюдений за небесными объектами (кстати, по халдейским исчислениям, человеческая история начинается примерно за 400 тысяч лет до новой эры; с этой цифрой соглашался и Ломоносов). Во всяком случае, нет сомнения в том, что своими достижениями астрономия Вавилона -- одна из самых развитых астрономий Древнего Мира во многом обязана халдеям, а через них и сабеям-звездопоклонникам.
Обнаружить и зафиксировать перемещение планет среди других относительно неподвижных светил сравнительно нетрудно. Поэтому в лексиконе разных народов им нашлось подходящее и одинаковое по смыслу наименование -- "блуждающие звезды". Уже в древности наблюдатели пришли к выводу, что "блуждающие звезды" находятся к Земле ближе, чем неблуждающие. На эту мысль навели затмения -- заслонение Луной Солнца, звезд и планет. На этом основании древние звездочеты в разных странах и независимо друг от друга объявили Луну самым близким к нам небесным телом. Оригинальным способом определялось и расстояние до планет -- по скорости их перемещения по небосклону. Сатурн возвращался в исходную точку отсчета среди звезд каждые 29,5 лет, Юпитер -- через 12 лет, Марс -- через 2 года, Венера -- через 225 дней, Меркурий -через 88 дней, а Луна -- через 28 дней. Было разгадано, что этот порядок соответствует последовательности расстояния планет до Земли. Другими словами, Сатурн с самого начала считался самой отдаленной из всех видимых невооруженным глазом планет, а Луна -- самым близким. Кроме того, планеты подразделялись на верхние и нижние -- в соответствии с различием в их движении. Меркурий и Венера как бы сопровождают Солнце, находясь в его близи и никогда не удаляясь, соответственно, больше чем на 29о и 47о. Они получили название нижних (точнее -- внутренних) планет. Напротив, верхние (точнее -- внешние) планеты -- Марс, Юпитер, Сатурн -- более свободно располагаются возле Солнца и менее привязаны к нему в своем движении.
Далеко не сразу люди осознали , что облик "звезды" обманчив. На самом деле планеты -- массивные шары, состоящие из горных пород, металлов и газов, и светят они отраженным солнечным, а не собственным светом. С каждым веком все более совершенными становились наблюдения с помощью телескопов и других хитроумных приборов, вроде спектрографа. Они позволили непрерывно увеличивать общий массив научных данных о строении и природе больших и малых спутников Солнца.
Во все века сохранялся стойкий интерес к вопросу: откуда что взялось? как и когда появились во Вселенной Солнце и его семья? в какой последовательности? и сколько еще тысячелетий будут они являть себя миру на земном небосклоне? По существу, лишь чуть больше три столетия ответы на поставленные вопросы стали даваться, исходя из опытного естествознания и скрупулезных математических расчетов. И с самого начала в центре внимания ученых и читающей публики оказались космогонические гипотезы о происхождении Солнечной системы. Для того, чтобы такие гипотезы не противоречили научным данным, они должны объяснять следующее:
1) почему орбиты всех планет лежат практически в плоскости солнечного экватора, 2) почему планеты движутся вокруг Солнца по орбитам, близким к круговым, 3) почему направление обращения вокруг Солнца одинаково для всех планет и совпадает с направлением вращения Солнца и собственным вращением планет вокруг осей, 4) почему 98% массы Солнечной системы приходится на Солнце и лишь 2% на планеты, тогда как планеты обладают 98% момента количества движения всей Солнечной системы, 5) почему планеты делятся на две группы, резко различающиеся между собой средней плотностью?
И все же гипотез, удовлетворяющих вышеперечисленным требованиям, оказалось слишком много. Среди них есть вихревые, объясняющие происхождение планет и других космических объектов на основе теории вихреобразных движений, якобы доминирующих в Космосе. В пользу таких концепций, восходящих еще к знаменитому французскому мыслителю Рене Декарту (1596-1650), говорят сегодня и спиральные галактики, и торсионные (скрученные) поля, и другие спиралевидные феномены. Поэтому "вихревые подходы" не утратили своего значения и в наши дни.
