Что можно измерить глядя в небеса
Топ заблуждений об астрономии. 9. На небе мы видим звёзды
Казалось бы, ну а здесь-то как можно ошибиться? Ну, ОК, кроме звёзд, мы ещё видим планеты, искусственные спутники, а с телескопом ещё галактики и туманности (впрочем, некоторые из них и без телескопа тоже). Где тут проблема? Или мы, на самом деле, не видим звёзды?
Да, на самом деле, мы их не видим: увы, мы способны видеть только лишь свет от звёзд. Ну, или иное от них излучение — через спецприборы.
Казалось бы, зачем тут эта придирка к деталям? Когда мы говорим: «я вижу стол», — мы ведь тоже имеем в виду, что мы увидели свет, отражённый столом, сложившийся в некоторую картинку на сетчатке нашего глаза, которую мозг распознал, как стол. Однако для краткости мы называем это «я вижу стол». Может быть, со звёздами всё точно так же?
Дело в том, что у света конечная скорость распространения. Очень большая — порядка 300 000 км/с, но всё же конечная.
Пока мы находимся в пределах Земли, мы имеем дело с расстояниями от сантиметров до, максимум, километров (расстояние до горизонта — порядка четырёх километров), поэтому изображение предмета долетает до нас за миллионные или даже миллиардные доли секунды. Ввиду чего мы можем отождествлять увиденный нами свет с самим объектом? За миллионную долю секунды стол вряд ли успел сильно измениться, да и если даже он двигался с нашими земными скоростями, то ошибка в его наблюдаемом нами местоположении, по сравнению с реальным, слишком ничтожна, чтобы иметь для нас значение.
Но в космосе иные масштабы. Луна находится в среднем в 380 000 километрах от Земли, поэтому свет передаёт нам то, что было на ней чуть более секунды назад.
Марс в самом оптимистичном для нас случае находится уже в 55 миллионах километров от Земли, поэтому его мы видим с задержкой в три минуты. В среднем же он удалён от нас на 225 миллионов километров и тут уже речь о задержке в двенадцать минут.
Плутон от нас в среднем в 5,7 миллиардах километров. Поэтому мы видим его с запозданием более чем в пять часов.
Глядя на небо, мы всё время смотрим в прошлое.
Но в далёкое ли? ОК, Плутон мы видим в его состоянии пять часов назад, но это ж вроде бы не так много? Он, конечно, успел куда-то улететь, но наверно ведь недалеко?
Скорость Плутона порядка 16 800 км/ч, то есть за пять часов он улетает примерно на 85 000 километров, что примерно вчетверо больше максимально возможного расстояния на поверхности Земли.
И Плутон ещё относительно близко от нас.
Удобной единицей измерения для космических расстояний является «световой год». Про него часто ошибочно думают, будто бы в световых годах каким-то хитрым способом измеряется время — ведь «год» же. Но нет, «световой год» — это буквально то расстояние, которое свет проходит в вакууме за год.
Легко догадаться, что если измерять расстояние в световых годах, то ровно с той же задержкой в годах мы будем видеть этот объект.
Так вот, до ближайшей (кроме, конечно, Солнца) к нам звезды — Проксимы Центавра — 4,2 светового года.
Чуть подальше — примерно в 6 световых годах — находится звезда Барнарда. Эта звезда примечательна тем, что она довольно быстро движется относительно нашей системы. Её скорость порядка 142 км/с.
За год она проходит 4,5 миллиарда километров. Как было сказано выше, расстояние до Плутона — 5,7 миллиарда километров. И вот эта звезда за год преодолевает четыре пятых от него.
За то время, пока от неё доходит до нас свет, она успевает преодолеть шесть таких расстояний — 28 миллиардов километров.
Диаметр нашей галактики — порядка 100 000 световых лет.
Если бы звезда Барнарда была бы расположена на другом краю галактики, то за то время, пока к нам бы дошёл её свет, она успела бы пролететь 11 расстояний от нас до ближайшей к нам звезды.
