G.Kamuntavičiaus (1-4) paskaitos

1

GAMTAMOKSLINĖ

PASAULIO SAMPRATA

BENDRAUNIVERSITETINIS

A GRUPĖS KURSAS

1 – 4 PASKAITŲ

KONSPEKTAS

Prof. G. Kamuntavičius

Vytauto Didţiojo Universitetas

2011

2

Paskaitos

1. Šiuolaikinės ţinios apie Kosmosą ... 3 pusl.

2. Visatos paţinimo etapai ... 12 pusl.

3. Moderni materijos struktūros samprata ... 24 pusl.

4. Visatos evoliucija ... 33 pusl.

Papildoma literatūra

1. G. Kamuntavičius, Visata ir ţmogus, VDU, 2005; 1, 7, 8, 11 ir 12 skyriai.

2. Visata, Išsamus vaizdingas ţinynas, Alma Littera, 2005.

3. Ken Dobson, David Grace, David Lovett, Fizika, 2 dalis, Alma Litera, 2002; 16, 17,

26, 27 ir 28 skyriai.

4. Mokslas ir Visata, Vyriausioji enciklopedijų leidykla, 1990.

5. Phillip Flower, Understanding the Universe, 1990, West Publishing Company,

USA.

Pastabos

Iliustracija konspektuose reiškia brėţinį, grafiką, nuotrauką(as), animacinius

arba dokumentinius filmukus, kurie bus demonstruojami paskaitų metu.

Klausimai skirti geriau įsisavinti medţiagai. Panašius klausimus reikės

atsakyti raštu koliokviumo metu.

3

1. Šiuolaikinės ţinios apie Kosmosą

Šiuolaikinis mokslas jau neabejoja, kad ne tik galaktikos ir jas sudarančios ţvaigţdės bei kiti jų

struktūriniai elementai, bet taip pat ir Ţemė, ir ţmonės, ir visa kita, kas yra šalia mūsų arba

egzistuoja, bet kol kas nėra ištirta, yra Visatos produktai ir jos sudėtinės dalys. Panašiai kaip kadaise

vienas astronautas, ţvilgtelėjęs iš kiek tolėliau į Ţemę suprato, jog tai yra vienas vientisas

kamuoliuko pavidalo organizmas, taip ir pati Visata yra vientisa ir harmoninga. Ji labiau panaši į

augantį, besivystantį padarą, negu į kokią mechaninę sistemą.

Šiandien patikimai ţinoma, kad Visata yra begalinė visuma ţvaigţdţių telkinių - galaktikų,

tolstančių viena nuo kitos tokiais greičiais, kad kas keleta milijardų metų visi atstumai padvigubėja.

Patikslintas pastaruoju metu pačios Visatos amţius yra apie 13.7 milijardo metų. Šiandien jau

stebėti milijardai galaktikų, kiekvienoje kurių yra iki nuo milijonų iki šimtų milijardų ţvaigţdţių.

Iliustracija 1. Visatos periferija. Hablo teleskopo nuotraukų galerija.

Kruopštūs artimų Saulei ţvaigţdţių stebėjimai rodo, kad dauguma jų turi planetas, taigi Saulė su

savo planetų sistema iš viso niekuo iš kitų ţvaigţdţių neišsiskiria. Nėra jokių prieţasčių manyti,

kad ţvaigţdės ir planetos kitose galaktikose yra visiškai kitokios, nes jų prigimtis visoje Visatoje

yra tokia pati. Dar daugiau - viskas Visatoje, pradedant nuo maţiausių ir baigiant didţiausiais jos

dariniais, nuolatos juda ir evoliucionuoja. Nėra nė vieno sustingusio arba sustabarėjusio, vieną kartą

visiems laikams pagaminto, uţvesto ir paleisto judėti, arba tuo labiau nuolatos kaţkieno tai varomo

ar raginamo judėti, objekto. Judėjimas yra natūrali šios sistemos būsena. Jeigu pabandytume

sustabdyti ir uţfiksuoti planetas, ţvaigţdes ar galaktikas, jas laikyti rimties būsenoje reikėtų

neįsivaizduojamų pastangų, o paleistos jos vėl pradėtų judėti kaip judėję. Šio judėjimo "variklis"

yra gravitacinė sąveika (visuotinė trauka), veikianti tarp bet kokių kūnų. Dėl šios sąveikos bei

materijos struktūros ypatybių Visata yra dinaminė.

Kaip gi atrodo ta Visata?

Paţvelgus į dangų giedrą naktį galima suskaičiuoti apie 3000 ţvaigţdţių. Akylesnis stebėtojas gali

pamatyti kiek daugiau, ne toks akylas – kiek maţiau ţvaigţdţių. Daug tai ar maţai? Ar tai – jau visa

Visata? Jei ne, tai kokią jos dalį taip ţiūrėdami matome? Nesunku patikrinti, kad apsiginklavę

paprasčiausiu binokliu tuščioje plikai akiai vietoje galima pastebėti naujų ţvaigţdţių, o pro kad ir

nedidelį teleskopą - vėl ir vėl naujų.

Iliustracija 2. Ţvelgiame į dangų vis gerindami teleskopą.

Paaiškėja, kad balzgana Paukščių Tako juosta, lengvai pastebima danguje, yra vėlgi ne kas kita,

kaip daugybė ţvaigţdţių. Ţvaigţdės yra pačios įvairiausios, skiriasi jų ryškumas bei spalva, tačiau

palyginus su Saule, matoma dieną, jos yra niekingai smulkios ir neišvaizdţios, todėl daug

tūkstantmečių niekas net nedrįso pagalvoti, kad jos turi ką nors bendro. Tas geriausiai atsispindi

seniausiuose judėjų mituose, kai dievas antrąją dieną vargo kurdamas Saulę, o po to ţaismingai per

ketvirtąją sukūrė iš karto visas ţvaigţdes.

Iš tiesų šis vaizdas, matomas plika akimi, yra niekingai maţa Visatos, apie kurią kalbame, dalis.

Daug tūkstančių metų ţmonės nieko daugiau ir negalėdavo danguje pamatyti, bet giliausiai

mastantiems netgi tų įspūdţių pakakdavo suvokti jos didingumą ir galią. Ţvaigţdės visada buvo

matomos, tačiau jos buvo suvokiamos tik kaip fonas, o ne kaip lygiavertis Saulei objektas, todėl

apie 20 amţių (kiek pasiekia rašytiniai šaltiniai) Visata iš viso buvo tapatinama tik su Saulės

sistema.

Reziumuojant mūsų pirmąjį ţvilgsnį į dangų galima pasakyti tik tiek, kad neginkluota akis jame

pamato vieną iš šimto milijonų (viso mūsų galaktikoje – Paukščių Take, yra apie tris šimtus

4

milijardų ţvaigţdţių, o matome tik tris tūkstančius jų, taigi šių skaičių santykis ir sudaro šimtą

milijonų) artimiausių mums ţvaigţdţių.

Iliustracija 3. Paukščių Tako galaktika.