Начиная с ХVIII века достаточное распространение получили катастрофические гипотезы происхождения небесных тел. Так, знаменитый в прошлом французский естествоиспытатель Жорж Бюффон (1707-1788) считал, что Земля и планеты образовались в результате столкновения Солнца с кометой. Катастрофические гипотезы, хотя и не имеют всеобщей поддержки, продолжали обосновываться в ХХ веке. К наиболее известным их авторам относятся Дж. Джинс и И. Великовский.
Самыми популярными, однако же, оказались эволюционные гипотезы (рис. 79). Исторически первой в их далеко не ограниченном ряду оказалась гипотеза крупнейшего немецкого философа И. Канта. Он предполагал, что первоначально мировое пространство было заполнено холодным рассеянным веществом в виде пылевого облака. Постепенно, под воздействием сил тяготения пылинки стали слипаться и образовывать плотные сгустки, которые после длительного периода разогревания превратились в знакомые небесные тела.
Автор. Что же показали астрономические наблюдения? Обнаружены ли такие "привидения"?
Профессор. Противники гипотезы Ритца привели данные о наблюдении двойных звезд (видимых раздельно и с большим периодом орбитального движения), у которых таких явлений, как "привидения", не наблюдается. Отсюда и был сделан вывод, что гипотеза Ритца не верна, а гипотеза о постоянстве скорости света в относительном движении -- якобы справедлива.
Автор. Но ведь есть вторая группа двойных звезд с короткими периодами обращения, которые мигают. Учтен ли данный факт при решении столь важного вопроса?
Профессор. Конечно, нет! Дело в том, что двойные звезды с длительным периодом обращения и не должны были создавать "привидения" в пределах не только нашей Галактики, но и на расстояниях до многих миллионов световых лет от Земли, что и подтверждают астрономические наблюдения. А двойные звезды с короткими периодами обращения, которые мигают в звездном небе, как раз и создают эти "привидения". Но анализ этих "привидений" и увязка их с баллистической теорией распространения света не были сделаны.
Автор. Похоже, в столь принципиальном споре между сторонниками двух гипотез одна из сторон использовала не совсем корректные доказательства своей правоты. Но как же в таком случае использовать накопленные знания в области астрономии и экспериментальные данные наземных опытов со светом, чтобы объективно разобраться в этом непростом вопросе?
Профессор. Современных научных фактов вполне достаточно, чтобы подойти к решению данной проблемы весьма убедительно и в наглядной форме. Однако логические доказательства, приводимые ниже, требуют философского обобщения и соответствующих принципиальных оценок.
Автор. Двойные звезды оказались тем камнем преткновения, о который якобы разбились все корпускулярные теории света (Ньютон, Ритц), предполагавшие изменение скорости света в относительном движении тел. Исследователи (Ритц, Де Ситтер, Эйнштейн и др.), анализируя характер прохождения света от двойных звезд, с учетом переменной скорости света, обнаружили, по их мнению, несоответствие расчетных траекторий с кеплеровскими. Несмотря на многие загадочные явления, наблюдаемые у двойных звезд (периодическое изменение яркости, температуры и т. п.), эти исследователи не заметили связи загадочных явлений с вышеназванными особенностями прохождения света. Не здесь ли кроется разгадка?
Профессор. Двойные звезды обращаются около их общего центра масс под действием взаимного тяготения. Периоды обращения двойных звезд, различимых в телескопы как две светящиеся звезды, составляют тысячи лет. Самый короткий из них около года. Имеются двойные звезды, расположенные так близко друг от друга, что при наблюдении в телескопы они сливаются в одну светящуюся точку. Периоды таких спектрально-двойных звезд более короткие -- от 2 часов до 15 лет. Скорости движения двойных звезд по их орбитам достигают десятков км/сек. Рассмотрим прохождение света от двойных звезд, движущихся по круговой орбите (рис. 74-а) вокруг центра. Расстояние от центра орбиты до наблюдателя равно L. Полагаем, что радиус орбиты намного меньше этого расстояния, благодаря чему лучи света можно принять параллельными (все эти допущения ни в коей мере не снижают общности задачи, но упрощают ее решение). Плоскость орбиты совпадает с лучом зрения.