Ну, или если мы, предположим, сумели бы каким-то образом разглядеть планету на этом самом противоположном к нам галактическом краю, то ситуация на ней соответствовала бы стотысячелетней давности. У нас на планете всего 5500 лет прошло от появления письменности до современной цивилизации, 40 000 лет назад вымерли последние неандертальцы, а 45 000 лет назад появилось то, что сейчас называется «нами» — Homo sapiens — как видом.
Там ведь тоже всё могло поменяться за 100 000 лет.
Одна из ближайших к нам галактик — галактика Андромеды — находится от нас в 2,5 миллионах световых лет и движется в нашу сторону со скоростью примерно 300 км/с. В результате она сейчас находится в 2500 световых годах от того положения, где мы её видим. Это почти как 600 расстояний от нас до Проксимы Центавра.
Сейчас в телескопы можно разглядеть и гораздо более далёкие объекты. И увидеть, таким образом, ещё более далёкое прошлое. Тем более далёкое, чем дальше от нас находится данный объект.
Расположение звёзд на небе не просто не соответствует их текущему расположению в пространстве, но вдобавок ещё и не соответствует расположению ни в какой момент времени вообще: поскольку более дальние от нас объекты успели сместиться на большее расстояние, чем ближние.
Вот как это можно проиллюстрировать. Предположим, что с зелёного кружка в центре данной иллюстрации мы наблюдаем некие, вращающиеся вокруг него объекты. Все эти объекты находятся довольно далеко, поэтому задержка по времени уже существенна.
Слева изображено, как объекты расположены в пространстве в данный момент, а справа — то расположение, которое мы бы видели с этого зелёного кружка.
Чтобы было понятнее, наложим картинки друг на друга.
В нашей гипотетической ситуации хотя бы сохраняется сам рисунок, хотя и смещаются расположения его фрагментов, однако в реальности небесные объекты движутся друг относительно друга не столь простым образом. И наблюдаем мы ситуацию вовсе не из неподвижного центра кругового вращения.
Иными словами, видимые нами созвездия — это именно что «видимые нами». Это не только уникальная пространственная их проекция на нашу личную «небесную сферу», но и наш уникальный временной срез ситуации — по сферическим слоям.
Переместившись на относительно далёкую звезду, мы бы увидели звёздные расклады совершенно иными. Не только «под другим углом из другой точки», но и «в другом расположении во времени».
Во вселенной всё сейчас уже не так, как мы сейчас видим. И ни в какой момент времени не было так.
Причём не так не только расположение объектов, но и сами объекты. У звёзд ведь есть свой жизненный цикл — они рождаются в туманностях, взрываются сверхновыми, сгорают и превращаются в звёзды другого типа. Всё это мы можем наблюдать с Земли, но наблюдаем мы по-прежнему прошлое.
В настоящем же, возможно, некоторые из тех звёзд, которые мы видим на небе, уже не существуют. И не только в далёких-далёких галактиках, а даже в нашем ближайшем окружении. И не только видимые в телескоп, а даже видимые невооружённым глазом.
Например, одно из наиболее узнаваемых созвездий — созвездие Ориона, несёт на своём плече одну из самых ярких на нашем небе звёзд — Бетельгейзе.
Увы, вполне возможно, что её уже нет.
Вероятность, правда, не означает гарантии — астрономические масштабы времени весьма протяжённы, и она вполне может просветить ещё миллион лет, а то и вообще не взорваться, а просто выгореть, однако вероятность всё-таки не нулевая, а потому не исключено, что она взорвалась прямо сейчас, но узнаем мы об этом только через полтысячелетия.
Как не исключено и то, что как раз полтысячелетия назад она и взорвалась, поэтому мы узнаем об этом прямо сейчас.
Впрочем, даже если Бетельгейзе продержится ещё долго, то всё равно ведь вспышки сверхновых постоянно наблюдаются. И большинство на самом деле произошли десятки тысяч, сотни тысяч, а то и десятки миллионов лет назад.