Ţvaigţdţių, esančių kitose galaktikose, pastebėti plika akimi neįmanoma. Tiesą pasakius,

problemiška stebėti ir pačias galaktikas, nes iš šiaurės pusrutulio galima pamatyti tik vieną

palyginus nelabai toli esančią didţiulę galaktiką, tradiciškai vadinamą Andromedos ūku, nes

nepatyrusiam stebėtojui ji beveik niekuo nuo paprasto ūkelio ir nesiskiria.

Iliustracija 4. Andromedos galaktika.

Mokslas apie Visatą kaip visumą ir apie Metagalaktiką - stebimą Visatos sritį - kaip tos visumos

dalį, vadinasi Kosmologija. Pats šis ţodis kildinamas iš graikiškų ţodţių kosmos - pasaulis, Visata

ir logos - ţodis, mokymas. Taigi kosmologija yra mokslas, tiriantis Visatą kaip vieningą sistemą.

Kosmologijos mokslo, jei jį traktuosime minėta plačiąja prasme, išvados remiasi fizikos dėsniais ir

astronominių stebėjimų duomenimis. Svarbiausias Kosmologijos postulatas yra tas, kad gamtos

(fizikos) dėsniai, surasti labai ribotoje Visatos dalyje, kurioje juda Ţemė, gali būti ekstrapoliuoti

(išplėsti, pritaikyti) į ţymiai didesnę sritį, kurią galima iš Ţemės stebėti, ir galų gale - į visą Visatą,

kurios visos net ir stebėti neįmanoma bet kokiu prietaisu.

Pagrindinis Visatos tyrimo metodas yra nuolatiniai stebėjimai, sistematiškas ţinių apie Visatą

kaupimas ir jų kondensavimas patikrinamuose dėsniuose ir teorijose. Toks tyrimo metodas sudaro

bet kokių mokslinių tyrimų esmę. Jis atrastas tik prieš keletą šimtų metų, bet jau pats savaime yra

didţiulė vertybė. Šiais laikais, kai Interneto dėka pasaulis yra itin susiaurėjęs, apsikeitimas mokslo

ţiniomis, hipotezių skelbimas ir tikrinimas yra tobulai išvystyti, ir Visatos paţinimas vystosi iki šiol

neįsivaizduotu greičiu.

Ţinomos įvairios kosmologinės teorijos, vystytos įvairiu metu, remiantis tuo ar kitu paţinimo lygiu.

Kaip priimta gamtos moksluose, stebėjimų rezultatai turi būti modeliuojami (kuriamos hipotezės),

tos hipotezės, jei jos gerai aprašo atliktų stebėjimų rezultatus, skelbiamos teorijomis, naujų

stebėjimų rezultatai turi patvirtinti tų teorijų išvadas, ir pačios teorijos turi nuspėti naujus, dar

netyrinėtus, reiškinius. Šie reikalavimai yra gana grieţti, todėl dauguma ankstesnių kosmologinių

teorijų neišliko.

Šiuolaikinė Kosmologija yra paremta Alberto Einšteino reliatyvistine gravitacijos (traukos) teorija,

Edvino Hablo tarpgalaktinės astronomijos pasiekimais ir kvantine mechanika, susiformavusiomis

dvidešimtojo amţiaus antrajame ir trečiajame dešimtmečiuose. Ją galima būtų pavadinti

nestacionariosios karštosios Visatos homogeniniu izotropiniu modeliu. Pastaruoju metu yra

galutinai suvokta, kad Visatos savybės apsprendţia kiekvienos elementariosios dalelės, atomų

branduolių, atomų ir galų gale viso to, iš ko padarytas supantis mus pasaulis, savybes. Jei Visata

būtų kitokia, kitokios būtų ir visos šios sistemos. Jų studijos netiesiogiai padeda suvokti pačią

Visatą ir jos dėsnius. Sudėtingiausias, ko gero, Visatos produktas yra ţmogus ir pati ţmonių

visuomenė, tačiau šiuo atveju ryšys su Visatos savybėmis yra ţymiai menkiau suvoktas.

Kuo primityvesnis ţmogus arba visuomenė, tuo primityvesnę Visatą jis (ji) gali įsivaizduoti.

Studijuojant poţiūrių į Visatą evoliuciją, lengvai pastebimas siekimas suabsoliutinti ţmogaus

vaidmenį šioje struktūroje, tapatinant Visatos centrą su gyvenamu regionu arba bent jau Ţeme.

Senovės graikai manė, kad dievai gyvena Olimpo kalne. Labai sunku buvo atsisakyti plokščios

Ţemės įvaizdţio, o po to ištisus keturiolika šimtmečių - nuostatos, kad Ţemė yra Visatos centras.

Deja, net keturis amţius po Koperniko atradimo, kuris ne Ţemę, o Saulę patalpino Saulės sistemos

centre, ši sistema vis dar buvo laikoma ţvaigţdţių visatos centru, ir tik trečiajame praėjusio amţiaus

dešimtmetyje pagaliau mes suradome tikrąją savo vietą. Pastaraisiais metais, kai aptinkama vis

daugiau ir daugiau ţvaigţdţių, turinčių planetas, didėja tikimybė, kad ir pati gyvybė Ţemėje nėra

koks nors unikalus reiškinys.

Iliustracija 5. Artimiausių ţvaigţdţių, turinčių planetas, ţemėlapis.

5

Ar visiems reikia ţinių apie Visatą? Aišku, sukaupti profesionalias ţinias paklausius kelias

paskaitas neįmanoma, tačiau pasistengus ir dar savarankiškai pasidomėjus galima pradėti visiškai

neblogai ir adekvačiai suvokti aplinką ir išsivaduoti nuo įvairiausių prietarų.

Gyvendami mes nuolatos "maudomės" garsų, kvapų ir šviesos "jūrose". Jei tiek rūšių sodrios

informacijos gautume iš Visatos gelmių, gal ir ne tokia paslaptinga ji atrodytų.

Deja, pagrindinis informacijos apie Visatą nešėjas yra elektromagnetinė spinduliuotė. Jos nešama

informacija yra kiek ribota, ir kai kurios Visatos paslaptys lieka neatskleistos ir neatrodo, kad kas

nors gali pasikeisti artimoje ateityje. Garsai iš įvairių Visatos objektų mūsų pasiekti negali, nes

tarpţvaigţdinėje erdvėje yra labai neblogas vakuumas, o retkarčiais meteoritų arba atsiveţtų

kosminiais aparatais uolienų pavyzdţių pavidale pasiekiantis mus Visatos "kvapas" nesuteikia itin

daug informacijos apie jos sandarą. Kiek daugiau informacijos gaunama registruojant įvairios

prigimties kosminius spindulius (ne elektromagnetinių bangų prigimties), tačiau jų registracijai ir

identifikavimui reikalinga labai sudėtinga aparatūra ir subtilūs tyrimo metodai, o gaunama

informacija nėra itin išsami.

