/
Текст
НОВЕЙШИЕ ТЕОРИИ НАУЧНОЙ МЫСЛИ
7—8
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКВА — ЛЕНИНГРАД
Дар
СУВОРОВА С.Г
-тгс
А. С. ЭДДИНГТО!^
Заместителя
главного редактора журнал
«Успехи физики»
ЗВЕЗДЫ И АТОМЫ
ПЕРЕВОД С АНГЛИЙСКОГО
Проф. С. И. ВАВИЛОВА
1
9
2
ОТПЕЧАТАНО
б 1-й Образцовой типографии
Гиза. Москва, Пятницкая, 71.
Главл. А-1175. Н. 90. Гиз. 23767.
Заказ 4899. Тираж 3000 экз.
ПРЕДИСЛОВИЕ ПЕРЕВОДЧИКА
Книга Эддингтона — редкое событие в научно-
популярной литературе. Содержание ее, основанное глав-
ным образом на собственных исследованиях автора, ве-
роятно, будет в некоторых частях новым даже для
специалистов. Тема так увлекательна и изложение на-
столько просто и остроумно, что чтение книги доставит
удовольствие, несомненно, очень широкому кругу чита-
телей.
250 лет тому назад Ньютон создавал на основе
астрономических фактов теоретическую физику. Сейчас
положение изменилось: на фундаменте новой физики вы-
растает современная теоретическая астрономия — наука
о внутреннем строении звезд. Эта наука навсегда оста-
нется теоретической, ибо никогда мы не увидим звезд-
ных недр, и потому она должна строиться на прочной осно-
ве физических законов. Все содержание новой физики —
теория квантов, теория относительности, учение о стро-
ении вещества, теория электронов, радиоактивность —
бросается на завоевание новой области. Теоретическая
астрономия в точном смысле слова — прикладная фи-
зика. В этом оправдание того, что книга переводилась
физиком, а не астрономом.
I 5 |
Многие . читатели-специалисты, вероятно, не будут
удовлетворены блестящим, но кратким и упрощенным
(иногда до шаржа) изложением автора во многих крайне
важных положениях книги. Таким лицам надлежит об-
ратиться к большой монографии Эддингтона, цити-
рованной в предисловии автора. До некоторой степени
настоящая книга является только популярным конспектом
этого большого замечательного сочинения.
Задача о внутреннем строении звезд содержит слиш-
ком много неизвестных, чтобы ее можно было считать
хотя бы принципиально решенной. Теория Эддинг-
тона— не единственно возможная, и, что самое суще-
ственное, в ней есть явные пробелы. Большая моногра-
фия автора кончается довольно пессимистическим
признанием о существовании двух грозных туч на
горизонте теории. Эти тучи: 1) вопрос о коэффициенте
непрозрачности звездной материи; 2) источники энергии
звезд. Может быть, здесь перед нами новые физические
факты, остававшиеся доселе неизвестными земному фи-
зику и требующие в первую очередь изменения самой
физической теории. Во всяком случае теория Эддинг-
тона, как на это указывается и в книге,— только пер-
вый, очень увлекательный, но незаконченный опыт.
Мы сочли полезным некоторые важные места текста,
изложенные слишком кратко, пояснить примечаниями,
материалом для которых во многих случаях послужила
большая монография автора.
С. Вавилов.
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА
„Звезды и атомы“—заглавие вечернего чтения во вре-
мя съезда Британской ассоциации в Оксфорде в авгу-
сте 1926 г. Обрабатывая эту тему для печати, я уже
не был ограничен временем, и соответственно она раз-
рослась в книгу из трех лекций. До этого я читал курс
из трех лекций в Королевском колледже в Лондоне по
тому же вопросу; эти лекции послужили материалом для
большинства добавлений.
Полное изложение вопроса, включающее и математиче-
скую теорию, дано в моей большой книге: „Внутреннее
строение звезд" (The Internal Constitution of the Stars,
Cambr. Univ. Press, 1926). Здесь я излагаю только
основные идеи и результаты.
Развитие наших знаний об атомах и радиации привело
к ряду интересных результатов в астрономии; обратно,
изучение материи в предельных условиях звезд и ту-
манностей играло не меньшую роль в прогрессе дтомной
физики. Это — главная тема лекций. Мы выбрали такие
результаты и открытия, которые можно изложить срав-
нительно элементарно. Но часто в тексте приходится
рассчитывать на сосредоточенность читателя, что воз-
местится, надеюсь, увлекательностью предмета. Изложе-
I 7 ]
ние скорее эпизодическое, чем систематическое, но от
навыков мысли трудно отказаться совсем, некоторая
доля системы имеется в книге. В таких проблемах, где
мысль непрерывно переходит от крайне большого
к крайне малому, от звезды к атому, и обратно, к звезде,
характер тем очень разнообразен; если бы не удержи-
ваться, то пришлось бы в полной мере погрузиться во
все радости и печали научного исследования во всех
фазах.
Температура всюду в тексте дана в градусах Цель-
сия. Биллион = миллиону миллионов — 101трил-
лион =1038, квадриллион = 1024 и т. д.
А. С. Э.
ОГЛАВЛЕНИЕ
' ' Стр.
Предисловие переводчика........................ 5
Предисловие автора............................. 7
Лекция первая, звездныенедра. ’ 11
Температура внутри звезды..................... 15
Ионизация атомов....................... . . 21
Давление радиации и масса *................... 32
Недра звезды.................................. 35
Непрозрачность звездной цатерии............... 37
Связь яркости и массы ......................... 41
Плотные звезды................................. 46
Лекция вторая, некоторые новые исследо-
вания. 52
История Алголя................................ 52
История Спутника Сириуса . . . . •............ 59
Неизвестные атомы и толкование спектров...... 65
Спектральные серии............................ 71
Облака в пространстве'........................-77
Солнечная хромосфера......................... 84
История Бетельгейзе............................ 92
Лекция третья, возраст звёзд. 101
Пульсирующие звезды............................102
Цефеиды, как „нормальная свеча" ..............107
Гипотеза сжатия................................112
Субатомная энергия ’...........................117
Эволюция звезд.......................... .... 125
Излучение массы..............................134
Добавление, дальнейшие замечания о спут-
нике сирнусл..................................144
I 9 |
Лекция первая
ЗВЕЗДНЫЕ НЕДРА
Солнце входит в состав системы, насчитывающей при-
близительно три миллиарда звезд. Звезды — шары, по
величине сравнимые с Солнцем, т. е. их диаметры по-
рядка миллиона км. В их распоряжении огромные свобод-
ные пространства. Вообразите тридцать крикетных мячей,
разбросанных и блуждающих по всему объему земли;
в своих странствованиях во вселенной звезды не более
стеснены и не больше подвергаются риску столкновений,
чем крикетные мячи. Но, вероятно,, этой системой не
ограничивается мир. Все больше уверенности в том,
что спиральные туманности — новые „острова-вселен-
ные", расположенные вне нашей звездной системы.
Очень может быть, что наши сведения о мире касаются
только ничтожной части обширного целого.
В капле воды содержится несколько тысяч триллионов
атомов. Диаметр атома составляет около стомиллионной
доли см, и мы, естественно, удивляемся этой тонкости и
сложности. Но здесь еще не граница. Внутри атомов
вращаются по своим орбитам, подобно планетам вокруг
Солнца, еще более мелкие электроны, причем размеры
их таковы, что внутри атома им не менее просторно, чем
планетам в солнечной системе.
Приблизительно посередине шкалы размеров от атома
до звезды находится другая не менее чудесная струк-
тура — человеческое тело. Человек несколько ближе
к атому, чем к звезде: его тело построено приблизительно
из 1027 атомов, а 1028 человеческих тел составили бы
достаточный материал для построения звезды.
Со своего центрального места человек может следить
за величайшими проявлениями природы вместе с астро-
номом или за ее мельчайшими деталями — с физиком.
Сегодня я приглашаю вас взглянуть в обе стороны.
Ибо путь к познанию звезд идет через атомы, а важней-
шие сведения об атомах были получены при изучении
звезд.
%
Самая знакомая для нас звезда — Солнце. Говоря
астрономически, оно у нас под рукою. Мы можем изме-
рить его размеры, свешать его, узнать его температуру
и т. д. много легче, чем у других звезд. С его поверх-
ности можно получить фотографический снимок, другие же
звезды столь далеки, что самые большие телескопы
мира не могут дать их увеличенного изображения: они
и в телескоп остаются только точками. На рис. 1 и 2
даны современные фотографии поверхности Солнца.
Несомненно, что и звезды оказались бы очень похожими
на Солнце, если бы мы могли рассмотреть их вблизи.
Я должен, однако, пояснить, что это не обычные фо-
тографии: на простых фотографиях очень хорошо выхо-
дят темные прыщи, так называемые солнечные пятна,
но в остальном рни однородны и мало интересны. При-
веденные здесь снимки получены спектрогелиографом,
который запечатлевает только свет какой-нибудь опре-
I 12 |
деленной спектральной линии (длины волны) и не реаги-
рует на остальное. В конечном счете, в результате та-
кой фильтрации света, получаются снимки различных
Рис. 1. Солнце. Фотография в свете водородной линии, снята
Эвершедом в Мадрасе.
высот или уровней солнечной атмосферы и того, что
там происходит, на простом же снимке получается сма-
занная картина сразу всех уровней, налагающихся друг
на друга. Рис. 2, соответствующий высокому уровню,
дает поразительную картину вихрей, ветров и движений.
I 13 ]
Солнечные метеорологи, думается мне, описали бы это
смятение знакомыми нам словами: „Можно ждать очень
низкого давления со второстепенными депрессиями, вё-
роятно возобновление неустойчивой погоды". Но, как бы
там ни было, относительно Солнца всегда можно сделать
Рис. 2г Солнце. Фотография в свете водородной линии, снята
на обсерватории Маунт Вильсон в Калифорнии.
правильное предсказание погоды; циклон ли там, или
антициклон, температура все равно будет очень высо-
кой — около 6 000°.
Но сейчас я не хочу задерживаться на поверхностных
слоях солнечной атмосферы. За последнее время по
этому вопросу сделано чрезвычайно много нового, инте-
ресного и очень существенного для моей темы о звездах
I Н |
и атомах. Но лично я чувствую себя больше „дома"
под поверхностью и потому без замедления погружаюсь
туда. Итак, после короткой остановки наверху нам
предстоит путешествие в глубокие недра, куда не может
проникнуть глаз, но где научное рассуждение позволяет
выяснить очень многое.
Температура внутри звезды
Математическими методами можно выяснить, как долж-
но возрастать давление внутри Солнца по мере удале-
ния от поверхности и как одновременно будет по-
вышаться температура, противодействующая давлению.
Архитектор знает, как рассчитать натяжения балок, для
этого ему нет надобности просверливать в них дыры.
Также и астронбм может вычислить натяжения,
или давления внутри Солнца, не пробуравливая послед-
него. Может показаться особенно удивительным, что и
температура может быть найдена также чистым вычис-
лением. Весьма естественен скептицизм по поводу наших
претензий на знание температуры сокровенных недр
звезды, скептицизм, может быть, станет еще ббльшим, ко-
гда- я приведу цифры. Поэтому я полагаю, сначала
лучше описать, насколько возможно, метод вычисления.
Я не пытаюсь входить в подробности, надеюсь, однако,
показать, в чем заключается путь, надлежащая математи-
ческая обработка которого и приводит к цели.
Я предполагаю, что теплота газа соответствует глав-
ным образом движению его частиц, бегающих по всем
направлениям и стремящихся рассеяться. Отсюда и про-
истекает упругость газа или его стремление к расшире-
• нию. Эта упругость газа известна каждому на примере
[ 15 ]
пневматического пистолета. Вообразите теперь себя где-
нибудь внутри звезды так, что вы можете смотреть
вверх на поверхность или вниз, через центр. Где бы
вы ни находились, всюду должно быть достигнуто
некоторое состояние равновесия: с одной стороны имеется
вес всех слоев над вами, надавливающий вниз и стремя-
щийся сжать газ нижних слоев, с другой стороны, под
вами, проявляется упругость газа, стремящегося расширить-
ся и преодолеть верхние слои. Но не' удается ни то, ни
другое, и звезда остается столетиями практически неиз-
менной; мы должны поэтому заключить, что оба стремле-
ния уравновешиваются. В каждой точке звезды упругость,
газа должна как раз равняться весу выше лежащих слоев.
Но упругость доставляется теплом, поэтому условие равно-
весия показывает, какое количество тепла должно раз-
виться. Таким способом и находится степень нагревания,
или температура, в каждой точке.
То же самое можно выразить и несколько иначе. Как
и прежде, выберем какую-нибудь точку внутри звезды и
рассмотрим, какое количество материи находится над
нею и сдерживается нижними слоями. Если бы ма-.
терия не сдерживалась, она упала бы к центру вслед-
ствие силы тяготения. Такое сдерживание осуществляется
непрерывными ничтожными ударами нижних частиц; мы
знаем, что тепловая энергия заставляет частицы дви-
гаться по всем направлениям, такие частицы своими
ударами и сдерживают верхние слои газа. Каждый удар
дает легкий импульс вверх, подобно тому как удар ра-
кетки подбрасывает мяч. Такой процесс не ограничи-
вается звездами: такими же ударами поддерживается, на-
пример, движение автомобиля. Увеличению температуры
соответствует возрастание активности частиц, т. е. их
I 16 |
быстроты и силы ударов. Разумеется, мы должны при-
писать данному месту внутри звезды такую температуру,
чтобы общая сумма ударов была не больше и не меньше
того, что требуется для выдерживания напора верхних
слоев. Таков принцип нашего метода расчета темпе-
ратуры.
При этом возникает одна очевидная трудность. Об-
щая сдерживающая сила должна зависеть не только от
активности частиц (температуры), но также и от их
числа (плотности). Мы наперед не знаем плотности ма-
терии в’ любой, произвольной точке внутри звезды.
Тут требуется ловкость математика. Ему дано определен-
ное количество материи, например известная масса
Солнца, такое-то количество он полагает находящимся
в определенном месте шара, остальное распределяется
по другим местам. Он может рассуждать так: „Не буду
преувеличивать температуры, попробую, могу ли я спра-
виться, если полежу, что она не превосходит 10 000 000°“.
Этим кладется предел активности, которую можно при-
писать каждой частице. Когда математик переходит
к более глубоким слоям Солнца, где частицам прихо-
дится выдерживать больший вес нависающего над ними
материала, то единственная возможность (при выбранном
пределе температуры) предположить большее число
частиц, так, чтобы получалось требуемое общее противо-
действие. И вот оказывается, что математик слишком
поспешно израсходовал все частицы, находившиеся в его
распоряжении, ему ничего не остается для заполнения
центра. Все его построение с пустотой внутри, разумеется,
рухнет в эту пещеру. Таким путем мы убеждаемся, что
невозможно построить звезды солнечных размеров, если
температура внутри не превосходит 10 000 000°. Мате-
2 А- ЭМингтон | 17 ]
матик делает дальнейший шаг: вместо произвольных
поисков нижнего предела температуры он отыскивает
приблизительное истинное распределение температуры,
учитывая, что она должна меняться непрерывно. Тепло
переходит из одного места в другое, и всякие „островки"
температуры скоро Должны выравняться в действитель-
ной звезде. Предоставим математику заниматься подроб-
ной обработкой этих соображений и ограничимся общим
указанием, каким образом можно подойти к решению.
Исследования такого рода начались больше 50 лет
тому назад. Постепенно они развивались и исправлялись,
и теперь мы думаем, что результаты близки к истине,
т. е. мы действительно знаем, какая температура царит
внутри звезды.
Я упоминал уже температуру 6 000°; это — темпера-
тура вблизи поверхности, которую мы видим. Эту
поверхностную температуру можно без особых затрудне-
ний определить наблюдениями. При этом метод тот же, кото-
рым на заводах определяют снаружи температуру внутри пе-
чей. Для глубоких слоев звезды, лежащих за пределами
нашего зрения, требуются чисто теоретические расчеты.
6 000° — только наружное тепло огромного солнечного
очага, эта цифра не дает никакого представления
о чудовищной интенсивности температуры внутри. По мере
погружения внутрь Солнца температура быстро поды-
мается выше миллиона градусов и возрастает в центре
приблизительно до 40 000 000°.
Не думайте, однако, что 40 000 000° такая степень
тепла, что само понятие температуры теряет смысл. Эти
звездные температуры должны пониматься буквально
Тепло есть энергия движения атомов или молекул веще-
ства, и температура, указывающая степень тепла, служит
18 |
мерою быстроты движения атомов и молекул. Например,
при комнатной температуре молекулы воздуха носятся
со средней скоростью около 450 м в секунду; если бы
воздух нагреть до 40 миллионов градусов, то скорость
превосходила бы полтораста километров в секунду. В этом
нет ничего необычайного, астроном привык к таким
скоростям. Скорости звезды или метеоров, врезающих-
ся в земную атмосферу, обыкновенно измеряются 15—
150 километрами в секунду. Скорость движения Земли
_ км „
вокруг Солнца в среднем составляет около 30 — • Для
сек
астронома такие скорости самая обычная вещь, и поэтому
он смотрит на 40 000 000° как на весьма естественное
условие. Если астроном не пугается скоростей в сотни
километров, то физик - экспериментатор смотрит на них
просто презрительно: он привык иметь дело с атомами,
вылетающими из радия и других веществ со скоростями
в десятки тысяч километров в секунду. После таких
атомов - экспрессов и их действий „легкая рысца"
звездных атомов кажется физику тривиальной.
Кроме атомов, летающих во все стороны, внутри
звезды находятся колоссальные количества эфирных волн,
также носящихся по всем направлениям. Эфирные волны
называют разными именами, соответственно их длине.
Самые длинные из них — волны Герца, применяемые
в широковещании, за ними идут инфра-красные, тепло-
вые волны, затем волны обычно видимого света, с по-
следними граничат ультра-фиолетовые или химические
лучи; далее следуют х-лучи и у-лучи, испускаемые радио-
активными веществами. Повидимому, наиболее короткие
волны имеют лучи чрезвычайно проникающей радиации,
обнаруживаемой в нашей атмосфере. Согласно исследова-
2*
I 19 I
лучи отличаются только длиною волн и принадле-
к различным октавам. На глаз действует только
октава, остальные лучи невидимы, однако при-
их такая же, как и у видимого света.
ниям Кольгерстера и Милликэна, эти лучи дохо-
дят до нас из межзвездного пространства. Все назван-
ные
жат
одна
рода
Эфирные волны внутри звезды относятся к классу
так называемых х-лучей. В среднем эти звездные лучи
„мягче" (т. е. с большими длинами волн), чем х-лучи,
применяемые в медицине, но в лабораторных условиях
можно получить лучи еще более мягкие, чем внутри
звезды. Таким образом в недрах звезд находятся вещи,
вполне известные и хорошо изученные в лабораториях.
Кроме атомов и эфирных волн есть еще третий парт-
нер общего бешеного танца. Внутри звезд — огромное
количество свободных электронов.
легкая вещь на
свете: он весит не
Электрон — наиболее
больше ,2g
собой просто
самого
Он представляет
электричества, странствующий в
заряд
одино-
легкого атома,
отрицательного
честве. Атом состоит из тяжелого ядра, которое обык-
новенно окружено гирляндой электронов. Его часто
сравнивают с миниатюрной солнечной системой; это
сравнение дает правильное представление о том, на-
сколько пусто в атоме. Ядро сравнивают с Солнцем,
а электроны с планетами. У каждого сорта атомов, т. е.
у каждого элемента, имеется свой различный „кворум"
электронов. В частности наша солнечная система
с 8 планетами похожа на атом кислорода, у которого
вокруг ядра крутятся 8 электронов. В земной физике
мы считаем обыкновенно, что электронная гирлянда, или
электронный „кринолин" атома, составляет существенную
I 20 1
часть последнего, ибо нам редко приходится встречаться
с атомами, „не вполне одетыми". Когда мы находим
атом, потерявший один или два электрона, мы называем
его ионом. Но в сумятице, происходящей в недрах звезд,
было бы странным ожидать, что такой хрупкий наряд
может сохраниться. Там все наши атомы теряют зна-
чительную часть своих планет-электронов и становятся
ионами, если пользоваться земной терминологией.
Ионизация атомов
При высоких температурах внутри звезды столкновения
частиц друг с другом и в особенности встреча с эфир-
ными волнами (х-лучами) заставляют электроны отрываться
от атомов и становиться свободными. Эти свободные
электроны и составляют третью группу населения звезды,
о котором я упоминал выше. Для каждого отдельного
электрона эта свобода — временная, ибо он скоро захва-
тывается другим искалеченным атомом, но зато где-нибудь,
в другом атоме, освобождается другой электрон, замещая
таким образом захваченный. Отрыв электронов от атомов
называется ионизацией и составляет процесс, чрезвычайно
важный при изучении звезд. Сейчас я покажу фотографии
этого процесса.
Предмет моей беседы—„звезды и атомы". Я уже пока-
зывал вам фотографии звезды, теперь я должен показать
фотографию атома. В наше время это очень легко сде-
лать. В тончайшем кусочке вещества находятся триллионы
атомов; если бы на фотографии они были видны все сразу,
то получилась бы совершенно смытая картина. К счастью,
фотография выбирает и запечатлевает только „атомы-
экспрессы", которые пролетают, как метеоры, не обращая
I 21 ]
внимания на остальные. Можно так установить крупинку
радия, что через поле зрения будут пролетать только
очень немногие „ атомы-экспрессы и на фотографии
получится ясное изображение.
Рис. 3. Пути быстрых а-частиц.
На рис. 3 1 дана фотография 3—4 атомов, пролета-
ющих в поле зрения и оставляющих широкие прямые
следы. Это — атомы гелия, вылетающие с огромными ско-
ростями из радиоактивного вещества.
Я не удивлюсь, если у кого-нибудь появится подо-
зрение, что эти фотографии являются каким-нибудь фоку-
1 Фотографии3—6предоставлены мне проф. Ч. Т. Р. Виль-
соном.
I 22 J
Сом. Неужели это обнаруживаются отдельные атомы,
т. е. бесконечно-малые частицы, которые еще не так
давно казались вообще лежащими за пределами возмож-
ности восприятия? Я' отвечу, задав в свою очередь во-
прос: на фотографии - вы видите дактилоскопический
Рис. 4. Пуги электронов.
отпечаток; что это — чей-нибудь палец или нет? Если вы
ответите — да, то я без колебания отвечаю, что и пря-
мые линии соответствуют отдельным атомам. Но вы ста-
новитесь придирчивым и говорите: „Нет, это не палец,
но только след того, что на пластинке был чей-то палец “.
После этого я также становлюсь осторожным и говорю,
что линия — след, показывающий, что по ней шел атом.
Фотография передает не отпечаток атома, но отпечаток
его действий, точно так же, как на ней нет картины
пальца, а передается только результат действия пальца.
Мне кажется, что несущественно, получен ли отпечаток
I 23 ]
„из tiepnt.ix рук" или „из вторых". Мы поступаем так
же, как в уголовном розыске, где отпечаток пальца
посыпают порошком, благодаря чему он становится види-
мым, или как биолог, который делает слепки со своих
объектов. Атом, так сказать, оставляет некоторый „запах"
на своем пути, и мы обязаны профессору Вильсону
остроумным способом обнаружения этого „запаха".
„Собачья свора" профессора Вильсона состоит из
водяных паров, которые . „нюх" подводит к атомному
следу и заставляет там сгущаться в капли.
Теперь вы, естественно, желаете видеть фотографию
электрона. Это тоже можно устроить. Изломанный, вол-
нистый след на рис. 3 — след электрона. Благодаря еврей
ничтожной массе электрон значительно легче отклоняется
от своего пути, чем тяжелый атом, который словно пуля
пролетает через все препятствия. На рис. 4 видно
большое число электронов, причем один из них — с
очень большой скоростью, вследствие чего от него
получился прямолинейный след. В частности эта фото-
графия поясняет механизм, посредством коего пути частиц
становятся видимыми; вы замечаете, что пути состоят из
отдельных капелек воды.
Мы. видели фотографии атомов и свободных элек-
тронов. Для пополнения картины звездного населения
нам хотелось бы иметь фотографию х-лучей. Выполнить
это в точности нельзя, можно, однако, близко подойти
к цели. Фотографии посредством х-лучей достаточно
хорошо известны, но фотография самих х-лучей — дело
другое. Я уже говорил, что электроны можно вышибить
из атомов при помощи х-лучей. Когда это происходит,
то обыкновенно свободный электрон вылетает с большой
скоростью; вот такрй быстрый электрон и можно фото-
I 24 I
графировать. На рис. 5 вы видите четыре электрона,
вылетевшие под действием х-лучей. Заметьте, что все
они выходят из точек, лежащих на одной прямой, и не
требуется большого воображения, чтобы представить себе
некоторую таинственную силу, распространяющуюся по
этой прямой и вызывающую взрывы. Эта сила и есть
х-лучи, распространявшиеся узким пучком вдоль прямой
Рис. 5. Ионизация х-лучами.
справа налево при фотографировании. Хотя перед вами
и нет прямого образа самих х-лучей, но фотография
во всяком случае показывает процесс ионизации, столь
важный в звездных глубинах и состоящий в освобождении
электрона из атома при падении х-лучей. Вы замечаете,
что ионизация атома х-лучами — дело случая. На пути
лучей находятся триллионы атомов, не видных на фото-
графии, тем не менее х-лучи проходят длинный путь,
прежде чем найдут атом, которой они избирают для
ионизации.
Наконец, я могу показать вам другой способ иони-
зации атомов более механическим путем, при соударении
I 25 |
с быстрыми электронами. На рис. 6 свободный электрон
шел почти горизонтально, но маленькие водяные капли,
которые должны отмечать траекторию электрона, так
удалены друг от друга, что с первого взгляда вы не
можете связать их в одну линию. Обратите внимание
на то, что капли расположены парами. Это происходит
потому, что быстрый электрон, ударяясь о некоторые
атомы, выбивает из них по электрону. Таким образом
вдоль траектории быстрого электрона вам виден разбитый
Рис. 6. Ионизация при соударении с электроном.
атом и свободный электрон, расположенные рядом, хотя
вы и не можете сказать, какая капля соответствует атому
и какая—электрону. В данном случае первоначальный
быстрый электрон был слишком силен, поэтому процесс
усложнился, но обыкновенно на фотографии ясно видны
только два осколка, образующихся при ударе Ч
Циник скажет, пожалуй, что недра звезд — очень безо-
пасная тема для сказок, так как никто не может пойти
1 Характер фотографий определяется, собственно, электри-
ческим зарядом, а не скоростью частицы. Но при огромной
скорости электрона он оставляет да собою хвост электрически
заряженных частиц — жертв его бешеного полета, эти жертвы
и указывают косвенно линию полета.
I 26 |
туда и доказать вашу ложь. В защиту я отвечу, что, ПО
крайней мере, я не злоупотребляю неограниченными воз-
можностями воображения. Я прошу только допустить,
что внутри звезд существуют достаточно привычные
предметы и процессы, которые можно фотографировать.
Но, может быть, вы перемените фронт и скажете: „Какое
право имеете вы предполагать, что природа столь же
лишена воображения, как вы сами? Может быть, она
спрятала в звездах что-нибудь новое, опрокидывающее
все ваши идеи?“ Но я думаю, что в науке не было бы
никакого продвижения, если бы мы всегда боялись неиз-
вестных препятствий, скрытых за каждым углом. По край-
ней мере надо тщательно осмотреться вокруг этого угла,
и, может быть, окажется, что за ним нет ничего страшного.
