Астрономия в Европе в средние века: Николай Коперник, Тихо Браге, Иоганн Кеплер, Галилео Галиллей, Исаак Ньютон. Физические основы астрономии: Основы теории тяготения, Основы теории гравитации, Механическая и электромагнитная волна, Электромагнитный диапазон, Эффект Доплера.

1. Молодёжный астрономический клуб «Звездочёт» zelobservatory.ru

4. zelobservatory.ru Николай Коперник , польский астроном, математик, экономист и врач. Автор средневековой гелиоцентрической системы мира, положившей начало первой научной революции. Николай Коперник, 1473 – 1543 г.г. Уже в начале XVI века замысел новой астрономической системы сложился у него вполне ясно. Страница из рукописи «Малый комментарий о гипотезах, относящихся к небесным движениям»

5. zelobservatory.ru Он начинает писать книгу с описанием новой модели мира, обсуждает свои идеи с друзьями, среди которых немало его единомышленников ( например, Тидеман Гизе, епископ Кульмский ). В эти годы ( примерно 1503-1512 ). Коперник распространял среди друзей рукописный конспект своей теории («Малый комментарий о гипотезах, относящихся к небесным движениям» ), а его ученик Ретик опубликовал ясное изложение гелиоцентрической системы в 1539 году. По-видимому, слухи о новой теории широко разошлись уже в 1520-х годах. Работа над главным трудом продолжалась почти 40 лет, Коперник постоянно вносит в неё уточнения, готовит новые астрономические расчётные таблицы.

6. zelobservatory.ru По структуре главный труд Коперника почти повторяет «Альмагест» Клавдия Птолемея в несколько сокращённом виде. Карта неба Коперника и фазы Луны (внизу). Страницы из Атласа « Harmonia Macrocosmica » Андреаса Целлариуса, 1660 год В первой части говорится о шарообразности мира и Земли , а вместо положения о неподвижности Земли помещена иная аксиома - Земля и другие планеты вращаются вокруг оси и обращаются вокруг Солнца . Эта концепция подробно аргументируется, а «мнение древних» убедительно опровергается. С гелиоцентрических позиций он без труда объясняет возвратное ( ретроградное ) движение планет .

7. zelobservatory.ru Во второй части даются сведения по сферической тригонометрии и правила вычисления видимых положений звезд, планет и Солнца на небесном своде . В третьей говорится о годовом движении Земли и прецессии ( предварении равноденствий ) , причём Коперник правильно объясняет её смещением земной оси, из-за чего перемещается линии пересечения экватора с эклиптикой. В четвёртой - о Луне, в пятой - о планетах вообще, и в шестой - о причинах изменения широт планет. В книге также содержится звёздный каталог , оценка размеров Солнца и Луны , расстояния до них и до планет ( близкие к истинным ), теория затмений .

9. zelobservatory.ru Тихо Браге, 1546– 1601 г.г. Тихо Браге – датский астроном, астролог, алхимик. Первым в Европе начал проводить систематические и высокоточные астрономические наблюдения, которые помогли Кеплеру открыть законы движения планет. Гео-Гелиоцентрическая система Браге Основоположник Гео-Гелиоцентрической системы Мира

10. zelobservatory.ru 11 ноября 1572 года Тихо Браге, возвращаясь домой из химической лаборатории, заметил в созвездии Кассиопеи необычайно яркую звезду, которой раньше не было. Он сразу понял, что это не планета, и бросился измерять её координаты. Звезда сияла на небе ещё 17 месяцев; вначале она была видна даже днём, но постепенно её блеск тускнел. Сверхновая Браге ( SN 1572) В современной терминологии, это была первая за 500 лет вспышка сверхновой в нашей Галактике; следующая произошла вскоре после смерти Браге ( Сверхновая Кеплера ), и больше в нашей Галактике вспышек сверхновых невооружённым глазом не наблюдалось.

11. zelobservatory.ru В конце XVI века в астрономии ещё происходила борьба между геоцентрической системой Птолемея и гелиоцентрической системой Коперника. Противники системы Коперника ссылались на то, что в отношении погрешности расчётов она ничем не лучше птолемеевской ( на рисунке слева ). Напомним, что в модели Коперника планеты равномерно движутся по круговым орбитам: чтобы согласовать это предположение с видимой неравномерностью движения планет, Копернику пришлось ввести дополнительные движения по эпициклам . Хотя эпициклов у Коперника было меньше, чем у Птолемея, его астрономические таблицы, первоначально более точные, чем птолемеевы, вскоре существенно разошлись с наблюдениями, что немало озадачило и охладило восторженных коперниканцев…

13. zelobservatory.ru Иоганн Кеплер, 1571– 1630 г.г. Открытые Кеплером три закона движения планет полностью и с превосходной точностью объяснили видимую неравномерность этих движений . Вместо многочисленных надуманных эпициклов модель Кеплера включает только одну кривую – эллипс . Второй закон установил, как меняется скорость планеты при удалении или приближении к Солнцу, а третий позволяет рассчитать эту скорость и период обращения вокруг Солнца. Иллюстрация действия второго закона Кеплера

14. zelobservatory.ru Кеплер долгое время наблюдал за Марсом, уточняя свои наблюдения и на основании их пришел к следующим выводам: I . Все планеты вращаются вокруг Солнца по эллипсу в одном из центров которых находится Солнце.