Составляющие скорости света от звезд S1 и S2 в сторону приемника 1 соответственно C1 и С2 определяются суммой скоростей света относительно излучателей и составляющими скоростей движения звезд по орбитам. Зная расстояния звезд S1 и S2 относительно приемника и скорости распространения света C1 и C2, можно определить время прихода лучей t1 и t2. Наблюдатель, находящийся на расстоянии L от пары звезд, будет видеть движение звезд не по круговой орбите, а по орбите эллиптической формы. На рис. 74-б показана эволюция видимой формы орбиты по мере удаления наблюдателя на расстояния L1, L2, ... Ln от звезд. Видимые орбиты постепенно вытягиваются, а эксцентриситет их увеличивается. Если принять за единицу времени период обращения Т звезд по орбите и изобразить формы наблюдаемых орбит через единичные интервалы времени, то смещение к 11 относительно 1 будет равно VT, точек 21 относительно 2 -- равно 2 VT, а точек n1 относительно n -- nVT. Из рисунка видно, что при удалении более некоторого критического расстояния Lкр. орбиты начинают накладываться друг на друга (заштрихованные области на рисунке). Это означает, что наблюдатель будет видеть двойные звезды одновременно в различных местах, причем "звездные привидения" будут появляться и исчезать в согласии с их периодическим движением.
Автор. Возможно ли такое удивительное явление в природе? Ведь, по мнению Эйнштейна и его последователей, никаких следов таких явлений не было обнаружено, что дало им основание исключить из рассмотрения альтернативные объяснения загадочного феномена.
Профессор. Однако именно в этом и состоит их ошибка. В звездном мире имеются многочисленные примеры двойных звезд, у которых наблюдаются как раз такие удивительные физические явления. Особенно это относится к двойным закритическим звездам, расстояние которых до наблюдателя превосходит критические (LКР.), и видимые орбиты накладываются друг на друга (если расстояние менее LКР., ТО Такие звезды называются докритическими. Период закритических спектрально-двойных звезд невелик -- от 2 часов до 15 лет, а вследствие большого расстояния до Земли они сливаются в одну светящуюся точку, которая периодически меняет свой блеск и спектральный состав. В качестве примера таких "дьявольских" звезд уместно привести и уже упомянутый Алголь -- звезду b Персея с периодом 68 часов 49 минут (из них 59 часов блеск звезды сохраняется на одном уровне, затем он в течение 5 часов уменьшается на 2/3), и звезду b Лиры, которая периодически изменяет свой блеск от 3,4 до 4,4 звездной величины за период около 13 суток.
Автор. Существует еще один удивительный тип переменных звезд. Это -- цефеиды, или пульсирующие звезды-гиганты.
Профессор. На таких звездах бывают неоднородные по яркости, температуре и химическому составу участки поверхности, напоминающие пятна на Солнце. При вращении такой звезды движение участков поверхности будет происходить по различным орбитам, причем половину периода они будут находиться на невидимой стороне. Поскольку период обращения цефеид невелик (от 1,5 часа до 45 суток), а периферическая скорость значительная (до 100 км/сек), то создаются благоприятные условия для возникновения явлений, аналогичных двойным закритическим звездам с учетом обязательных затмений.
Суммирование световых потоков от неоднородных участков, происходящее за счет перекрытия кажущихся орбит, значительно усиливает эффект пульсации блеска и температуры звезды. Если звезда прецессирует, то интенсивность пульсаций блеска и температуры может происходить с некоторым изменением периодичности. Одновременно может изменяться и спектр звезды. Примером подобных звездных объектов могут как раз и служить физически переменные звезды.
Автор. Можно ли обнаружить с помощью телескопа или каких-либо приборов искажения орбит звезд, возникающие вследствие переменной скорости света?