Visata, kuri pati yra mus pagimdţiusi, nuolatos tarsi nori kaţką pasakyti ir stengiasi padėti tą

informaciją suprasti. Stebuklinga pagalba yra jau tai, kad abstrakčiomis matematinėmis formulėmis

ar lygtimis galima aprašyti realius daiktus ir įvykius, juos suprasti ir netgi valdyti. Esminis lūţis

šiame supratime, matyt, buvo padarytas didţiojo Galileo Galilėjaus, kuris pirmasis suvokė, kad

Saulės sistemos planetų paslapčių rakto reikia ieškoti tyrinėjant įvairius reiškinius pačioje Ţemėje.

Būtent nuo šių jo tyrimų ir prasidėjo visiškai naujas Visatos suvokimo etapas. Dangus naktį šiais

laikais labai panašus į matytą prieš daugelį šimtmečių, tačiau ţvelgiantis į jį Ţmogus yra kitas, jis

naudojasi visiškai kitokiais prietaisais, todėl ir šios skurdţios informacijos jau pakanka susidaryti

patenkinamą stebimos Visatos dalies įvaizdį.

Dar iki dvidešimtojo amţiaus pradţios buvo manoma, kad Paukščių Takas yra vienintelė struktūra

astronominėje visatoje, o stebimi ūkai yra jo sudėtinės dalys. Gali būti, kad čia vėl pasireiškė

amţinas ţmonijos noras bent kuo išsiskirti Visatoje, kuriam niekaip nelemta išsipildyti. Kaip

matėme, nei Lietuva, nei Ţemė, nei Saulė niekuo neišsiskiria tarp kitų panašių objektų. Tas pats ir

su mūsų Galaktika. Blankūs neaiškios formos objektai, išbarstyti šen bei ten erdvėje, kai kurie

matomi plika akimi, pasirodė esą ne Paukščių Tako sudedamosios dalys, o esantys labai toli uţ

Galaktikos ribų objektai. Kadangi jų spektrų pobūdţiai yra visai kitokie, nei pavienių ţvaigţdţių, jie

identifikuojami kaip tolimos galaktikos. Pirmasis tai nuodugniai ištyrinėjo Edvinas Hablas. 1924

metais, suradęs Cefeides (taip vadinamos galingos kintamo ryškio ţvaigţdės) artimiausiose

galaktikose – Didţiajame bei Maţajame Magelano debesyse ir Andromedos ūke, nustatęs jų

spindesio kitimo daţnius, taigi tuo pačiu ir absoliučiuosius šviesius bei apskaičiavęs atstumus ir

šiuos ūkus "pavertęs" galaktikomis.

Po šio atradimo Hablas pradėjo labai sistemingas galaktikų paieškas ir studijas. Reikia pastebėti,

kad Hablas, kaip ir savo laiku Galilėjus, turėjo unikalų savo laikmečiui teleskopą, suteikusį jam

pranašumų prieš kitus astronomus. Tai buvo Maunt Vilson observatorijos (JAV) 100 colių

teleskopas.

Pirmiausia Hablas nustatė, kad galaktikos grubiai gali būti suskirstytos į dvi dideles klases -

eliptines ir spiralines galaktikas. Pirmąsias jis paţymėjo raide E ir vienu sveiku skaičiumi, rodančiu

galaktikos ištęstumo laipsnį: E0 reiškia visiškai sferišką, o E7 - suplotą kaip diskas galaktiką.

Spiralinės galaktikos ţymimos raide S. Jos skyla į dvi klases - pirmąją (S) su normaliomis spiralės

pavidalo vijomis, kuri turi dar tris tipus - Sa, Sb ir Sc pagal savo branduolio dydį maţėjimo tvarka,

ir antrąją klasę - su spiralinėmis vijomis, turinčiomis skersę (SB - spiral galaxie with barred spirals)

taip pat su trimis tipais pagal branduolio dydį - SBa, SBb ir SBc. Spiralinė galaktika, turinti tik

branduolį ir diską, bet be vijų, ţymima S0. Manoma, kad Paukščių Takas yra SB tipo galaktika.

Nedidelis kiekis galaktikų netilpo į jokias klases, jos klasifikuojamos kaip nereguliarios I arba II

6

tipo galaktikos, ţymimos IrI arba IrII (Irregulars). Kaip tyčia, dvi artimiausios galaktikos - Didysis

ir Maţasis Magelano Debesys yra būtent nereguliarios, IrI tipo. Ryškiausioji mūsų galaktikų grupei

priklausanti galaktika - Andromedos Ūkas - yra panaši į Paukščių Taką, tai yra S tipo galaktika, tik

kiek didesnė. Atstumai iki šių nelabai tolimų galaktikų (iki milijonų parsekų, 1 Mpc = 1 000 Kpc =

1 000 000 pc; parsekas yra toks atstumo astronomijoje matavimo vienetas, lygus 3.26 šviesmečio, o

šviesmetis – atstumas, kurį per metus vakuume įveikia šviesos spindulys) gali būti matuojami

minėtu Cefeidţių daţnių registravimo metodu.

Iliustracija 6. Galaktikų įvairenybė.

Daug galaktikų, deja, yra ir dar tolesnėse srityse. Jose išskirti Cefeides darosi jau nebeįmanoma,

todėl buvo sugalvoti dar rafinuotesni atstumų matavimo būdai. Pirmasis paremtas tuo, kad pačios

šviesiausios ţvaigţdės - mėlynieji gigantai - yra vienodos visose galaktikose, nes, kaip ir visų

ţvaigţdţių, taip ir jų, švytėjimas paremtas tais pačiais fizikos dėsniais ir procesais, turinčiais

natūralias galingumo ribas. Tokios ţvaigţdės yra dar ryškesnės uţ Cefeides, todėl jas galima išskirti

galaktikose, nutolusiose iki dešimčių Mpc. Kai ir šito nebeuţtenka, tenka griebtis dar egzotiškesnių

objektų - supernovų, tai yra sprogstančių baigus savo gyvenimą labai masyvių ţvaigţdţių, kurių

ryškis gali būti dar didesnis. Deja, tai yra reti įvykiai, ir ne visose galaktikose jie vienu metu vyksta.

Dar vienas tokio tipo būdas itin dideliems atstumams matuoti paremtas idėja, kad galaktikų

spiečiuose ryškiausios galaktikos turėtų būti panašaus galingumo. Suradus tokias, galima bent jau

palyginti atstumus iki atskirų spiečių.

Šiuo metu yra neblogai ištyrinėtos įvairiausių galaktikų, kurių yra išties labai daug, savybės.

Galaktika, kaip matėme, yra vienas iš esminių Visatos struktūros elementų. Pačios galaktikos, kaip

pastebėta, linkę jungtis, kaip ir ţvaigţdės, į grupes, vadinamas spiečiais. Spiečiai savo ruoţtu sudaro

superspiečius, o visa stambioji Visatos struktūra atrodo panaši į muilo putas, tai yra struktūras,

turinčias viduje iki 100 Mpc diametro sferines tuštumas. Susidaro įspūdis, lyg tai tų tuštumų viduje

kadais buvo kaţkas (gal labai masyvi supernova) susprogdinta, ir tų sprogimų liekanos (galaktikos)

išsilakstė į visas puses.

Paukščių Takas priklauso taip vadinamai Vietinei galaktikų grupei, jungiančiai maţdaug 30

galaktikų.

Iliustracija 7. Vietinės galaktikų grupės ţemėlapis.