15. zelobservatory.ru II . Каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причём за равные времена радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, заметает сектора равной площади . Таким образом, из второго закона Кеплера следует, что планета движется вокруг Солнца неравномерно, имея в перигее б ó льшую линейную скорость, чем в апогее. В начале января Земля, проходя через перигей, движется быстрее, поэтому видимое перемещение Солнца по эклиптике к востоку также происходит быстрее, чем в среднем за год. В начале июля Земля, проходя апогей, движется медленнее, поэтому и перемещение Солнца по эклиптике замедляется. Закон площадей указывает, что сила, управляющая орбитальным движением планет, направлена к Солнцу.

16. zelobservatory.ru III . Квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся, как кубы больших полуосей орбит планет. Справедливо не только для планет, но и для их спутников.

18. zelobservatory.ru Галилей – выдающийся итальянский физик, астроном, механик и математик. При жизни был известен как активный сторонник гелиоцентрической системы мира , что привело Галилея к серьёзному конфликту с католической церковью. Иногда из-за недостатка научных данных Галилей ошибался ( например, в вопросах о форме планетных орбит, природе комет или причинах приливов ), но в подавляющем большинстве случаев его метод приводил к цели. Характерно, что Кеплер, располагавший более полными и точными данными, чем Галилей, сделал правильные выводы в тех случаях, когда Галилей ошибался. Галилео Галилей, 1564 – 1642 г.г.

19. zelobservatory.ru Галилей отметил также странные «придатки» у Сатурна, но открытию кольца помешали слабость телескопа и поворот кольца, скрывший его от земного наблюдателя. Полвека спустя кольцо Сатурна открыл и описал Гюйгенс, в распоряжении которого был 92-кратный телескоп. Млечный путь, который невооружённым глазом выглядит как сплошное сияние, распался на отдельные звёзды, что подтвердило догадку Демокрита, и стало видно громадное количество неизвестных ранее звёзд. Галилей открыл также ( независимо от Иоганна Фабрициуса и Хэрриота ) солнечные пятна . По результатам их наблюдений Галилей сделал вывод, что Солнце вращается вокруг своей оси , оценил период этого вращения и положение оси Солнца. Галилей установил, что Венера меняет фазы . Наблюдения через телескоп собственной конструкции

20. zelobservatory.ru У Юпитера обнаружились собственные луны – четыре спутника. 1,5 года наблюдений позволили Галилею оценить период обращения этих спутников (в 1612 г. ), хотя приемлемая точность оценки была достигнута только в эпоху Ньютона. Галилей предложил использовать наблюдения затмений спутников Юпитера для решения важнейшей проблемы определения долготы на море. Сам он не смог разработать реализацию подобного подхода, хотя работал над ней до конца жизни; первым успеха добился Кассини ( в 1681 г. ), однако из-за трудностей наблюдений на море метод Галилея применялся в основном сухопутными экспедициями, а после изобретения морского хронометра ( середина XVIII века ) проблема была закрыта. Зарисовки поверхности Луны Галилеем.

22. zelobservatory.ru Исаак Ньютон, 1664–1727 г.г. Ньютон – великий английский физик, математик и астроном. Автор фундаментального труда « Математические начала натуральной философии », в котором он описал закон всемирного тяготения и так называемые Законы Ньютона , заложившие основы классической механики. Разработал дифференциальное и интегральное исчисление , теорию цветности и многие другие математические и физические теории.

23. Важно отметить, что Ньютон опубликовал не просто предполагаемую формулу закона всемирного тяготения, но фактически предложил целостную математическую модель в контексте хорошо разработанного, полного, явно сформулированного и систематически изложенного подхода к механике. Позже с помощью ньютоновского тяготения были с высокой точностью объяснены все наблюдаемые движения небесных тел; в этом большая заслуга Эйлера, Клеро и Лапласа. zelobservatory.ru Закон тяготения Ньютона До Ньютона никто не сумел ясно и математически доказательно связать закон тяготения ( силу, обратно пропорциональную квадрату расстояния ) и законы движения планет ( законы Кеплера ). Только с трудов Ньютона начинается раздел науки « динамика ».