Наша цель при изучении звездных недр не только поди-
виться фантастическому миру, условия которого превос-
ходят данные нашего обычного опыта, мы хотим узнать
внутренний механизм, который делает звезды такими,
каковы они есть. Если мы хотим понять явления на по-
верхности звезды и узнать, почему „звезды разнствуют
во славе своей", мы должны спуститься вниз, в „машин-
ное отделение", чтобы найти истоки тепла и энергии,
проникающих через поверхность. В конце концов теория
должна верить нас на поверхность, и нам придется
сравнить ее результаты с наблюдениями, чтобы убедиться,
не сделано ли грубой ошибки. Пока все возможности
не исчерпаны, нет основания предполагать что-либо, чего
не дает лабораторный опыт. Х-лучи на звезде такие же,
как и в земных лабораториях, но на звезде их огромное
количество. Можно получить х-лучи такие же, как на
звезде, но мы не в состоянии производить их в таком
же изобилии. Фотография на рис. 5 показывает лабора-
I 27 |
Торный пучок х-лучей, которые вырвали четыре электрона
из различных атомов; эти электроны очень скоро будут
снова пойманы. Интенсивность лучей на звезде должна
быть во много миллионов раз большей; только что захва-
ченный электрон вырывается там снова, и электронная
свита атома обрывается почти начисто. Такое почти
полное оголение' атомов важно для изучения звезд по
двум основаниям.
Первое таково. Архитектор, прежде чем высказать свое
мнение относительно плана здания, желает знать, будет
ли постройка, для которой изготовлен план, строиться из
дерева, стали, камня и т. д. Подобным же образом,
прежде чем разрабатывать детали строения звездных недр,
нужно знать, построены ли они из тяжелых материалов
вроде свинца или легких вроде углерода. При помощи
спектроскопа можно узнать многое о химическом составе
солнечной атмосферы; но отсюда еще далеко до знания
состава Солнца в целом. Чрезвычайно рискованно делать
догадки о том, какие элементы преимущественно нахо-
дятся в глубоких недрах. Повидимому, мы зашли в тупик.
Но теперь время вспомнить, что атомы внутри звезд
почти лишены внешних электронов, поэтому они будут
вести себя почти одинаково, по крайней мере в отно-
шении свойств, существенных в астрономии. Высокая
температура, которая несколько пугала нас вначале,
упрощает дело: она в значительной мере стирает разли-
чие между сортами звездного материала. Структура звезды «
является поэтому непривычно простой физической зада-1;
чей. Только при низких температурах, с которыми про-1;
изводятся опыты на земле, материя становится сложной
и приобретает запутанные свойства. Звездные атомы —
голые дикари, непричастные к классовым различиям
I .28 ]
наших разряженных земных атомов. Поэтому мы можем
двигаться дальше, не делая догадок о химическом составе
звездных недр. Необходима, впрочем, одна оговорка: там
нет слишком больших относительных количеств водорода.
Водород ьедет себя несколько особенно. В отношении
же остальных 91 элементов почти безразлично, какой
из них находится в избытке.
Второе обстоятельство, связанное с почти полной
ионизацией атомов внутри звезд, заключается в следую-
щем. Размеры тех же атомов на земле и внутри звезд
совершенно иные, так как у звездных атомов в сравнении
с земными оборваны внешние электроны. Поэтому свой-
ства вещества, зависящие от размеров атомов, на земле
и звездах будут различными; об этрм еще будет речь
впереди.
Для пояснения значения химического состава звезды
мы вернемся к вопросу о необходимости сдерживания
нижними слоями давления верхних. При данной темпе-
ратуре любая индивидуальная частица имеет одинаковое
значение для такого сдерживания, как и всякая другая,
независимо от ее химической природы: более легкие
атомы взамен малости своей массы имеют соответственно
ббльшую скорость. В этом заключается известный закон
экспериментальной химии, объясняемый кинетической
теорией Максвелла и Больцмана. Положим сна-
чала, что Солнце нацело составлено из серебряных атомов,
и на основании этого предположения сделаем расчет
температуры; затем сделаем другое предположение — о том,
что Солнце построено из более легкого элемента — алю-
миния. Атом серебра весит ровно в 4 раза больше, чем
атом алюминия; для определенной массы Солнца придется,
следовательно, взять вчетверо большее количество атомов
I 29 1
алюминия, чем серебра. При этом, однако, учетверится
и противодействие давлению верхних слоев, и массы
будут отталкиваться наружу, если мы не введем каких-
либо изменений. Чтобы поддержать равновесие, надо
уменьшить активность каждой частицы в 4 раза. Иными
словами, алюминиевому Солнцу придется приписать
’/4 температуры серебряного Солнца. Таким образом, для
неионизованных атомов изменение химического состава
равносильно резкому изменению внутренней температуры.
Но если электроны оторваны от атома, они сами,
т. е. электроны, также становятся независимыми части-
цами, сдерживающими верхние слои. Один свободный
электрон при этом дает столько же, как и атом; масса
его во много раз «меньше, чем у атома, зато он движется
в сотни раз быстрее. При полной ионизации атома
серебра получится 47 свободных электронов, вместе
с остающимся ядром образуется, следовательно, 48 частиц.
Атом алюминия содержит 13 электронов и при полной
ионизации дает всего 14 частицу 4 атома алюминия дают
таким образом 56 независимых частиц. Переход от иони-
зованных атомов серебра к равной массе ионизованного
алюминия соответствует, стало быть, только переходу от
48 частиц к 56, что равносильно понижению темпера-
туры на 14 процентов. Такая степень неопределенности
терпима при определении внутренней температуры Ч Это
1 Если вместо серебра взять другой элемент, отличие будет
небольшим; это отличие практически будет еще меньше благо-
даря тому, что на Солнце находится смесь элементов. За исклю-
чением во юрода наиболее резко отличаются серебро (81 частица)
и гелий (48 частиц). Но для водорода число частиц будет 216,
так что водород дает цифры, значительно отличающиеся от
других элементов.
I зо |
большой шаг вперед в сравнении с расчетом для нераз-
битых атомов, где неопределенность, как мы видели,
достигает 400 процентов.
Благодаря ионизации результаты становятся, таким
образом, мало отличающимися друг от друга при любых
предположениях о химическом составе звездных недр
Помимо этого вследствие ионизации значительно пони-
жается вычисляемая температура, так как число сдержи-
вающих частиц при ионизации возрастает. Иногда думают,
что чрезвычайно высокая температура, приписываемая
звездным недрам, — современная сенсация. Это не
так. Прежние исследователи, пренебрегавшие иони-
зацией и световым давлением, приписывали звездам
значительно более высокие температуры, чем принятые
теперь.
* Средний атомный вес вполне ионизованного элемента
И __ _ где А — обычный атомный вес, Z —- число электро-
нов в атоме. В своей большой монографии Эддингтон при-
водит такую таблицу:
1 Элемент А И Элемент А й
Водород . 1 0,50 Железо . . 56 2,07
Гелий . . . 4 1,33 Серебро 108 2,25
Литий . . 1 1,75 Барий . . •. 137 2,40
Кислород . 16 1,73 Золото . . 197 2.46
Кальций 40 1,91 Уран . . . 238 2,56
и окончательно приписывает звездному материалу „средний
атомный вес“ 2,2. Прим, переводчика.
31 I
Давление радиации и масса
Звезды отличаются одна от другой по массам, т. е
по количеству материала, из которого они образованы,
однако различия не столь велики, как можно бы думать,
судя по грома тным различиям яркости звезд. Мы не
всегда можем определить массу звезды, но есть поря-
дочное число звезд, для которых масса определена астро-
номическими наблюдениями. Масса Солнца, если ее выра-
зить в тоннах, напишется такой цифрой:
2 000 000 000 000 000 000 000 000 000.
Надеюсь, что я не обсчитался, приписывая нули справа;
осмеливаюсь, однако, сказать, что вы наверное не придали
бы большого значения, если бы одним или двумя нулями
было больше или меньше. Но для природы это имеет
значение. При формировании звезд правильное число
нулей имело, очевидно, огромный смысл. У природы
как бы существовало задание об определенном количе-
стве материала на каждую звезду. Без сомнения, неко-
торая нехватка или избыток допускались. Пропускались
даже звезды с целым лишним нулем, причем возникали
необычайно большие светила, «или очень малые звезды
с нехватающим нулем. Но такие отклонения редки, и
ошибка в два нуля была бы неслыханной ОбыкнЬвенно
массы звезд близко подходят к образцу.
1 В 1927 г. .О. Струве определил массу четверной
звезды 27 Canis majoris. Общая масса всех звезд системы ока-
залась приблизительно в 1 000 раз большей, чем у Солнца.
В среднем масса каждой из компонент почти в 250 раз пре-
восходит почти „нормальную" массу Солнца. Если расчеты
Струве верны, то перед нами .неслыханное" отклонение от
нормы. Прим, переводчика.
I 32 |
Каким образом природа считала нули? Ясно, что
должно быть нечто внутри самой звезды, ведущее этот
счет и, так сказать, протестующее, если превзойдена
норма. Мы думаем, что этот механизм нам известен.
Вспомните об эфирных волнах внутри звезды. Они стре-
мятся выбраться наружу и при этом давят на материю,
в которой они заключены. Эта сила, направленная наружу,
если она достаточно велика, заслуживает внимания на-
ряду с другими силами при изучении равновесия или
устойчивости звезды. В сферах небольшого размера эта
сила ничтожна, но значение ее возрастает по мере
увеличения массы сферы. Вычислено, что она достигает
того же порядка величины, как и другие силы, управля-
ющие равновесием звезды, когда масса последней дохо-
дит приблизительно до написанной выше цифры. Если
бы мы никогда не видели звезд и просто занимались зада-
чей о максимальной массе шара, которая была бы в со-
стоянии удерживаться в равновесии, то мы нашли бы,
что затруднений нет до масс приблизительно в две
тысячи квадриллионов тонн, но далее обстоятельства
резко должны измениться, и сила светового давления
приобретает основное значение Ч Здесь я чувствую себя
не совсем прочно: точные вычисления дальше невозможны,
и никто не мог рассчитать пока, что будет производить
1 Приводим следующую таблицу из большой книги Эддин-
гтона. В первом столбце находятся массы, выраженные в тон-
нах, во втором — световое давление в центре сферы, выражен-
ное в единицах общего давления верхних слоев материн на
центр при равновесии. В третьем столбце находится давление
газа, выраженное в тех же единицах. Ясно, что при равновесии
сумма светового давления и газового, противодействующих
внешнему давлению (-- 1), должна быть равной единице.
3 Л. ЭМцнгпюн I 33 I
световое давление дальше. Но едва ли случайно, что
все звезды по своей массе столь близки к критической.
Поэтому я осмеливаюсь высказать догадку и о дальней-
шем. Новая сила, световое давление, не запрещает боль-
ших масс, но она делает их рискованными. Даже при
умеренном вращении звезды вследствие добавления центро-
бежной силы при этих условиях звезда может разо-
рваться. Следовательно, большие массы могут осущест-
виться только в редких случаях; поэтому большая часть
звезд существует с массами, при которых новая сила только
начинает угрожать. Сила тяготения собирает рассеянный
Масса Световое давление Давление газа
1024 0,00000016 099999984
10» 0,000016 0,999984
Ю2в 0,0016 0,9984
10« 0,106 0,894
102S 0,570 0,430
Ю29 0,850 0,150
1030 0,951 0,049
10’» 0,984 0,016
Ю32 0,9951 0,0049
1033 0,99’4 0,0016
10» 0,99951 0,00049
Световое давление, как видно из таблицы, приобретает огром-
ное значение, начиная с масс порядка солнечной, т. е. с 102'
тонн, хотя равновесие, кочечно, продолжает сохраняться. Прим,
переводчика.
I 34 |
материал туманностей и космической материи, давление
радиации формует массы подходящих размеров.
Многим эго давление радиации более известно под
названием „светового давления". Термин „радиация"
соответствует всем видам эфирных волн, включая и свет,
так что смысл остается прежним. Сначала было показано
теоретически* а затем проверено на опыте, что свет про-
являет очень слабое давление на всякий встречный пред-
мет. Теоретически возможно сбить с ног человека, повер-
нув навстречу ему световой пучок прожектора; для этого,
однако, прожектор должен быть чудовищной интенсив-
ности, и человек, вероятно, обратился бы в пар под
действием такого пучка света. Давление света играет, |1
повидимому, большую роль во многих небесных явлениях. |
Еще очень давно предполагалось, что мельчайшие частицы
кометных хвостов отклоняются в сторону • под давлением
солнечного света. Но такое объяснение сомнительно.
Внутри звезды интенсивный поток света (х-лучей) подо-1
бен вихрю, дующему наружу и разрыхляющему звезду.|
Недра звезды
Теперь можно составить некоторую картину звездных
недр, в которых мечутся атомы, электроны и эфирные
волны. Растерзанные атомы носятся со скоростями
в сотни километров в секунду, их обычный наряд из
электронов сорван с них в общей свалке. Оторвавшиеся
электроны летят в сотни раз быстрее, отыскивая новые
места. Проследим за одним из них. Когда электрон при-
ближается к ядру, то как будто соударение близко, но
электрон, увеличивая скорость, огибает ядро по крутой
кривой дальше. Иногда кривая несколько загибается
| 35 |
назад, но все же электрон уходит с увеличенной или
уменьшенной энергией. После тысяч таких встреч, про-
текающих в течение миллиардных долей секунды, изну-
рительный бег электрона кончается при каком-нибудь
на редкость неудачном повороте около ядра. Он захва-
тывается и приковывается к атому. Но едва успеет он
занять свое место, как цепи' разрываются .х-лучом, по-
павшим внутрь атома. Набравшись энергии луча, электрон
вырывается снова на пбиски дальнейших приключений.
Я чувствую, что костоломная комедия современной атом-
ной физики не очень деликатна и не соответствует
эстетическим идеалам. Величественная драма эволюции
звезд становится более похожей на трюки кино-фильмы,
а музыка сфер напоминает джаз-банд.
И каков результат всей этой суматохи? Очень неболь-
шой. Несмотря на всю суетню, атомы и электроны не
находят себе постоянного места, они только меняются
местами. Только эфирные волны — единственная часть
звездного населения, выполняющая что-то остающееся.
Хотя и они разлетаются по всем направлениям, но в сред-
нем все же слегка продвигаются вперед. Атомы и элек-
троны вперед не двигаются: этому препятствует тяготение.
Но эфирные волны медленно пробираются наружу, как
сквозь сито. Эфирная волна перелетает от одного атома
к другому- вперед, назад, то поглощаясь, то вновь выле-
тая в другом направлении, теряя индивидуальность, но
оставляя наследника. Если посчастливится, то через
срок не безгранично долгий (от десяти тысяч до десяти
миллионов лет, в зависимости от массы звезды) волна
очутится вблизи поверхности. При низких температурах
она превращается из х-луча в видимый свет, постепенно
меняясь при каждом новом излучении. Наконец, она столь
I 36 ]'
близка к границе, что может выбраться наружу, и мирно
путешествует вперед в течение сотен лет. Может быть,
в конце концов она достигнет и нового удаленного мира,
где ее ждет астроном, чтобы поймать в телескоп и выну-
дить у нее тайны ее месторождения.
Важно определить скорость продвижения эфирных
волн в звездах, поэтому нам надо терпеливо изучить,
что происходит среди этой бурной толкотни. Иными
словами: волны выходят наружу вследствие разницы
температуры внутри и на поверхности звезды.' Прохожде-
нию волн мешают их встречи с атомами и электронами.
Задача математика — определить на основании законов и
теорий, полученных при изучении тех же процессов
в лаборатории, какова величина фактора, заставляющего
волны итти наружу, и фактора, задерживающего волны.
Отсюда получится скорость прохождения волны. Разу-
меется, вычисленная величина должна согласоваться с
астрономическими измеренйями тепла и света, исходящих
от звезды. Таким образом, наконец, мы приходим к след-
ствиям теории, доступным опытной проверке.
Непрозрачность звездной материи
Рассмотрим причину, задерживающую диффузию волн,
поворачивающую волны назад при встречах с атомами
и электронами. Если бы мы имели дело с видимыми
волнами, то назвали бы такую задержку • непрозрач-
ностью, или темнотой материала. Тот же термин мы
будем применять и к задержке х-лучей.
Нетрудно» видеть, что материал звезды должен быть
очень темным. Количество радиации внутри звезды столь
велико, что' если бы радиация ничем не задерживалась,
[ 37 ]
То диффузия наружу должна бы во много раз превосхо-
дить в действительности наблюдаемую. Мы приведем
такой пример типичной степени непрозрачности, тре-
бующейся для согласия с наблюдаемой диффузией. Пред-
положим, что мы находимся на звезде Капелле. Отыщем
там область, где плотность материи такая же, как у атмо-
сферы на поверхности Земли Материя Капеллы должна
быть настолько непрозрачной, чтобы через слой в 5 си
толщиною проходила только треть эфирных волн, осталь-
ное должно поглотиться. 30—50 см толщины практи-
чески достаточно для полной непроницаемости. Если
иметь в виду световые волны, то такая непрозрачность
кажется поразительной для материала с плотностью воз-
духа; но нужно помнить, что мы говорим о непрозрач-
ности для х-лучей. Физик-практик хорошо знает, на-
сколько трудно пропустить мягкие сорта х-лучей даже
через толщу нескольких миллиметров воздуха.
Имеется отрадное согласие’ в общем порядке величин
между непрозрачностью звезды, определяемой астрономи-
чески, по наблюдениям диффузии излучения, и непрозрач-
ностью земных веществ по отношению к х-лучам прибли-
зительно с такой же длиной волны, как внутри звезды.
Это дает нам некоторую гарантию, что наша теория на
правильном пути. Однако тщательное сравнение показы-
вает наличие и некоторого важного различия звездной и
земной непрозрачности.
В лаборатории мы находим, что непрозрачность очень
быстро возрастает с длиною волны х-лучей. Мы не ви-
дим, однако, такого возрастания в звездах, хотя х-лучи
1 Средняя плотность Капеллы приблизительно такая же, как
плотность воздуха на поверхности земли.
I 38 J
в более холодных светилах должны обладать значи-
тельно большей длиной волны, чем в горячих звездах.
Сравнивая непрозрачность для одной и той же волны
в обеих звездах, мы находим, что звездная’ непрозрач-
ность меньше земной. Рассмотрим это разногласие по-
дробнее.
Есть много способов, которыми атом может поглощать
эфирные волны, однако несомненно, что для х-лучей как
внутри звезд, так и в лаборатории главная доля непро-
зрачности зависит от процесса ионизации. Эфирные
волны попадают в атом, их энергия всасывается одним
из планетных электронов, который за счет этой энергии
выскакивает из атома и улетает с большой скоростью.
Следует заметить, что при таком акте поглощения абсор-
бирующий механизм перестает действовать до тех пор
пока он снова не будет исправлен. Для исправления
атом должен захватить один из свободных электронов,
странствующих вокруг, принуждая его занять место по-
терянного электрона.
В лаборатории можно производить только слабые
потоки х-лучей, захват волн атомами происходит изредка
и случайно. Здесь очень много времени для восстановле-
ния нарушенного механизма, при следующей встрече
атом опять готов к захвату, поэтому практически нельзя
заметить ослабления поглощательной способности вслед-
ствие выведения из строя захватывающих механизмов.
Но в звездах поток х-лучей чрезвычайно интенсивен.
Его можно сравнить с армией мышей, марширующих
по вашей кладовой и попадающих в мышеловки без
промаха, если только мышеловки открыты и пружины
в них натянуты. На очищение мышеловок и восстановле-
ние пружин требуется время, и число пойманных мышей
I 39 |
главным образом будет зависеть от скорости этой
операции.
Мы видели, что звездные атомы потеряли большинство
своих электронов — это значит, что в каждый момент зна-
чительйпя доля поглощающих капканов ждет починки.
По этой причине непрозрачность звезд и оказывается
меньшей, чем на земле. Пониженное поглощение есть
простой результат перегруженности работой абсорбирую-
щих механизмов: им приходится оперировать слишком
большим количеством радиации. Отсюда понятно, почему
законы звездного и земного поглощения несколько раз-
личны. Скорость „починки", которая имеет основное
значение для поглощения внутри звезд, возрастает при
сжатии материала, ибо в этом случае атомам не прихо-
дится долго ждать встречи и захвата свободного элек-
трона. Следовательно, непрозрачность звезды будет воз-
растать вместе с плотностью. В земных условиях уско-
рение „починки" не дает преимуществ, так как и без того
атом будет восстановлен своевременно, следовательно,
поглощение на земле це зависит от плотности.
Таким образом теория непрозрачности звезды сводится
главным образом к теории захвата электронов ионизо-
ванными атомами; разумеется, этот процесс не играет
никакой роли в самом поглощении х-лучей (он сопро-
вождается, наоборот, излучением), однако он — необхо-
димая подготовка к абсорпции. Физическая теория захвата
электронов еще не вполне определенна, но она уже доста-
точно развита для того, чтобы ею воспользоваться при
предварительных расчетах задерживающего фактора в
диффузии радиации звезд
* Количественная теория непрозрачности звездного мате-
риала, основанная на квантовой теории абсорпции К р а м е р с а,
I 40 ]
Связь яркости и массы
Не будем с самого начала браться за слишком труд-
ную задачу и рассмотрим пока звезду, состоящую из
идеального газа. Если вам не нравится специальное вы-
ражение „идеальный газ", можно называть его просто
„газом", так как все земные газы, которые вы себе
представляете, в достаточной степени совершенны
и идеальны. Укажу, что имеется много примеров газо-
образных * 1 звезд. Во многих звездах вещество столь
расширено, что плотность меньше, чем у воздуха около
нас; например, если бы вы находились внутри Капеллы,
то материя Капеллы была бы для вас еще менее заметна,
чем воздух в комнате.
Для газообразных звезд в результате исследования
получаются формулы, при помощи коих можно вычислить,
какое количество энергии, света и тепла должно диффун-
дировать сквозь их поверхность, короче, какова должна
быть их яркость. На рис. 7 проведена кривая, показы-
вающая теоретическую связь между яркостью и массой
звезды. Строго говоря, есть и другой фактор, помимо
дает очень резкое расхождение с данными астрономического
наблюдения; именно, теоретическая величина приблизительно
в 10 раз меньше наблюденной. Эддингтон (в своей боль-
шой книге) пока не находит выхода из этого серьезного затруд-
нения и называет его „мрачным, облаком" на горизонте теории
звезд. Джинс видит в огромной величине непрозрачности
звезд доказательство того, что недра звезд состоят из очень
тяжелых атомов, неизвестных иа земле элементов, атомные веса
которых много больше, чем у урана. Прим."переводчика.
1 Там, где в дальнейшем нет особых оговорок, под „газо-
образной" звездой мы понимаем звезду, состоящую из идеаль-
ного газа.
I 41 |
массы, который влияет на вычисленную яркость: могут
существовать две звезды с одинаковой массой, но одна
будет плотной, другая разреженной, яркость их не оди-
накова. Но довольно неожиданно оказывается, что этот
другой фактор — плотность — мало влияет на яркость,
если, впрочем, материал не слишком плотен, так что его
можно считать идеальным газом. Поэтому здесь я ничего
не буду говорить о плотности.
i Привожу некоторые детали относительно диаграммы.
Яркость измерена в „величинах", т. е. практических еди-
ницах. Надо помнить, что чем больше звездная „вели-
чина", тем меньше ее яркость. Диаграмма заключает
практически всю шкалу яркостей: 4 наверху соответ-
ствует наиболее ярким известным звездам, а 12 внизу
[ 42 ]
относится к звездам предельной слабости. Различие
между верхом и низом приблизительно такое же, как
между вольтовой дугой и светляком. Солнце соответ-
ствует приблизительно яркости 5. Разумеется, эти вели-
чины относятся к истинной, а не к кажущейся яркости,
которая зависит от расстояния; кроме того, цифры на
диаграмме представляют так называемую „тепловую
яркость или интенсивность", которая иногда несколько
отлична от световой интенсивности. Имеются астрономи-
ческие инструменты, измеряющие непосредственно энер-
гию, приходящую от звезд, а не свет. В показания этих
приборов приходится, однако, вносить сложные поправки
вследствие большого поглощения радиации в земной
атмосфере, и в большинстве случаев легче и точнее найти
„тепловую яркость" из световой, учитывая окраску звезды.
На горизонтальной шкале диаграммы нанесены логарифмы
масс. С крайней левой стороны масса составляет прибли-
зительно г/е солнечной, а с правой стороны — 30 сол-
нечных масс; вне этих пределов имеется очень мало
звезд. Масса Солнца соответствует цифре 0,0 на шкале.
Получив теоретическую кривую, мы должны прежде
всего сравнить ее с наблюдениями, иными словами, мы со-
бираем данные, относящиеся к звездам, для которых одно-
временно известны масса и абсолютная яркость. Соответ-
ствующие точки наносятся на диаграмму, и мы смотрим,
попадают ли они на кривую, чтд должно быть, если
теория верна. Для немногих звезд масса определена
с большой точностью. Все достаточно достоверное вклю-
чено в диаграмму на рис. 7. Кружочки, крестики, ква-
драты и треугольники относятся к различным классам
данных; некоторые из них хороши, другие плохие, часть
совсем плохие.
[ 43 1
Наиболее достоверны кружочки. 11росмогрим их справа
налево. Сначала* идет яркая компонента Капеллы, пре-
красно укладывающаяся на кривую... потому что я про-
вел теоретическую кривую через нее. Вы видите отсюда,
что была числовая постоянная, которая при современном
состоянии наших знаний об атомах, эфирных волнах и
прочем не может быть определена с достоверностью
чисто теоретически С Таким образом полученная кривая
была произвольна в одном направлении, она могла быть
поднята или опущена. Аы закрепили ее, пропустив через
точку, соответствующую яркой компоненте Капеллы;
это, повидимому, лучшая звезда для данной цели. После
этого всякий произвол был устранен. Спускаясь вниз,
мы встречаемся с более слабой компонентой Капеллы,
затем с Сириусом, далее с двумя компонентами d Cen-
tauri (ближайшая неподвижная звезда) и Солнцем между
ними. Тут же на кривую ложится кружок, представляю-
щий среднее для шести двойных звезд Гиады. Наконец,
далеко влево находятся две компоненты хорошо известной
двойной звезды, называемой «Крюгер 60“.
Данные наблюдений для проверки кривой не настолько
обширны и достоверны, насколько хотелось бы; я думаю,
однако, что из рис. 7 ясно, что в существенном теория
подтверждается: она действительно дает возможность по
яркости предсказать массу звезды, или обратно; это
полезный результат, ибо имеются тысячи звезд, у кото-
рых мы можем измерить яркость, но не массу; по кривой
мы можем оценить их массы с некоторой достоверностью.
* Эта постоянная непосредственно связана с коэффициентом
непрозрачности звездного материала. Ср. наше примечание
на стр. 40. Прим, переводчика.
I 44 ]
Я не мог здесь привести деталей расчета и ограничи-
ваюсь указанием на то, что кривая рис. 7 проведена на
основании чистой теории или земных опытов, за исклю-
чением того, что одна постоянная формулы определяется
путем проведения кривой через точку, соответствующую
Капелле. Вообразим себе физика, работающего на оку-
танной облаками планете, вроде Юпитера. Пусть этот
физик никогда не видал звезд, но он может вывести
методами, о которых говорилось на стр. 33, что если
за облаками существует вселенная, то она должна со-
браться в массы порядка тысяч квадриллионов тонн. Он
предскажет далее, что эти скопления должны быть
сферами, испускающими свет и тепло, и что яркость их
зависит от массы по закону, представленному на кривой
рис. 7. Все данные, нужные для его расчета, будут ему
доступны, несмотря на облачную завесу. У. нас было
только одно преимущество: мы могли воспользоваться
данными, относящимися к яркой компоненте Капеллы.
Однако даже без этого незаконного подсматривания он
приписал бы на основании современной физической
теории незримым для него звездам такую яркость, кото-
рая не была бы ошибочной до абсурда. Если он не мудрее
и не осведомленнее нас, то он приписал бы звездам
яркость, приблизительно в десять раз превосходящую
действительную х, это уже не такая грубая ошибка для
первой попытки решения столь загадочного вопроса.