И в тот момент, когда с небосвода исчезает какая-то звезда, на самом деле всего лишь исчезает с нашего неба «фотография» её далёкого прошлого.
7 вещей, которые поймут только те, кто любит смотреть на небо
«Когда мне становится невыносимо терпеть всех дураков в этом мире, когда я чувствую, что эго думает о себе слишком много, я отправляюсь гулять поздним вечером, чтобы полюбоваться в тишине небом. Поднимаю голову и начинаю медленно поворачиваться, чтобы увидеть все эти миллиарды звезд, все эти миллионы галактик, весь этот бесконечный масштаб… и я думаю про себя, насколько все остальное незначительно», –
Крис Мур.
Что мы действительно видим, когда смотрим на небо?
Некоторые смотрят на небо с большим воодушевлением, находя в этом процессе великий духовный смысл, другие же при взгляде на небосвод умирают от скуки.
Вот некоторые из тех вещей, которые могут почувствовать люди, обожающие смотреть на небо:
1. Вы чувствуете надежду и свободу.
Вглядываясь в небо, даже в моменты самого глубокого отчаянья, вы можете увидеть проблеск надежды. Вы замедляетесь, делаете глубокий вдох и расширяете свою душу, ощутив гармонию с природой и почувствовав запредельную свободу.
2. Вы чувствуете себя особенным.
Когда вы видите звезды и понимаете, что их свет путешествовал по просторам Вселенной в течение миллионов лет, чтобы в итоге попасть в сетчатку ваших глаз. Для своего приземления он выбрал именно эту бледно-голубую точку, которую мы называем Землей.
3. Это разжигает ваше любопытство.
Глядя на небо, вы испытываете любопытство, которое заставляет задавать себе много различных вопросов: Что скрывает за собой небосвод? Действительно ли существуют двери в другие Вселенные? Одни ли мы в этом мире?
4. Вы обретаете внутреннюю ясность.
Когда мир вокруг вас теряет четкость, становится неопределенным и хаотичным, тогда вы смотрите вверх и видите великолепие, безграничную мощь, которые напоминают о вашем истинном пути. И тогда окружающий мир превращается из мрачного в прекрасный.
5. Вы чувствуете решимость достичь своих целей.
Глядя на небо, вы вновь обретаете надежду и решимость для достижения своих целей. Возможно, это связано с восхищением, которое вы испытываете. Это вас мотивирует.
6. Когда вы смотрите на небо, красота приобретает новый смысл.
Глядя на небо, вы тонете в фантастической красоте золотого солнца, нежной луны, бесчисленных сияющих звезд и чудесных цветов радуги.
7. Вы обретаете мир внутри.
Глядя на небо, вы обретаете внутренний покой, потому что чувствуете себя особенным. И в то же время вы понимаете, насколько крохотное ваше место во Вселенной.
Вы обретаете покой, потому что небо делает вас более смиренным.
Новое видео:
Глядя на небо, мы видим прошлое?
Правда ли, что, глядя на звёздное небо, мы видим давнее прошлое космоса? Ведь если свет от звёзд преодолевает гигантские расстояния и доходит до нас, это занимает огромное количество лет. Возможно ли, что некоторые объекты, которые мы наблюдаем в телескоп или с помощью другой техники, уже не существуют?
Отвечает Андрей Бушунов, сотрудник лаборатории стабилизированных лазерных систем НОЦ «Фотоника и ИК-техника» МГТУ им. Н.Э. Баумана; работает по гранту РНФ:
Анастасия, это очень красивый вопрос, но ответ на него немного пугающий. Да, вы абсолютно правы: свет, идущий к нам от далёких миров, — это их прошлое. Причём очень далёкое — от ближайшей звезды (если не считать Солнца), альфы Центавра, свет идёт к нам 4,37 года. Это значит, что, если альфа Центавра вдруг погаснет, мы узнаем об этом только через четыре года с хвостиком.