25. zelobservatory.ru Ньютон и яблоко Общеизвестна легенда о том, что закон тяготения Ньютон открыл, наблюдая падение яблока с ветки дерева. Впервые « яблоко Ньютона » мельком упомянул биограф Ньютона Уильям Стьюкли ( книга «Воспоминания о жизни Ньютона», 1752 год ): После обеда установилась тёплая погода, мы вышли в сад и пили чай в тени яблонь. Он [Ньютон] сказал мне, что мысль о гравитации пришла ему в голову, когда он точно так же сидел под деревом. Он находился в созерцательном настроении, когда неожиданно с ветки упало яблоко. «Почему яблоки всегда падают перпендикулярно земле?» — подумал он…

26. zelobservatory.ru Закон Всемирного тяготения Гравитация – сила, заставляющая тела притягиваться друг к другу. Впервые эту силу описал Ньютон в своем знаменитом законе – Законе Всемирного тяготения

27. zelobservatory.ru Формула, выражающая закон Всемирного тяготения выглядит так: Все тела притягиваются друг к другу с силой пропорциональной их массе и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. … и означает что:

28. zelobservatory.ru Перерыв 5 минут…

29. zelobservatory.ru Итак, Ньютон и Кеплер объяснили КАК должны вращаться планеты по своим орбитам и по каким законам. Но Меркурий не хотел двигаться по « их » законам. Чуть-чуть, всего лишь на 43 секунды в меркурианский год, но это было существенное отклонение. Неправильный Меркурий Каждый оборот вокруг Солнца перигей Меркурия смещался на 43 угловых секунды от предыдущего положения. В то время как законы Ньютона и Кеплера предсказывали ей вращаться по неизменной орбите. Позже оказалось, что и другие планеты ведут себя подобным образом, просто заменить изменения в их орбитах в начале XX века было невозможно из-за несовершенства приборов. А Меркурий - самая быстрая планета Солнечной системы и изменения его орбиты наиболее заметны.

31. zelobservatory.ru Итак, ученые начали попытки объяснить странное поведение строптивой планеты. И это привело к созданию СТО – Специальной Теории Относительности. Во Вселенной свет быстрее всех

32. zelobservatory.ru СТО постулировала, что в отличии от механики Ньютона который считал, что силы заставляющие планеты вращаться действуют мгновенно , во Вселенной есть предельная скорость, быстрее которой ничего не может двигаться. И это - скорость света! Автором этой теории был Альберт Эйнштейн.

33. zelobservatory.ru СТО приводит к удивительным парадоксам, например: Время на космическом корабле замедляется и чем ближе скорость корабля к скорости света - тем медленнее , с точки зрения земного наблюдателя, на нем течёт время . Хотя для космонавтов на самом корабле, наоборот кажется, что это на Земле время течет быстрее. Поэтому, если в космос отправится один из близнецов то вернувшись молодым он застанет своего брата близнеца уже в преклонном возрасте – это и есть так называемый «парадокс близнецов».

34. zelobservatory.ru Теория гравитации «Резиновая модель» наглядно показывает действие гравитации: чем массивнее тело, тем сильнее оно искажает окружающее пространство-время и тем сильнее оно притягивает (влияет на) другие тела. На достигнутом Эйнштейн не остановился, и он принялся за гравитацию разработав новую теорию, которая получила название ОТО – Общая Теория Относительности .

35. zelobservatory.ru В 1920-х годах Альберт Эйнштейн предложил совершенно новую теорию гравитации. В рамках этой теории постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени , которая связана, в частности, с присутствием массы. Альберт Эйнштейн, 1879–1955 г.г.

36. zelobservatory.ru Попытаемся наглядно описать механизм взаимодействия двух массивных тел. В качестве массивных тел будем представлять собой тяжелые шарики, а в качестве пространства, которое искривляется, если в него помещают массивные тела можно взять мягкий резиновый коврик. Напомним, что это только модель для наглядного представления Эйнштейновской гравитации. Поместим шарик на коврик, под весом этого шарика коврик немного прогнется. Образовавшаяся ямка является моделью искривленного пространства. Если рядом поместить второй шарик, то он как бы начнем притягиваться к первому за счет того, что первый находится в ямке.

38. zelobservatory.ru ОТО объясняет некоторые особенности в движении планет и других небесных тел. В том числе именно она ( вместе со СТО ) позволила объяснить странное движение Меркурия и другие наблюдаемые явления. Одна из крупнейших гравитационных линз Abell 2218

40. zelobservatory.ru … С расстояния 17 св. лет оно выглядело бы как далекая тусклая звездочка, с расстояния 18 св. лет невооруженным глазом Солнышко уже не видно. Итак СТО постулировало что ничего не перемещается быстрее света! А что такое свет? Как оказалось это волна и частица одновременно! Волна имеет следующие характеристики : длину, частоту и амплитуду. Это верно как для механической волны ( например, звуковой ), так и для электромагнитной.