Мы надеемся выяснить смысл этого лишнего фактора 10
< Для такого предсказания не нужно знать химического со-
става звезд, если только исключить крайние случаи (т. е. избы-
ток водорода). Например, рассмотрим две гипотезы: а) Капелла
состоит из железа, Ь) из золота. На основании теории непро-
зрачности звезда, состоящая из более тяжелого элемента, будет
I 45 ]
при дальнейшем изучении атомных процессов, временно же
исключаем ‘его, определяя сомнительную постоянную из
астрономических наблюдений1.
Плотные звезды
Согласие наблюденных точек с кривой замечательно
хорошее, если принять во внимание неточность наблю-
дений; перед нами, повидимому, сильное подтверждение
теории. Приходится сделать, однако, ужасное признание —
мы сравнивали с теорией неправильные звёзды. По
крайней мере сначала, в 1924 г., когда такое сравнение
было впервые сделано, никто не сомневался, что звезды
выбраны неправильно.
Напомним, что теория была разработана для звезд,
находящихся в условии идеального газа. В правой поло-
вине рис. 7 все точки соответствуют диффузным звездам.
Типичной для таких звезд может считаться Капелла,
средняя плотность которой почти равна плотности ком-
натного воздуха. Они построены, очевидно, из истинного
газа, и поскольку такие звезды согласуются с кривой,
теория подтверждается. Но в левой части диаграммы
находится Солнце, материя которого в среднем плотнее
воды, у „Крюгер 60“ плотность больше, чем у железа,
в 2*/2 раза непрозрачнее железной звезды. Поэтому, казалось бы,
золотая звезда- будет светить в 2*/2 раза слабее. Однако с по-
вышением непрозрачности возрастает температура, в результате
чего отдача тепла увеличивается приблизительно в 2*/а раза.
Окончательно яркость золотой и железной звезд будет практи-
чески одинаковой. Такая независимость от химического строения
делает результат очень определенным, но одновременно тем
труднее становится понять смысл лишнего фактора 10.
, * Ср. примеч. на стр. 40. Прим, переводчика.
f 46 ]
у других звезд плотности такие, которые мы обычно
связываем с жидким или твердым состоянием. Какое
отношение имеют эти звезды к кривой, полученной для
идеального газа? Когда данные для этих звезд наноси-
лись на диаграмму, то не было никакой надежды, что
они уложатся на кривую, в действительности обнару-
жилось досадное согласие. Была мысль, что теория уже
достаточно подтверждается согласием с данными, отно-
сящимися к диффузным звездам; по измерениям откло-
нений для плотных звезд, точки которых должны бы.
расположиться ниже кривой, была надежда определить,
насколько различается вещество в плотных звездах от
идеального газа. Согласно существовавшим воззрениям
ожидалось, что Солнце на диаграмме должно расположиться
на 3—4 величины ниже кривой, а „Крюгер 60“—почти
на 10 величин ниже1. Вы видите, что это ожидание совер-
шенно не оправдалось.
Удивление было даже сйльнее, чем я здесь могу вы-
разить, ибо резкое падение, яркости при переходе звезды
в конденсированное состояние было догматом наших
представлений об эволюции звезд. На основании этого
догмата звезды были разделены на две группы — гигантов
* Наблюдения показывают, что Солнце почти на 4 величины
слабее, чем средняя диффузная звезда того же класса, а „Крю-
гер 60*—на-10 величин слабее. Такая разница обыкновенно
объяснялась отклонениями от условий идеального газа, но при
этом не учитывалось возможное различие масс. Кривая заста-
вляет сравнивать плотную и диффузную звезды с одинаковыми
массами, и тогда расхождение исчезает. Таким образом (если
тут нет какой-либо ошибки) плотная звезда находится в газо-
образном состоянии, и указанные различия яркости полностью
объясняются различием масс.
I 47 ]
и карликов; первые соответствовали газообразным звездам,
вторые — плотным.
Перед нами две возможности. Первая состоит в том,
что в нашей теории что-то ошибочно, истинная кривая
для диффузных звезд отличается от нашей, в левой
части она проходит выше, так что Солнце, «Крюгер 60“
и г. д. находятся от нее на требующихся расстояниях.
Иными словами, наш воображаемый критик оказался
прав: природа утаила что-то неожиданное внутри звезд,
-и наши расчеты оказались тщетными. Если это так, то
это не плохо: в результате нашего исследования обна-
ружилось кое-что новое.
Другое объяснение состоит в следующем: исключена ли
возможность того, что идеальный газ может иметь плот-
ность железа? Ответ довольно неожиданный. Нет осно-
вания отрицать, будучи на Земле, отсутствие такой воз-
можности на звездах. Или, вернее, это невозможно на
Земле, но возможно на звездах.
Материя Солнца, хотя она.и плотнее воды, в действи-
тельности — идеальный газ. Это звучит невероятно, но
это должно быть так. Признак истинного газа в том,
что у него достаточно свободного пространства между
частицами: в газе мало вещества и много пустоты.
Сжимая газ, вы не сжимаете субстанции, вы только устра-
няете из него некоторую долю пустого пространства.
Но если продолжать сжатие, то настанет момент,
когда почти все пустое пространство будет устранено,
атомы придут в соприкосновение, и всякое дальнейшее
давление должно сжимать самую субстанцию, что, разу-
меется, совсем другое дело. По мере приближения к та-
кой плотности сжимаемость, характерная для газа, исче-
зает, и материя перестает быть газом в точном смысле
[ 48 ]
слова. В жидкости атомы весьма сближены между собою,
плотность жидкости и дает вам представление о материи,
когда она теряет свойство сжимаемости.
Толстые земные атомы, которые начинают задевать
друг друга при плотностях жидкого состояния, на звездах
не существуют. Звездные атомы раздеты, у них оторваны
все внешние электроны. Атомы наиболее легких элемен-
тов ощипаны так, что остаются голые ядра почти исче-
зающе-малого размера. Более тяжелые атомы удержи-
вают несколько внутренних электронов, но все же
диаметр их составляет немного больше сотой доли по-
перечника вполне одетого атома. Стало быть, можно
очень сильно сжимать такой газ, прежде чем гонкие
звездные атомы и ионы придут в соприкосновение. При
плотности воды и даже платины еще достаточно места
между такими частицами, здесь можно еще долго выте-
снять пустое пространство, как в идеальном газе.
Ошибка наша произошла оттого, что, обсуждая
толкотню в бальном зале звездных недр, мы позабыли,
что там кринолины уже не в моде.
С нашей стороны было весьма недальновидно про-
смотреть это обстоятельство, хотя мы уделили столько
внимания ионизации атомов в других частях исследо-
вания. Окольным путем мы пришли к заключению,
которое следовало бы сделать с самого начала. Итак,
мы полагаем, что звезды в левой части диаграммы в конце
концов совсем не „неправильные" звезды. Солнце и дру-
гие плотные звезды ложатся на кривую идеального газа,
потому что состоят из идеального газа. Тщательное
рассмотрение показало, что в малых звездах в крайней
левой части рис. 7 электрические заряды атомов и
электронов вызывают небольшие отклонения от обычных
4 Д. Эддингтон | 49 |
газовых законов. Фоулер показал, что в результате
газ не делается неидеальным, а, наоборот, становится
сверхъидеальным, т. е. он сжимается легче, чем обычный
газ. Вы можете видеть, что в среднем в левой части
рис. 7 звезды расположены несколько выше кривой.
Вероятно, что эти отклонения истинные и вызываются
частью „сверхъидеальностью” газа; мы говорили уже, что
несовершенство газа заставило бы точки расположиться
ниже кривой.
Если звезда имеет даже плотность платины, то все же
в ней много пустого пространства, и звездный материал
можно сжимать дальше до плотностей, превосходящих
все известное 'на Земле. Но это уже другая история,
о ней будет речь в свое время.
Общее согласие наблюденных и вычисленных яркостей
звезд с различными массами — главное доказательство
правильности нашей теории внутреннего строения звезд.
То обстоятельство, что массы звезд находятся в тех
пределах, при которых становится критическим давление
радиации, также составляет ценное подтверждение.
Было бы преувеличением говорить, что этот ограничен-
ный успех доказывает, что мы знаем истину о звездных
недрах. Это не доказательство, но залог того, что и
дальше следует работать в избранном направлении мысли.
Узел начинает развязываться. Оптимисты могут думать,
что нить уже расправлена, более осторожные готовятся
к следующим узелкам. Одно из оснований надеяться, что
мы недалеко ушли от истины, состоит в том, что
в звездных недрах больше, чем где-либо, задача о материи
поставлена с крайней простотой. Астроному приходится
иметь дело с задачей, значительно менее запутанной,
чем земному физику, перед которым материя всегда
[ 50 ]
является в ореоле электронных систем с крайне сложной
организацией.
Мы воспользовались современными физическими те-
ориями и извлекли из них самые отдаленные выводы.
В этом нет никакого догматизма: это лучшее средство
проверить теории или обнаружить их слабости, если
таковые имеются.
В древности два авиатора соорудили себе крылья. Де-
дал осторожно полетел на небольшой высоте и получил
заслуженные почести при спуске. Икар воспарил к Солнцу,
воск, связывавший его крылья, растаял, и полет кончился
падением. При суждении об их деяниях можно кое-что
сказать и в пользу Икара. Классические авторы говорят
о нем просто, что он „сделал глупость", но я предпо-
читаю думать о нем как о человеке, выяснившем серьез-
ный конструктивный недостаток летательных машин
своего времени. Это — частое явление в науке. Осторож-
ный Дедал желает применять свои теории только там,
где он уверен, что они несомненно годятся; однако бла-
годаря этой излишней осторожности скрытые недостатки
теорий остаются необнаруженными. Икар, наоборот, дово-
дит свои теории до крайнего напряжения, так что они
ломаются в соединительных узлах. Для чего? Из простого
авантюризма? Может быть, частью и так. Такова челове-
ческая природа. Но если ему и не суждено достигнуть
Солнца и окончательно разрешить загадку его строения,
мы можем, по крайней мере, надеяться по его путе-
шествию научиться строить лучшие машины.
4*
Лекция вторая
НЕКОТОРЫЕ НОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для оценки астрономического значения сказанного
в первой лекции будет полезно перейти от общего
к частному и посмотреть, как применяются полученные
результаты к отдельным звездам. Я выберу две звезды,
история которых особенно интересна, и изложу наши
сведения о них.
История Алголя
Это — детективная история, которую можно назвать:
„Пропавшее слово или поиски в неверном направлении".
В астрономии в отличие от других наук объекты
исследования не в наших руках, мы не можем с ними
производить опытов, приходится пассивно ждать, полу-
чать и расшифровывать их послания К нам. Все наши
сведения о звездах приносятся лучами света, мы стережем
эти.сигналы и пытаемся их понять. Некоторые звезды
как будто посылают нам правильные ряды точек и тире,
подобно перемежающемуся свету маяка. Перевести эти
сигналы по азбуке М о р з а нельзя, однако тщательным
исследованием мы узнали очень многое из этих посланий.
Звезда Алголь наиболее знаменитая из этих „переменных
I 52 |
звезд". По сигналам мы узнаем, что в действительности
там две звезды, вращающихся одна вокруг другой.
Иногда прячется более яркая из двух звезд, и полу-
чается темное затмение, или „точка"; иногда скры-
вается слабая звезда, и мы видим „тире". Это по-
вторяется с периодом в 2 суток 21 час (период обра-
щения звезд).
Из этих посланий можно было получить много сведе-
ний,. но было и нечто мучительное, как муки Тантала.
Не хватало, так сказать, одного слова. Если это слово
вставить, то из послания мы получили бы полные и точные
сведения о размерах системы (диаметрах и массах
обеих компонент), их абсолютную яркость, расстояние
между ними, их расстояние от Солнца. Но при отсут-
ствии этого слова послание не говорило нам ничего
реального обо всех этих вещах.
Астрономы не были бы людьми, если бы при таких
обстоятельствах они не пытались догадаться, какое это
слово. Слово должно нам сообщить, насколько больше
яркая звезда, чем слабая, иначе: каково отношение масс
этих двух звезд. Некоторые менее знаменитые пере-
менные звезды дают нам полный текст (ими можно,
следовательно, воспользоваться для проверки связи между
массой и абсолютной яркостью; соответствующие данные
нанесены на рис. 7 в виде треугольников). Затруднение
с Алголем происходит вследствие исключительной яркости
большей компоненты: она засвечивает и делает неясными
более деликатные сигналы слабой звезды. По другим
двойным системам можно найти наиболее частое отно-
шение масс и на этом основании догадаться о вероятном
значении отношения у Алголя. Различные авторы выби-
рали па этом основании несколько различные значения,
I 53 |
но по общему суждению в системах, подобных Алголю,
яркая компонента вдвое массивнее, чем слабая. Итак,
нехватающее слово по догадке было „два"; на этом осно-
вании были вычислены размеры системы, и по общему
мнению они считались близкими к истине. Это было
16 лет тому назад
Таким путем по световым сигналам читали, что радиус
яркой звезды равен 1100 000 км (Р/2 солнечных радиуса),
масса ее составляет половину солнечной массы, абсолют-
ная яркость в 30 раз больше, чем у Солнца, и т. д. Сразу
видно, что эти цифры не согласуются с нашей кривой
на рис. 7: звезда с массою, составляющей половину
солнечной, должна быть во много раз слабее Солнца.
Было крайне неприятно видеть, что столь знаменитая
звезда протестует против теории. Но в конце концов
всякая теория должна проверяться фактами, а не догад-
ками, а база нашей теории основательнее, чем домыслы
о „нехватающем слове". Кроме того спектральный тип
Алгола таков, который обыкновенно не встречается у звезд
с небольшими массами. Это заставляет усомниться
в справедливости догадки о „слове".
Если считать теорию, изложенную в первой лекции,
верной, то можно обойтись и без „нехватающего слова".
Иначе говоря, мы можем подставлять другие значения
вместо „двух", пока не достигнем того, что яркость
и масса яркой компоненты будут согласоваться с кривой
рис. 7. „Два", как мы видели, дает точку, далеко откло-
няющуюся от кривой. Подставим „три" и перечислим
массу и яркость на основе такого предположения; на
этот раз точка будет ближе к кривой. Пробуем „четыре",
* Более грубые оценки производились и раньше.
I 54 |
„пять* и т. д. Если точка перейдет через кривую, мы
увидим, что взяли слишком много, и придется вернуться
к промежуточной величине, чтобы получить желаемое
согласие. Так было сделано в ноябре 1925 г., и оказа-
лось, что „пропавшее слово* должно быть „пять*, а не
„два*,— изменение чрезвычайно большое. Теперь световые
сигналы говорят:
I
Радиус яркой компоненты =2 140000 км
Масса . , =4,3 солнечной массы.
Сравнив эти цифры с прежними, вы найдете большое
различие. Теперь звезде приписана большая масса, более
подходящая к спектральному типу В. Яркость Алголя
превосходит теперь более чем в 100 раз яркость Солнца;
параллакс ее теперь 0,028", т. е. расстояние вдвое больше,
чем предполагалось прежде.
В то время казалось мало вероятным, что это заклю-
чение может быть проверено. Возможно, что предсказа-
ние относительно параллакса подтвердится или будет
опровергнуто при тригонометрических определениях. Но
параллакс так мал, что лежит почти за пределами точных
измерений. Оставалось занять позицию: „хотите — берите,
хотите—нет*. „Если вы принимаете теорию, Алголь должен
быть таким; если вы не доверяете теории, эти резуль-
таты для вас неинтересны*.
В это время, однако, два астронома в обсерватории
Ann Arbor произвели розыски „пропавшего слова* заме-
чательным новым методом. Они фактически нашли это
слово и еще годом раньше до предсказания опублико-
вали его; оно не было, однако, широко известным. Если
звезда вращается, то один край лимба движется к нам,
другой от нас. Скорости, направленные к нам или
I 55 |
от нас, мы можем измерять по спектральному эффекту
Допплера, причем получаем определенный результат
выраженный, например, в Таким способом изме-
ряют экваториальную скорость вращения Солнца наблю-
дением западного и восточного лимба. Все это хороню
известно относительно Солнца, где можно закрыть весь
диск за исключением части, подлежащей наблюдению.
Но как вы закроете часть звезды, когда она видна нам
в виде простой световой точки? Вы не можете этого
сделать, но на Алголе такое закрывание производится
и без вас, экраном является более слабая звезда. Когда
она проходит перед яркой звездой, то есть момент, когда
остается незакрытым только тонкий серп на западе,
в другой момент открыт только узкий серп на востоке.
Разумеется, звезда слишком далека, чтобы можно было
в действительности видеть серповидную форму, но
в указанные моменты вы получаете свет только от серпов,
остальное закрыто. Измеряя эти моменты, можно про-
изводить измерения так, как будто бы мы сами мани-
пулировали экраном. К счастью, скорость вращения
Алголя велика, и ее можно измерить с относительно
малой ошибкой. Теперь помножьте экваториальную ско-
рость на период вращения, отсюда получится окружность
Алголя ’. Разделив на 2тг, получим радиус. В этом
состоял метод, разработанный Росситером и Мак-
1 Наблюдению доступен период обращения Алголя, а не
вращения звезды вокруг оси. Однако обе звезды столь близки
друг к другу, что несомненно вследствие приливных сил они
обращены одна к другой всегда одной и той же стороною,
т. с. периоды вращения и обращения совпадают.
I 56 |
Логлином. Последний, применив его к Алголю, нашел,
что радиус яркой компоненты составляет:
2 180 000 км.
Поскольку можно судить, этот результат очень точен;
во всяком случае вероятно, что радиус этой звезды
известен теперь лучше, чем какой-либо другой, за исклю-
чением Солнца. Если вы потрудитесь теперь вернуться
к стр. 55 и сравнить написанное число с тем, что найдено
теоретически, вы увидите, что можно чувствовать себя
удовлетворенным. Мак-Логлин вычислил и другие
постоянные и размеры системы, они столь же хорошо
согласуются. Но это следует уже автоматически, так как
не хватало ведь одного только слова. Пропавшее слово,
или отношение масс, оказалось „пять" (5,0).
Но здесь история еще не кончается. Почему же пер-
вая догадка об отношении масс оказалась столь ошибоч-
ной? Мы знаем теперь, что неравенство масс тесно
связано с неравенством яркостей двух звезд. Неравенство
яркостей непосредственно видно по световым сигналам
Алголя; мы знаем, что слабая компонента дает около J/13
света яркой звезды (по крайней мере, по нашему толко-
ванию). Согласно нашей кривой это соответствует отно-
шению масс 21/2, что немного лучше 2. При отношении
масс, равном 5, спутник должен быть значительно слабее,
так что свет его перестал бы замечаться. Хотя это
соображение и не имело значительного влияния на
первоначальное предположение („два"), однако оно все
же несколько подкрепляло его.
Назовем яркую компоненту Алголем А, а слабую —
Алголем В. Несколько лет тому назад было сделано
новое открытие: найден Алголь С. Оказалось, что Алголи
I 57 |
А и В вместе ходят по одной орбите вокруг третьей
звезды с периодом около двух лет; по крайней мере
они обходят эту орбиту, и мы должны предположить
существование чего-то, вокруг чего они обращаются.
До сих пор мы думали, что в- моменты наибольшего
затмения Алголя А весь остаточный свет идет от Алголя
В; но теперь ясно, что этот свет относится к Алголю
С, который светит непрерывно, не затмеваясь. Следова-
тельно, отношение масс, равное 21/2, соответствует Алго-
лю А и Алголю С. Свет Алголя В неощутим, как это
и должно быть для отношения масс, равного 5 *.
Послание Алголя А и В было запутанным не только
потому, что в нем не хватало одного слова, но также
и по той причине, что в тексте были еще одно-два
слова другого послания, от Алголя С; даже после того,
как пропущенное слово „пять" было найдено и подтвер-
ждено двумя способами, текст все же оставался непо-
нятным: в некоторых местах казалось, что пропущенное
слово следует читать „два с половиною". Последний
шаг расшифровывания послания заключался в том, что
21/2 относится к другой, ранее неизвестной, звезде —
Алголю С. Здесь все счастливо кончается.
Даже лучшие сыщики ошибаются. .В этой истории
наш астрономический детектив сделал основательное, но
безуспешное предположение в начале дела. Ошибка рас-
крылась бы раньше, однако имелся „фальшивый ключ",
подброшенный третьим партнером, присутствовавшим при
1 Можно добавить, что хотя собственный свет Алголя £
незаметен, однако на нем можно наблюдать отражение (или
новое испускание) света Алголя А. Этот отраженный свет ме-
няется наподобие лунного света в зависимости от того, находится
Алголь В „в ущербе" или „полным".
I |
совершении преступления, этот ключ как будто под-
тверждал первоначальную догадку. Это оказалось гибель-
ным для розысков. Но зато получилась хорошая дете-
ктивная история.
История Спутника Сириуса
У этой детективной истории заглавие: „Бессмысленное
письмо “. Сириус — наиболее заметная звезда на небе.
Естественно, что ее очень часто наблюдали в прежние
времена, и она применялась астрономами вместе с другими
яркими звездами для определения времени и проверки
часов. Эго была „часовая звезда*, как мы говорим.
Оказалось, однако, что эти часы совсем не хороши. Они
го бегут вперед в течение нескольких лет, то отстают.
Бессель в 1844 г. нашел причину такой неправиль-
ности: она заключалась в том, что Сириус описывает
эллиптическую орбиту. Очевидно, должно существовать
нечто, вокруг чего он вращается, и таким образом узнали
о существовании темной звезды в таком месте, где
раньше ничего не видели. Я думаю, что Спутник Сириуса
был первой невидимой звездой, о которой узнали пра-
вильным путем. Такую звезду мы не можем называть
„гипотетической". Вблизи Сириуса находилось нечто,
проявлявшее наиболее общее механическое свойство
материи, т. е. силу тяготения. Это доказательство наличия
массы лучше, чем визуальные наблюдения.
Во всяком случае 18 лет спустя Спутник Сириуса был
действительно замечен Эльвеном Клэрком. Это
открытие было единственным в своем роде; К л э р к
смотрел на Сириус не потому, что он его интересовал,
но потому, что это была очень отчетливая, яркая точка
I 59 |
света, при помощи которой можно было проверить опти-
ческое совершенство нового большого объективного стек-
ла, изготовленного его фирмой. Я рискну даже сказать,
что он был неприятно поражен, увидав слабую светящуюся
точку около Сириуса, и пытался отполировать стекло
так, чтобы она исчезла. Но она оставалась и оказалась
известным, но дотоле незримым Спутником Сириуса.
В огромные современные телескопы звезду легко
увидеть, и таинственность ее исчезла; но по мере исчез-
новения романтической завесы росло знание, и теперь
нам известно, что Спутник является звездой с массою
немного меньшей, чем у Солнца. Его масса составляет
солнечной, но он дает в 360 раз меньше света, чем
Солнце. Такая слабость не особенно удивляла в то время
предполагалось, что должны существовать белые накален-
ные звезды, светящиеся очень ярко, и красные, слабо
светящиеся звезды со всеми промежуточными степенями.
Спутника считали слабой звездой в красной стадии.
В 1914г. профессор Адамс на обсерватории Маунт
Вильсон нашел, что эта звезда не красная: она
белая, с белым накалом. Почему же тогда она светит
столь слабо? Очевидно, единственный ответ в том, что
это очень маленькая звезда. Природа и характер излуча-
емого света показывают, что звезда накалена очень сильно,
больше, чем Солнце, но общий свет составляет только
’/зео солнечного, поэтому поверхность Спутника должна
быть в 360 раз меньше, чем у Солнца. Радиус его дол-
жен быть, следовательно, в 19 раз меньше солнечного
и размеры шара таковы, как у планеты, а не звезды.
Обрабатывая числовые данные более точно, мы находим,
1 О связи массы и яркости в то время еще не знали.
I 60 |
что Спутник Сириуса — сфера, размеры которой средние
между Землей и Ураном. Но если сосредоточить массу,
немного меньшую солнечной, в размеры, немного превос-
ходящие земной шар, то материя окажется чрезвычайно
сжатой. Плотность должна быть там 60 000 в сравнении
с водою, т. е. вес одного см3 массы Спутника должен
составлять 60 килограммов.
Мы изучаем звезды, получая от них свет и интерпре-
тируя его. Световое послание Спутника Сириуса гласило
после расшифровки: „Я состою из вещества, которое в
3 000 раз плотнее самой плотной материи, известной
у вас; тонна этого вещества вполне поместится в спи-
чечной коробке". Что можно ответить на такое послание?
Ответ, который дали большинство из нас в 1914 г., был
такой: „Перестаньте, не говорите чепухи".
Но в 1924 г. была развита теория, изложенная в пер-
вой лекции; может быть, вы помните, что в конце ее
есть указание на возможность чрезвычайного сжатия
материи в звездах и на плотности, на много превосхо-
дящие все, что нам известно из земных опытов. Это
надо принять во внимание в связи со странным посланием
Спутника Сириуса. Такое послание уже нельзя считать
бессмысленным. Мы не утверждаем сразу, что оно не-
сомненно верно, но его надо обсудить и отнестись к нему
осторожно, а не как к заведомой бессмыслице.
Трудно думать, что световые сигналы Спутника были
неверно прочтены. Нет никаких оснований серьезно со-
мневаться в том, что масса Спутника составляет 4/5 солнеч-
ной. В этом случае масса определена особенно хорошо.
Кроме того очевидно, что масса должна быть большой,
ибо Спутник сворачивает Сириус с его пути и делает
его непригодным для определения времени. Определение
I 61 |
радиуса менее непосредственно, но оно сделано по методу,
очень успешно применявшемуся к другим звездам. На-
пример, радиус гигантской звезды Бетельгейзе сначала
был вычислен таким же образом; после этого стало
возможным измерить радиус той же звезды непосред-
ственно интерферометром по способу, придуманному
Майкельсоном; эти прямые измерения подтвердили
вычисленную величину. Кроме того Спутник Сириуса
не один со своими странными особенностями. По крайней
мере еще две звезды шлют нам световые сигналы, сви-
детельствующие о невероятно высокой плотности. Если
принять во внимание наши очень ограниченные возмож-
ности для обнаружения таких звезд, то останется мало
сомнения, что эти „белые карлики", как их называют,
сравнительно часто встречаются в звездной вселенной.
Но, конечно, мы не можем доверять полностью только
одному указанию: может быть, оно совсем неожиданно
окажется неверным. Поэтому в 1924 г. профессор
Адамс снова принялся за работу, чтобы подвергнуть
послание Спутника проверке, которая должна быть
решающей. Теория тяготения Эйнштейна требует,
чтобы все линии спектра звезды были слегка смещены
в красную сторону спектра, в сравнении с такими же
земными линиями. На Солнце эффект слишком мал, и его
трудно открыть, ибо многие другие причины -также
вызывают небольшие смещения линий, и в этих причинах
не легко разобраться. Лично для меня сама теория
Эйнштейна служит более веской гарантией реальности
эффекта смещения линий, чем данные наблюдений. Весьма
замечательно, что лица, занимавшиеся исследованием
эффекта, теперь единодушно утверждают существование
эффекта на Солнце, хотя некоторые из них раньше
1 62 |
приводили доказательства против Е До сих пор практи-
ческая астрономия знала и рассматривала теорию Эйн-
штейна главным образом как нечто, требующее астро-
номической проверки. Теперь теории представлялся
случай показать свое могущество и помочь астроному
удостовериться в факте значительно более сомнительном,
чем сама теория относительности. Эффект Эйнштейна
пропорционален массе звезды и обратно-пропорционален
ее радиусу. Если мы верно толкуем послание Спутника
Сириуса, то радиус его очень мал, и смещение линий
на нем должно быть очень большим, именно в 30 раз
больше, чем на Солнце. Это значительно превосходит все,
чего можно ожидать от вторичных причин смещения,
столь затрудняющих измерения на Солнце.