Tiksliai nustatyti jų skaičių sunku, nes egzistuoja tam tikra stebėjimų iš Ţemės specifika,

pasireiškianti tuo, kad dujų ir dulkių debesys, sukoncentruoti Galaktikos disko aplinkoje,

absorbuoja sklindančią šviesą. Dėl šios prieţasties daugiausia galaktikų stebima kryptimi, statmena

Paukščių Tako disko plokštumai, gi kryptimis, lygiagrečiomis jai, galaktikų pamatyti beveik

neįmanoma. Apie jų buvimą ten galima spręsti tik remiantis analogijomis. Kadangi mūsų Galaktika

niekuo neišsiskiria, tai neturėtų būti kokių nors netikėtumų, nes ji negali ţenkliai įtakoti visos

Visatos savybes. Ryškiausios Vietinės grupės galaktikos yra jau ţinomas Andromedos Ūkas,

Paukščių Takas ir Trikampio galaktika. Atstumas iki Andromedos Ūko įvertintas apie 700 Kpc.

Abu Magelano debesys, matomi iš pietų pusrutulio, todėl pirmiausia pastebėti Magelano

ekspedicijos keliauninkų, yra Paukščių Tako palydovai, esantys 50 ir 65 Kpc atstumuose.

Andromedos ūkas yra tolimiausias objektas, matomas plika akimi.

Svarbiausia išvada, kurią galima padaryti iš Hablo ir vėlesnių galaktikų pasiskirstymo Visatoje

stebėjimų, yra ta, kad bet kokia matomosios Visatos dalis yra tokia pati kaip kitos ir jokios

galaktikų supersistemos, atskirtos nuo likusio pasaulio, neegzistuoja.

Kaip matėme, ta pati sąveika, priklausomai nuo gravituojančios sistemos pobūdţio ar dydţio ir kitų

sąveikų bei įvairių virsmų buvimo gali sukelti įvairiausio pobūdţio judėjimus. Pavyzdţiui, ji

suspaudţia materiją į juodąją skylę, išlaiko neutronus neutroninėje ir atomų branduolius degančioje

ţvaigţdėje, fiksuoja planetas jų orbitose, valdo ţvaigţdţių judėjimus galaktikose bei chaotišką

galaktikų judėjimą galaktikų spiečiuose. Yra tačiau dar vienas, bene maţiausiai lauktas, nei graikų,

7

nei Kanto nenuspėtas ir niekaip iš šventųjų raštų neišprotaujamas galaktikų judėjimo pobūdis,

surastas E.Hablo 1929 metais. Tai - nuolatinis Visatos plėtimasis.

Vystantis spektroskopijai jau seniai buvo pastebėta, kad judančio šaltinio spektras, priklausomai

nuo judėjimo imtuvo atţvilgiu krypties, gali būti pastumtas į raudonąją, jei atstumas didėja, ir

mėlynąją, jei jis maţėja, pusę. Šis reišškinys vainamas Doplerio efektu. Po to, kai Hablas

suklasifikavo galaktikas pagal jų išvaizdą, jis pradėjo matuoti ir tyrinėti jų spektrus. Pasirodė, kad

beveik visų galaktikų spektrai pasistūmę į vieną ar kitą pusę. Daugumos tie postūmiai buvo

raudonieji, tik vienos - kitos galaktikos - mėlynieji. Kaupiantis statistikai pradėjo ryškėti, kad

mėlynieji postūmiai būdingi tik pačioms šviesiausioms, taigi ir artimiausioms, priklausančioms

Artimąjai Grupei, galaktikoms, ir gali būti beveik pilnai paaiškinti Saulė judėjimu apie Paukščių

Tako centrą. Visų kitų galaktikų spektrai turėjo būdingus raudonuosius postūmius, tai yra jos tolo

nuo Ţemės! Ţemė arba bent jau Saulė, ar galų gale Paukščių Takas vėl tapo Visatos centru? Deja,

ne. Pabandykime tai išsiaiškinti.

Patys raudonieji postūmiai dar nieko per daug nereiškė. Jie kai kurioms galaktikoms buvo išmatuoti

dar prieš Hablą. Nauja buvo tai, kad Hablas, įvertinęs pagal cefeidţių ryškius, supernovas arba

ryškiausias ţvaigţdes dar ir atstumus iki atitinkamų galaktikų bei nusibraiţęs grafiką, kurio vienoje

ašyje buvo atidėti šie atstumai, o kitoje - raudonieji postūmiai arba proporcingi jiems galaktikų

judėjimo greičiai, pamatė, kad stebėtos galaktikos “sugulė” beveik ant įstriţai grafiko einančios

tiesės.

Iliustracija 8. Hablo aptiktoji priklausomybė.

Tai reiškė, kad galaktikos tolimo nuo mūsų greitis yra tiesiog proporcingas jos atstumui nuo Ţemės

(Saulės ar gal ir Paukščių Tako, nes atstumai tarp galaktikų tokie dideli, kad šie smulkūs skirtumai

jokios rolės nevaidina):

v = H r ,

kur H yra taip vadinama Hablo konstanta, v - minėtas greitis, o r - atstumas.

Prieš keletą metų tas pats Hablas buvo suradęs, kad galaktikos beveik tolygiai išsidėstę Visatoje.

Kaip suderinti šiuos abu teiginius?

Sugalvota keleta itin vaizdţių analogijų, padedančių išsiaiškinti Visatos plėtimosi, nepaţeidţiančio

išvados apie jos homogeniškumą, ypatybes. Pati patraukliausia atrodo Visatos analogija su mielinės

tešlos, kurioje tolygiai pasiskirstę razinos, augimo procesu. Tarkime, kad iš pradţių visos razinos

išdėstytos tešloje 1 centimetro kubelių viršūnėse, tai yra taip, kad maţiausias atstumas tarp bet

kokių dviejų razinų lygus 1 centimetrui. Įsivaizduokite, kas darosi tešlai po valandos išaugus taip,

kad šie atstumai padvigubėja. Razinos, kurios iš pradţių buvo viena nuo kitos 2 cm atstume, dabar

atsiras 4 cm atstume, gi tos, tarp kurių atstumas buvo lygus 3 cm, atsidurs 6 cm atstume ir taip

toliau. Tai reiškia, kad tokioje tešloje atstumas tarp bet kokių dviejų razinų po valandos

padvigubėja, tai yra jų tarpusavio judėjimo greitis proporcingas atstumui tarp jų! Dar daugiau, tas

pats vaizdas matosi ţiūrint iš bet kurios razinos, visos kitos tolsta nuo pastarosios pagal tą patį

dėsnį.

Iliustracija 9. Tešlos augimo dinamika.

Tešla visą laiką yra homogeninė, tik jos tankis tolydţio maţėja. Įsivaizduokime dabar, kad razinas

sutapatiname su galaktikomis. Gaunasi išvados, neprieštaraujančios jokių stebėjimų rezultatams.