Профессор. Так как расстояния до далеких звезд определяются со значительными ошибками (до 20% от расстояния), а искажение орбиты происходит только в направлении луча зрения, то заметить искажение весьма сложно. Зато при наблюдении планет Солнечной системы искажения орбит становятся заметными. Более того, неучет таких искажений может привести к серьезным негативным последствиям. Так, ошибки, допущенные при радиолокационном измерении расстояний до Луны, Венеры, Марса, привели к неудачным запускам космических автоматических аппаратов, в разное время направляемых к этим планетам.
Автор. Думается, читателям небезынтересно более подробно познакомиться с этими поучительными фактами.
Профессор. Напомню, что измерение расстояния и скорости относительного движения между Землей и Венерой осуществлялось путем посылки мощных радиолокационных сигналов в сторону Венеры наземными станциями, при этом определялось время прихода на Землю отраженных сигналов от венерианской поверхности. Учитывая характер орбитального движения этих планет, локацию начинали в период, когда расстояние до Венеры достигало около r1=80 млн. км (положение планет 1--1 на рис. 75), затем оно сокращалось до r2=40 млн. км (положение 2--2 противостояния планет) и потом опять увеличивалось до r3. Длительность всего процесса измерений достигала трех месяцев.
На первом участке движения от 1--1 до 2--2 Земля и Венера сближаются, а на втором участке, от 2--2 до 3--3, удаляются друг от друга. Следовательно, результирующая скорость С1 прохождения радиосигналов от Земли до Венеры и обратно на первом участке больше, чем С, а на втором -- меньше, и это должно отразиться на продолжительности интервала времени от момента посылки сигналов до их приема. Поскольку эти особенности распространения радиосигналов не учитывались и скорость их распространения принималась постоянной и равной скорости света, расчетные данные не совпали с фактическими: на первом участке расчетные расстояния ri* оказались короче (ri*ri..
Чтобы подогнать расчетно-экспериментальные данные к истинным, исследователи приняли "оригинальное" решение -условно переместить Венеру вперед по орбите примерно на 700 км (положения Венеры 11, 21, 31 на рисунке). Только в этом случае оказалось возможным "свести концы с концами" и якобы подтвердить справедливость специальной теории относительности. Однако если отбросить какие-либо подгонки и учесть действительные скорости распространения радиосигналов между планетами, то проведенный эксперимент является убедительным подтверждением справедливости классического закона сложения скоростей для световых излучений и радиоизлучений. Нельзя пренебрегать законами распространения сигналов в относительном движении, поскольку это может оказаться особенно опасным, например, при навигации в условиях космического полета.
Автор. У нас радиолокационные измерения расстояний до Венеры проводились в 1962--1975 годах. Нет ли других данных, свидетельствующих о трудностях, к которым приводят релятивистские расчеты, и ошибках навигации в современной космонавтике?
Прфессор. События, связанные с полетами космических летательных аппаратов "Фобос-I" и "Фобос-II" к Марсу, и их загадочное исчезновение, навигационные просчеты при запусках других летательных аппаратов имеют прямое отношение к проблеме распространения электромагнитных сигналов. Наиболее показательны в данном плане неудачи с "Фобосами". Напомню, что эти аппараты, оснащенные новейшей исследовательской и навигационной аппаратурой, после длительного полета достигли окрестностей Марса. Предполагалось, что "Фобос-I" будет проводить изучение поверхности планеты Марс, а "Фобос-II" осуществит посадку на спутник Марса Фобос. Связь с "Фобосом-I" прекратилась внезапно, в это время второй аппарат, "Фобос-II", продолжал процесс сближения с марсианским спутником. Однако, несмотря на принятые меры предосторожности в процессе дальнего наведения аппарата по радиосигналам с Земли, и "Фобос-II" также прекратил взаимодействие с наземными станциями. В итоге космическая эпопея завершилась безрезультатно. Конечно, у подобной неудачи может быть много случайных причин. Однако есть одна возможная причина, носящая не случайный, а систематический характер. Если навигацию осуществлять, опираясь на постулат постоянства скорости света (радиосигналов), то в этом случае неизбежны роковые ошибки наведения, которые могут служить причиной провала всей операции.