Наблюдения очень трудны, потому что Спутник Сириуса
слишком слабо светит для такого исследования, рассеян-
ный свет от его могущественного блестящего соседа
также вызывает много затруднений. Во всяком случае
после года работы профессору Адамсу удалось сде-
лать удовлетворительные измерения, и он нашел пред-
сказанное смещение. Если выражать эффект в привыч-
ных для астронома единицах, скоростях (аналогично
допплеровскому смещению), то среднее измеренное
км
смещение линий равносильно 19 а предсказанное —
* Автор разумеет известного американского астрофизика
Сэнт-Джона. В своих последних наиболее тщательных
измерениях (1923—1926 гг.) Сэнт-Джон нашел хорошее
качественное подтверждение наличия эффекта Эйнштейна
на Солние. Прим, переводчика.
[ 63 ]
Профессор Адамс убил таким образом двух зайцев
одним ударом. Он дал новое доказательство общей теории
относительности Эйнштейна и показал, что плотности,
по крайней мере в 2 000 раз превосходящие плотность
платины, не только возможны, но и действительно суще-
ствуют во вселенной *.
Это лучшее подтверждение нашего вывода о том, что
солнечная масса со средней плотностью П/2 очень далека от
максимальной плотности звездной материи, поэтому вполне
понятно, что она ведет себя на Солнце как идеальный газ.
Я сказал, что наблюдения были исключительно труд-
ными. Как бы опытен ни был наблюдатель, я не думаю,
что можно слепо положиться на результаты, требовавшие
крайнего напряжения его искусства, до тех пор, пока они
не будут подтверждены независимо другими. Принимая
изложенные заключения, мы должны бы поэтому пока
придерживаться обычной осторожности. Но наука не
каталог удостоверенных фактов относительно вселенной,
наука — движение, иногда извилистое и недостоверное.
Наш интерес к науке определяется не только желанием
услышать о самых последних фактах, добавленных
к коллекции,— в науке мы спорим о наших надеждах,
вере, вероятности и ожиданиях. Я рассказал вам детек-
тивную историю, поскольку она до сих пор раскрылась,
и не знаю, прочли ли мы ее последнюю главу 1 2.
1 Мои выражения „идеальный газ с плотностью платины”
и .материя в 2000 раз более плотная, чем платина", часто пре-
вращалвсь газетными репортерами в „идеальный газ, в 2 000 раз
более плотный, чем платина". Трудно вычислить, в каких
условиях находится материя на Спутнике Сириуса, но я не ду-
маю, что там идеальный газ.
2 См. добавление автора в конце книги. Прим, переводчика.
I 64 |
Неизвестные атомы и толкование спектров
Понятно, что материя с огромной плотностью не явля-
ется новой субстанцией, новым элементом или элементами.
Это — обыкновенное вещество, разбитое вдребезги при
высокой температуре и потому поддающееся очень плот-
ной упаковке. Точно так же в комнату можно бы запихнуть
очень много людей, если не бояться сломанных ребер,
рук и ног. Для астрономической физики характерно,
Рис. 8. Кольцевая туманность в созвездии Лиры (спектраль-
ный снимок).
что она показывает нам обычные элементы в необычном
состоянии, когда они разбиты или ионизованы до такой
степени, которая не достигается в лаборатории или
достигается только с большим трудом.
Но материя в таком состоянии, не воспроизводимом
в лаборатории, находится не только в недоступных
звездных недрах.
На рис. 8 дана фотография кольцевой туманности
в созвездии Лиры \ Она снята через призму, так что
мы видим не одно кольцо, но целый ряд их, соответ-
1 Снята д-ром У. Г. Райтом в Ликской обсерватории
(Калифорния).
5 А. Эддингтон
I 65 ]
ственно различным линиям спектра. Эти кольца получа-
ются от различных сортов атомов, светящихся в туман-
ности. Наименьшее кольцо, очень слабое и отмеченное
стрелкой наверху, происходит от света атомов гелия
в туманности. Но это не обычный гелий, а разбитый,
ионизованный. В 1912 г. профессору Фоулеру удалось
разбить атомы гелий в пустотной трубке, так что гелий
начал светиться светом, хорошо известным по спектру
звезд. В свое время это было большим лабораторным
достижением. Два другие кольца на фотографии полу-
чены от водорода.
За, исключением . этих трех случаев, ни одно кольцо
из. остальных до сих пор не удалось воспроизвести в
лаборатории. Например, мы не знаем, от каких элементов
получаются два наиболее ярких кольца по краям фото-
графии.
Нас часто спрашивают, не видно ли на звездах каких-
нибудь новых элементов, не имёющихся или еще не от-
крытых на Земле. Можно ответить решительно — нет.
Такой ответ дается не потому, что все звездные линии
отождествлены с известными на Земле элементами. „Нет"
говорит не астроном, а физик. Ему удалось привести
элементы в порядок, уложить их в схему, и он уверен,
что уже не осталось свободных мест для новых элемен-
тов, если не говорить об атомах с очень большими
атомными весами. Маловероятно, однако, чтобы очень
тяжелые элементы могли подняться в атмосферу звезд
и стать видными астроному. Каждый элемент имеет номер,
начиная с водорода — № 1 и до урана — № 92. Ярлычок
с номером на атоме так заметен, что физик может его
прочитать. Он может, например, видеть, что у железа
№ 26, для этого ему нет надобности пересчитывать все
I 66 I
предшествующие элементы. Все элементы по очереди
выкликались по номерам, и все до № 84 включительно
отозвались: „я здесь"1.
Элемент гелий (№ 2) был сначала открыт Л о к а fl-
ером на Солнце, и только много лет спустя его нашли
на Земле. Теперь астрофизики более не надеются на
такие открытия, они не могут открыть новый элемент
на звездах, если он даже там- имеется. Неизвестный
источник двух светлых колец на правом конце фотографии
рис. 8 (одно кольцо яркое, другое — слабое) был назван
небулием. Но небулий — не новый элемент. Это какой-
нибудь уже известный элемент, который мы не можем
определить, так как он потерял несколько электронов.
Атом, потерявший один электрон, подобен нашему хоро-
шему приятелю, неожиданно сбрившему усы: старые
знакомые его не узнают. Когда-нибудь мы узнаем небу-
лий. Физики-теоретики ищут законы, точно определяющие
характер света, излучаемого атомами в разных стадиях
ионизации. Со временем, можно будет просто расчетом
определить атом по виду излучаемого им спектра. С дру-
гой стороны, физик-экспериментатор ищет все более
могущественные средства для разбивания атомов, так
что в один прекрасный день какой-нибудь земной атом
засветится светом небулия. В этом деле идет бешеная
скачка, и не знаю, кто придет первым. Астроном не много
может помочь в решении этой задачи, им же поставлен-
ной. Думаю, что если бы он точно измерил отношение
интенсивностей двух линий небулия, он оказал бы физику
полезную услугу. У астронома есть еще один факт
1 Недавно открыты №№ 43, 61, 75; это требует, однако,
еще дальнейшей проверки. Пробелы остаются пока в №№ 85
и 87, если не говорись о возможных элементах за ураном.
5*
I 67 ‘I
(хотя из него и трудно что-либо извлечь): это — различ-
ные размеры колец на фотографии, они показывают
различие в распределении излучающих атомов в ту-
манности. Ясно, что небулий любит наружные области
туманности, а гелий — внутренние, однако не ясно, какой
вывод можно сделать из этого.
Атомы различных элементов и атомы того же эле-
мента, но в различных состояниях ионизации, излучают
различный свет, линии которого видны в спектроскоп.
При некоторых условиях (как в туманностях) эти линии
яркие и соответствуют излучению, но чаще они запе-
чатлеваются как темные линии на светлом непрерывном
фоне. В обоих случаях по этим линиям можно опреде-
лить элемент, если только линия не относится к такому
состоянию атома, которое неизвестно на Земле. Опро-
метчивое пророчество о том, что мы никогда не узнаем
состава небесных тел, уже давно опровергнуто: такие
обычные элементы, как водород, углерод, кальций, тита-
ний, железо и другие, можно распознать в самых уда-
ленных частях вселенной. Но программа звездной
спектроскопии значительно расширилась, она занимается
уже не химическим, а физическим анализом. Встречаясь
со старым знакомым, мы сначала его узнаем, а затем
задаем вопрос: „Как вы поживаете?" Узнав звездный
атом, мы и ему задаем тот же вопрос, и атом отвечает:
„Недурно" или „Плохо, совсем разбит" в зависимости
от обстоятельств. Из его ответа мы получаем сведения
об окружающей обстановке, о том, как сурово с ним
обходятся. Таким способом мы узнаем о температуре и
давлении на поверхности звезд.
Переходя последовательно от самых холодных звезд
к самым горячим, можно проследить, как атомы кальция
I' 68 |
сначала существуют целыми, затем становятся одно-
кратно ионизованными, далее ионизуются двукратно, что
служит признаком сильных столкновений и повышения
температуры. (О последней стадии мы судим по исчез-
новению видимых признаков кальция, так как и он с
двумя отсутствующими электронами не дает линий в ча-
сти спектра, доступной наблюдению.) Последовательное
изменение других элементов обнаруживается таким Ле
образом. Очень много в отношении изучения этого во-
проса было сделано в 1920 г. профессором Мег Над
Шаха, который впервые применил количественные фи-
зические законы, связывающие степень ионизации с дан-
ной температурой и давлением. Он показал новый путь
астрофизического исследования, который затем широко
развивался. Таким образом, если мы найдем в градации
светил такую звезду, в которой целый атом кальция
уступает место атому с одним отсутствующим электро-
ном, то физическая теория позволит определить соот-
ветствующую температуру или давление Методы Шаха
были усовершенствованы Фоулером и Мильном.
Одно важное применение заключалось в определении
поверхностной температуры наиболее горячих типов
звезд (12 000—25 000°), другие методы, пригодные
для более холодных звезд, неудовлетворительны при
высоких температурах. Другой весьма поразительный
результат заключался в открытии того, что давление на
звезде (в верхних слоях, доступных спектроскопу) со-
ставляет только десятитысячные доли атмосферы; ранее
1 Температура и давление сразу не определяются, но если
одно известно, то известно и другое. Это очень ценные дан-
ные, которые можно связать с другими сведениями об усло-
виях на поверхности звезд.
на довольно неопределенных основаниях предполагали,
что давление в этих слоях порядка давления нашей ат-
мосферы.
Обыкновенно мы применяем спектральный анализ в
тех случаях, когда нужно определить, какие элементы
находятся в данном минерале или руде. С одинаковым
правом можно исследовать и звезду, так как безразлич-
но, приходит ли свет от тела, находящегося под рукой
или удаленного на огромное расстояние. Нужно помнить,
однако, об одном ограничении. Когда химик ищет, на-
пример, азот в своем минерале, то он подбирает усло-
вия, необходимые по данным опыта для обнаружения
азотного спектра. На звездах же нам приходится, поль-
зоваться такими условйями, какие есть. Если азот не
виден, то это еще не значит, что его нет, более веро-
ятно, что в звездной атмосфере нет подходящих условий
для возникновения спектра. В спектре Сириуса линии
водорода исключительно резки и превосходят все осталь-
ные. Отсюда нельзя заключить, что Сириус состоит
I главным образом из водорода, можно вывести только,
что температура близка к 10 000°, ибо вычисление по-
казывает, что такая температура наиболее благоприятна
для возбуждения водородных линий. На Солнце наибо-
лее силен спектр железа. Мы не говорим на основании
этого, что Солнце исключительно богато железом, мы
заключаем только о сравнительно низкой температуре
(около 6 000°), способствующей развитию спектра же-
i леза. Одно время думали, что изобилие водорода на
' Сириусе и металлических элементов на Солнце указы-
вает на эволюцию элементов: водород обращается в бо-
лее тяжелые элементы по мере остывания звезды от
стадии Сириуса до состояния Солнца. Для такой интер-
претации наблюдений нет никаких оснований. Спектр
водорода будет слабеть, а спектр железа возрастать в
любом случае вследствие понижения температуры. Такая
кажущаяся эволюция может быть воспроизведена в ла-
боратории.
Весьма вероятно, что химические элементы находятся
в таких же относительных количествах на звездах, как
Рис. 9. Водород. Серия Бальмера.
и на Земле. С этим согласуются факты, для немногих
же наиболее обычных элементов мы имеем положитель-
ное прямое подтверждение. Однако, изучая относитель-
ные количества элементов как на Земле, так и на звездах,
мы ограничены поверхностными слоями, поэтому наше
заключение предварительное, и его нельзя переоце-
нивать.
Спектральные серии
Для дальнейшей иллюстрации этих соображений рас-
смотрим спектр на рис. 9 и разберем, что из него
можно узнать. Без особых затруднений мы можем раз-
личить прекрасную стройную серию спектральных линий.
I 71 |
Черточки наверху фотографии помогут вам отличить
первые линии этой серии от многочисленных других
спектров, перемешанных с ними. Обратив внимание на
уменьшение расстояний между линиями справа налево,
вы заметите, что серия продолжается влево по крайней
мере еще на 15 линий за пределами последней черточ-
ки. В конце линии почти сливаются одна с другою и
образуют „границу” серии. Это знаменитая серия Баль-
мера, принадлежащая водороду. Заметив ее в спектре,
мы м^ем утверждать, что водород присутствует в
источнике света. Но ^-это только первый шаг, можно}
итти и дальше.
Теория водородного атома профессора Бора утвер-
ждает,' что каждая лйнйя серии излучается атомами в
различных состояниях. Эти „возбужденные,^ состояния”
можйб последовательно перенумеровать, прйчем нормаль^
ное состояние невозбужденного атома водорода назо-
вем № 1.
Свет, излучаемый в первых состояниях, попадает в
область спектра, здесь не воспроизведенную, первая ли-
ния на фотографии соответствует состоянию № 8. Счи-
тая отсюда влево, вы легко дойдете до состояния № 30.
Повышение номера соответствует все большему „разбу-
ханию” атома, т. е. электрон* 1 * описывает вокруг ядра
орбиты возрастающих размеров. Радиус (или, точнее го-
воря, полуось) его орбиты пропорциональна квадрату
номера состояния, так что орбита № 30 в 900 раз
шире, чем орбита нормального атома № 1. Диаметр ор-
биты № 30 составляет приблизительно Vioooo мм- ®т-
* В водороде (порядковый номер 1) только один элек-
трон.
I 72 J
сюда можно сразу заключить, что спектр на фотографии
рис. 9 получен не в земных условиях. Даже при наи-
высшем вакууме земных лабораторий атомам было бы
слишком тесно с такими орбитами. Источник такого
спектра должен быть материей столь тонкой, что в ней
есть место для электронов с пространными орбитами,
не мешающими друг другу. Не входя в дальнейшие де-
тали, мы заключаем, что рис. 9 представляет спектр ма-
терии более разреженной, чем наивысший вакуум, до-
стигнутый на Земле J, 2.
Интересно отметить, что, в то время как на большей
части снимка линии видны на темном фоне, с крайней
левой стороны фон яркий; это изменение происходит
как раз в том месте, где кончается серия Бальмер,а.
Этот светлый фон также вызывается водородом и объ-
ясняется следующим образом. Разбухшие атомы в состоя-
нии № 30, или около этого, находятся в опасном поло-
жении и могут легко, лопнуть, поэтому естественно, что
некоторые из них при подходящих условиях распада-
ются. Они теряют электроны и стараются снова их
‘ Рис. 9 представляет фотографию линий излучения .солнеч-
ной хромосферы, снятую Давидсономна Суматре во время
затмения 14 января 1926 г.-
2 Вопрос о наличии или отсутствии высших номеров серии
в спектре значительно более сложен, чем можно думать по из-
ложению Эддингтона. Достаточно сказать, что в 1922 г.
Вуду удалось в лаборатории при сравнительно большем
давлении в разрядной длинной трубке с водородом и примесью
водяных паров получить свыше 20 линий серии Бальмера.
С другой стороны, несомненно, что понижение давления также
способствует появлению высших членов серии, как это еле-/,’
дует из опытов Уиддннгтона с крайне разреженными!;
трубками в 1923 г. Прим, переводчика.
[ 73 ]
захватить. Та лишняя энергия, которая была сообщена
электрону при отрыве его из атома и проявилась в виде
энергии его движения, оказывается снова лишней при
новом пленении дикого, бродячего электрона внутри
атома. Эта избыточная энергия, различная у разных
электронов, и излучается в виде непрерывного фона, о
котором шла речь. Легко понять, что этот непрерывный
свет должен начинаться у границы серии и как бы про-
должать ее.
Фотография серии Бальмера дает повод вспомнить
историю другой знаменитой серии. Эта серия, известная
под названием серии Пикеринга, была открыта на
некоторых наиболее горячих звездах в 1896 г. Построе-
на она по тому же стройному плану, но линии попа-
дают на середину в промежутке между линиями серии
Бальмера, правда не точно на середину, так как
промежутки между линиями справа налево убывают *.
В отличие от серии Бальмера, серию Пикеринга
не удавалось воспроизвести в лаборатории. От какого
элемента она происходит? Ответ казался очевидным.
Разумеется, эти две столь схожие серии должны соот-
ветствовать двум видам колебания одного и того же
1 Частоты линий серии Бальмера представляются фор-
мулой:
серия Пикеринга формулой:
где k — постоянная, а п— целое число: 3, «4, 5... Прим, пере-
водчика.
[ 74 ]
атома водорода. В то время такой ответ казался един-
ственно возможным, но с тех пор мы многое узнали об
атомах. Мы соглашаемся, что идеальная простота этих
двух серий указывает на то, что они получаются от про-
стейшей атомной системы с одним электроном. Однако
следует вспомнить, что число электронов говорит нам
только о том, как одет атом, а не о том, какой это атом.
Атом гелия (и даже атом урана) может при случае
замаскироваться в скромный наряд водородного атома.
У нормального гелия два электрона, но если один из
них потерян, то гелий становится водородоподобным и
копирует водородную систему, только в несколько от-
личном масштабе. Весьма знаменательно, что серия Пи-
керинга видна только на очень горячих звездах, где
имеются условия для потери электрона. Различие между
водородом и водородоподобным гелием определяется
прежде всего атомным весом: ядро гелия вчетверо тя-
желее. Однако это обстоятельство мало влияет на спектр,
так как оба ядра настолько массивны в сравнении с
электроном, что они остаются почти неподвижными при
пляске электрона. Далее, у ядра гелия двойной электри-
ческий заряд, а это эквивалентно наличию в колеблю-
щейся системе пружины с удвоенным натяжением. Есте-
ственно, что такая пружина с двойной силой удвоит
число линий в серии в том же интервале, не изменяя,
однако, общего плана серии. Таким путем профессор
Бор открыл истинное происхождение серии Пике-
ринга: она вызывается ионизованным гелием, а не во-
дородом1.
* Линия гелия в кольцевой туманности, о которой говори-
лось выше, не является членом серии Пикеринга, но исто-
[ 75 ]
Тяжелые ядра водорода и гелия почти не отзываются
на колебания электронов, но только почти. Позднее
профессор Фоулер воспроизвел серию Пикеринга
в лаборатории, причем измерил линии с большей точно-
стью, чем это можно было сделать в звездной спектро-
скопии. На основании этих измерений обнаружилось,
что ядро не совсем безучастно к движениям электронов.
Здесь стояла задача о двух звездах, перенесенная, од-
нако, внутрь атома; аналогия будет, пожалуй, точнее,
если мы сравним задачу с вопросом о взаимном влиянии
Юпитера и Солнца. Масса Юпитера составляет тысяч-
ную долю массы Солнца, поэтому планета оказывает на
Солнце приблизительно такое же возмущающее действие,
как электрон на водородное ядро. Ион гелия — точная
копия атома водорода (но в другом масштабе) за исклю-
чением „тряски*': у иона гелия „тряска" меньше, потому
что его ядро значительно массивнее и его трудно рас-
трясти. Различие в „тряске** заставляет серии Пике-
ринга и Бальмера несколько расходиться Измерив
это расхождение, профессор Фоулер точно определил
величину „тряски" и отсюда вычислил массу электрона,
она оказалась равной 'Д 844. массы водородного ядра.
Эта цифра хорошо согласуется с цифрами, получаемыми
другими методами, и точность определения, повидимому,
здесь не меньше,
рия ее такая же. Вначале предполагали, что она принадлежит
водороду, позднее (1912 г.) она была получена Фоулером
в смеси гелия и водорода, и, наконец, Бор доказал, что она
принадлежит гелию.
4 Например, красная линия водородной серии соответствует
длине волны 656,28 ту., а гелиевая линия серии П и к е р и и га—
волне 656,01 тр. Прим, переводчика.
[ 76 |
Так, свет, посланный нам звездами сотни лет тому
назад, поочередно исследовался экспериментаторами и
теоретиками и в конце концов привел к обнаружению
самой маленькой вещи на свете.
Облака в пространстве
Мы рассмотрели самую плотную материю вселенной,
теперь обратимся к самой разреженной.
Несмотря на огромные успехи в искусстве выкачива-
ния газов из сосудов, мы еще очень далеки от получе-
ния действительного вакуума. До откачивания насосом
в пустотных трубках находится огромное число атомов,
выражающееся цифрой приблизительно в 20 знаков. В
результате наилучшей откачки в этом числе отпадают
6—7 цифр с конца. Попытки зачеркнуть еще одну
цифру остаются до смешного бесплодными: это похоже
на вычерпывание моря ложкой.
Некоторые из звезд необычайно разрежены. Напри-
мер, у Бетельгейзе плотность не больше 1/1 000 возду-
ха. Мы назвали бы такую звезду вакуумом, если бы она
не находилась в таком контрасте с еще большей пусто-
той окружающего пространства. Теперь физики . без
труда получают вакуум лучший, чем на Бетельгейзе, но
в прежние времена эта звезда могла считаться идеалом
достижимого вакуума.
Внешние слои звезд, в особенности светящиеся обо-
лочки вроде солнечной хромосферы и короны, имеют
плотности значительно меныние. Газовые туманности,
поскольку можно судить по их виду, также крайне раз-
режены. Если в газе настолько просторно, что можно
просунуть булавочную головку, не задев соседних ато-
| 77 |
мов, можно говорить о реальном вакууме. В центре ту-
манности Ориона эта степень разрежения, вероятно, до-
стигнута и превзойдена.
У туманности нет определенной границы, и плотность
ее уменьшается, постепенно. Есть основания думать, что
такое уменьшение плотности на больших расстояниях
становится очень медленным. Еще не покинув полно-
стью области одной туманности, мы попадаем в сферу
другой, так что в межзвездном пространстве всегда
имеется некоторая остаточная плотность.
Мне кажется, что по протяженности туманностей мож-
но оценить до некоторой степени количество материи,
остающейся рассеянной и не собранной в пространстве.
Та область, где нет доступной наблюдению туманности,
является наивысшим существующим вакуумом, по край-
ней мере в пределах нашей звездной системы. Но и в
этом вакууме остается по крайней мере по одному атому
на каждые 15 см3. От нашей точки зрения зависит,
считать ли это изумительной заполненностью простран-
ства или не менее изумительной пустотой.
Первая точка зрения, пожалуй, особенно заслуживает
внимания. Оказывается, атом не может найти уединения
в целой нашей вселенной; куда бы он ни пошел, всюду
ему придется по дороге кивать головою коллегам, про-
бегающим не дальше чем в 2—3 см от него.
Подойдем к тому же вопросу с другой стороны.
В „Истории Алгола" я упоминал, каким способом из-
меряется скорость вращения Солнца. Мы наводим спект-
роскоп сначала на один край Солнца, затем на другой.
Выбрав какую-либо из темных линий спектра, мы нахо-
дим, что она слегка смещена в двух наблюдениях. Это
свидетельствует о движении материала, в котором воз-
I I
никает линия, по направлению к нам или от нас с раз-
личными скоростями в двух наблюдениях. Этого и можно
было ожидать: благодаря вращению Солнца звездная
материя движется к нам на одном краю диска и от нас
на другом краю. Есть, однако, небольшое число темных
линий, в которых такого смещения нет. Они остаются в
том же положении, наблюдаем ли мы их на западном
или восточном краю Солнца. Ясно, что эти линии не
могут быть солнечного происхождения. Они запечатле-
лись на солнечном спектре, после того как свет уже
ушел от Солнца, но еще до того, как он попал в
телескоп. Мы открыли таким образом среду, нахо-
дящуюся где-то между Солнцем и нашим телескопом.
Некоторые из таких линий соответствуют кислороду;
мы заключаем по этому, что в этой среде находится
кислород.
Все это кажется началом великого открытия, а в
действительности — тривиальность. Нам уже давно
известна среда с кислородом, расположенная между
телескопом и Солнцем. Это среда, необходимая для
нашего существования, — земная атмосфера; она и
виновница появления „неподвижных линий" в солнечном
спектре.
Тем же способом, коим по спектру обнаруживается
вращение Солнца (факт давно известный из наблюдения
движения солнечных пятен), можно найти, что некото-
рые звезды вращаются по орбитам, т. е. находятся под
действием другой звезды, видимой или невидимой. Но
и здесь иногда мы находим „неподвижные" линии, не
изменяющиеся вместе с другими. Стало быть, где-то ме-
жду звездой и телескопом существует неподвижная
среда, оставляющая след этих линий на спектре. На
I 79 ]
этот раз действует уже не земная атмосфера. Линии
соответствуют двум элементам, кальцию и натрию, ко-
торых в атмосфере нет. Кроме того кальций находится
в ионизованном состоянии, без одного электрона, усло-
вия же в нашей атмосфере таковы, что такой ионизации
не может случиться. Повидимому, несомненно, что среда
с натрием, ионизованным кальцием и, вероятно, другими
не обнаруживающимися элементами отделена и от
Земли и от звезды. Здесь сказывается „заполненность"
межзвездного пространства, о которой говорилось выше.
Свету приходится. встречаться на пути от звезды к Зем-
ле с одним атомом на каждые 2—3 см дороги. Пройдя
многие сотни биллионов километров до нас, световой
луч пройдет через достаточное количество атомов, и в
спектре появятся темные линии.
Сначала предлагалось и другое толкование. Думали,
что линии возникают в облаке, связанном со звездой и
образующем вокруг нее- род ореола. Две компоненты
парной звезды кружатся одна около другой, но их ор-
битальное движение может и не захватывать диффузной
среды, заполняющей и окружающей систему. Это было
правдоподобное объяснение, но оно не подтвердилось.
Способом проверки снова послужила скорость. Помимо
вращательного движения внутри облака кальция и нат-
рия, система должна целиком двигаться к нам или от
нас вместе с облаком, и это перемещение, взятое из дан-
ных для большого промежутка времени, должно дать
одинаковое среднее перемещение как для линий звезд,
так и для облака: иначе облако отставало бы от звезд.
Профессор Пласкетт проверил это при помонГи 72-
дюймового рефлектора областной обсерватории в Бри-
танской Колумбии. Он нашел, что вековая или средняя
I 80 |
величина приближения звезды 1 в общем сильно отлича-
лась от соответствующего значения для „неподвижных”
линий кальция и натрия. Ясно, что материя, виновная в
появлении этих линий, не связана со звездами, так как
движется с иною скоростью.
Пласкетт пошел дальше, он показал, что в то вре-
мя как звезды имеют самые различные индивидуальные
скорости, материя неподвижных линий обладает одина-
ковой или почти одинаковой скоростью во всех частях
неба, как будто бы эта материя была непрерывной сре-
дой, заполняющей все межзвездное пространство. Я ду-
маю, не приходится сомневаться, что это исследование
доказывает существование космического облака, окуты-
вающего звездную систему. Заполненность межзвездного
пространства становится наблюдаемым фактом, а не тео-
ретической догадкой.
Система звезд плавает в океане, не только в океане
пространства или эфира, но в океане материальном, в
котором на литр^дриходится около сотни атомов. Это
тихий океан, без заметных относительных движений; ве-
роятно, и в нем существуют течения, но они слабы и
не достигают тех больших скоростей, которыми обык-
новенно обладают звезды.