Jokia galaktika negali būti Visatos centras, iš visų jų matosi tas pats vaizdas, - visos kitos tolsta

greičiais, proporcingais atstumams. Tik tokio judėjimo metu Visata visą laiką yra homogeninė ir

surasti jos centro neįmanoma. Daug astronomų po Hablo įvairiausiais teleskopais tyrinėjo vis

tolesnes ir tolesnes galaktikas. Šiuo metu jau ištyrinėta Visatos sritis, kurios tūris šimtus milijonų

kartų didesnis uţ Hablo ištyrinėtos srities tūrį. Surastieji lokaliniai netolygumai kiek paįvairina

8

bendrą įspūdį apie Visatą, tačiau jokio pagrindo tikėtis kokių nors išimčių iš šio dėsnio nerasta -

visų tolimesnių galaktikų judėjimo greičiai proporcingi atstumams tarp jų.

Bėgant laikui dramatiškai keitėsi tik Hablo konstantos vertė. Kad Hablo konstanta būtų išreiškiama

paprastai suvokiamu dydţiu, be dešimčių įvairiausiuose dideliuose laipsniuose, ji matuojama

kilometrų per sekundę vienam megaparsekui vienetais, nors kilometrai, kaip ir parsekai, yra ilgio

vienetai ir parinkus vienodą mastelį (pavyzdţiui, parsekus išreiškus kilometrais) galėtų susiprastinti.

Pats Hablas įvertino, kad ji lygi 540, tuo tarpu šiuo metu dar kiek diskutuojama, ar jos reikšmė

artimesnė 50, ar 100. Tokia didelė Hablo matavimų paklaida paaiškinama ţemu tų laikų tikslumu

nustatant “standartinių ţvakių” (cefeidţių, supernovų arba ryškiausių galaktikų ţvaigţdţių) šviesius

ir kalibruojant atstumus. Kaip matote, dar ir dabar tai yra nemaţa problema, nes tikimos vertės

skiriasi du kartus. Tarkime, Hablo konstanta lygi 75 km per sekundę / Mpc. Tai reiškia, kad

galaktika, esanti nuo Paukščių Tako 10 Mpc atstume, tolsta 750 km per sekundę greičiu, galaktika,

esanti 20 Mpc atstume - 1500 km per sekundę greičiu ir taip toliau.

Hablo konstantos vertė labai svarbi kosmologijai, nes ji duoda supratimą apie Visatos istoriją o gal

net ir jos prigimtį. Jeigu Visata šiuo metu plečiasi, tai reiškia, kad anksčiau galaktikos buvo arčiau

viena kitos, taigi ji buvo maţesnių išmierų. Toliau galimi du scenarijai. Vienas - kad ji pulsuoja apie

kaţkokią pusiausvyros padėtį, ir antras - kad ji plečiasi nuo pat savo gimimo. Jei pastarasis

scenarijus būtų įtikėtinas, tai leidus, kad Visata visą laiką plečiasi vienodu, tuo pačiu kaip dabar,

greičiu, jos gyvavimo laiką galima lengvai išreikšti per Hablo konstantą, nes laikas lygus atstumui,

padalintam iš greičio, tai yra

T = r / v = r / ( H r) = 1 / H .

Tai reiškia, kad atvirkščias Hablo konstantai dydis gali charakterizuoti Visatos plėtimosi laiką.

Būtent tik charakterizuoti, nes jei Visata plėtėsi iš taško (ar taškų), tai pradiniais momentais jos

plėtimosi greitis turėjo būti ţymiai didesnis, o gyvavimo laikas - trumpesnis uţ gaunamą iš šios

formulės.

Mūsų priimtai Hablo konstantos vertei, lygiai 75 km per sekundę / Mpc, Visatos amţius gaunasi

lygus 4.61017

sekundţių arba 15 milijardų metų. Ši vertė ne tik labai artima visai neseniai dar kartą

patikslintam Visatos amţiui, dabar jau lygiam 13.7 milijardo metų, bet ir neprieštarauja ţinomam

Saulės amţiui, lygiam 4.5 milijardo metų, arba seniausiųjų ţvaigţdţių spiečių amţiui, sudarančiam

nuo 12 iki 18 milijardų metų. Didesnės Hablo konstantos vertės nesiderina su šiais duomenimis.

Pavyzdţiui, pradinė vertė, lygi 540, duoda Visatos amţių, maţesnį nei 2 milijardus metų, kuris

akivaizdţiai prieštarauja minėtiems duomenims.

Tiksli Hablo konstantos vertė, jei ji būtų ţinoma, taip pat galėtų būti panaudojama surasti

atstumams iki galaktikų pagal jų raudonuosius postūmius, kuriuos matuoti nėra labai sudėtinga. Tai

būtų vienas iš pačių efektingiausių ir tiksliausių didţiulių atstumų matavimo metodų.

Tai, kad Visata galėjo atsirasti praktiškai iš nieko, tai yra iš taškų, kuriuose susikaupė kaţkokios

energijos fluktuacijos, yra vadinama Didţiojo sprogimo scenarijumi. Neţiūrint viso keistumo, jis

nelabai prieštarauja nei kvantinei mechanikai, nei reliatyvumo teorijai. Dar daugiau - yra surastas

taip vadinamas reliktinis spinduliavimas, kuris patvirtina šią hipotezę. Vėliau šį scenarijų

panagrinėsime kiek nuodugniau, dabar pabandykime susigaudyti reliktiniame spinduliavime. Jeigu

Visata kaţkada uţėmė labai maţą tūrį ir sugebėjo išplisti iki dabartinių išmierų, tai ji pradiniais

momentais turėjo būti labai karšta. Kūno temperatūra, kaip ţinote, reiškia didelę jį sudarančių dalelių

kinetinę energiją. Energija ir temperatūra surištos gana paprasta tiesine priklausomybe:

E = k T,

9

kur k yra taip vadinama Bolcmano konstanta, lygi 1.38 10-16

ergų / laipsniui arba 1/k = 11.6

tūkstančių laipsnių / eV (eV – elektronvoltas yra toks populiarus mikropasaulyje energijos vienetas,

lygus energijai, kurią įgauna elektronas, nuskriejęs elektriniame lauke vieno Volto potencialų

skirtumą), o T ţymi temperatūrą, išmatuotą Kelvino laipsniais.

Iš kitos pusės, jei dalelių kinetinė energija didelė, susidurdamos jos gali viena kitą dar ir suţadinti.

Suţadintos gi dalelės, grįţdamos į normalią būseną, spinduliuoja fotonus. Kuo didesnė dalelių energija,

tuo didesnė ir spinduliuojamų fotonų energija, tuo trumpesnis tuos fotonus atitinkančios bangos ilgis.