Автор. Можно ли оценить масштабы подобных ошибок?
Профессор. К сожалению, в печати не приводятся сведения о навигационной космической обстановке и методике проведения локационных измерений. Поэтому оценку подобной ситуации можно дать, исходя из общих положений небесной механики. Как известно, "Фобосы" успешно преодолели весь путь от Земли до Марса. Радиолокационный сигнал, который посылался с наземной радиостанции на летательный аппарат, принимался его бортовой станцией, а затем переизлучался и возвращался обратно на Землю, преодолевая расстояние туда и обратно за время более 10 минут. Навигация осложняется тем, что планеты -- Земля и Марс -движутся по своим орбитам с разными скоростями (Земля -- со скоростью 29,76 км/сек, а Марс -- 24,11 км/сек), а естественный марсианский спутник Фобос летает вокруг Красной планеты со скоростью около 3 км/сек и периодом обращения 7,68 часа. Интересно отметить, что Фобос вращается вокруг Марса в 3,2 раза быстрее, чем Марс вращается вокруг своей оси, -- это единственный случай в Солнечной системе.
Если при навигационных расчетах скорость света (радиосигналов) принималась постоянной в относительном движении небесных тел, то погрешности локационных измерений достигают следующих величии. Вследствие неучета скорости Марса относительно Земли, равной 5,65 км/сек, и длительности прохождения прямого и обратного радиосигналов около 10 минут погрешность в определении расстояния до Марса может достигать до 1000--2500 км. Такая ошибка в определении расстояния от поверхности Марса до летательного аппарата "Фобос-I" уже могла служить причиной его гибели. Для навигации же "Фобоса-II" особую коварность представляет орбитальная скорость спутника Марса -- Фобоса. В течение половины периода обращения, когда спутник не закрыт от наблюдателя Марсом, он совершает движение навстречу Земле, а затем удаляется со скоростью 3 км/сек. Вследствие этого ошибка радиолокации со стороны Земли может периодически меняться в пределах ? 1500 км в течение 3,84 часа (половина периода обращения). Если "Фобос-II" вышел на ту же орбиту, что и спутник Фобос, и летел на некотором постоянном расстоянии от него, то наземные радиолокационные станции фиксировали расстояние между ними со знакопеременной ошибкой в течение каждого полупериода вращения (3,84 часа). Так, например, если расстояние между аппаратом и спутником составляло четверть длины орбиты, то ошибка в измерении этого расстояния была не менее ? 1500 км. Поскольку дальность действия автономной системы наведения "Фобоса-II" может быть меньше указанной ошибки измерения, то вероятность столкновения и гибели аппарата становится существенной. Избежать всех этих ошибок можно при условии проведения навигационных измерений на основе классического сложения скоростей распространения радиосигналов в относительном движении небесных тел.
Автор. Из этого примера видно, как дорого платит человечество за ошибочные гипотезы, если оно слепо принимает их на веру. Уточнение особенностей распространения света при относительном движении тел, по-видимому, позволяет выяснить и весьма интересный вопрос: почему скорость света, идущего от звезд, больше, чем скорость света земных источников излучения почти на 3000 км/сек?
Профессор. Да, основание для этого вполне достаточное. Звезды как источники светового излучения отличаются тем, что их раскаленная поверхность представляет собой бурно кипящую, фонтанирующую среду. Каждая раскаленная частица этой сферы, излучающая свет, совершает беспорядочные движения с огромными скоростями. Вследствие этого потоки света, идущие от звезды в окружающее пространство, приобретают скорость, которая складывается от скорости излучения частицей (300000 км/сек) и скорости ее теплового движения относительно поверхности звезды. Именно эта добавочная скорость звездных источников излучения (в среднем около 3000 км/сек) и не регистрируется наблюдателями, расположенными на Земле.
Автор. Ну вот, кажется, мы вплотную подошли к анализу всего комплекса загадок Солнечной системы и ее освоения...