При этом появляется много интересных вопросов. Я
коснусь только одного или двух. Почему атомы кальция
ионизованы? В тишине межзвездного пространства мы
как будто удалились от бури, разбивающей атомы каль-
ция в звездных недрах. На первый взгляд кажется не-
1 Она определяется, конечно, по другим линиям спекгра, ко-
торые несомненно принадлежат звездам и движутся вперед и
назад по мере вращения звезды по орбите.
б А. Эддингтон
I 81 |
понятным, почему же атомы в облаке не являются непо-
врежденными. Однако и в пустынях пространства разби-
вание атомов продолжается; пространство непрерывно
пронизывается светом звезд, и некоторые из световых
волн достаточно сильны, чтобы вырвать один и даже два
электрона из атома кальция. Одно из самых замечатель-
ных открытий новой физики состоит в том, что при
расширении световых волн и расхождении на большее
пространство они не теряют своей действительной силы,
а становятся только, так сказать, ленивыми. Слабеет не
сила их, но вероятность того, что они проявят свою
силу. Световая волна, способная взорвать атом, сохра-
няет это качество и при разрежении в миллионы раз,
она становится только в миллионы раз более экономной
в расходовании этой способности. Иными словами, атом,
подвергающийся действию слабого света, должен в сред-
нем ждать в миллионы раз дольше, прежде чем волне
будет угодно его взорвать, но если взрыв случится, он
произойдет столь же мощно, как и без ослабления
света. Это совсем не похоже на поведение водяных
волн: волна, способная вначале опрокинуть лодку, при
расширении делается бессильной. Излучающее тело
похоже в этом смысле на пушку, стреляющую разрыв-
ными бомбами: вероятность промаха возрастает при уве-
личенйи расстояния, но если бомба попала, она разры-
вается с одинаковой силой как вблизи, так и вдали. Это
свойство (квантовое свойство) является одной из глубо-
чайших тайн света.
Итак, электроны в межзвездном пространстве могут
также выбрасываться из атомов, но очень редко. Другая
сторона вопроса—„быстрота починки", и в этом отно-
шении ничтожная плотность космического облака яв-
I 82 ]
ЛЯется решающим фактором. У атома здесь очень, мало
возможностей восстановиться. Блуждая в пространстве,
атом встречается с электроном приблизительно только
раз в месяц, и ниоткуда не следует, что уже при пер-
вой встрече электрон будет пойман.
Следовательно, даже очень редких случаев ионизации
достаточно, чтобы держать большинство атомов в иони-
зованном состоянии. Разбитое состояние атомов внутри
звезды можно сравнить с обвалом дома во время ура-
гана, ионизация в межзвездном пространстве — обвал,
вызванный обычным износом, связанным с крайней ме-
дленностью исправления.
Расчет показывает, что большинство атомов кальция
в межзвездном пространстве потеряло два электрона, эти
атомы не обнаруживаются в видимом спектре. „Непо-
движные линии “ производятся атомами изредка, когда
они несколько исправлены, и у них не хватает только
одного электрона; оии должны составлять не более
тысячной доли всего числа ионизованных атомов. Однако
и этого достаточно для получения наблюдающейся
абсорпции.
Обыкновенно мы считаем, чго в межзвездном простран-
стве чрезвычайно холодно. Действительно, если бы туда
поместить термометр, способный отмечать самые низкие
температуры, то он показал бы около 3° выше абсолют-
ного нуля. Компактная материя, каковой является термо-
метр, и даже крайне разреженный, с обычной точки
, зрения, газ охладились бы в межзвездном пространстве
до этой низкой температуры. Но это неприменимо
к материи, разреженной до такой степени,* как косми-
ческое облако. Его температуру надо определять из
других соображений, и вероятно, что она немного ниже
6*
[ 83 ]
поверхностной температуры самых горячих звезд, т. е.
15 000°. Межзвездное пространство одновременно и
исключительно холодно и чрезвычайно горячо Л
Хромосфера Солнца
Мы снова меняем декорации и теперь находимся во
внешних слоях Солнца. На рис. 10 2 изображен один
из гигантских пламенных протуберанцев, которые время
от времени вылетают из Солнца. Пламя на этой фото-
графии достигает приблизительно 200 000 км высоты.
Оно сильно меняет свои формы и исчезает приблизи-
тельно через сутки. Это был исключительный экземпляр.
Меньшие пламена — явление обычное. Странные черные
пятна на рис. 1, похожие на трещины, являются
в действительности, повидимому, протуберанцами, види-
мыми в проекции на значительно более ярком фоне
Солнца. Пламена состоят из кальция, водорода и дру-
гих элементов.
* Слово „температура" иногда применяют в совершенно раз-
ных смыслах. Я могу добавить, что 15 000° — температура, соот-
ветствующая индивидуальным скоростям атомов и электронов,
т. е. я применяю старомодное определение температуры в ки-
нетической теории газов.
(При ионизации атомов кальция, гйтрия и других возмож-
ных элементов в межзвездном пространстве будут вылетать
электроны с очень большими скоростями. В результате обмена
скоростями при встречах атомов и быстрых электронов уста-
новится некоторый средний режим кинетической энергии, соот-
ветствующий высокой температуре поверхностей горячих звезд,
как показывает расчет. Прим, переводчика.)
2 Фотография снята Коттннгэмом и автором на Прин-
ципе во время полного затмения 29 мая 1919 г.
[ 84 |
Нас интересуют ие столько сами протуберанцы, сколько
слой, из которого они вылетают. Обычная атмосфера
Солнца кончается довольно резко, но над ней имеется
глубокий, очень разреженный слой, называемый хромо-
сферой. Ои состоит из немногих элементов, способных
плавать, плавать не на поверхности солнечной атмосферы,
Рис. 10. Солнечные протуберанцы.
а на... солнечных лучах. Искусство плавать на лучах, оче-
видно, задача трудная, * так~ как необходимой ловкостью
обладают только немногие элементы. Особенно опытен
кальций. Легкий и проворный атом водорода делает это
также недурно, но более увесистый кальций лучше.
Слой кальция, висящий на солнечном свете, достигает П
по крайней мере 8 000 км толщины. Наблюдать его V
лучше всего во время затмения, когда диск Солнца закрыт
Луной.. Но при помощи спектрогелиографа его можно
изучать до некоторой степени и без затмения.
В общем этот слой устойчив и спокоен, хотя, как
показывают протуберанцы, в нем могут происходить
[ 85 ]
колоссальные взрывы. Выводы о>носительио хромосферы
кальция, которые я сейчас буду излагать, основаны на
ряде замечательных исследований профессора М и л ь н а.
Каким образом атом может плавать на солнечных
лучах? Это возможно вследствие светового давления,
о котором уже говорилось выше (стр. 32). Продвигаясь
вперед, солнечный свет уносит с собою некоторый
импульс; поглощая свет, атом одновременно получает
толчок. Этот импульс и дает ему возможность держаться
наверху, не „падая на Солнце. Атомы хромосферы как
бы получают от света легкие удары ракеткой, они не-
много опускаются и затем снова подбрасываются вверх
светом. Успешно плавать могут только те атомы, кото-
рые поглощают значительные количества солнечного
света в сравнении - с их ‘ собственным весом. Для того
чтобы понять, почему атомы кальция превосходят другие
элементы, нужно внимательно рассмотреть механизм
дбсорпции этих атомов.
В обычном атоме кальция имеются два электрона, до-
вольно слабо связанные с общей системой; на языке
химиков это выражается как двувалентность кальция;
слабо связанные электроны игракЗт основную роль в хи-
мических свойствах атома. У каждого такого электрона
есть механизм для поглощения света. В условиях хромо-
сферы один из электронов отрывается, остается ионизо-
ванный атом, в котором и возникают „неподвижные
линии" в межзвездной материи. Атом, отдавая электрон
в хромосфере, получает возможность держаться наверху;
если бы оторвался и второй электрон кальция, это имело
бы для последнего роковое значение: атом не мог бы
далее поглощать солнечного света и упал бы вниз. 'Правда,
после потери двух электронов в кальции остаются еще
[ 86 ]
18 электронов, но они связаны столь прочно, чго сол-
нечный свет на них «не действует, они могут поглощать
только очень короткие волны, которые Солнце излучает
в ничтожном количестве. Двукратно ионизованный атом
хромосферы может спастись, только захватив один цз
проходящих электронов и восстановив поглощающий
механизм; но в разреженной хромосфере мало
шансов встретиться с электроном, и потому кальций,
потерявший два электрона, почти неминуемо упадет на
Солнце.
Свет может поглощаться двумя способами. Если атом
слишком алчен и поглощает столько энергии, что взры-
вается, то электрон вылетает, унося излишнюю энергию.
Это—процесс ионизации, иллюстрированный рис. 5. Ясно,
что в хромосфере такой абсорпции нет, так как для
атома кальция гибельна потеря второго электрона.
В другом способе абсорпции нет .такого жадного
поглощения. Атом не взрывается, а только разбухает.
Чтобы приспособиться к большой энергии, электрон
перескакивает на более широкую орбиту. Остав-
шись некоторое время в этом возбужденном состоя-
нии, электрон добровольно перескакивает обратно
на прежнее место. Этот процесс должен повторяться
20 000 раз в секунду, если атом желает балансировать
в хромосфере.
Теперь перейдем к вопросу: почему же кальций пла-
вает лучше всех других элементов? Всегда казалось
странным, что этот тяжелый элемент (с порядковым
№ 20) находится в самых верхних слоях, где нужно бы
ожидать наличие наиболее легких атомов. Мы видим,
что требуется особая ловкость для перекидывания элек-
трона 20 000 раз в секунду так, чтобы электрон ни разу
I 87 |
не сорвался. Это нелегко даже для атома. Кальций1
занимается этой эквилибристикой без ошибки по-
тому, что одна из возможных орбит возбужденного
состояния очень близко расположена к нормальной
орбите, перебрасывание электрона между этими двумя
орбитами происходит без особого риска. У большинства
других элементов первая доступная орбита находится
относительно очень далеко; энергия, нужная для дости-
жения такой орбиты, немного меньше энергии, нужной
для полного отрыва электрона. С источником света,
обладающим непрерывным спектром, трудно осуществить
прыжки электронов так, чтобы от поры до времени не
поглощалась излишняя энергия, причем электрон сры-
вается с атома. Благоприятные условия кальция объяс-
няются большой разницей между энергией возбуждения
и энергией ионизации; у Солнца много эфирных волн,
способных возбуждать кальций, и почти нет волн, кото-
рые могли бы его ионизовать.
Среднее время между двумя возбуждениями атома
равняется ]/20 осо секунды. Это время разделяется на
два периода. В первом периоде атом терпеливо ждет
световых волн, чтобы перебросить электрон. Во время
второго периода электрон вращается на верхней орбите
до тех пор, пока не перескочит обратно. Профессор
М и л ь н показал, как вычислить из наблюдений хромо-
сферы длительность обоих периодов. Величина первого
периода зависит от интенсивности солнечной радиации.
Мы остановим внимание главным образом на втором
периоде, ибо он особенно интересен, являясь свойством
• Мы говорим о кальции хромосферы, т. е. о кальции
с одним потерянным электроном.
I 88 |
самого кальция, независимым от окружающих условий.
Хотя этот период измеряется для ионов хромосферы, но
тот же результат должен получаться для ионов, нахо-
дящихся где угодно. М и л ь н нашел, что электрон
остается на верхней орбите возбужденного состояния
в среднем около одной стомиллионной доли секунды,
после чего он произвольно возвращается обратно.
Можно добавить, что за,это короткое время он успевает
сделать около-миллиона оборотов по этой орбите.
Может быть, это покажется вам не особенно нужным.
Я думаю, однако, что это интересно для тех, для кого
коньком являются вопросы строения атомов. Мне кажется
любопытным, что для определения свойства вещества,
столь обычного в нашей ежедневной жизни, мы должны
повернуть телескоп и спектроскоп на Солнце. Измере-
ния такого рода имеют огромное значение для физики.
Теория атомных скачков относится к теории квантов,
наиболее путаной теории физики; эта теория крайне
нуждается в контроле наблюдениями, особенно в вопро-
сах вроде разбираемого. Можно представить себе наше
удивление, если бы планета, сделав миллион оборотов
вокруг Солнца, прыгала вроде электрона. С каким
жаром принялись бы мы определять средний интервал
времени, после которого случается такой прыжок! Атом
очень похож на солнечную систему и не менее интере-
сен, хотя и построен в меньшем масштабе.
В настоящее время не предвидится возможности из-
мерить время длительности возбужденного состояния
ионизованного атома кальция другими способами. Для
других атомов это осуществимо в лабораторных усло-
виях. Это время ие обязательно должно быть одинако-
вым для разных элементов. Однако лабораторные изме-
I «9 |
рения для водорода1 дают также величину порядка
стомиллионных долей секунды. Поэтому астрономическое
определение для кальция едва ли ошибочно.
Возбуждение атома кальция может осуществляться
под влиянием света двух длин волн. Атомы хромосферы
поддерживаются в верхних слоях за счет ограбления
солнечного света этих длин воли.
Правда, через стомиллионную, долю секунды происхо-
дит рецидив, и атом отдает обратно присвоенное. Но,
излучая свет снова, атом может послать его куда угодно
вперед или назад, так что уходящий свет Солнца
в среднем теряет больше, чем получает обратно.
В результате, когда мы смотрим на Солнце через
завесу кальция, то В спектре остаются прогалины, или
темные линии, соответствующие двум длинам волн; эти
линии обозначаются буквами Н и К. Они не совсем
черные, и важно измерить остаточный свет в центре
этих- линий, так как мы знаем, что его интенсивность
должна быть как раз достаточной, чтобы удерживать
атомы кальция в парящем состоянии, несмотря на тяго-
тение к Солнцу. Как только улетающий свет ослабнет
до такой степени, что уже не будет в состоянии поддер-
живать атомы, дальнейшее поглощение его прекратится,
и с этой предельной интенсивностью он уйдет в про-
странство. Измерения дают числовые данные для опреде-
ления различных постоянных атома кальция, в том числе
и времени восстановления (релаксации).
Атомы в верхних слоях хромосферы подвергаются
действию ослабленного света, прошедшего, через све-
‘ И для многих других элементов, а также для молекул
самого сложного строения, например анилиновых флуоресци-
рующих красок. Прим, переводчика.
I 90 ]
тофильтр внизу; полный солнечный свет унес бы
эти атомы в пространство. М и л ь н вывел одно след-
ствие, которое, может быть, имеет практическое значение
для явлений взрывов „новых звед“ (novae) и во всяком
случае очень интересно. Вследствие эффекта Доп-
плера движущийся атом поглощает несколько иную
длину волны света, чем неподвижный. Во всяком случае,
если атом уносится светом от Солнца, то он будет
удерживаться от падения светом, длина волны которого
несколько сдвинута в сторону от области наибольшего
поглощения неподвижного атома. Интенсивность этого
света несколько больше того, что требуется для равно-
весия, поэтому атом будет двигаться быстрее. Посте-
пенно таким образом благодаря собственной абсорпции
атом уйдет из области поглощения нижнего слоя. Выра-
жаясь метафорически, атом неустойчиво балансирует на
верхушке кривой абсорпции и может свалиться в сто-
рону, в область неослабленного, полного солнечного
света. Ясно, что скорость атома будет возрастать, пока
он не встретится с соседней линией абсорпций (принад-
лежащей, может быть, и другому элементу). Если эта
линия слишком крута и атом не может через нее пере-
валить, то возрастание скорости прекратится, и она
приобретет некоторое постоянное значение. Последние
соображения, может быть, слишком переуточнеиы, ио во
всяком случае они указывают путь для возможности
ухода атома кальция в пространство.
По теории Мил ь на можно вычислить общий вес
кальциевой хромосферы Солнца. Масса ее составляет
около 300 миллионов тонн. Едва ли можно было ожи-
дать такого пустячного количества в области астроно-
мии. Это меньше, чем общий груз, перевозимый за год
I 91 ]
английскими железными дорогами. Я думаю, что наблю-
датели Солнца должны почувствовать себя мистифици-
рованными, получив такое ничтожество после огромного
затраченного труда. Наука, однако, не гнушается и пустя-
ками. Астрономия остается поучительной и в тех слу-
чаях, когда изредка она унижается до самых обычных
чисел.
История Бетельгейзе
Эта история не имеет никакого отношения к атомам
и едва ли подходит к заглавию лекций, но мы поль-
зуемся случаем рассказать о Бетельгейзе, как знамени-
том примере звезды огромных размеров малой плотности.
Ее история тесно связана с некоторыми вопросами,
которыми мы занимались.
Ни у одной звезды нет такого диска, чтобы можно
было его увидеть в современные телескопы. Можно
вычислить, что потребовался бы объектив или линза
в 6 метров диаметром, чтобы заметить следы диска
самой боЛьшой звезды. Представьте себе на мгновение,
что такой телескоп мы построили. С какой же звезды
надежнее всего начать?
Может быть, с Сириуса? Это ведь самая яркая звезда
на небе. Но у Сириуса поверхность накалена добела,
поэтому он может излучать чрезвычайно интенсивно
и не обладая большими размерами. Очевидно, надо пред-
почесть яркую звезду, но с поверхностью, накаленной
возможно слабо. В этом случае кажущаяся яркость
должна вызываться большими размерами. Итак, нужна
звезда одновременно яркая и красная. Бетельгейзе лучше
всего удовлетворяет таким требованиям. Она является
более яркой из двух плечевых звезд Ориона и един-
I 92 I
ственной заметной красной звездой этого созвездия.
У нее есть одна или две соперницы (включая Антарес),
которые с ней конкурируют. Но мы во всяком случае
не сильно ошибемся в нашей надежде отыскать наиболь-
ший или приблизительно наибольший звездный диск,
если наведем наш воображаемый телескоп на Бетель-
гейзе.
Вы, может быть, обратили внимание, что я не говорю
о расстояниях этих звезд. Дело в том, что расстояние
в нашей задаче не важно. Оно было бы важным, если
бы мы искали звезду наибольших действительных раз-
меров. Мы же ищем звезду с наибольшим кажущимся
диском ’, т. е. закрывающим наибольшую поверхность
неба. Если бы расстояние Земли от Солица было вдвое
больше, чем теперь, мы получали бы света в четыре
раза меньше, но и кажущаяся поверхность составляла
бы четверть прежней. Следовательно, количество света
на единицу площади диска не зависит от расстояния.
Если бы Солнце удалялось дальше, его диск становился
бы меньше, но срял бы не менее интенсивно в каждой
своей точке. Так будет происходить до тех пор, пока
диск перестанет быть различимым.
Спектроскопическое исследование показывает, что I!
поверхностная температура Бетельгейзе составляет 3 000°. |
Такую температуру можно получить в лаборатории,
и мы знаем частью из опыта, частью теоретически, ка-
кова излучающая способность . поверхности в этом
1 Довольно неловко применять термин .кажущийся' к пред-
мету настолько малому, что видеть его нельзя; но не следует
забывать, что мы вооружились воображаемым телескопом, при
помощи которого можно видеть диск звезды. В этом случае
смысл слова „кажущийся* будет ясным.
[ 93 ]
состоянии. Отсюда нетрудно вычислить, какую Часть
неба должна закрывать Бетельгейзе так, чтобы площадь,
умноженная на излучательную способность, давала
наблюденную яркость Бетельгейзе. Поверхность, оказы-
вается, должна быть очень малой. Кажущийся размер
Бетельгейзе таков же, как у полупенсовой монеты на
расстоянии в 80 км. Если выразиться более научно, то
диаметр Бетельгейзе, вычисляемый указанным образом,
должен составлять 0,051".
Столь малый диск нельзя увидеть ни в один из
существующих телескопов. Рассмотрим коротко, как
образуется изображение в телескопе, в частности как
получаются детали, или создается контраст света и тем-
ноты, который и позволяет видеть диск или двойную
звезду, а не пятно, исходящее из одной точки. Это
свойство оптических приборов называется разрешающей
способностью. Оно зависит в первую очередь не от
увеличения, но от отверстия. Предел разрешающей
способности определяется размерами отверстия теле-
скопа.
/
Чтобы создать отчетливое, резкое изображение, теле-
скоп не только должен направить свет туда, где он
должен быть, но также не направлять его туда, где он
не должен быть. Последнее как раз наиболее трудно.
Световые волны стремятся распространиться во все
стороны, и отдельные волночки заходят при этом в та-
кие части изображения, где бы им быть не надлежало.
Против этого есть одно средство. К каждой заблудив-
шейся волне нужно послать другую волну по пути
несколько более длинному или более короткому. Если
обе волны встретятся в противоположных фазах, то они
взаимно уничтожатся. Этим объясняется польза больших
I 94 ]
апертур. При больших отверстиях получается большее
различие путей отдельных волн. Волны, идущие из одной
части отверстия, могут относительно запоздать и интер-
ферируют с волнами, идущими от другой части. Малень-
кий объектив дает только свет; чтобы получить и необхо-
димую темноту, нужен большой объектив.
Является ли обычное круглое отверстие наивыгодней-
шим для получения волн с требуемой разностью хода?
Всякое отклонение от симметричности формы отверстия
приведет к меньшей определенности изображения, полу-
чатся пятна и полосы. Изображение не будет похожим
на предмет. С другой стороны, иногда выгодно сделать
эти недостатки изображения еще более резкими. При
этом, конечно, не может быть речи о том, насколько эти
пятна и полосы отличаются от самого предмета, здесь
важно значение этих пятен. Если нельзя воспроизвести
диск звезды, то нельзя ли получить какие-нибудь отчет-
ливые знаки, определяемые диском?
Нетрудно видеть, что для этого нам придется усовер-
шенствовать прибор следующим образом. Среднюю часть
объектива придется закрыть, открытыми останутся только
небольшие, диаметрально противоположные отверстия с
одной или другой стороны стекла. Для этих отверстий
разность световых путей волн — наибольшая, и от них
получится наиболее резкая картина интерференционных
полос; эти лучи имеют главное значение при получении
отчетливого контрастного изображения предмета.
Но если средняя часть объектива не нужна, зачем же
тратиться на ее изготовление? Мы приходим к мысли
применить два отдельных отверстия с небольшими лин-
зами, или зеркалами. Так получается прибор, несколько
похожий на дальномер.
I 95 |
С этим инструментом мы не увидим диска звезды. Если
посмотреть в него, то общее впечатление таково, что
изображение не лучше, чем от каждого отверстия в от-
дельности. Мы увидим „ложный диск"1, окруженный
диффракционными кольцами. Но, посмотрев внимательнее,
можно заметить, что изображение пересекается темными
и светлыми полосами, получающимися по причине интер-
ференции световых волн, идущих от двух отверстий. В
центре изображения волны от двух отверстий усиливают
друг друга, и там видна яркая полоса, так как они шли
симметрично по одинаковым путям. Несколько подальше
вследствие асимметрии гребни одной волны налагаются
на углубление другой и гасят одна другую; здесь видна
темная полоса. Ширина полос уменьшается при возраста-
нии расстояния между отверстиями. 'Для каждого рас-
стояния легко вычислить соответствующую ширину.
Каждая точка звездного диска дает диффракционное
изображение с системой полос такого же вида, но так
как диск мал в сравнении с мельчайшими деталями диф-
фракционного изображения, то никакого заметного размы-
вания и слияния полос не получается. Если, однако, уве-
личивать расстояние между отверстиями дальше, делая по-
лосы все тоньше, то наконец яркие полосы от одной части
диска попадут на темные полосы от другой части диска,
и система полос станет неразличимой. Математическим
вычислением можно определить, чтб получится при сло-
жении полос в каждой точке диска. Можно показать,
что для определенного расстояния между отверстиями
* Светящаяся точка (звезда) видна в трубу всегда в виде
кружка, возникающего вследствие диффракции. Этот кружок
Эддингтон и называет .ложным диском”. Прим, перевод-
чика.
[ 96 1
полосы исчезнут совершенно. Если расстояние увеличи-
вать дальше, полосы появятся снова, но с меньшей рез-
костью. Полное исчезновение полос должно происходить
в том случае, если диаметр диска звезды в 11/ъ раза
больше ширины полос (считая от центра одной светлой
полосы до другой)^ Как уже говорилось, ширину полос
можно вычислить, зная расстояние между отверстиями.
Наблюдение заключается в том, что оба отверстия
раздвигают до тех пор, пока полосы не исчезнут. Зная
расстояние между отверстиями при этом, легко найти
диаметр диска. Хотя мы и измеряем таким образом раз-
меры диска, н£> никогда не видим его.
Принцип метода можно коротко изложить еще так. Изоб-
ражение точки света в телескопе — не точка, а малень-
кое диффракционное пятно. По этой причине, если мы
смотрим на довольно большой предмет, скажем на Марс,
то диффракционные полосы смывают детали планеты.
Когда же мы смотрим на звезду, являющуюся почти
точкой, то лучше, так сказать, перевернуть идею: так как
предмет не идеальная точка, то он слегка смягчит диф-
фракционные полосы. Такое смягчение или смывание
картины будет заметным только в том случае, когда
детали картины достаточно тонки. Бетельгейзе по при-
чине своих конечных размеров теоретически должна
размыть диффракционные полосы. Обычные диффрак-
ционные диски и кольца в самых больших телескопах
слишком грубы для этого. Мы создаем диффракционное
изображение с более тонкими деталями, пользуясь двумя
отверстиями. Теоретически детали можно сделать сколь
угодно тонкими, раздвигая отверстия. Следовательно, метод
состоит в увеличении расстояния между отверстиями
до тех пор, пока полосы не станут настолько тонкими,
7 А. ЭдИингтон [ 97 ]
чтобы заметно размываться При свете Бетельгейзе. Для
звезды с меньшим диском отверстия придется раздвигать
еще дальше.
Этот метод был давно придуман профессором Май-
кельсоном, но только в 1920 г. он испробовал его
в большом масштабе со 100-дюймовым рефлектором на
обсерватории Маунт Вильсон. После многих попыток Пиз
и Андерсон сумели добиться тосо, что яркие и тем-
ные полосы от Бетельгейзе исчезали при расстоянии в
3 метра между отверстиями. Отсюда диаметр звезды
равняется 0,045", в хорошем согласии с предсказанной
величиной (стр. 94). Только у 5—6 звезд диаметры
настолько велики, что их можно измерить таким инстру-
ментом. Разумеется, думают о постройке 15-метрового
интерферометра, но и он будет недостаточен для огром-
ного большинства звезд. Мы твердо убеждены, что опи-
санный раньше метод расчета дает правильные диаметры
звезд, однако подтверждение более прямым методом М а й-
(Кельсона всегда желательно.
Для определения действительных размеров звезды по
ее кажущемуся диаметру мы должны знать расстояние.
Бетельгейзе—очень удаленная звезда, ее расстояние не
может быть измерено очень точно; однако некоторая не-
определенность не изменит общего порядка величины.
Диаметр Бетельгейзе около половины миллиарда кило-
метров, объем ее приблизительно в 50 миллионов раз
превосходит объем Солнца.
Прямого способа определения массы Бетельгейзе нет,
ибо у нее нет поблизости спутников, движение кото-
рых влияло бы на нее. Можно, однако, вывести ее массу
из соотношения массы и яркости на кривой рис. 7. Та-
ким способом получается масса, равная 35 солнечным.
I 98 I
Ёсли результат верен, то Бетельгейзе — одна из наибо-
лее массивных звезд, однако, разумеется, не слишком
массивная в отношении к ее размерам. Ее средняя плот-
ность около миллионной доли плотности воды или не
больше одной тысячной плотности воздуха Е
Есть один способ, на основании которого можно утвер-
ждать, что Бетельгейзе разреженнее Солнца, даже в тем
случае, если бы у нас не было возможности теоретиче-
ски или по аналогии определить ее массу. Согласно
современной теории тяготения у шара размеров Бетель-
гейзе и с плотностью Солнца обнаружились бы следую-
щие замечательные свойства:
1) благодаря огромной силе тяготения свет не мог бы
улететь с такого шара: всякий испущенный луч упал бы
обратно на звезду по причине своего веса;
2) эйнштейновское смещение (которым мы пользова-
лись при определении плотности Спутника Сириуса)
было бы настолько велико, что спектр сдвинулся бы
в невидимую область;
3) масса производит искривление пространства; Бетель-
гейзе с плотностью Солниа вызвала бы такую кривизну,
что пространство завернулось бы кругом звезды, оставив
нас вне пространства, т. е. нигде.