Tai reiškia, kad pradinėje Visatos evoliucijos fazėje ji spinduliavo trumpiausias elektromagnetines

bangas, gama-kvantus. Plečiantis ir dėl to vėstant Visatai, spinduliuojamų fotonų bangų ilgiai turi

tolydţio didėti, o energijos - maţėti, tačiau toks spinduliavimas visiškai išnykti negali. Taigi, jis turi

egzistuoti ir dabar, atitikdamas realią Visatos temperatūrą, esančią šiuo metu. Šis spinduliavimas gerai

ištyrinėtas teoriškai, jis turėtų sklisti visiškai vienodai iš visų Visatos taškų, o jo spektras (intensyvumo

priklausomybė nuo fotono bangos ilgio) turėtų turėti visiškai vienareikšmiškai iš teorijos nusakomą

formą. Remdamasis šiais samprotavimais, Georgij Gamov (rusas, gyvenęs ir dirbęs Amerikoje) apie

1940 metus teoriškai nuspėjo šio spinduliavimo buvimą. Deja, tais laikais technikos, leidţiančios jį

uţregistruoti, nebuvo. Tik 1965 metais du Bell Laboratorijos tyrinėtojai, bandydami naują jautrią radio

anteną, visai atsitiktinai atrado ir šį spinduliavimą. Prireikė būtent radijo antenos, kadangi Visata šiuo

metu yra taip atvėsusi, kad šio reliktinio spinduliavimo fotonai iš gama kvantų jau seniai yra virtę

radijo bangų ilgių fotonais. Svarbūs buvo šio spinduliavimo spektro tyrimai, ir jie gana greitai po

atradimo buvo atlikti. Pasirodė, kad spektro pobūdis yra būtent toks, kokio reikia reliktiniam

spinduliavimui. Kiek netikėta buvo Visatos temperatūra, lygi 2.7 K arba minus 2700 C. Paties

Gamovo teorinė prognozė buvo apie 25 K, o kiek vėlesnė kitų autorių - apie 5 K. Šio spinduliavimo

fotonų bangos ilgis yra lygus 1.1 mm. Šis spinduliavimas yra didelė paspirtis Didţiojo Sprogimo

teorijai ir sukelia nemaţai keblumų visiems kitiems alternatyviems Visatos atsiradimo ir evoliucijos

scenarijams.

Kaip ir reikalavo teorija, reliktinis spinduliavimas pasirodė besąs izotropinis, tai yra vienodas visomis

kryptimis. Jeigu Visata būtų nehomogeniška arba nesimetriška, tai turėtų pasireikšti reliktinio

spinduliavimo neizotropiškumu, kurį turėtų būti galima aptikti. Kiek vėliau buvo aptiktas šioks toks

šios spinduliuotės neizotropiškumas, bet jis nėra reikšmingas.

Iliustracija 10. Seniausioji Visatos “nuotrauka”.

Tokie matavimai yra labai sudėtingi ir naudojant antţeminę techniką yra beveik neįmanomi.

Pagrindinė to prieţastis yra labai sudėtingas Ţemės judėjimo pobūdis. Mes gi ne tik skriejame apie

Saulę, bet Saulė pati juda sudėtinga orbita apie Paukščių Tako branduolį, Paukščių Takas savo ruoţtu

kaţkaip tai juda Artimosios Grupės galaktikų atţvilgiu, o pati Grupė dar maţiau nuspėjamu būdu

skrieja superspiečiaus, kuriai ji priklauso, galaktikų atţvilgiu. Labai gali būti, kad juda ir pats

superspiečius.

Reziumuojant galime teigti, kad turime tris neblogus įrodymus, kad Visata gimė būtent Didţiojo

Sprogimo metu. Pirmasis yra Hablo aptiktas plėtimasis, antrasis - Gamovo nuspėtas reliktinis

spinduliavimas ir trečiasis – kad Visata neuţilgo po Didţiojo Sprogimo pagrindinai buvo sudaryta iš

vandenilio (apie 75 procentus) ir helio (apie 25 procentus) branduolių. Kaip tik toks procentas helio

branduolių galėjo susidaryti evoliucionuojant karštai Visatai. Tai patvirtina seniausiųjų ţvaigţdţių

stebjimai. Šį faktą nuspėjo tas pats Gamovas, kuris tyrinėjo branduolines reakcijas ir buvo pirmasis,

sugalvojęs karštos Visatos Didţiojo Sprogimo scenarijų. Gamovas ir vėliau tuo uţsiiminėję kolegos

suprato, ką reikia daryti, norint paţvelgti kuo giliau į Visatos praeitį. Kadangi ir pradinius, ir

dabartinius Visatos evoliucijos etapus apsprendţia elementariųjų dalelių sąveika, o evoliucijos

pradţioje šių dalelių energija buvo labai didelė, tai spręsti apie jų savybes esant tokioms sąlygoms

galima tik jas sudarius ir patyrinėjus, kaip dalelės tose sąlygose elgiasi. Būtent tokioms sąlygoms

sudaryti ir reikalingi dideli dalelių greitintuvai. Daleles, pagreitintas tokiame prietaise iki milijardų

10

elektronvoltų energijų (ţymima kaip GeV) pagal pateiktą energijos ir temperatūros sąryšį atitinka

temperatūra, lygi 1013

laipsnių. Tai dar ne Didţiojo Sprogimo pirmųjų momentų temperatūra, kuri

turėtų sudaryti apie 1027

laipsnių, bet jau ir ne tokia tolima nuo pastarosios. Vėsdama nuo tokių

temperatūrų, Visata įgavo įprastinį, dabar matomą pavidalą; esant 1010

laipsnių temperatūrai, kuri gali

atsirasti praėjus 1 sekundei po Didţiojo Sprogimo, iš kvarkų pradeda susidaryti protonai ir neutronai.

Po trijų minučių nuo minėto momento Visata atvėso iki 109 laipsnių ir iš protonų bei neutronų pradėjo

susidaryti lengviausieji branduoliai. Būtent šiuo metu ir galėjo atsirasti alfa-dalelės, tai yra helio atomo

branduoliai, kurių atsiradimą paaiškinti kitaip kaip Visatos praėjimu per šią "karštąją" fazę, beveik

neįmanoma. Praėjus 300 000 metų temperatūra krito iki 3000 laipsnių Kelvino, o tai reiškė, kad

pradėjo formuotis atomai ir kondensuotis galaktikos. Būtent tuo momentu Visata pasidarė permatoma

tam elektromagnetiniam spinduliavimui, kuris šiuo metu vadinamas reliktiniu, nes buvę laisvi

elektronai, kurie labai sklaidė visus fotonus, praradę energiją tapo surišti atomuose ir pradėjo

absorbuoti tik tam tikrų energijų, būdingų tam atomui, fotonus. Tik nuo šio momento, kai materija

išsilaisvino iš šviesos "tironijos", atsirado galimybė kondensuotis galaktikoms. Minėtas šio laikotarpio

Visatos "nuotraukas", vis senesnes ir senesnes, nuo 1992 metų fotografuoja įvairi speciali aparatūra.

Randamas nedidelis, keletos šimtatūkstantųjų dalių, reliktinio spinduliavimo nehomogeniškumas.

Taigi, Visatoje yra uţregistruotos kiek karštesnės ir kiek šaltesnės sritys. Pastarosios būtent ir rodo,

kuriose vietose tankis pradiniame evoliucijos etape buvo šiek tiek didesnis nei vidutinis. Kaip tik šiose

vietose ir formavosi daugiau pirmųjų galaktikų. Šiuo metu, praėjus po Didţiojo Sprogimo apie 14

milijardų metų, Visatos temperatūra lygi 3 laipsniams Kelvino (minus 270 laipsnių Celsijaus), ir

stebima tai, apie ką kalbėjome. Aukšta temperatūra ţvaigţdėse niekam neprieštarauja, tai yra tik

lokalinės fluktuacijos, nelabai įtakojančios glabalines visos sistemos charakteristikas.