СОЛНЦЕ И ЕГО СЕМЬЯ
Звездную систему, с которой навсегда связана космическая судьба человечества, уместно сравнить с гигантской цирковой ареной, где по замкнутым круговым (точнее, эллиптическим) орбитам бегают 5 маленьких собачек, 2 верблюда и 2 слона (рис. 76). Конечно, здесь много и всякой другой космической мелочи: спутники планет (рис. 77.), астероиды, кометы, метеоры, искусственные летательные аппараты, -- но в данный момент этой малозначительной мелюзгой можно пренебречь. Хотя, по подсчетам астрономов, только астероидов в окрестностях солнечной системы не менее четверти миллиарда.
Начнем с крупной "дичи". 5 собачек -- это планеты, как принято говорить, земного типа (их размеры приближаются к земным): сама Земля, Марс, Венера, Меркурий, Плутон. 2 верблюда -- холодные Уран и Нептун. 2 слона -- газообразные гиганты Юпитер и Сатурн (рис. 78). На первый взгляд представляется чистой случайностью, что ближайшая к Солнцу планета названа именно Меркурием (а не в честь какого-то другого Божества), вторая -- по имени Богини любви. И так далее. Но это только на первый взгляд. Все имеет свое объяснение. У каждой из видимых невооруженным глазом планет с самого начала был подмечен свой "характер". Под него, как станет понятным ниже, и подбиралось название.
Как уже говорилось, что наша Галактика имеет размеры диаметра около 100 000 световых лет. Так вот, Солнечная система расположена на расстоянии 27 000 световых лет от центра Галактики и на расстоянии 46 световых лет к северу от плоскости ее симметрии (так называемой галактической плоскости). Галактика вращается, и вместе с ней со скоростью 220 км/сек вращается Солнечная система со всеми большими и малыми планетами. Полный оборот и возвращение в условно исходную точку происходит за 2,2Ч108 лет. Этот промежуток времени именуется космическим годом.
Пять ярких планет на ночном небосклоне известны человеку давным-давно. Существовал даже культ поклонения планетам (а заодно и другим священным звездам), известный под названием сабеизма. Термин этот, как и сама религия, мало что говорит современному человеку. В действительности существовало древнее Сабейское царство, населенное племенами сабеев, говоривших на сабейском языке. Располагалось оно во времена позднеегипетской, древнегреческой и древнеримской истории на юге Аравийского полуострова. Это та самая "Счастливая Аравия" античных авторов, о богатстве и чудесах которой в старину слагались легенды. В современном Йемене от тех времен сохранилось множество развалин домусульманских храмов -- сабеистских святилищ, воздвигнутых в честь звездных и планетных Божеств. Сабеизм достаточно хорошо известен через библейских халдеев -- чародеев и звездопоклонников. Однако "халдеи" -- несколько размытое этническое и лингвистическое понятие. Считается, что народ под таким названием, говоривший на одном из семитских языков, переселился, по одной из версий, именно из Аравии в Месопотамию (Двуречие) в начале 1-го тысячелетия до н.э., смешавшись здесь с коренными семитскими племенами. Но главное -- халдеи принесли в Вавилонию свою "звездную культуру": астрономические навыки, книги, каталоги, результаты многовековых наблюдений за небесными объектами (кстати, по халдейским исчислениям, человеческая история начинается примерно за 400 тысяч лет до новой эры; с этой цифрой соглашался и Ломоносов). Во всяком случае, нет сомнения в том, что своими достижениями астрономия Вавилона -- одна из самых развитых астрономий Древнего Мира во многом обязана халдеям, а через них и сабеям-звездопоклонникам.