Если бы не было последнего обстоятельства, пришлось
бы пожалеть, что плотность Бетельгейзе так мала.
В настоящее время совершенно реально звезды стали
очень важным помощником физической лаборатории,
1 Плотности меньшие, чем у воздуха, найдены для некоторых
переменных звезд Алголя совсем иным способом; для перемен-
ных Цефеид они получены еще третьим методом. Таким обра-
зом есть несколько примеров звезд с объемами того же порядка
величины, как у Бетельгейзе.
7*
[ 99 |
своего рода отделением высоких температур, где можно
изучать свойства материи при чрезвычайно широких ва-
риациях условий. Я, как астроном, естественно, смотрю
на вещи несколько иначе: физическая лаборатория ка-
жется мне станцией с низкой температурой, состоящей
в ведении звезд. Именно лабораторные условия должны
считаться ненормальными. За исключением межзвездной
материи, находящейся при умеренной температуре около
15 000°, я думаю, девять десятых материи вселенной
имеют температуру выше 1 000 000 °. При обычных усло-
виях (вы понимаете, в каком смысле я применяю это
слово) свойства материи очень просты. Однако во все-
ленной есть исключительные области с температурами,
близкими к абсолютному нулю, где свойства материи
становятся чрезвычайно сложными; ионы окружают себя
там полными электронными системами и становятся ато-
мами наших земных опытов. Земля —- одно из наших хо-
лодных мест, и здесь могут возникать самые удивительные
усложнения. Может быть, наиболее удивительные из таких
сложных систем собираются вместе и рассуждают о зна-
чении всей схемы.
Лекция третья
ВОЗРАСТ ЗВЕЗД
Мы видели, что пространственно человек находится
приблизительно на половине шкалы размеров между
атомом и звездой. Я рискну сделать такое же сравнение
относительно времени. Длительность жизни человека при-
ходится почти на половине шкалы времен, измеряющих
жизнь возбужденного атома и жизнь звезды. Для лиц,
любящих точность (я лично, оценивая возраст звезды, не
претендую на точность), я сделаю следующее дополнение.
В отношении массы человек ближе к атому, и более
сильным претендентом на центральное положение между
атомом и звездой является гиппопотам. В смысле
времени семь десятков лет жизни человеческой несколь-
ко ближе к звезде, и на половине шкалы с большим
правом можно бы поставить бабочку.
У этих фантастических рассуждений есть серьезная
мораль. Рассмотрим периоды времени, поражающие наше
воображение. Нас пугают эти векселя, предъявляемые
вечности. Однако- громада шкалы времени звездной эво-
люции менее далека от шкалы человеческого опыта, чем
ничтожно малая шкала времени внутриатомных процессов.
I 101 I
К вопросу о „возрасте звезд" мы подойдем окольны-
ми путями, по дороге нас задержат некоторые случайные
проблемы.
Пульсирующие звезды
Звезда 8 Cephei — одна из переменных звезд; ее пере-
межающийся свет, как у Алголя, шлет нам некоторое по-
слание. После расшифровки это послание оказывается,
однако, совсем непохожим на то, что сообщает Алголь.
Скажу сразу, что эксперты расходятся относительно
толкования послания 8 Cephei. Здесь не место излагать
подробности или объяснять, почему другие интерпрета-
ции мне кажутся неприемлемыми. Я расскажу вам только
ту историю, которая, на мой взгляд, наиболее правильна.
Эта интерпретация указана Плуммером и Шаплеем.
Последний высказал ее особенно убедительно; дальней-
шее развитие, как я думаю, имеет тенденцию к укрепле-
нию такого толкования. Я не утверждаю, впрочем, что
все сомнения устранены.
Алголь оказался парою звезд, очень близких одна к
другой и затмевающих одна другую от поры до времени.
8 Cephei — одиночная пульсирующая звезда. Это.—
сфера, симметрично разбухающая и сжимающаяся с пра-
вильным периодом в 51/а дней. По мере такого расши-
рения и сжатия внутри звезды происходят изменения
давления и температуры; поэтому поток света, выходя-
щий наружу, то подымается, то слабеет в отношении ин-
тенсивности, причем меняется и его окраска.
Здесь нет речи о затмениях, в световых сигналах
8 Cephei нет „точек" и „тире", во всяком случае измене-
ние окраски указывает на действительные изменения
физических условий источника света. Но прежде для
| 102 ]
объяснения всегда предполагались две звезды, и физиче-
ские изменения толковали как результат орбитального
движения. Предполагали, например, что главная звезда
ходит по круговой орбите в сопротивляющейся среде,
которая нагревает фронтальную поверхность звезды. Свет
меняется оттого, что мы видим то нагретый фронт звезд,
то холодную тыльную часть. Орбитальное толкование
теперь оставлено, ибо оказалось, что в буквальном смысле
для второй звезды нет места. Предполагаемую орбиту
определяли обычным путем из спектроскопических изме-
рений скорости приближения и удаления; позднее полу-
чили, однако, сведения об истинных размерах звезд, сна-
чала расчетом, а потом (для немногих звезд) и прямыми
измерениями. Для S Cephei выяснилось, что звезда слиш-
ком велика, а орбита мала, вторую звезду, если бы она
существовала, пришлось бы поместить внутри главной
звезды. Это пространственное совпадение звезд приводит
к абсурду гипотезу двойной звезды, и надо искать дру-
гих объяснений.
То, что прежде принимали за приближение и удаление
звезды в целом, оказалось приближением и удалением ее
поверхности, то поднимающейся, то опускающейся вслед-
ствие пульсаций. Звезды, изменяющиеся подобно S Ce-
phei, являются диффузными, с объемами, в огромное число
раз превосходящими Солнце. Общее смещение их соста-
вляет только долю радиуса звезды. Поэтому нет необхо-
димости предполагать смещения звезды в целом вследствие
орбитального движения; наблюдая колебания яркости и
цвета, мы следим за пульсациями части звезды, повер-
нутой к нам.
Вывод о том, что о Cephei - одиночная, а не двойная
звезда, непосредственно приводит к такому следствию-
I 103 |
Период в 5 д/3 дней определяется самой звездой и по-
тому является ключом для понимания ее физических
условий. Это — период свободных, а не вынужденных ко-
лебаний. Важно уяснить значение этого факта. Числа
солнечных пятен колеблются от максимума до минимума
и обратно с периодом около 111/2 лет. Мы до сих пор
не понимаем причины этих колебаний, однако признаем,
что период солнечных пятен является чем-то характерным
для Солнца в его современном состоянии, и считаем, что
этот период изменится, если что-нибудь с Солнцем про-
изойдет. Одно время высказывалось предположение, не
вызываются ли колебания чисел солнечных пятен обра-
щением планеты Юпитера, период которого приблизи-
тельно такой же. Если бы это было так, то 111 /2-летний
период Солнца был бы вынужденным, результатом внешней
причины, и по этому периоду мы ничего бы не узнали
о свойствах самого Солнца. Полагая, что световой период
8 Cephei — собственный, свойственный ей так же, как
определенный тон соответствует каждому камертону, мы
можем считать этот период ценным индикатором
постоянства (или изменений) физических условий
звезды.
В звездной астрономии обыкновенно мы чувствуем
себя очень счастливыми, если наши данные, параллакс,
радиус, массу, абсолютную яркость и прочее, удается
определить с точностью до 5 °/0. Но измерения периода
дают возможность значительно большей точности. Я по-
лагаю, что наиболее точным известным количеством в
науке (за исключением математики) является средний
период Луны, который обыкновенно указывается до двена-
дцатого знака. Период 8 Cephei может быть определен по
крайней мере до шестого знака. Поспешив закрепить на-
I |
блюдаемый период за внутренними условиями звезды, мы
получили чувствительный индикатор, при помощи которого
можно обнаруживать крайне малые изменения. Вы можете
теперь догадаться, почему я подхожу к возрасту звезд,
начав с изложения свойств переменных Цефеид. До
настоящего времени это единственные известные звезды,
обладающие чувствительным индикатором, при помощи
которого есть надежда определить скорость эволюцион-
ных изменений. Мы думаем, что £ Cephei, подобно дру-
гим звездам, сгустилась из туманности, причем конден-
сации и сгущения продолжаются еще и теперь. Нет
никакой надежды открыть сжатие, звезд нашими грубыми
методами определения радиуса, если даже производить
эти наблюдения сотню лет. Но эволюция должна быть
очень медленной, если собственный период звезд не
обнаруживает в течение века никаких изменений с
точностью до одной десятимиллионной доли.
При этом не очень существенно, понимаем ли мы
природу этого внутреннего периода, или нет. Если звезда
сжимается, то период пульсации, период вращения или
другие ее собственные периоды должны изменяться. Если
вам угодно предпочесть какое-либо иное толкование
послания 8 Cephei, вы можете заменить некоторые мои
слова другими, однако общий вывод, относящийся к
скорости эволюции, останется неизменным. Только в том
случае, если вы отнимете период от самой звезды и,
вернетесь к старой гипотезе двойной системы, наша
аргументация теряет силу. Но я не думаю, чтобы кто-
нибудь из лиц, имеющих другое толкование Цефеид, пред-
ложил возврат к старой гипотезе.
Разумеется, такие пульсирующие звезды должны рас-
сматриваться с особым интересом. На обычные звезды мы
[ ]
смотрим с уважением как на предметы под стеклом в
музеях, в наших пальцах появляется зуд щелкнуть по
ним и удостовериться в их упругости. Пульсирующие
звезды похожи на соблазнительные модели с кнопками
в научных музеях: нажав на кнопку, мы приводим модель
в движение. Иметь возможность видеть активное биение
звездной машины’чрезвычайно поучительно для развития
науки.
Теория постоянной звезды, описанная в первой лекции,
может быть распространена и на пульсирующие звезды;
можно рассчитать собственный период пульсации для
звезды определенной адассы и плотности. Вы помните,
что мы уже вычисляли тепловое излучение, или яркость,
и сравнивали расчет с наблюдениями; при этом получи-
лось удовлетворительное согласие с теорией. Теперь
можно вычислить период пульсации и, сравнив его с
наблюдениями, еще раз проверить теорию. По причине
отсутствия данных об одной постоянной звездного ве-
щества в расчетах остается некоторая неопределенность,
соответствующая фактору, приблизительно равному 2.
Иными словами, мы находим два периода, один вдвое
больше другого; между этими предельными значениями
должно лежать истинное. Наблюдения подтверждают
теорию очень хорошо.
Имеются 16 переменных Цефеид, на которых можно
проверить теорию; периоды их различаются от 13
часов до 35 дней; во всех случаях вычисленные вели-
чины согласуются с наблюдениями в пределах ожи-
даемой точности. Косвенным образом это согласие
видно из рис. 7, где квадратики, соответствующие пере-
менным Цефеидам, хорошо ложатся на теоретическую
кривую.
I Ю6 ]
Цефеиды как „нормальная свеча
Переменные Цефеиды с одинаковым периодом очень
похожи, друг на друга. Всякая Цефеида с периодом в
5J/3 дней где угодно во вселенной будет практически
копией 8 Cephei; в частности ее абсолютная яркость
будет та же. Это найдено наблюдением и не предсказано
ни в какой мере теорией. Яркость, как мы видели, зави-
сит главным образом от массы; с другой стороны, период
зависит главным образом от плотности. Наблюдаемая связь
яркости и периода указывает, следовательно, на существо-
вание отношения между массой и плотностью. Предпо-
ложительно это отношение выражается в том, что для
данной массы имеется своя, особая плотность (соответ-
ствующая некоторой стадии конденсации звезды); при
этой плотности могут происходить пульсации, при дру-
гих плотностях звезда будет гореть постоянно.
Это свойство делает Цефеиды крайне полезными для
астронома. Они служат как нормальная свеча, как источ-
ник с постоянной силой света.
Указать действительную яркость света, просто взгля-
нув на него, нельзя. Если он кажется тусклым, то это
означает или действительную слабость, или большое
расстояние. На море в ночное время вы видите много
светящихся точек, у которых нельзя определить расстоя-
ния и истинной яркости; ваша оценка действительной
яркости может быть ошибочной в квинтиллион раз, если
вы случайно смешаете Арктур с лампой на корабле. Но
среди других светящихся точек на море вы заметите
правильный, перемежающийся свет, меняющийся опреде-
ленное число раз в секунду. Вы знаете, что это такой-
то и такОй-то маяк, бросающий свет силою во столько-
[ Ю7 ]
то тысяч свечей. Вы можете теперь оценить, как далеко
до маяка (если только, конечно, нет тумана).
Таким же образом, когда мы глядим на ночное небо,
звезды могут иметь любые действительные яркости и
находиться на любых расстояниях. Благодаря самым
утонченным методам измерения параллакса удалось найти
истинное положение только немногих, ближайших светил.
Но если вы увидите светило, подмигивающее, как Це-
феиды, и с периодом в 5 J/3 дня, то вы можете утвер-
ждать, что это копия 8 Cephei, с яркостью в 700 раз
большей, чем у Солнца. Если период иной, то мы также
в состоянии определить его истинную яркость- в сравне-
нии с Солнцем. Для этого измеряется кажущаяся яркость,
зависящая от расстояния и действительной яркости; далее
простой расчет отвечает на вопрос. На какое расстояние
надо поместить светило, в 700 раз более яркое, чем
Солнце, для того чтобы получилась наблюдаемая кажу-
щаяся яркость? Какое значение имеет при этом туман?
Было произведено тщательное изучение этого вопроса и
оказалось, что, несмотря на космическое облако в меж-
звездном пространстве, свет звезд на пути к нам не
поглощается и не рассеивается заметным образом.
Благодаря услугам Цефеид в качестве нормальной
свечи удалось определить такие расстояния в звездной
вселенной, которые были недостижимыми для прежних
методов. Если бы эти расстояния относились просто к самим
переменным Цефеидам, это было бы еще не так важно, в
действительности получены данные и для других звезд.
На рис. 11 1 изображена знаменитая звездная куча,
называемая ы Centauri. Среди тысячи звезд этой кучи
1 С фотографии, снятой на королевской обсерватории на
мысе Доброй Надежды.
I |
обнаружилось не менее 76 Цефеид. Каждая из них слу-
жит нормальной свечой для определения расстояния от
земли прежде всего ее самой, но одновременно и всей
Рис. 11. Звездная куча “ Centauri.
кучи, в которой она расположена. 76 примеров удиви-
тельно согласуются между собою, среднее отклонение не
превосходит 5 °/0. Таким способом Ш а п л е й нашел, что
расстояние кучи равно 20000 световых лет. Световые
I |
Послания, которые мы читаем теперь, были посланы из
кучи 20 000 лет тому назад
Астроном больше, чем другие жрецы науки, оценивает
преимущества положения, не слишком близкого к из-
учаемым предметам. Ближние звезды, конечно, ходят пра-
вильно По СЙОИМ- путям, однако очень неприятно нахо-
литься среДй Них. Каждую такую звезду приходится
изучать отдельно, разыскивать ее расстояние при помощи
длительных Намерений, новые знания здесь даются очень
трудно. Когда же мы определяем расстояние удаленной
кучи, мы сразу находим расстояния многих-тысяч звезд.
Если расстояние известно, то кажущиеся величины можно
перевести в истинные; таким образом становится возмож-
ной статистика абсолютных яркостей и цветов. Даже не зная
расстояний по звездам, собранным в кучу, можно узнать
многое такое, что недоступно для нас в менее удаленных
звездах. Мы находим, что Цефеиды значительно превосхо-
дят по интенсивности среднюю яркость, и только немногие
звезды' имеют ббльшие яркости. Можно утверждать, что
чем ярче Цефеида, тем длиннее ее период. Мы находим, что
самые яркие звезды все красные 2. И так далее. Но есть
и обратная сторона медали: слабые световые точки в
удаленных кучах далеко не самый лучший объект для
* Для сравнения укажем, что ближайшая неподвижная звезда
находится на расстоянии 4 световых лет. За исключением звезд-
ных куч мы редко встречаемся с расстоянием более 2000 све-
товых лет.
2 Не всегда можно быть уверенным, что справедливое для
звездной кучи верно для всяких звезд; наши сведения о ближ-
них звездах, хотя и менее достоверные и скудные, чем о куче-
вых звездах, не совсем согласуются с ними в отношении соче-
тания цвета и яркости.
[ ио ]
измерения и анализа, и в этом отношении надо помянуть
добрым словом ближайшие звезды. Но остается фактом,
что в некоторых вопросах исследования звезд удален-
ность — действительное преимущество. Мы перейдем сей-,
час от ближних звезд к объектам, находящимся на рас-
стоянии 50 000 световых лет.
Известно около 80 звездных куч с расстояниями от
20 000 до 200 000 световых лег. Есть ли еще что-нибудь
более удаленное? Давно уже предполагали, что спираль-
ные туманности J, которые, повидимому, особенно много-
численны, находятся за пределами звездной системы и
образуют „острова-вселенные". Доводы в пользу этого
становились все сильнее, и теперь этот факт считают
окончательно подтвержденным. В 1924 г. Хебл открыл
некоторое число переменных Цефеид в большой туманно-
сти Андромеды, которая является наибольшей и, вероятно,
самой близкой к нам спиральной туманностью. После
того как были определены периоды Цефеид, ими
можно было воспользоваться как нормальными свечами
для определения расстояния туманности. Кажущаяся
яркость их значительно слабее, чем у соответству-
ющих Цефеид в шаровых облаках; следовательно, они
должны находиться дальше. Хебл тем же способом
определил расстояния еще одной или двух спиральных
туманностей.
Невооруженному глазу туманность Андромеды кажется
слабым пятнышком. Когда вы на нее глядите, то смот-
рите на то, что случилось 900 000 лет назад.
* Термин „туманность" охватывает разнообразные объекты,
и только спиральные туманности, повидимому, расположены за
пределами нашей звездной системы.
I HI I
Гипотеза сжатия
Проблема о запасах энергии, необходимых для под-
держания солнечной световой и тепловой отдачи, часто
дебатировалась астрономами и неастрономами. В прош-
лом веке Гельмгольц и Кельвин показали, что
Солнце может поддерживать свое тепло в течение очень
большого времени посредством непрерывного сжатия.
Вследствие сжатия материя приближается или падает
к центру Солнца, при этом освобождается потенциаль-
ная энергия, превращающаяся в тепло. Предполагалось,
что это — единственный солнечный ресурс, так как
других источников столь большой энергии не знали. Но
подача энергии за счет сжатия не может быть беспре-
дельной: согласно гипотезе сжатия, Солнце возникло не
более чем 20 000000 лет тому назад. Даже в то время
такой срок был найден слишком малым, но Кельвин
убеждал геологов и биологов, что они должны уложить
земную историю в пределы этого срока.
В начале настоящего столетия гипотеза сжатия нахо-
дилась в курьезном положении: ее все принимали, но
почти никто не знал. Немногие пытались оспаривать
гипотезу, а остальные без всякого колебания переносили
сроки истории Земли или Луны, если в том была надоб-
ность, на большие промежутки времени назад от пред-
полагаемой эпохи образования солнечной системы. Дата
творения, предложенная лордом Кельвином, третиро-
валась не с бблыиим уважением, чем библейская.
Серьезные затруднения, связанные с этой гипотезой,
станут особенно резкими, если обратиться к диффузным
звездам большой яркости. Они расточают свою энергию
в сто или тысячу раз быстрее, чем Солнце. Экономное
I И2 |
Солнце могло существовать за счет энергии сжатия 20 мил-
лионов лет, но для диффузных ярких звезд этот срок со-
кращается до 100 000 лет. К числу таких звезд относится
большинство звезд, видимых невооруженным глазом.
Можно ли поверить, что они образовались за послед-
ние сто тысяч лет? Неужели древность человека больше,
чем у звезд, которые светят сейчас? Неужели звезды
в туманности Андромеды погибают скорее, чем их свет
успеет до нас достигнуть?
Однако одно дело — чувствовать неприязнь к ограни-
чению шкалы времени, опрокидывающему наши идеи и
объяснения, которые в остальном правдоподобны и при-
влекательны, другое дело — привести определенные до-
казательства против этой шкалы времени. Я не думаю,
что у астрономов на их собственной территории
имеется какое-нибудь оружие для прямой атаки гипо-
тезы Гельмгольц-Кельвина, за исключением того,
что дают переменные Цефеиды. Перейдем к цифрам.
3 Cephei излучает в 700 раз больше энергии, чем Солнце.
Мы знаем ее массу и радиус и без труда можем вычис-
лить, с какою скоростью должен сжиматься радиус,
чтобы создать такое излучение. Оказывается, звезда
должна сжиматься на ]/40000 РаднУса в год- Впервые
о Cephei тщательно наблюдалась в 1785 г.; с того вре-
мени ее радиус должен бы измениться на т/300, если ги*
потеза сжатия справедлива. Вы помните, что на 6 Cephei
имеется очень чувствительный индикатор всяких измене-
ний— период пульсации. Ясно, что изменения величины
звезды должны отозваться на этом индикаторе. Изме-
няется ли период? Это сомнительно; может быть, и есть
указания на легкие изменения, но не более ’/200 того,
что требуется гипотезой сжатия.
8 А. Эмингтон
[ из ]
Если принять теорию пульсации, то период должен
уменьшаться на 17 секунд ежегодно. Такую величину легко
заметить. Действительные изменения составляют не более
’До секунды за год. Во всяком случае в состоянии Це-
феиды звезды черпают энергию из какого-то иного ис-
точника, а не за счет сжатия.
В столь важном вопросе нельзя ограничиться только
одним доводом, поэтому мы обращаемся к родственным
наукам за другими, может быть, более убедительными
доказательствами. Физические и геологические исследо-
вания определенно указывают, что возраст Земли (счи-
таемый от того периода, который во всяком случае да-
леко отстоит от момента рождения Земли как планеты)
значительно больше того, что дает шкала Г ельмгольца-
К ель ви на. Обычно особенное значение придают
в этом смысле определениям возраста горных пород по
отношению количеств урана и свинца. Уран превра-
щается с определенной скоростью в свинец и гелий.
Свинец не похож на уран в химическом отношении, по-
этому они не должны бы встречаться вместе; если же
они расположены вместе, то, вероятно, свинец получился
благодаря разложению урана ’. Измеряя, какое количе-
ство свинца • соответствует определенной массе урана,
мы можем определить, сколько времени лежит здесь
уран. Возраст древних пород оказался равным 1 200 мил-
лионам лет; некоторые авторы дают более скромную
оценку, однако все же слишком высокую, чтобы можно
1 Это можно проверить таким способом. Урановый свинец
обладает атомным весом, несколько отличающимся от атом-
ного веса свинца другого происхождения. Обычный свинец —
смесь различи.,IX сортов атомов того же элемента (изотопов).
[ 114 ]
было спасти гипотезу сжатия. Солнце несомненно должно
быть намного древнее, чем Земля и ее породы.
Нам требуется, невидимому, шкала времени, дающая
для Солнца не менее 10 миллиардов лет, во всяком
случае мы не можем снизить наши требования меньше,
чем до миллиарда лет. Необходимо найти другой более
щедрый источник энергии, который мог бы поддержи-
вать теплоту Солнца и звезд в течение столь обширных
времен. Можно сразу же сузить направление наших по-
исков. Ни один источник энергии не может иметь зна-
чения, если тепло не освобождается в глубоких недрах
звезды. Центр вопроса не в том, чтобы доставить энер-
гию для радиации, а в том, что нужно поддерживать
внутреннее тепло, иначе тяготеющая масса будет притя-
нута к центру. В первой лекции, как вы помнете, мы
должны были приписать каждой точке звездных недр
определенное количество тепла для того, чтобы стало
возможным равновесие. Но это внутреннее тепло непре-
рывно уходит к более холодным внешним слоям и за-
тем улетает в пространство в виде звездной радиации.
Этот расход тепла должен быть чем-то покрыт для под-
держания постоянного режима, иначе звезда начнет
сжиматься и будет развиваться в пределах шкалы вре-
мени Кельвина. Бесполезно возвращать энергию звезды
на поверхность, например в виде дождя метеоров. Эта
энергия не перейдет внутрь, вследствие того, что
внутри звезды теплее, чем снаружи, она улетит в про-
странство при первой же возможности в виде до-
бавочной радиации. Нельзя поддержать градиент тем-
пературы, подводя тепло к холодному концу. Оно долж-
но подходить к горячему концу, т. е. в глубины звезд-
ных недр.
8*
I П5 |
Нельзя вообразить себе постороннего источника — тела,
подводящего энергию к центру звезды, поэтому идея
о засасывании энергии звездою извне, по мере расхо-
дования внутренней энергии, совершенно неприемлема.
Изо всего этого следует, ’что в самой звезде должна быть
скрыта анергия, поддерживающая ее существование.
Энергия обладает массой. Многие предпочли бы ска-
зать: энергия — это масса; но здесь нет необходимости
спорить по этому вопросу. Для нас существенен тот
факт, что эрг энергии в какой угодно форме обладает
массой в 1,1 .10~21 г. Эрг — привычная научная единица
энергии, но энергию можно измерять также граммами
или тоннами, как и все остальное, имеющее массу. Вы
могли бы покупать у электрической компании свет фун-
тами. Неудобство только в том, что это количество зна-
чительно больше, чем вам нужно; при существующих
ценах фунт света обошелся бы около ста миллиардов
рублей. Если бы весь этот свет (эфирные волны) вы
заключили в замкнутый ящик с зеркальными стенками,
так, чтобы он мог бегать там от стенки до стенки, то
оказалось бы, что вес ящика увеличился на 1 фунт, со-
ответственно весу света: ясно, что предмет с . весом
в 1 тонну не может содержать энергии больше тонны.
Поэтому на Солнце с весом в 2 000 квадриллионов
тонн (стр. 32) не может быть энергии больше 2 000 квад-
риллионов тонн..
Масса в 2. 1033 г (т. е. масса Солнца) соответствует
энергии в 1,8. 1054 эргов. Таковы, следовательно, все за-
пасы энергии Солнца, которыми оно располагает на
остаток жизни Мы не знаем, какую долю этого запаса
1 Вы, может быть, удивляетесь тому, что выше я говорил о
2 000 квадриллионов тонн энергии, как о предельной возмож-
I . ]
можно превратить в тепло и радиацию. Если можно
утилизировать весь запас, то солнечная радиация с со-
временной мощностью может сохраняться 15 биллионов
лет. Тепло, отдаваемое Солнцем за год, соответствует
массе в 120 биллионов тонн; если такой расход будет
продолжаться постоянно, то у Солнца не останется массы
через 15 биллионов лет.
Субатомная энергия
Энергия, за незначительными исключениями, сосредо-
точена во внутреннем строении атомов и электронов, мы
называем ее поэтому субатомной энергией. Большая
часть ее скрыта в структуре электронов и протонов,
элементарных отрицательных и положительных' зарядов,
из коих построена материя. Освободит^ эту энергию
можно, только разрушив электроны и протоны. Основ-
ные запасы энергии звезды не могут быть превращены
в радиацию, если материя, из которой построена звезда,
не будет уничтожена.
Возможно, что звезда будет существовать долгое
время, не прибегая к этому главному источнику энергии.
Небольшая часть запаса может быть освобождена по-
средством менее решительного процесса, чем уничтожение
ной энергии Солнца, а теперь говорю, что энергия именно
такова. Противоречие здесь только словесное, зависящее от
научного определения энергии. Всякая масса есть масса чего-
нибудь, это „что-нибудь' мы называем теперь „энергией* не-
зависимо от того, соответствует ли оно привычным формам
энергии или нет. На следующих страницах вы увидите, что
мы не предполагаем, что энергия должна обязательно превра-
щаться в известные формы. Здесь вопрос терминологии, не
обязывающий нас ни к чему.