Iliustracija 11. Dabartinis Visatos “portretas”.

Iliustracija 12. Globali Visatos struktūra įvairiuose masteliuose.

Samprotavimai apie tai, kas buvo iki Didţiojo Sprogimo, yra dar tik pradinėse stadijose. Jie labai

spekuliatyvūs ir specifiniai, reikalaujantys gilių profesionalių ţinių ir fantazijos, todėl juos čia

paaiškinti būtų itin sunku. Prie šių scenarijų neapsistosime. Įdomesnė ir kiek paprastesnė yra Visatos

ateities samprata. Nustatyta, kad jei Visatos tankis (kuris tiksliai neţinomas) yra maţesnis uţ tam tikrą

dydį, tai jos laukia nuolatinis plėtimasis, kurio gravitacinė sąveika sustabdyti dėl per maţos masės yra

nepajėgi. Jeigu gi šis tankis pakankamas arba didesnis uţ kritinę vertę, tai Visata tam tikru momentu

turėtų pradėti trauktis iki Didţiojo Sutriuškinimo, po to vėl iš naujo sprogti, plėstis ir taip toliau, tai yra

plakti kaip didţiulė širdis. Matoma Visatos masė yra per maţa, kad reikalai klostytūsi būtent taip,

tačiau gali būti, kad nuo 90 iki 99 procentų jos masės sudaro nematomoji medţiaga. Jei pasirodys, kad

šis procentas yra artimesnis viršutinei ribai, tai toks vystymosi scenarijus bus netgi labai įtikimas.

Klausimai

1. Kiek ţvaigţdţių plika akimi galima apytikriai suskaičiuoti danguje giedrą naktį?

2. Koks Visatos amţius?

3. Ţiūrėdami naktį į giedrą dangų matome vieną iš ....... mūsų galaktikos ţvaigţdţių?

4. Kokie yra pagrindinai mokslinio tyrimo metodo etapai?

5. Kas tai yra šviesmetis?

6. Kas tai yra Cefeidės?

7. Kokios pagrindinės galaktikų klasės?

8. Kokia Hablo formulė, nusakanti Visatos plėtimosi charakterį?

9. Tolimiausias objektas, matomas plika akimi?

10. Dabartinė Visatos temperatūra (Celsijaus skalės laipsniais)?

11. Pagrindiniai teiginiai, kuriais remiasi Didţiojo Sprogimo hipotezė?

11

12. Kokie galimi Visatos evoliucijos scenarijai?

12

2. Visatos paţinimo etapai

Grįţkime trumpam į Ţemę – geriausiai ištyrinėtą Visatos kūną, kad susipaţintume su jos

savybėmis, artimuoju kosmosu ir jo tyrinėjimų istorija.

Taigi, Ţemė yra apvali ir pati sukasi apie savo ašį, nes ţvaigţdės yra per toli, kad galėtų taip greitai

ir visos vienu metu kas parą apie mus apsisukti. Kur nukreipta jos sukimosi ašis, galima susigaudyti

iš minėtos praeitoje paskaitoje nuotraukos. Ji eina per abu Ţemės polius, ir šiaurinis galas visiškai

atsitiktinai šiuo metu "remiasi" danguje į Poliarinę ţvaigţdę. Laikui bėgant tas “rėmimosi” taškas

kinta.

Įvertinkime pirmiausia, kokiu greičiu sukasi Ţemės paviršiaus taškai ir įsitikinkime, kokia

išcentrinė jėga dėl to atsiranda. Greičiausiai Ţemė juda pusiaujuje, todėl suradę tų taškų judėjimo

greitį, galėsime būti tikri, kad radome jo didţiausią vertę, nes poliuose esantys taškai nesisuka, o

tolstant nuo poliaus greitis tolydţio didėja. Pilnas Ţemės apskritimo ilgis pusiaujuje sudaro apie 40

000 kilometrų, ir toks atstumas nuskriejamas per parą, tai yra per 24 valandas. Padalinę gauname,

kad greitis yra kiek didesnis negu 1662 km per valandą. Lietuva yra maţdaug 55 laipsnių

platumoje, todėl šioje vietoje paviršiaus taškų sukimosi greitis kiek maţesnis nei pusiaujuje. Jis

gaunamas pateiktą padauginus iš šio kampo kosinuso. Gaunasi maţdaug 953 kilometrai per

valandą. Šiuolaikiniai laineriai skraido panašiais greičiais, todėl galima įsivaizduoti, kad mūsų

platumoje skrendantis lėktuvas galėtų viename taške pakilti, o kitame nusileisti tuo pačiu vietos

laiku. Išcentrinė jėga, kylanti dėl to sukimosi, lygi greičio kvadratui, padalintam iš Ţemės spindulio.

Pusiaujuje ji gaunasi lygi 3,36 cm/s2, tuo tarpu laisvojo kritimo pagreitis (980 cm/s

2) yra maţdaug

300 kartų didesnis. Dėl šios prieţasties netgi pusiaujuje esantį kūną prie Ţemės traukianti jėga yra

tris šimtus kartų didesnė uţ išcentrinę jėgą, kuri bando tą kūną pakelti nuo Ţemės paviršiaus. Aišku,

kad tas sukimasis yra per lėtas, kad jo sukelta jėga galėtų kaip nors pastebimiau pasireikšti

kasdieniniame gyvenime.

Kadangi Saulė teka iš rytų, nesunku susigaudyti, kad Ţemė sukasi iš vakarų į rytus, arba ţiūrint iš

Šiaurės poliaus - prieš laikrodţio rodyklę. Be judėjimo apie savo ašį Ţemė dar juda orbita apie

Saulę, apsukdama pilną ratą per metus, tai yra per 365.2422 paras. Būtent dėl to, kad šis skaičius

nėra lygus sveikam skaičiui ar kokiai nors jo paprastai daliai, reikalingi keliamieji metai ir kitokios

kalendoriaus modifikacijos. Ţemės orbita yra beveik apskritimas, kurio vidutinis spindulys,

vadinamas astronominiu vienetu, sudaro apie 150 milijonų kilometrų. Šviesa, kurios greitis lygus

300 000 kilometrų per sekundę, iš Saulės į Ţemę atskrieja maţdaug per aštuonias minutes. Šis

atstumas metų bėgyje kinta, kadangi Ţemė, kaip ir kitos planetos, juda ne apskritimu, o elipse (tai ir

teigia pirmasis Keplerio dėsnis), kurios viename ţidinių yra Saulė. Elipsė yra tokia uţdara kreivė,

kurią galite pamatyti ţiūrėdami į pakreiptą apskritimą. Priklausomai nuo pokrypio kampo elipsė

gali būti labai įvairiai ištęsta. Ţiūrint statmenai matosi tiesiog tas apskritimas, gi pasukus jį 90

laipsnių kampu matosi visiškai suplota elipsė – tiesės atkarpa. Dėl šio orbitos eliptiškumo sausio

mėnesį atstumas tarp Ţemės ir Saulės lygus 147, o liepos mėnesį - 152 milijonams kilometrų. Kodėl

vis tik vasarą, kai mes toliau nuo Saulės, yra daug šilčiau negu ţiemą, kai esame prie jos arčiau?