Обнаружить и зафиксировать перемещение планет среди других относительно неподвижных светил сравнительно нетрудно. Поэтому в лексиконе разных народов им нашлось подходящее и одинаковое по смыслу наименование -- "блуждающие звезды". Уже в древности наблюдатели пришли к выводу, что "блуждающие звезды" находятся к Земле ближе, чем неблуждающие. На эту мысль навели затмения -- заслонение Луной Солнца, звезд и планет. На этом основании древние звездочеты в разных странах и независимо друг от друга объявили Луну самым близким к нам небесным телом. Оригинальным способом определялось и расстояние до планет -- по скорости их перемещения по небосклону. Сатурн возвращался в исходную точку отсчета среди звезд каждые 29,5 лет, Юпитер -- через 12 лет, Марс -- через 2 года, Венера -- через 225 дней, Меркурий -через 88 дней, а Луна -- через 28 дней. Было разгадано, что этот порядок соответствует последовательности расстояния планет до Земли. Другими словами, Сатурн с самого начала считался самой отдаленной из всех видимых невооруженным глазом планет, а Луна -- самым близким. Кроме того, планеты подразделялись на верхние и нижние -- в соответствии с различием в их движении. Меркурий и Венера как бы сопровождают Солнце, находясь в его близи и никогда не удаляясь, соответственно, больше чем на 29о и 47о. Они получили название нижних (точнее -- внутренних) планет. Напротив, верхние (точнее -- внешние) планеты -- Марс, Юпитер, Сатурн -- более свободно располагаются возле Солнца и менее привязаны к нему в своем движении.
Далеко не сразу люди осознали , что облик "звезды" обманчив. На самом деле планеты -- массивные шары, состоящие из горных пород, металлов и газов, и светят они отраженным солнечным, а не собственным светом. С каждым веком все более совершенными становились наблюдения с помощью телескопов и других хитроумных приборов, вроде спектрографа. Они позволили непрерывно увеличивать общий массив научных данных о строении и природе больших и малых спутников Солнца.
Во все века сохранялся стойкий интерес к вопросу: откуда что взялось? как и когда появились во Вселенной Солнце и его семья? в какой последовательности? и сколько еще тысячелетий будут они являть себя миру на земном небосклоне? По существу, лишь чуть больше три столетия ответы на поставленные вопросы стали даваться, исходя из опытного естествознания и скрупулезных математических расчетов. И с самого начала в центре внимания ученых и читающей публики оказались космогонические гипотезы о происхождении Солнечной системы. Для того, чтобы такие гипотезы не противоречили научным данным, они должны объяснять следующее:
1) почему орбиты всех планет лежат практически в плоскости солнечного экватора, 2) почему планеты движутся вокруг Солнца по орбитам, близким к круговым, 3) почему направление обращения вокруг Солнца одинаково для всех планет и совпадает с направлением вращения Солнца и собственным вращением планет вокруг осей, 4) почему 98% массы Солнечной системы приходится на Солнце и лишь 2% на планеты, тогда как планеты обладают 98% момента количества движения всей Солнечной системы, 5) почему планеты делятся на две группы, резко различающиеся между собой средней плотностью?
И все же гипотез, удовлетворяющих вышеперечисленным требованиям, оказалось слишком много. Среди них есть вихревые, объясняющие происхождение планет и других космических объектов на основе теории вихреобразных движений, якобы доминирующих в Космосе. В пользу таких концепций, восходящих еще к знаменитому французскому мыслителю Рене Декарту (1596-1650), говорят сегодня и спиральные галактики, и торсионные (скрученные) поля, и другие спиралевидные феномены. Поэтому "вихревые подходы" не утратили своего значения и в наши дни.
Начиная с ХVIII века достаточное распространение получили катастрофические гипотезы происхождения небесных тел. Так, знаменитый в прошлом французский естествоиспытатель Жорж Бюффон (1707-1788) считал, что Земля и планеты образовались в результате столкновения Солнца с кометой. Катастрофические гипотезы, хотя и не имеют всеобщей поддержки, продолжали обосновываться в ХХ веке. К наиболее известным их авторам относятся Дж. Джинс и И. Великовский.
Самыми популярными, однако же, оказались эволюционные гипотезы (рис. 79). Исторически первой в их далеко не ограниченном ряду оказалась гипотеза крупнейшего немецкого философа И. Канта. Он предполагал, что первоначально мировое пространство было заполнено холодным рассеянным веществом в виде пылевого облака. Постепенно, под воздействием сил тяготения пылинки стали слипаться и образовывать плотные сгустки, которые после длительного периода разогревания превратились в знакомые небесные тела.