1 117 |
материи. Этой небольшой части может хватить на 10 мил-
лиардов лет горения Солнца, т. е. на срок, может быть, и
достаточный. Этот не столь разрушительный процесс со-
стоит в превращении элементов. Мы подошли к пункту, где
нам приходится делать выбор. Можно удовлетвориться
превращением элементов, ограничив таким образом до-
вольно значительно шкалу времени, или же можно пред-
положить уничтожение материи, что дает нам обширную
. шкалу. Третьей возможности я сейчас не знаю. Очертим
еще раз положение вопроса. Прежде всего мы нашли,
что энергии сжатия безнадежно недостаточно; далее мы
утверждаем, что энергия должна освобождаться в глубине
звезд, она должна черпаться из внутреннего, а не из
внешнегд источника. Теперь мы рассматриваем, каковы
же общие запасы полной внутренней энергии. Все суще-
ственные запасы сосредоточены в виде энергии строения
систем из электронов и протонов; довольно большое
количество энергии может быть освобождено при пере-
группировках протонов и электронов внутри атомных
ядер (превращение элементов), но ббльшая часть может
быть получена только при уничтожении протонов и
электронов.
Превращение элементов, заветная мечта алхимиков
осуществляется в радиоактивных процессах. Уран мед-
ленно переходит в смесь свинца и гелия. Но ни при
одном известном радиоактивном процессе не освобож-
дается количеств энергии, достаточных для поддержания
солнечного тепла. Заслуживающая внимания энергия при
превращениях освобождается только в начале эволюцион-
ной лестницы элементов.
Начнем с водорода. Атом водорода построен крайне
просто, из одного протона с положительным зарядом и
[ П8 ]
одного отрицательного электрона, вращающегося как
планета вокруг протона. Будем считать массу водорода
равной 1. Из четырех атомов водорода получится атом
гелия. Если масса гелия точно равна 4, это будет зна-
чить, . что вся энергия водородных атомов осталась в ге-
лии. В действительности масса гелия составляет 3,97.
Таким образом энергия с массою 0,03 должна была ис-
чезнуть при образовании гелия из водорода. Из 4 г
водорода мы должны были бы получить 4 г энергии;
превратив водород в гелий, мы освобождаем только
0,03 г энергии. Оба процесса могут служить источни-
ками солнечного тепла, но второй процесс дает значи-
тельно меньше энергии.
Освобождение энергии при образовании гелия проис-
ходит потому, что только 2 из 4 водородных электронов
остаются планетными электронами, два другие вместе
с 4 протонами входят в состав ядра гелия. Сближая
положительные и отрицательные заряды, мы вызываем
изменение энергии электрического поля и освобождаем
электрическую энергию, уходящую в виде эфирных волн.
При этом и уходят 0,03 г энергии. Звезда может по-
глотить эти эфирные волны и превратить их в тепло.
От гелия можно переходить к высшим элементам, но
при этом не освобождается новой заметной энергии.
Например, кислород можно составить из 16 водород-
ных атомов, или 4 атомов гелия; но, поскольку мы
можем судить, вес кислорода почти в точности равен
весу 4 гелиевых атомов, следовательно, при превраще-
нии водорода в кислород и в гелий, освобождается
почти одна и та же энергия. Это станет яснее, если мы
положим массу водородного атома равной 1,008, как
это обыкновенно делают, тогда масса атома гелия будет
I Н9 ]
в точности 4 и кислорода 16. По исследованиям Астона
с массовым спектрографом следует, что у других элемен-
тов массы выражаются очень точно целыми числами. На
каждый водородный атом, входящий в состав любого
элемента, теряется всегда приблизительно около 0,008.
Большое преимущество гипотезы об освобождении
энергии звезд при образовании элементов из водорода
состоит в несомненной возможности такого процесса;
с другой стороны, у нас нет никаких доказательств уни- •
чтожения материи в природе. При этом нет надобности
ссылаться на якобы осуществленное в лаборатории пре-
вращение водорода в гелий; лица, авторитету которых
я доверяю, не считают эти опыты убедительными ’. По
моему мнению, существование гелия — лучшее доказа-
тельство возможности его образования. Четыре протона
и два электрона, составляющие ядро гелия, должны были
где-то когда-то собраться воедино; и почему бы не
в звездах? Когда они встретились и соединились, лишняя
энергия освободилась, поддерживая внутреннее тепло
звезды. Недра звезды уже потому подходящее место для
такой встречи, что там существует и действует обиль-
ный источник энергии. Я знаю, что многие считают
условия в глубинах звезд недостаточными для превра-
щения водорода в гелий — там слишком холодно. Таким
критикам предоставляется найти другую, более подхо-
дящую реторту, где было бы теплее.
1 В 1926 г. Панет опубликовал описание опытов превра-
щения водорода в гелий при адсоопции газа палладием. Од-
нако недавно Панет отказался от такого толкования своих
опытов. Ничтожные количества гелия находились в приборе
еще до начала процесса, и ни о каком превращении водорода
в гелий в этих условиях не может быть речи. Прим, переводчика.
I 120 I
Но на этом преимущества такого предположения й
кончаются. Есть много астрономических данных, указы-
вающих, что превращение водорода в другие элементы—
недостаточный источник энергии для звезд. Возможно,
что за счет этого процесса происходит бурное излуче-
ние энергии в самых ранних (гигантских) стадиях звезд,
когда звезды пребывают в диффузном состоянии и
щедро излучают энергию; но энергия более взрослых
периодов жизни звезды подчиняется, повидимому, иным
законам излучения.
Есть многие данные, указывающие, что по мере ста-
рения звезды она теряет значительную долю своей пер-
воначальной массы; ясно, что это может осуществляться
только вследствие уничтожения материи. Эти данные
не совсем согласны, однако, между собой, и я думаю,
что пока нельзя вынести определенного решения. Во
всяком случае гипотеза уничтожения материи наиболее
заманчива, и я буду пользоваться ею в дальнейшем
кратком изложении эволюции звезд.
Фраза „уничтожение материи" звучит несколько сверхъ-
естественно. Мы не знаем пока, может ли оно происхо-
дить естественным путем или нет, но во всяком случае
к этому нет безусловных препятствий. Последние ча-
стицы материи — ничтожные положительные и отрица-
тельные заряды, которые можно считать центрами про-
тивоположных натяжений в эфире. Если бы слить эти
заряды вместе, они уничтожили бы друг друга, и от
них не осталось бы ничего, кроме всплеска в эфире,
который рассеялся бы в виде «электромагнитных волн,
уносящих освободившуюся энергию. Количество этой
энергии чрезвычайно велико; уничтожив капельку воды,
мы запаслись бы мощностью в 200 лошадиных сил на
I ’21 ]
целый год. Мы жаДным взором смотрим на эти запасы,
не питая, однако, большой надежды на открытие секрета
освобождения этой энергии. Если бы удалось доказать,
что звезды знают секрет и пользуются запасами энергии
для поддержания своего тепла, то у нас появились бы
перспективы успеха в этом направлении.
Я думаю, что многие физики будут считать вопрос
о субатомной энергии поприщем, открытым для неогра-
ниченной фантазии. Не так представляется теперь это
астроному. Если считать установленным, что звезды раз-
виваются значительно медленнее, чем следует по гипо-
тезе сжатия, то измерения тепловой отдачи звезд *,
столь привычные для астронома, являются в сущности
измерениями скорости освобождения внутриатомной
энергии. Собирание данных о мощности освобождения
субатомной энергии является, таким образом, буднич-
ным делом астронома-практика. Как всегда, мы приво-
дим наши данные наблюдений в некоторый порядок, ста-
раясь найти, как связана отдача тепла с температурой,
плотностью и возрастом звезды; короче говоря, мы ищем
законы излучения. Характер работы может стать более
или менее гипотетическим в зависимости от темпера-
мента исследователя. В этих областях знания трудно
надеяться на успех без научного воображения. Чистая
фантазия не нужна здесь, как и в других областях. Но
некоторые выводы из наблюдений, с должным учётом
1 Измерение тепла, истекающего от какого-нибудь источ-
ника, есть измерение отдачи источника, если энергия непре-
рывно пополняется. Непригодность шкалы времени Кель-
вина указывает, что в звезде не происходит накопления или
убывания энергии, а следовательно, сжатие или расширение
ничтожно в сравнении с мощностью излучения.
[ 122 ]
наших теоретических сведений о возможностях, связан-
ных с атомной структурой, в этой задаче необхо-
димы.
Я не могу закончить рассмотрение вопроса, не упо-
мянув о проникающем излучении, существование кото-
рого в нашей атмосфере давно известно. По исследова-
ниям Кольгерстера и Милликэна, эта радиация
приходит к нам из внешнего пространства. Проникаю-
щая способность — признак малости длины волны. Наи-
большую проникающую способность прежде приписы-
вали у-лучам радиоактивных процессов. Космическая
радиация — еще более проникающая, и естественно связать
ее с самыми бурными процессами в атомах, о которых
мы говорили, обсуждая возможные источники звездной
энергии. Милликэн сделал очень тщательные изме-
рения „жесткости" этих лучей и пришел к выводу, что
свойства их согласуются со свойствами радиации, кото-
рая должна появляться при превращении водорода
в другие элементы. Однако жесткость этих лучей еще
не такова, чтобы их можно было приписать процессам
уничтожения протонов и электронов.
Повидимому, нельзя сомневаться, что проникающая
радиация приходит вниз с неба. Это доказывается изме-
рениями интенсивности радиации на разных высотах
атмосферы и на разных глубинах горных озер: радиация
слабеет соответственно толще воды или воздуха, через
которую ей приходится проникать. Вероятно, эта радиа-
ция не земного происхождения. Ее интенсивность не
зависит от высоты Солнца над горизонтом, следова-
тельно, она идет не от Солнца. Есть некоторые данные,
что радиация несколько меняется соответственно поло-
жению Млечного пути, она как будто наиболее интен-
I 123 ]
сивна в тех случаях, когда звездная система прости-
рается над нами на наибольшем протяжении. Эти лучи
не могут происходить из звездных недр, для этого их
проникающая способность слишком слаба; вся наиболее
горячая и плотная материя вселенной закрыта от нас
непроницаемыми стенами. В лучшем случае до нас могут
доходить лучи только внешних покровов звезды, где тем-
пература умеренна и плотность невелика; более вероятно,
что главный источник радиации — диффузные туманности
илн, возможно, материя межзвездного пространства ’.
Нужно подождать дальнейших данных, и только тогда
можно будет считать внутриатомное происхождение
этой радиации доказанным; мы указываем на нее только
как на возможный путь исследования. Если бы удалось
таким способом получить более прямые данные о про-
цессах, которые мы считаем источником звездной энер-'
гии, это было бы очень важным. Поэтому данные, при-
носимые нам космическими лучами, заслуживают самого
серьезного внимания.
Наши воззрения на природу звездной энергии попа-
дают в критическое положение. До сих пор мы обычно
предполагали, что высокая температура звездных глу-
бин—одно из существенных условий для освобожде-
ния внутриатомной энергии, также, вероятно, важна и
большая плотность.
Теоретически кажется невероятным, что образование
высших элементов, или уничтожение протонов и элек-
й.---------------------.------г—
1 Все звезды, вместе взятые, покрывают поверхность неба
значительно меньшую, чем кажущийся диск Солнца. Звезды не
могут быть причиной радиации, если только радиация не об-
разуется значительно более обильно на поверхностных слоях
звезд, чем на Солнце.
I 124 I
тронов, может происходить в заметной степени там, где
встречи частиц редки, где нет высокой температуры или
интенсивной радиации, способных вывести атомы из
состояния апатии. Однако, чем больше затруднений
встречаем мы во всех теориях освобождения внутри-
атомной энергии, тем с меньшей решимостью называем
мы те или иные данные невероятными. Наличие натрия
и кальция в космическом облаке, присутствие гелия и
небулия в диффузных туманностях, существование боль-
ших количеств титана и циркона в атмосферах самых
молодых звезд свидетельствуют, что эволюция элементов
далеко пошла вперед уже в дозвездной, диффузной
стадии, — если только наша вселенная не построена на
развалинах прежнего творения. С этой точки зрения по-
нятно, что мы различаем симптомы проявления субатом-
ной активности и в открытом пространстве. Но физик, ко-
нечно, пркачает головою, услышав такие вещи. 'Каким
образом могут встретиться 4 протона и 2 электрона,
чтобы сложиться в ядро гелия, в среде настолько раз-
реженной, что свободный путь, без встреч, длится це-
лыми днями? Единственный ответ в том, что такое со-
бытие (согласно современным данным) непостижимо при
каких угодно температурах и плотностях, а не только
в туманностях. Приходится руководствоваться принци-
пом — не все ли равно, за что повесят — за барана или
за ягненка.
Эволюция звезд
Двадцать лет тому назад эволюция звезд представля-
лась простой. Звезды начинают жизнь в очень горячем
состоянии, постепенно остывают и умирают.
ПЬ этому взгляду температура звезды указывает ста-
дию достигнутого развития. Последовательность намеча-
I ’25 |
лась грубыми наблюдениями цвета — звезда, накаленная
добела, до желтого цвета, докрасна. Более детальное
чередование температур определялось спектроскопиче-
ским исследованием. Красные звезды естественно попа-
дали на конец лестницы, они считались самыми старыми
звездами, стоящими на пороге погасания. Сэр Норман
Л о к а й е р резко возражал против этой схемы и в зна-
чительной степени предугадал современные взгляды; но
большинство астрономов верили в такую схему прибли-
зительно до 1913 г.
Десять лет тому назад были получены новые данные
о плотности звезд. Казалось естественным, что плот-
ность может служить более прямым критерием эво-
люции, чем температура. Предположив, что звезды сгу-
щаются из туманности, мы должны ожидать, что самые
молодые звезды будут весьма диффузными, затем они
должны сжиматься, и плотность их будет возрастать.
Но это требует полного пересмотра схемы эволюции,
так как последовательность по плотностям никоим -об-
разом не совпадает с чередованием по поверхностным
температурам. На основании прежнего воззрения все хо-
лодные красные звезды должны быть старыми и умира-
ющими. Но большое число таких звезд оказались крайне
диффузными, вроде Бетельгейзе. Мы должны считать их
самыми молодыми среди звезд. В конце концов довольно
естественно, что звезда, начав конденсироваться из ту-
манности, находится в стадии самой низкой температуры.
Но не все красные звезды — диффузные, некоторые из
них, например „Крюгер 60й, имеют высокую плотность,
их надо оставить Как представителей последней стадии
эволюции.-И первая и последняя стадии жизни звевды
характеризуются, таким образом, низкими температурами.
’ | 126 |
Между этими пределами температура звезды должна под-
ниматься до максимума и снова опускаться.
„Теория гигантов и карликов', предложенная Герц-
шпрунгом и Рэсселем, привела эти соображения
в блестящий порядок. Звезды разделяются в ней на ряд
гигантов, т. е. сравнительно диффузных звезд с воз-
растающей температурой, и ряд карликов, или плотных
звезд с понижающейся температурой. Оба ряда встреча-
ются при наивысшйх температурах. Отдельная звезда
за время своей жизни проходит через ряд стадий ги-
гантов до высшей температуры и затем опускается по
ряду карликовых стадий. Яркость остается почти посто-
янной в стадиях гигантов, так как возрастающая тем-
пература уравновешивается уменьшением поверхности
звезды; в ряду карликов уменьшение температуры и
сжатие поверхности приводят к быстрому падению яр-
кости по мере эволюции. Это согласовалось с наблюде-
ниями. Теория господствовала в современных астрофи-
зических исследованиях и помогла выяснить многие
важные факты. Достаточно одного примера. Могут су-
ществовать звезды гиганты и карлики с одинаковой
поверхностной температурой и с очень схожими спект-
рами; однако внимательное рассмотрение спектров об-
наруживает предательские различия; в настоящее время
довольно легко отличить по спектру диффузного гиганта
от плотного карлика.
Привлекательная черта этой теории заключалась
в простоте объяснения восходящей и нисходящей тем-
пературы звезд. Переход от гиганта к карлику предпо-
лагался в той стадии, когда плотность достигает такой
величины (приблизительно четверть плотности воды),
что отклонения свойств материала от идеального газа
I 127 I
становятся очень серьезными. Пятьдесят лет тому назад
Лэн показал, что сфера из идеального газа должна
нагреваться по мере сжатия, его метод определения внут-
ренней температуры рассматривался на стр. 15; таким
образом предсказывалось возрастание температуры в ряду
гигантов. Но повышение температуры существенно за-
висит от легкости сжимания газа; когда сжимаемость
при высоких плотностях почти исчезнет, то повышение
температуры, надо думать, уступит м'есто падению тем-
пературы, и звезда начнет остывать, как твердое или
жидкое тело. Так объясняли стадию карликов. Я пы-
тался здесь напомнить идеи, высказывавшиеся 20—10 лет
тому назад, но вы не должны думать, что с точки
зрения современного знания я могу подписаться под
всем сказанным. Я намеренно говорил неопределенно о
температуре звезд, не указывая, какую температуру я
имею в виду, — внутреннюю или поверхностную, так как
в этом отношении в те времена существовали очень
туманные представления.
Я не упоминал о „белых карликах", которые теперь
считают наиболее плотными и, вероятно, самыми старыми
звездами. Предыдущий абзац в частности противо-
речит нашим прежним заключениям, ибо мы не можем
теперь допустить, что звездный материал перестает быть
идеальным газом при достижении плотности, в 4 раза
меньшей плотности воды. Наш вывод о том, что мате-
риал плотных карликовых звезд находится все еще
в состоянии идеального газа (стр. 49), наносит сокру-
шительный удар этой части теории гигантов и карликов.
Трудно сказать, какую теорию эволюции надо счи-
тать принятой сейчас. Теория находится в плавильном
тигле, и мы ждем каких-нибудь удовлетворительных ре-
I 128 ]
зультатов. Сомнению подвергнута вся схема, и мы готовы
пересматривать почти каждое положение. Я предположу,
однако, временно, что прежняя теория была права в том
смысле, что последовательность эволюции ведет от наи-
более диффузных к наиболее плотным звездам. Я не
чувствую, впрочем, уверенности и в этом. Прежняя теория
приводила в свое время сильные доказательства, кото-
рые теперь не применимы. Пока источником звездного
тепла считали сжатие, конденсация и увеличение плот-
ности были существенными для всего развития звезды;
но после того как выяснилось значение субатомной
энергии, сжатие перестает играть основную роль.
Я предлагаю обратить внимание на „карликовые
звезды" \ потому что среди них и произошла револю-
ция. Они образуют вполне определенный ряд, начиная
от высоких поверхностных температур до низких, от
больших яркостей до малых, причем плотность непре-
рывно растет вдоль этого ряда. Я называю этот ряд
главным рядом 1 2. Он охватывает огромное большинство
звезд. Для определенности возьмем три типичных звезды
в этом ряду — Алголь с вершины ряда, Солнце из се-
редины и „Крюгер 60“ с конца. Основные данные об
этих звездах собраны в таблице на стр. 130.
1 Термин „карликовые звезды” не включает белых „карликов".
2 Сирс построил такую статистическую диаграмму звезд:
но оси ординат откладывалась истинная яркость (или „боло-
метрическая величина”), а ио оси абсцисс — спектральные
классы В, Л, F и т. д„ соответствующие цветности звезд.
Схематически диаграмма приведена на рис. 12. Ломаная ли-
ния проведена там, где точки наблюдения расположены гуще
всего. В действительности отклонения от прямых линий очень
значительны, и правильнее было бы заменить линии довольно
широкими полосами. Большинство точек соответствуют звез-
9 А. Эддингтон
I 129 1
Звезда Масса 1 (Солнце=1) Средняя плотность] (Вода — 1), А И И g.2 ggo & с <з s ci. Поверхно- стная тем- пература (в тысячах градусов) Цвет Яркость (Солнце=1)
Алголь Солнце „Крюгер 60“ 1_ 4,3 1 0,27 015 1,4 9,1 40 40 35 12 6 3 белый желтый красный 150 1 0,01
дам-карликам, располагающимся ио линии „главного ряда'.
Гиганты расположились по другому, почти горизонтальному
звсну ломаной линии, во всяком случае наклон этого отрезка
О В A F . С К М
Cnekrpa/ibHbi й класс
Риг. 12.
прямой достаточно неопределенен. Положение „белых карли-
ков' на диаграмме отмечено штриховым отрезком внизу. Ход
эволюции звезды идет по Эддингтону предположительно
сверху вниз по трем звенам ломаной линии. Первое и послед-
нее звенья протекают почти без изменения массы, в главном
ряду масса звезды постепенно убывает. Прим, переводчика.
I 130 I
Соответственно идее эволюции данные таблицы пред-
ставляют стадии жизни индивидуальной звезды ’.
Отметим возрастающую плотность в третьем столбце.
Согласно нашему предположению это указывает, что
развитие идет по линии: Алголе—> Солнце—> „Крю-
гер 60“.
Смешение внутренней температуры с поверхностной
повинно во многих ошибках старых теорий. Для поверх-
ностного взгляда звезда остывает с 12 000 до 3 000°,
спускаясь по ряду, но внутреннее тепло таких измене-
ний не испытывает. Центральная температура остается
поразительно постоянной (особенно доверять небольшому
падению температуры, будто бы имеющемуся у „Крю-
гер 60“, нельзя). Весьма замечательно, что у всех звезд
главного ряда температура одна и та же в пределах
точности нашего расчета и равна 40 миллионам граду-
сов. Трудно не поддаться впечатлению, что с этой тем-
пературой связано какое-то необычное свойство, хотя
наш физический инстинкт предупреждает об абсурдности
такого предположения.
Основным фактом является уменьшение массы, ясное
из второго столбца. Если индивидуальная звезда разви-
1 Едва ли можно предполагать, что все звезды, достигнув
главного ряда, проходят в точности через одни и те же ста-
дии. Например, если бы массу Алголя уменьшить до массы
Солнца, то, возможно, получились бы несколько отличные от
Солнца плотность и температура. Наблюдения показывают, од-
нако, что эти индивидуальные различия малы. Главный ряд
является приблизительно линейной последовательностью, кроме
„длины” у него должна быть и „ширина”. Но пока отклоне-
ния отдельных звезд от центральной линии могут быть объ-
яснены вероятными ошибками наблюдений; истинная „ширина”
еще не известна. (Ср. наше примеч. на стр. 129. Переводчик.}
Г | 131 |
вается по линии главного ряда, она должна терять
массу. Общее можно сказать так. После того как мы
нашли, что яркость главным образом зависит от массы,
можно утверждать, что переход яркой звезды в слабую
может осуществиться только при потере значительной
части массы.
Этот результат и заставляет серьезно относиться к ги-
потезе уничтожения материи. Прогресс теории эволюции,
звезд зависит от решения относительно этой гипотезы.
Если гипотезу принять, она дает легкий ключ к понима-
нию таких изменений. Звезда может (пройдя через ста-
дию гиганта) достигнуть стадии Алголя, а затем вслед-
ствие постепенного уничтожения в ней материи спуститься
вниз по главному ряду. Когда останется только 1/16 пер-
воначальной массы, звезда станет слабой красной звез-
дой, похожей на «Крюгер 60 “. Но если уничтожения ма-
терии не происходит, то звезда, достигнув стадии кар-
лика, должна остановиться в своем развитии; она должна
застыть на точке главного ряда, соответствующей посто-
янной массе.
Постараемся ясно представить себе положение дела.
Звезды теряют массу при излучении, в этом отноше-
нии нет никаких сомнений. Солнце ежегодно теряет
120 биллионов тонн, независимо от того, берется ли
его радиация за счет уничтожения материи или из дру-
гого внутреннего источника. Возникает вопрос: долго
ли могут длиться такие потери? Если отказаться от
возможности уничтожения материи, то вся масса, спо-
собная уйти в виде излучения, исчезнет с Солнца
в сравнительно короткое время. Солнце погаснет, насту-
пит конец расходам, но одновременно и эволюции. Но
если уничтожение материи происходит, то жизнь Солнца
| 132 |
и расходование массы будет продолжаться значительно
дольше, перед Солнцем в этом случае открывается
длинный путь эволюции. Потеряв три четверти со-
временной массы, оно станет слабой звездой, как „Крю-
гер 60“.
Наш выбор между различными возможными теориями
внутриатомной энергии затрагивает идею звездной эво-
люции в одном пункте, но крайне важном. Если мы не
решим в пользу уничтожения материи, мы сократим
жизнь звезды настолько, что совсем не останется вре-
мени для заметной эволюции.
Я чувствую неуверенность, которая должна быть
у всякого исследователя, энергично возводящего тео-
рию на гипотетическом процессе, без какого-либо
прямого доказательства возможности такого процесса
в природе. Но другой выход — оставить звезды в дре-
мотном однообразии, без всякой надежды на развитие
или изменение до самого конца.
Что-то нужно для гальванизации этого трупа, для про-
буждения в нем той активности прогресса или умира-
ния, в которую мы так долго верили. В отчаянии мы
прибегаем к единственной видимой возможности. Ока-
меневшая система просыпается. Частицы материи одна
за другой отдают свою энергию и переходят в небытие.
За счет этой жертвы поддерживается жизненная сила
.звезд:
Atoms or systems into ruin hurl’d,
And now a bubble burst, a now a world >.
1 Перевод: .Атомы и системы повергаются в раз-
валины. Здесь разлетается мыльный пузырь, а там — целый
зинр“.
[ 133 ]
Излучение массы
Первым фактом, потребовавшим расширения шкалы
времени звездной эволюции, было постоянство условий
на 8 Cephei. Дополнением к этому послужили данные
о длительности геологических процессов на Земле. Мы
могли установить только верхний предел для скорости
эволюции и нижний предел возраста звезд. Но этих
пределов было достаточно для отказа от гипотезы сжа-
тия и поисков источников в запасах субатомной
энергии.
Теперь мы производим новую атаку, основанную на
убеждении, что скорость эволюции определяется скоро-
стью уменьшения массы звезды. Здесь мы рассматри-
ваем только эволюцию ярких звезд в слабые, остается
еще объяснить ту часть эволюционного пути, которая
соответствует стадии гигантов; наша прежняя аргументация
здесь не совсем применима. Если отказаться от всякой
идеи эволюции звезд из ярких в слабые, то различие
звезд в отношении яркости значило бы, что они с самого
начала были различными. Это может быть верно. Но
мы не должны сдавать идею звездной эволюции, не по-
пытавшись ее защитить.
Наша новая линия атаки привела к отчетливому опре-
делению шкалы времени, а не только ее нижнего предела.
Мы знаем скорость потери массы звездою при излучении
в каждой стадии; отсюда можно найти время, которое
потребовалось для потери данной массы и для перехода
в состояние с меньшей массой. Эволюция от Ал голи до
Солнца требует 5 биллионов лет, на эволюцию от
Солнца до „Крюгер 60“ нужно 500 биллионов лет. Инте-
ресно отметить, что звезды в состояниях между Солнцем
| 134 [
и „Крюгер 60“ встречаются значительно чаще, чем звезды
в состояниях между Алголем и Солнцем. Этот факт
несколько подтверждает вычисленные длительности раз-
личных стадий. Количество слабых звезд не растет, однако,
столь же быстро, как вычисленная длительность их
состояний. Может быть, звездная вселенная существует
не так давно, и более старые звезды представлены еще
не полностью?
Звезды с массами большими, чем у Атголя, очень
быстро растрачивают свои массы, так что мы не сильно
преувеличим возраст Солнца, если предположим, что оно
начало существовать с массою большей, чем у Алголя.
Верхняя граница срока, прожитого Солнцем, как бы
нелика ни была его начальная масса, составляет 5,2 бил-
лиона лет.