Человечество наблюдает и более далёкие космические объекты, до которых десятки, сотни, тысячи, миллионы и миллиарды световых лет. Представьте, как восхитительно разглядывать звезду, которая горела сто миллиардов лет назад. Что с ней сейчас? Может, давно погасла. Да, такое может быть.
Но я не случайно остановился на «миллиардах». Дело в том, что пространство, в котором мы живём, Вселенная, не статично — оно как постоянно раздувающийся воздушный шар. И раздувается он всё быстрее и быстрее. Это приводит к печальному следствию: существует граница, называемая сферой Хаббла, свет от объектов за которой никогда не достигнет Земли, потому что мы удаляемся от них быстрее, чем распространяется свет. Нет, это не нарушает принцип относительности: никакая информация не может перемещаться в пространстве быстрее, чем само пространство расширяется. Из этого следует, что ни один человек никогда не увидит ничего, что находится от Земли на расстоянии большем, чем радиус сферы Хаббла. Сейчас, по грубым оценкам, он составляет порядка 14 миллиардов световых лет. Поэтому, если какая-то звезда погасла в более глубоком прошлом, мы этого никогда не узнаем.
Что ещё печальнее — поскольку расширение Вселенной необратимо и происходит с ускорением, то рано или поздно ночное небо станет чернильно-чёрным, без единой звёздочки. Хорошо, что это произойдёт, скорее всего, уже после того, как Солнце и все ближайшие звёзды погаснут. Иначе нам было бы очень одиноко.
Сила Казимира помогла создать энергетический диод
Zhujing Xu et al./ Nature Nanotechnology, 2021
Американские физики экспериментально реализовали необратимую передачу энергии между двумя механическими резонаторами с помощью модуляции силы Казимира, возникающей между ними. Они показали, что обход по замкнутой петле в пространстве параметров модуляции в близи исключительной точки позволяет создать энергетический диод. Исследование опубликовано в Nature Nanotechnology.
В канонической квантовой механике спектр системы (то есть набор разрешенных энергий) определяет оператор полной энергии — гамильтониан, которому предписано быть эрмитовым. Это свойство напрямую связано с требованием того, чтобы собственные значения этого оператора — все возможные энергии, которые можно измерить в эксперименте, — были вещественны.
Но сравнительно недавно физики поняли, что гамильтонианы с неэрмитовыми членами также могут обладать вещественным спектром. Для этого они должны коммутировать с PT-оператором или, другими словами, взаимодействие в системе должно быть симметрично относительно одновременной инверсии времени и четности. Поскольку неэрмитовые члены в гамильтониане ответственны за потери и усиления, этот факт вызвал большой интерес в оптике и фотонике, где ученые обладают высокой степенью контроля за подобными параметрами.
Выяснилось, однако, что вещественность спектра зависит от параметров гамильтониана. Граница в параметрическом пространстве, с которой начинает выполняться это условие, получила название исключительной точки. Оказалось, что в таких точках собственные вектора системы становятся линейно зависимы, а собственные значения сливаются. При этом, в отличие от чисто эрмитового случая, гамильтониан не может быть диагонализован.
Исключительные точки интересны также и тем, что они демонстрируют уникальные топологические свойства, которые нашли применение в оптике, оптомеханике и акустике. Например, ученым удалось организовать необратимую передачу энергии между двумя оптически связанными механическими модами мембраны внутри оптического резонатора, меняя состояние системы по замкнутой петле в параметрическом пространстве в окрестности исключительной точки. Это мотивирует исследователей искать похожие эффекты для других типов взаимодействия.
Группа американских физиков из Университета Пердью под руководством Зубин Джакоб (Zubin Jacob) и Тунцан Ли (Tongcang Li) экспериментально показала необратимость энергетического обмена между двумя механическими резонаторами за счет модуляции казимирового притяжения. Сила Казимира имеет квантово-флуктуационную природу и возникает между проводящими объектами. Она становится ощутимой, когда расстояние между ними достигает десятков или сотен нанометров, что делает ее, с одной стороны, важным фактором, который нужно учитывать при проектировании наномеханических устройств, и, с другой стороны, инструментом манипуляции нанобъектами.