41. zelobservatory.ru Электромагнитная волна Электромагнитная волна - это распространяющееся в пространстве возмущение электрических и магнитных полей . Электрическое поле ручка и листок, магнитное – магнит и скрепка. Сочетание этих полей и обеспечивает электромагнитные волны . Электромагнитные волны (свет) распространяются в вакууме со скоростью примерно 300 000 км/с. За секунду свет огибает Землю 7 раз. Но во Вселенной расстояния огромны - свет достигнет ближайшей звезды только через 4,22 года.

42. zelobservatory.ru Кто видел радугу? Какие в ней есть цвета? Впервые подобное изображение получил Ньютон пропустив луч света через тонкую щель и стеклянную призму. Оказывается наш обычный белый свет – это сочетание электромагнитных волн разного цвета: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый. Это разделение условно, т.к. цвета плавно переходят один в другой. Опыт Ньютона с призмой, разлагающей свет

44. zelobservatory.ru Спектр электромагнитных волн Но оказывается, что электромагнитные волны не ограничиваются только видимым светом, т.е. светом который воспринимает наш глаз. Если посмотреть на шкалу электромагнитных волн, то выше по увеличению длинны волны мы видим инфракрасные волны, с увеличением длины волн идет полоса микроволнового излучения ( СВЧ-печь ), затем радиоизлучение ( сотовый телефон, телевизор, радио ). А в сторону уменьшения длины волны – ультрафиолетовое излучение ( ультрафиолетовые лампы, солярии ), рентгеновское излучение ( рентгенограф ), гамма – лучи. Все эти лучи имеют одну природу – электромагнитную. Просто они разной длины, а следовательно и частоты.

45. zelobservatory.ru

46. zelobservatory.ru Для чего же мы с вами узнали, что такое электромагнитные волны ? Оказывается, изучение всей совокупности электромагнитных волн позволяет многое узнать о небесных телах. Для этого изучают Спектр электроволн излучаемых от небесного тела. Вот, например, спектр Солнца. Обратите внимание на темные полоски. Как оказалось, ширина и расположение этих линий уникальна для каждого химического элемента. Поэтому ученые, когда изучают спектр звезд, стараются выделить известные им виды спектров, чтобы определить химический анализ звезд , то есть из чего они состоят.

47. zelobservatory.ru Вот так, например, выглядит спектр азота. Разглядывая спектр под микроскопом ученые измеряют расстояние между спектральными линиями, их ширину. Изучение спектра небесных тел позволяет не только изучать химический состав небесных тел, но и другие характеристики: плотность и температуру.

49. zelobservatory.ru А теперь представим что мы на корабле поплыли в сторону от распространения волны, нас стало качать меньше, то есть частота волны уменьшилась, а длина увеличилась. Хотя при этом море как качало, так и качает (средний фрагмент). А теперь представим себе что корабль на котором мы движемся плывет навстречу волне и нас стало качать чаще, то есть частота увеличилась, а длина волны уменьшилась (нижний фрагмент). Это и есть проявление эффекта Доплера – изменение длины/частоты волны, вызванное движением или источника волны или приемника волны. Этот эффект присущ и звуковым волнам: все слышали как приближается и удаляется автомобиль? Тоже эффект Доплера , сначала мы слышим звук высокой частоты, потом когда машина поравнялась с нами естественный звук машины, а затем более низкий. Представим себе что находимся в море на корабле, корабль стоит не подвижно и его качает на волнах, ну, скажем 1 раз за 1 секунду (верхний фрагмент).

50. zelobservatory.ru Представим, что мы на космическом корабле улетаем от нашего Солнца с большой скоростью. Также эффект Доплера проявляется и для небесных тел. Например, звезды бывают разного цвета, наше Солнце – желтого, а бывают голубые, оранжевые, красные и так далее. Согласно эффекту Доплера длина э/м волны от нашего Солнца увеличивается и по шкале э/м сдвигается в сторону красного цвета – Солнце становится красноватым. Мы остановились и полетели обратно, накатываемся на волну, и видим что цвет Солнца ушёл в противоположную сторону спектра – в сине-фиолетовую. Пример с удаляющимся и с приближающимся Солнцем

51. zelobservatory.ru Измеряя смещение длины волны вызванное эффектом Доплера астрономы узнают о скорости движения далеких небесных тел – звезд, туманностей, галактик. Эффект Доплера на примере убегающей галактики (середина) и приближающейся (внизу)

52. … БлагоДарим за внимание!  zelobservatory.ru