Спрашивается, не может ли звезда ускорить свое
развитие, сбрасывая материю иными способами, кроме
радиации? Не могут ли атомы уходить с поверхности?
Если так, то потеря масс, а следовательно, и эволюция
пошли бы скорее, и, может быть, время, потребное для
этого, уложилось бы в рамке умеренной теории превра-
щения элементов. Но достоверно известно, что масса,
улетающая в форме материальных атомов, ничтожна
в сравнении с той массой, которая незаметно ускользает
с радиацией. Вы, может быть, находитесь в нерешитель-
ности, считать лн 120 биллионов тонн массы, теряемые
Солнцем ежегодно в виде радиации, большой величиной
(в астрономическом смысле) или малой. С известной
точки зрения, это очень большое количество. Оно
в 100000 раз превосходит массу хромосферы кальция.
Солнце должно бы сдувать свою хромосферу каждые
пять минут и создавать совсем новую, чтобы сравняться
| 135 |
в отношении потери массы с излучением. По солнечным
наблюдениям ясно, что такого потока материи нет.
Другое сравнение: чтобы достичь половины времени
эволюции, указанного выше, Солнцу пришлось бы выбра-
сывать по биллиону атомов каждую секунду через каж-
дый см2 его поверхности. Я думаю, мы можем заклю-
чить, что нет более короткого пути для уменьшения
массы, и потеря практически нацело обусловлена ради-
ацией.
Мы говорили выше (стр. 32), что природа создает
звезды почти с одинаковыми массами, но допускает от-
клонения от образца, доходящие иногда до одного
лишнего, а иногда нехватаюшего нуля справа. Я думаю,
что мы судили несправедливо, и природа более аккуратна
в своей работе, чем мы предполагали. Мы должны взве-
шивать свежие монеты, только что вышедшие из чеканки;
неправильно было бы судить о всех монетах без разбора,
включая и те, которые находились в обращении сотни
биллионов лет и сделались тонкими. Если мы выберем
только вновь образовавшиеся звезды, т. е. диффузные,
то найдем, что 90 % из них имеют массы, в 2 а/2—51/г
раз большие массы Солнца. Следовательно, вначале
звезды очень близки к образцу, подобно человеческим
существам. Для масс, лежащих в этих пределах, световое
давление достигает от 17 до 35% всего давления;
я думаю, что это и соответствует критической стадии,
когда световое давление становится важным. По нашему
мнению, массы звезд вначале очень однообразны (что
не исключает возможности некоторой доли исключитель-
ных звезд с массами, не укладывающимися в указанные
пределы); меньшие массы развиваются из этих звезд
в течение времени вследствие излучения массы.
I 136 I
В наше время Солнце спокойно пребывает в своем
состоянии, излучаемая энергия в точности уравновеши-
вается освобождением субатомной энергии в глубинах.
Но в конце концов Солнце изменится. Движение или
эволюция непрерывны, но для наглядности мы будем
говорить о ней так, как если бы она происходила
скачками. Можно представить себе две причины измене-
ний: 1) запас субатомной энергии истощится и переста-
нет уравновешивать излучение; 2) Солнце постепенно
станет звездой с меньшей массой. В прежних теориях
обыкновенно принималась первая причина, и мы можем
и теперь считать ее действенной в стадии гигантских
звезд. Но ясно, что .причиною спуска по главному ряду
должна быть потеря массы *. Невидимому, различие
между гигантскими и карликовыми звездами, объясняв-
шееся прежде различием свойств идеального и неидеаль-
иого газа, заключается в том, что могучие, но быстро
иссякающие источники субатомной энергии в гигантских
звездах исчезают и уступают место более постоянному
источнику энергии в карликовой стадии.
Когда Солнце станет звездою с меньшей массою, оно
должно будет изменить свои внутренние условия. Пред-
положим, что оно пытается сохранить прежнюю плотность.
Как объяснялось на стр. 15, мы можем вычислить внутрен-
нюю температуру и находим, что с уменьшением массы
при постоянной плотности должна понизиться темпера-
тура. Это слегка уменьшит приток субатомной энергии,
так как не может быть ни малейшего сомнения, что
1 Иссякание источника энергии без изменения массы заста-
вит звезду сжаться до большей плотности, получится такое
сочетание плотности и массы, которое, как показывают наблю-
дения, на звездах не встречается.
[ 137 |
освобождение субатомной энергии происходит быстрее
при высоких температурах. Уменьшенный приток энергии
уже не в состоянии уравновешивать радиацию. Следова-
тельно, звезда сожмется так же, как это предполагалось
в старой гипотезе сжатия, где „кран“ субатомной энер-
гии предполагается совсем завернутым. Причина — потеря
массы, первое следствие — возрастание плотности, кото-
рое также характерно для эволюции вдоль главного
ряда.
Проследим за следствиями немного дальше. Повышение
плотности вызовет подъем температуры, и кран субатом-
ной энергии снова откроется. Как только приток энергии
станет достаточным для уравновешивания радиации
звезды, сжатие прекратится, и звезда придет в равно-
весное состояние при меньшей массе и с большей плот-
ностью.
Вы видите, что для количественного объяснения, по-
чему определенной массе в главном ряду соответствует
определенная плотность, нужно знать законы освобожде-
ния субатомной энергии. Сжатие будет происходить до
тех пор, пока внутренние условия звезды не придут
к такому состоянию, при котором освобождение энергии
будет в точности уравновешиваться излучением.
Я боюсь, что все это звучит очень сложно, моя цель—
показать, что приспособление звезды к изменившейся
массе происходит автоматически. После изменения массы
звезда должна сызнова решать задачу о внутренних
условиях, необходимых для равновесия. Что касается
механических условий (сопротивление весу верхних слоев),
то звезда может выбрать любое из ряда состояний с раз-
личными плотностями, лишь бы внутренняя температура
соответствовала этой плотности. Но такое равновесие
I 138 |
будет только временным, и звезда не установится до тех
нор, пока кран субатомной энергии не будет открыт
в должной мере, гак, чтобы уравновешивать радиацию,
которая, как мы уже видели, практически определяется
массой. Звезда „вертит кран“, пока равновесие не будет
обеспечено.
Профессор Р э с с е л ь сделал одно важное замечание.
Когда звезда устанавливает кран, она не может это де-
лать слишком разумно, — за одной пробой автоматически
последует другая, но крайне важно, чтобы следующая
проба оказалась автоматически ближе к истинному поло-
жению, а не дальше. Условием того, что вторая проба
будет вернее, является возрастание скорости освобожде-
ния субатомной энергии с температурой или плотностью 1.
Если бы приток энергии уменьшался или даже оставался
неизменным, то пробы отходили бы все дальше и дальше
от истинного положения, и, несмотря на то, что равно-
весное положение возможно, звезда никогда бы его не
достигала. Поэтому важно в виде одного из законов
освобождения субатомной энергии допустить, что скорость
освобождения возрастает с температурой или плотностью,
или обеими вместе. Иначе субатомная энергия не выпол-
нила бы своего назначения — удерживать звезду в равно-
весии в течение очень долгого времени.
Удивительно, что условие равновесия достигается, когда
центральная температура близка к 40 миллионам градусов,
независимо от того, находится ли звезда на вершине,
в середине или конце главного ряда. Звезды наверху ряда
освобождаю) на каждый грамм материала 700 эргов
* Такое возрастание предполагалось нами в подробном изло-
жении автоматической установки звезды; дальше будет видно,
что это предположение было существенным.
[ 139 I
энергии в секунду, Солнце дает 2 эрга в секунду,
„Крюгер 60“ дает 0,08 эрга в секунду. Кажется весьма
странным, что звезды, нуждающиеся в столь различной
скорости подачи энергии, все должны достигнуть одной
и той же температуры, чтобы подача происходила. Как
будто до этой предельной температуры не подается
даже 0,08 эрга в секунду, но как только она достиг-
нута, скорость притока может быть практически безгра-
ничной. Едва ли можно думать, что существует нечто
похожее на точку кипения (независимо от давления), при
которой материя переходит в энергию. Явление — крайне
непонятное.
Я могу добавить, что у звезд-гигантов температуры
значительно ниже 40 миллионов градусов. Повидимому,
они пользуются особыми источниками субатомной энер-
гии, освобождающейся при низших температурах. Израс-
ходовав эти источники, звезда переходит в главный рЯд
и начинает применять главные запасы энергии. Повиди-
мому, необходимо предположить далее, что главные запасы
не безграничны, так что, наконец, звезда (или то, что от
нее остается) сходит с главного ряда и переходит в
стадию „белых карликов*.
Теперь мы в состоянии обратиться к вопросу, который
вы, вероятно, хотели поставить и раньше. Почему пуль-
сирует о Cephei? Возможный ответ заключается в том,
что колебания были возбуждены случайно. По вычисле-
ниям, колебания, однажды возбужденные в звезде, могут
продолжаться приблизительно 10 000 лет, прежде чем за-
тухнут. Но 10000 лет — незначительный срок в жизни
звезды, а если вспомнить большое число Цефеид, то
объяснение станет неправдоподобным, хотя бы мы и
могли указать случайную причину, возбудившую коле-
[ 140 ]
бания. Более вероятно, что пульсации вызываются самой
звездой. В звезде освобождаются огромные количества
тепловой энергии, более чем достаточные для возбужде-
ния и поддерживания колебаний. Есть два способа, ко-
торыми тепловая энергия предположительно может под-
держивать механизм колебаний.
Допустим сначала, что существуют очень малые коле-
бания. В фазе сжатия температура и плотность выше,
чем обычно, и кран субатомной энергии открывается
больше. Звезда получает добавочное тепло, и оно спо-
собствует устранению сжатия. В фазе расширения кран
несколько закрывается, приток тепла уменьшается, и пони-
жается сопротивление сжатию. Таким образом после-
довательные расширения и сжатия становятся все более
сильными, и ничтожные начальные колебания разраста-
ются в могущественные пульсации. Кран субатомной
энергии в звезде действует так же, как клапан в паровой
машине, пропускающий пар в цилиндр; возникновение
пульсаций звезды похоже в этом смысле на пуск паро-
вой машины. .
Единственное возражение, которое я нахожу для этого
объяснения, состоит в том, что оно слишком хорошо.
Оно показывает, почему можно ожидать пульсаций
звезды. Затруднение в том, что звезды в большинстве
случаев не пульсируют, пульсирующие звезды—только
редкие исключения. Теперь так легко объяснить поведе-
ние Цефеид, что мы должны вернуться обратно и рас-
смотреть более сложную задачу о нормальном устойчи-
вом состоянии звезд. Возникновение пульсаций или
отсутствие их зависит от мощности пульсационной
машины, от того, в состоянии ли она преодолеть силы,
стремящиеся затушить колебания. Мы не можем пред-
I |
сказать теоретически наличие или отсутствие таких
машин. Нам остается разыскать такие законы освобож-
дения субатомной энергии, чтобы в согласии с опытными
данными большинство звезд оставалось в спокойном
состоянии, но при некоторых соотношениях массы и плот-
ности пульсационные силы должны преодолевать сопро-
тивления.
Пульсации Цефеид — род болезни, поражающей звезды
в некоторый период младенческого возраста; пройдя через
него безболезненно, они дальше существуют без пуль-
саций. Припадки этой болезни могут случаться и в более
поздние периоды жизни; звезды подвергаются иногда
катастрофическим взрывам, вызывающим появление „новых
звезд", или novae. Но об условиях на таких звездах
известно очень мало, и еще не ясно, происходят ли
взрывы произвольно, или вызываются извне.
Если говорить только вообще, то теория субатомной
энергии и особенно теория уничтожения материи кажутся
весьма многообещающими. Сомнения и странности возни-
кают только при переходе к техническим деталям. Затруд-
нением является одновременное существование гигантов
и карликов в одной и той же звездной куче, несмотря
на крайнее различие возрастов этих звезд. Трудно найти
такие законы освобождения субатомной энергии, которые
сохраняли бы устойчивость звезд и предохраняли бы их
от пульсаций. Затруднения возникают потому, что, как
правило, в стадии гигантов, чем ниже температура и плот-
ность, тем скорее освобождается энергия. Хотя мы и учи-
тываем это обстоятельство, предполагая ограниченность
источников энергии в этой стадии, однако не все факты
укладываются в такую схему. Наконец, очень трудно прими-
рить законы освобождения энергии, вытекающие из
I >42 |
астрономических наблюдений, с какой угодно теоретиче-
ской картиной процесса уничтожения материи при взаи-
модействиях атомов, электронов и радиации.
Предмет крайне важен, но я не мог изложить его в
деталях в этой лекции. Когда теория ясна, интерес со-
средоточен на широких принципах; когда теория еще в
пеленках, интерес главным образом обращен на техниче-
ские детали, которые приходится тщательно исследовать,
прежде чем сказать, в пользу чего они говорят. Я оста-
новился главным образом иа двух важных пунктах: на
вопросе об источниках энергии звезд и на изменении
массы, которое должно происходить, если только суще-
ствует переход ярких звезд в слабые. Я показал, как
эти два вопроса скрещиваются в гипотезе уничтожения
материи. Я не считаю выводы окончательными. Я колеб-
люсь даже защищать вероятность этой гипотезы, так как
есть много деталей, которые, по-моему, делают ее сомни-
тельной. У меня создалось впечатление, что есть какой-
то существенный пункт, который еще не удалось по-
нять. Я сообщил вам эту гипотезу только как некоторое
возможное направление, по которому мы пробуем итти,
не зная, верное оно или ошибочное.
Казалось бы, я должен был кончить лекции, оставив у
вас впечатление большой ясности. Однако действитель-
ные условия развития науки таковы, что вам придется
удовлетвориться небольшим просветом на темном фоне
неизвестного. Я ие пытаюсь защищать скудности такого
заключения, потому что это — еще не заключение. Я
думаю, не ошибаюсь, считая все сказанное только на-
чалом.
Дополнение
ДАЛЬНЕЙШИЕ ЗАМЕЧАНИЯ О СПУТНИКЕ СИРИУСА
Я предпочел в тексте не усложнять истории Спутника
Сириуса подробностями технического характера. Некото-
рые дальнейшие сведения будут, однако, нелишними для
тех читателей, которым хотелось бы узнать возможно
больше об этой замечательной звезде. Я могу изложить
дальнейшие перипетии „детективной истории", о кото-
рых только что узнал: на этот раз „сыщиком" был
Р. Г. Фоулер.
Спутник -— звезда 8—9-й величины и, следовательно, не
исключительно слабая. Трудность ее наблюдения объяс-
няется только необычайной яркостью ее соседа. При
благоприятных условиях ее можно легко видеть в 8-дюй-
мовый телескоп. Период обращения равен 49 годам.
Спутник находится от Сириуса почти на таком же
расстоянии, как Уран от Солнца, или в 20 раз дальше,
чем Земля от Солнца. Высказывалось предположение,
что свет Спутника может быть отраженным светом Си-
риуса. Этим можно бы объяснить его белизну, но не-
возможно непосредственно понять спектр Спутника,
заметно отличающийся от спектра Сириуса. Яркость
I 144 |
Спутника составляет 0,0001 яркости Сириуса; для
отражения такой доли света Спутник должен бы иметь
больше 120 миллионов км в диаметре, кажущийся диа-
метр диска при таком размере достигал бы 0,3" ’, что
едва ли могло бы пройти незамеченным даже при небла-
гоприятных условиях наблюдения. Но самое сильное
возражение против этой гипотезы отраженного света в
том, что она применима только к этой одной звезде. У
двух других известных „белых карликов" нет по сосед-
ству блестящей звезды, так что они не могут сиять от-
раженным светом. Едва ли стоит изобретать особое
сложное объяснение для одного из этих странных све-
тил, непригодное для двух остальных.
Эффект Эйнштейна, который считается подтвер-
ждением высокой плотности Спутника, состоит в удли-
нении волны, или уменьшении частоты световых колеба-
ний вследствие наличия интенсивного поля тяготения, в
котором происходят излучение и поглощение. Следова-
тельно, темные линии спектра будут иметь более длин-
ные волны, т. е. сместятся в красную сторону в сравне-
нии с соответствующими земными линиями. Этот эффект
является следствием учения о тяготении общей теории
относительности, а также теории квантов. Для лиц, не-
сколько знакомых с теорией квантов, вероятно, будет
понятно следующее простое рассуждение. Звездный атом
излучает такой же квант энергии Av, как и земной атом,
но на звезде квант затрачивает некоторую энергию,
чтобы преодолеть притяжение звезды. Эта энергия равна
Av
произведению массы кванта — на потенциал тяготе-
с2
’ Т. е. почти в 7 раз больше, чем у самоа большой изве-
стной звезды — Бетельгейзе. Прим, переводчика.
10 а- Эддингтон.
[ 145 ]
ния Ф на поверхности звезды. Следовательно, энергия
кванта после выхода за практические пределы тяготения
энергия на Земле снова должна
/ Ф\
равна h't I 1 — —); эта
проявиться в форме кванта Л>'; следовательно, изменен-
/ Ф\
пая частота будет У—v I 1 — — I. Таким образом
щение 7—7 пропорционально Ф, т. е. массе, деленной
сме-
на радиус звезды.
Эффект Э й н ш тейпа сказывается так же, как эффект
Допплера в случае источника света, уходящего от
нас. Поэтому смещение в красную сторону можно раз-
личить от допплеровского эффекта только в том случае,
если нам заранее известна скорость движения источника
чю линии зрения. В случае двойной звезды скорость
известна по наблюдениям другой компоненты системы;
таким образом смещение, которое нужно приписать доп-
плеровскому эффекту, также известно. Различие скоро-
стей Сириуса и Спутника вследствие орбитальной ско-
рости достигает сейчас 4,3 —. Эта скорость была со-
сек
ответственно учтена. Наблюденная разница положений
спектральных линий Сириуса и Спутника соответствует
км , , км
скорости в 23 —, из них приблизительно 4 — следует
сск сек
приписать орбитальному движению, остаток в 19 —
сек
относится к эффекту Эйнштейна. Результаты осно-
ваны главным образом на измерении спектральной водо-
родной линии Н$. Другие удобные линии лежат в синей
части спектра, где примешивается рассеянный свет Си-
риуса, так как атмосферное рассеяние в синей части
I И6 |
спектра больше, чем в красной. Однако и здесь получе-
но некоторое подтверждение эффекта.
Другим „белым карликом" является двойная звезда о2
Eridani; ее спутник—„красный карлик",еще более слабый,
чем она сама. Красное смещение в спектре здесь должно
быть меньше, чем на Спутнике Сириуса, и его не столь
легко будет отделить от других возможных смещений.
Однако перспективы не безнадежны. Третьим признан-
ным „белым карликом" является не названная еще звезда,
открытая ван-Мааненом. Это — одиночная звезда, и,
следовательно, на ней нельзя отличить смещение Эйн-
штейна or эффекта Допплера. Предположение о
состоянии „белого карлика" высказывается относительно
различных других звезд, в том числе о Спутниках Про-
пиона, 85 Pegasi и Mira Ceti.
Если материал Спутника Сириуса находится в состоя-
нии идеального газа, то его центральная температура
должна достигать приблизительно миллиарда градусов, и
центральная часть звезды будет в миллион раз плотнее
воды. Однако едва ли на Спутнике сохраняется состоя-
ние идеального газа. При этом, конечно, плотность па-
даег от центра к периферии, и наблюдаемые нами
области находятся в совершенно нормальном состоянии.
Плотный материал запрятан в недра под действием вы-
сокого давления.
Наиболее удивительно крайнее различие свойств Си-
риуса и Спутника, которые оба должны были возник-
нуть в одно и то же время. Судя по массе Сириуса,
возраст его менее биллиона лет; любая масса, сколь
угодно большой величины вначале, в течение биллиона
лет станет меньше Сириуса вследствие излучения массы.
Но этот период незначителен для эволюции маленькой
10* | 147 |
звезды, излучающей очень медленно. Трудно понять
почему Спутник уже вышел из главного ряда и перешел
в следующую (предположительно) стадию „белого кар-
лика". В связи с этим находятся и другие затруднения
в проблеме эволюции, и я убежден, что существует
обстоятельство основной важности, которое остается еще
не открытым.
До недавнего времени мне казалось, что серьезное
(или если угодно комическое) затруднение возникает в
вопросе о дальнейшей судьбе „белых карликов". Их вы-
сокая плотность возможна только вследствие ионизации
атомов, которая в свою очередь зависит от температуры.
Кажется недопустимым, что материя может остаться в
таком сжатом состоянии и при понижении температуры.
Мы можем заглянуть вперед, в будущее, когда приток
субатомной энергии иссякнет, и нечем будет поддержи-
вать высокую температуру; тогда при охлаждении ма-
териал должен будет вернуться к нормальной плотности
земных твердых тел. Звезда, следовательно, должна будет
расшириться; для достижения плотности, в тысячу раз
меньшей, радиус должен увеличиться в десять раз. По-
требуется энергия на преодолеете силы тяготения при
расширении. Откуда эта энергия возьмется? В обычной
звезде нет достаточной тепловой энергии на столь зна-
чительное расширение против силы тяготения. Едва ли
можно предполагать, что „белые карлики" настолько даль-
новидны, что делают своевременно специальные запасы
на этот случай. Звезда должна попасть в парадоксальное
положение — она будет непрерывно терять тепло, но
у нее не хватит энергии на охлаждение.
Напрашивается одно предположение для избежания
этой дилеммы, похожее на прием романиста, так. запу-
[ 148 1
тавшего положение своего героя, что единственная раз-
вязка— уморить героя. Можно предположить, что суб-
атомная энергия не перестает освобождаться до тех пор,
пока не исчезнет вся масса, или по крайней мере до тех
пор, пока звезда не выйдет из условий состояния „белого
карлика". Но таким образом затруднения едва ли устра-
нятся. Теория должна так или иначе автоматически га-
рантировать против невозможных положений, а не апел-
лировать к неизвестным прерывным свойствам материи.
Но все затруднение, повидимому, устраняется новым
исследованием Р. Г. Ф о у л е р а. Он сделал неожидан-
ный вывод, что плотная материя Спутника имеет обшир-
ный запас энергии, позволяющий указанному выше
расширению осуществиться. Интересно, что вывод осно-
ван на самой последней форме теории квантов—„но-
вой статистике" Эйнштейна-Бозе и теории Шрё-
дингера. Нельзя не отметить интересного совпадения,
что в то время как внимание астронома было привле-
чено свойствами материи с чудовищными плотностями,
физики разрабатывали новую теорию материи, касаю-
щуюся в частности высокой плотности. Согласно этой
теории материя обладает некоторыми волновыми свой-
ствами, которые мало сказываются при земных плотно-
стях; но они приобретают существенную важность при
таких плотностях, как у Спутника Сириуса. Учитывая
эти свойства, Фоулер и напал на запасы энергии, раз-
решающие затруднения. Классическая теория материи не
содержит никаких намеков на это. „Белые карлики" ока-
зались очень счастливым оселком для применения наи-
более революционных результатов теоретической физики.
Чтобы получить некоторое представление о' новой
теории плотной материи, мы снова вернемся к фотогра-
I 149 I
10**
фии серии Бальмера на рис. 9. На фотографии запе-
чатлен свет, излучаемый большим количеством атомов
водорода во всевозможных состояниях до № 30 в от-
ношениях, соответствующих солнечной хромосфере. Ста-
рая электромагнитная теория предсказывала, что элект-
роны, движущиеся по кривым путям, будут излучать
непрерывный спектр; с другой стороны, старая статисти-
ческая теория указывала относительное количество орбит
различных размеров, на этом основании можно было
рассчитать распределение энергии света по непрерывному
спектру. Эти выводы — ошибочны и не соответствуют
распределению света на фотографии; однако они стано-
вятся менее неправильными по мере приближения к
границе серии. Последние линии серии почти сливаются
и практически не отличимы от непрерывного спектра.
Таким образом классический вывод о непрерывном спект^
ре здесь становится приблизительно правильным, одно-
временно приближается к истине и классический расчет
интенсивности. В этом заключается знаменитый принцип
соответствия, высказанный Бором; этот принцип
утверждает, что для состояний с высокими номерами но-
вые квантовые законы начинают совпадать с классиче-
скими законами. Если мы вовсе не рассматриваем
состояний с низкими номерами, то безразлично, вычис-
ляем ли мы радиацию по старым или новым законам.
В состояниях с высокими номерами электрод большую
часть времени находится вдали от ядра. Постоянная бли-
зость к ядру — признак состояния с небольшим номером.
Можем ли мы ожидать, что в крайне плотной материи
постоянная близость частиц вызовет явления, характер-
ные для состояний с малыми номерами? Действительного
скачка между строением атомов и звезд нет; узы,
[ 150 ]
связывающие частицы в атоме, соединяют и более про-
странные группы частиц и в конце концов целую звез-
ду. Если связи соответствуют высоким квантовым номе-
рам, то с достаточным приближением взаимодействия
сил можно представлять на классический манер, забывая
о «состояниях". Для очень больших плотностей это уже
недопустимо: мы должны пользоваться не понятиями
«сила", „скорость" и „распределение независимых ча-
стиц", а понятием „состояние".
Недопустимость классической концепции лучше всего
видна, если сразу перейти к предельному случаю, когда
звезда обращается в систему, или молекулу в’состоянии
№ 1. Подобно возбужденному атому, успокаивающемуся
рядом дискретных скачков, дающих серию Бальмера,
такая звезда после -нескольких вспышек радиации до-
стигнет предельного состояния, за которым уже нет ка-
кого-либо иного. Это не значит, что дальнейшее сжатие
невозможно потому, что частицы пришли в соприкосно-
вение, точно так же как нормальный атом водорода не-
сжимаем не потому, что электрон уперся в протон. Сжа-
тие прекращается, ибо звезда дошла до первого состоя-
ния в целом ряде возможных состояний материальной
системы. Атом водорода в состоянии № 1 не может из-
лучать, тем не менее его электрон движется с большой
кинетической энергией. Точно так же звезда, достигнув-
шая состояния № 1, далее не излучает, тем не менее ее
частицы движутся с огромной энергией. Какова ее тем-
пература? Если судить по излучательной способности,
то она равна абсолютному нулю, так как излучения нет.
Если же температуру мерить средней скоростью молекул,
то она наивысшая, какая только существует у вещества.
Конечная судьба,белых карликов" — стать одновременно
( 151 ]
самой горячей и самой холодной материей вселенной.
Наше затруднение разрешается вдвойне. Так как звезда
крайне горяча, у нее достаточно энергии для нужного
ей охлаждения; но благодаря той же крайне высокой
температуре она прекращает излучение и перестает на-
греваться дальше.
Мы описали то состояние, которое можно считать
конечным для „белого карлика," а может быть, поэтому
для всякой звезды. Спутник Сириуса еще не достиг та-
кого состояния, но он уже на дороге к этому, поскольку
к нему уже не применимы классические законы. Если
какая-нибудь из звезд дойдет до состояния № 1, она
становится невидимой; точно так же атомы в нормальном
(самом низком) состоянии не светят. Внутриатомные
связи, к которым не подходит классическое понятие
силы, определяют и состояние звезд. Я не думал, когда
начинал эту книгу о звездах и атомах, что она кон-
чится намеком на звезду-атом.
НОВЕЙШИЕ ТЕОРИИ НАУЧНОЙ МЫСЛИ 7—8
-
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКВА - ЛЕНИНГРАД
Дар
СУВОРОВА С.Г.
—-----
А. с. эддингтсп/
Заместителя
главного редактора журнал
«Успехи физики»
ЗВЕЗДЫ И АТОМЫ
ПЕРЕВОД С АНГЛИЙСКОГО
Проф. С И. ВАВИЛОВА
ЗА СТРАНИЦАМИ УЧЕБНИКА
SHEBA.SPBPU/ZA
Хочу всё знать (теория)
ЮНЫЙ ТЕХНИК (ПРАКТИКА)
ДОМОВОДСТВО (УСЛОВИЯ)