В качестве механических резонаторов физики использовали два позолоченных кантилевера, к одному из которых была прикреплена золотая наночастица. Они обладали разными частотами колебаний, но примерно одинаковыми коэффициентами затухания. Последние отвечали за неэрмитов вклад в гамильтониан. Авторы могли следить за отклонениями кантилеверов с помощью двух волоконных интерферометров. Размещая их на разных расстояниях друг от друга, исследователи могли измерять возникающую при этом казимирову силу притяжения. Эта сила зависела от расстояния по закону обратного куба в хорошем согласии с расчетами.
(a) Схематическое изображение двух кантилеверов, связанных силой Казимира. Реальная (b) и мнимая (c) части собственных значений неэрмитового гамильтониана такой системы в пространстве параметров. Пересечение поверхностей говорит об исключительных точках.
Zhujing Xu et al./ Nature Nanotechnology, 2021
Почему глядя на звездное небо, мы видим прошлое
Формально, все, на что мы смотрим в каждый момент времени, — это прошлое, удаленное от настоящего на какую-либо единицу скорости света. То есть мы наблюдаем свет от лампочки, солнечный блик в один момент, а испустил их источник немного раньше.
Конечно, их свет доходит до нас быстро, но нельзя сказать, что моментально. В космосе этот разбег гораздо больше, так как объекты удалены от нас на десятки, сотни и даже миллионы световых лет.
Расстояния, преодолеваемые лучами
Например, солнечный свет доходит до Земли за 8 минут. Это значит, что луч, удаляющийся от Солнца, приземляется на Землю спустя некоторое время, поэтому светило мы видим в прошлом. Для нас минуты, часы, года — это единицы измерения времени. Астронавты световыми минутами, световыми часами и годами измеряют расстояние. За 8 минут пока луч летит к Земле он преодолевает расстояние 150 млн км. Световой год равен почти 10 трлн км, то есть это расстояние свет проходит за 1 год.
Солнце — самая близкая звезда к Земле и единственная в Солнечной системе. Остальные звезды находятся на гигантских расстояниях от нас, поэтому их свет идет до нас годами и десятилетиями. Все звезды, которые мы видим ночью без телескопа, находятся в нашей галактике, свет от других скоплений просто не доходит до нас по оптическим причинам.
Поэтому те звезды, которые мы способны видеть, могут находиться от нас в 110 000 световых годах. Таков прогнозируемый размер нашего Млечного Пути. Это значит, что мы можем наблюдать звезду, которая испустила свет 110 000 лет назад, а он дошел только сейчас. Получается, что между прошлым звезд и нашим настоящим может быть такая грандиозная разница во времени.
Космическая «машина времени»
Ближайшая к СС звезда — испускающая странные сигналы Проксима Центавра. Она удалена на 4 с лишним световых года от нас. Это значит, что, смотря на нее, мы видим свет, который она испустила 4 года назад. Свет от Бетельгейзе доходит до Земли за 600 световых лет. И в том, и в другом случае мы видим прошлое, только одно близкое, другое очень далекое.
Самым далеким объектом, доступным человеческому взору, является галактика Туманность Андромеды. Мы видим ее, как тусклое пятнышко, которое светит чуть ярче зимой. А теперь представьте! Если вам удалось его увидеть, то вы видите то, что происходило 2,5 млн лет назад.
Мы воспринимаем только то, что происходит с нами в настоящем. Свет, доходящий до нас тысячелетиями, не может на нас повлиять. Он не может изменить наше будущее и никак не отразится на прошлом. Мы видим его в тот момент, когда смотрим на небо. Поэтому фраза «глядя на небо, мы видим прошлое» верна, но при этом совершенно бессмысленна.
Люди живут настоящим, а не «звездным прошлым», хотя по отношению к Солнцу эта фраза не действует. Нам важно получать солнечный свет через 8 минут или позже. Потому что, если прошлого Солнца мы не увидим, произойдет катастрофа.