Юный техник, 2013 № 12

НАУЧНЫЕ ЗАБАВЫ

В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл высказал предположение, что галактики во Вселенной разбегаются во все стороны от некоего центра. Это позволило теоретикам выдвинуть предположение, что некогда сама Вселенная зародилась в результате Большого взрыва.

Знаете, каким образом Хаббл определил, что галактики движутся, хотя на глаз этого и не видно? По красному смещению их спектра, на основе эффекта Доплера.

Австрийский же физик Кристиан Доплер в 1842 году, стоя на платформе пригородной железной дороги, обратил внимание, что тон свистка приближающегося локомотива выше, чем тон удаляющегося паровоза.

Слух не обманул ученого. Он вскоре понял, в чем тут дело. Звуковые волны от свистка локомотива движутся во все стороны. И если локомотив стоит на одном месте, то с какой бы стороны вы возле него ни стояли, тон звука будет казаться вам одинаковой высоты. Скажем, за секунду ваши уши будут улавливать 1000 звуковых волн.

Иное дело, если локомотив движется относительно наблюдателя. При приближении он будет как бы подталкивать звуковые волны, и за одну секунду ушей наблюдателя будет достигать уже не 1000, а, скажем, 1200. Чтобы им «поместиться» в одной секунде, волны стали короче, а частота колебаний, следовательно, увеличилась. Звук с увеличением частоты всегда становится выше.

Когда же свистящий локомотив, проехав мимо вас, станет быстро удаляться, то за одну секунду вы теперь услышите меньшее количество звуковых волн. Значит, частота колебаний уменьшилась, и тон звука понизился.

Со временем выяснилось, что эффект Доплера наблюдается не только для звуковых, но и для световых волн.

От приближающегося источника свет будет синее, а от удаляющегося — краснее, чем от неподвижного. Вот на эти-то изменения светового спектра звезд и обратил внимание Эдвин Хаббл.

Теперь давайте проиллюстрируем эти теоретические рассуждения экспериментами. Самое простое — отправиться на железнодорожную платформу и послушать, как свистят пробегающие мимо электрички.

А можно никуда не ходить, поставив аналогичные эксперименты дома, на наглядных моделях. Их будет две. Одна очень простая, на ней «волны» будут только сжиматься, а следовательно, их частота — увеличиваться. Вторая, более сложная модель даст нам возможность наблюдать, как происходит и сжатие «волн», и их удлинение.

Для первой модели на листе плотной бумаги размером 20x25 см начертите черной тушью полоски длиной примерно 15 см и шириной 0,5 см. Промежутки между полосками сделайте такой же ширины — 0,5 см. Расстояние, которое занимают черная и белая полоски, будет у нас означать длину «волны», одно полное колебание.

На другом листе бумаги примерно такого же размера сделайте посередине вертикальное окошко размером 1,5x3,5 см.

Возьмите в левую руку лист с «волнами», а в правую — листок с окошечком. Смотрите сквозь окошечко на расположенные вертикально «волны» и начните быстро двигать листки навстречу друг другу. Движения обеих рук должны быть очень быстрыми. Тогда в окошечке вы увидите, как ваши «волны» стали как бы уже.

Опыт нужно проделывать так, чтобы над листком с окошечком были видны ничем не загораживаемые верхние части черных полос. Они будут служить эталоном для сравнения, и вы ясно увидите разницу в размере «волн» над верхним листком и в его окошке.

Опыт можно провести еще и таким образом. Найдите расческу, половина зубьев на которой будут крупными и редкими, а другая половина — частыми и мелкими. Держа расческу горизонтально в левой руке напротив окна или настольной лампы, а бумагу с прорезанным окошком — в правой, проделайте те же колебательные движения, постепенно наращивая темп. И вскоре вам начнет казаться, что крупные зубья и промежутки между ними сузились, стали почти такими же, как в той половине расчески, где зубья мельче. Правда, эффект Доплера тут уже ни при чем, нужного результата скорее позволяет добиться инерционность нашего зрения. Та самая, благодаря которой мы можем видеть движение в кино, когда на экране быстро сменяют друг друга неподвижные кадры.

Далее проделаем следующий опыт. Нарисуйте на листе бумаги на расстоянии 8 — 10 мм друг от друга на одном уровне несколько черных кружков диаметром по 2 см. Возьмите бумагу с кружочками в левую руку, а листок с прорезанным окошком — в правую и начните быстро двигать листочки навстречу друг другу, как вы это делали ранее. В мелькающее окошко вы увидите, что черные кружки сузились, превратились в эллипсы, а расстояние между кружками, теперь ставшими эллипсами, тоже как бы уменьшилось.

Более впечатляющим такой эксперимент получится, если в вашем доме сохранился старый электропроигрыватель для пластинок со скоростью 78 оборотов в минуту. Около 40 лет тому назад известный популяризатор науки Ф.В. Рабиза описывал такой опыт следующим образом.

Вырежьте из белого картона круг по размеру диска проигрывателя.

Разделите картонный круг на 12 частей и, отступя от края 3 см, начертите циркулем 12 кружков диаметром 2,5 см. Кружки закрасьте черной акварелью или тушью.

В центре картонного круга проделайте отверстие острием заточенного карандаша и наденьте на диск проигрывателя.

Приготовьте второй такой же диск. В нем, отступив 1,5 см от края, прорежьте на одинаковом расстоянии друг от друга 6 отверстий, имеющих форму трапеции: широкое основание — 2,2 см, узкое — 1,5 см, высота — 2,2 см. Возьмите гвоздь подлиннее и наколите на него второй диск самым центром. Сделайте отверстие посвободнее, чтобы диск мог вращаться на гвозде, когда вы будете держать его шляпкой вниз. Если диск вращается плохо, можно ниже его придвинуть к шляпке небольшую шайбу из скользкого пластика.

Сам опыт проводим следующим образом. Запускаете диск проигрывателя с надетым на него вместо пластинки картонным кругом с нарисованными черными кружками. Помещаете над ним диск с прорезями, закрепленный на гвозде, который вы держите в левой руке. Толчком свободной правой руки раскручиваете второй диск в противоположном направлении вращения первого.

Через прорези вы увидите, что кружки на первом диске превратились в эллипсы.

А если крутануть второй диск в ту же сторону, что и диск на проигрывателе, вы заметите, как черные кружки зрительно словно бы растягиваются по экватору. Причем величина растяжения будет зависеть от скорости вращения второго диска. И тут срабатывает инерция нашего зрения.

Наконец, последний эксперимент. Белый свет подфарников или автомобильных фар не меняет своего цвета, независимо от того, стоит ли автомобиль неподвижно, приближается ли к нам или удаляется задним ходом. Убедитесь в этом.

И те звезды, на которые мы смотрим вечерами, обычно кажутся нам просто белыми. Астрономам, как уже говорилось, приходится прибегать к помощи специального оборудования — спектрографов, чтобы заметить красное смещение. А дело в том, что скорость света составляет примерно 300 000 км/с. И ничтожно малые изменения частоты без приборов попросту не заметить. Но теперь вы знаете, что они все-таки движутся. Их движение выдало красное смещение, впервые замеченное Эдвином Хабблом, имя которого носит космический телескоп, позволивший ученым сделать немало замечательных открытий.