Lemia ne šis vistik palyginus nedidelis atstumo pasikeitimas, o skirtumas kampų, kuriais Saulės

spinduliai pasiekia Ţemės paviršių vasarą ir ţiemą. Kiek sudėtingesnis būtų klausimas, kodėl

šiaurės pusrutulio vidutinė temperatūra yra aukštesnė, nei pietų pusrutulio, nors pietų pusrutulio

vasarą Ţemė yra arčiau Saulės, nei po pusės metų, kai vasara yra šiaurės pusrutulyje. Atsakymas

irgi ţinomas – pagal antrąjį Keplerio dėsnį, kuo toliau planeta yra nuo Saulės, tuo lėčiau ji skrieja

savo orbita. Taigi, šiaurės pusrutulio vasara yra ilgesnė, nei pietų, ir Saulė, nors ir būdama kiek

toliau, spėja labiau įkaitinti Ţemę.

13

Plokštuma, kurioje guli Ţemės orbita, vadinasi Ekliptikos plokštuma. Metų laikai - ţiema,

pavasaris, vasara ir ruduo - keičia vienas kitą tik todėl, kad Ţemės pusiaujo ir Ekliptikos plokštumos

nesutampa, o yra orientuotos viena kitos atţvilgiu 23.5 laipsnių kampu. Kitais ţodţiais tariant,

Ţemės sukimosi ašis yra ne statmena Ekliptikos plokštumai, o sudaro su statmeniu irgi tokį pat

kampą. Šio kampo dydis judant Ţemei orbita nekinta, nes to neleidţia judesio kiekio momento

tvermės dėsnis.

Iliustracija 1. Ţemės padėtis Saulės atţvilgiu įvairiais metų laikais.

Dėl šios prieţasties mūsų naktinė nuotrauka, fiksuojanti ţvaigţdţių judėjimo trajektorijas, yra

praktiškai tokia pati, nepriklausomai nuo to, kada fotografuota – vasarą, ţiemą ar kitu metų laiku.

Minėtas tvermės dėsnis, tačiau, leidţia Ţemės sukimosi ašiai suktis apie statmenį Ekliptikos

plokštumai, bet kadangi kiekvienas toks apsisukimas trunka maţdaug 25 725 metų, šis sukimasis

praktiškai nestebimas.

Iliustracija 2. Sfera, kurią danguje piešia ţemės sukimosi ašis.

Šiuolaikiniais prietaisais jį galima aptikti per keletą naktų, bet stebint neginkluota akimi tam gali

prireikti šimtmečių. Tarp kitko, senovės graikai šį reiškinį yra atradę maţdaug prieš du tūkstančius

metų. Jei įsivaizduotume, kad galime paţvelgti į Saulės sistemą iš išorės, tai ţiūrint iš tos pusės, į

kurią nukreipta Ţemės sukimosi ašis (jos šiaurės polius), pamatytume, kad Ţemė, kaip ir visos kitos

planetos, juda apie Saulę kryptimi prieš laikrodţio rodyklę.

Iliustracija 3. Ţemės ašies judėjimo pobūdis. Pabandykime išsiaiškinti, kas tai yra para. Įsivaizduokite, kad esate pusiaujuje ir tam tikru momentu

Saulė yra jums tiesiai virš galvos. Apsisukus Ţemei 360 laipsnių kampu apie savo ašį, tai yra kitą

dieną maţdaug tuo pat metu, dėl Ţemės judėjimo orbita apie Saulę, ji bus jau kitoje vietoje, ir Saulė

dar nebus tiesiai virš galvos. Tai įvyks tik po keturių minučių. Para, tai yra 24 valandos, pagal

susitarimą lygi ne laikui, per kurį Ţemė apsisuka apie savo ašį, bet laiko intervalui tarp dviejų

artimiausių momentų, kai Saulė būna zenite tame pačiame Ţemės taške. Pilno Ţemės apsisukimo

apie savo ašį laikas lygus 23 valandoms, 56 minutėms ir 4 sekundėms. Tai vadinama ţvaigţdţių

para, priešingai Saulės parai, lygiai 24 valandoms. Aišku, kad 24 valandos yra vidutinė Saulės paros

trukmė, nes Saulės paros ilgis nėra pastovus metų bėgyje dėl to, kad pati Ţemė savo orbita juda ne

visai pastoviu greičiu. Kaip minėta, jis yra kiek maţesnis, kai ji yra toliau nuo Saulės, ir kiek

didesnis priartėjus.

Visi turbūt gerai ţinote, kad dienos ilgis Lietuvoje visus metus kinta didţiausią vertę pasiekdamas

birţelio trečią dešimtadienį (tada ji ilgesnė nei 17 valandų) ir maţiausią vertę – po pusės metų, tai

yra gruodţio gale, kai jos ilgis neviršija 7 valandų. Keliaujant į pietus šis skirtumas vis maţėja, o į

šiaurę – didėja. Poliariniame rate, tai yra siauroje juostoje, kurios taškai vienodai nutolę nuo poliaus

ir visų jų šiaurės platuma lygi 66.5 laipsnio (tai yra 90 laipsnių minus minėtas sukimosi ašies

pokrypio kampas, lygus 23.5 laipsnio), šis dienos ir nakties trukmių skirtumas yra toks, kad vieną

parą metuose (birţelio gale) Saulė čia nenusileidţia, o vieną parą gruodţio gale – nepakyla virš

horizonto. Kuo toliau į šiaurę uţ poliarinio rato, tuo daugiau vasarą tokių labai ilgų dienų,

trunkančių visą parą, ir tuo daugiau ţiemą visą parą trunkančių naktų. Pačiame šiaurės poliuje Saulė

beveik pusę metų nenusileidţia uţ horizonto, o likusią metų dalį virš jo nepakyla.

Pabaigai tikslinga tarti keletą ţodţių apie Ţemę kaip dangaus kūną. Ji panaši į rutulį, kurio

spindulys apytikriai lygus 6367 km (pusiaujyje maţdaug 21 kilometru didesnis negu poliuje), o

masė - 5.974*1024

kg. Vidutinis tankis lygus 5.517 kg/dm3. Paviršiuje jis maţiausias, ir siekia iki 3

kg/dm3, o giliau didėja, pasiekdamas centre apie 13 kg/dm

3 (palyginimui reikia priminti, kad

vandens tankis lygus 1 kg/dm3).

Nuotraukose iš kosmoso Ţemė panaši į deimantą. Ypatinga atmosferos sudėtis ir jos viršutinių

sluoksnių struktūra yra labai palankios atspindėti šviesai, todėl jos albedo (šviesos atspindţio

koeficientas) lygus 0.31. Kadangi Mėnulis neturi atmosferos, jo albedo lygus tik 0.07 ir todėl jis yra

14

daug tamsesnis uţ Ţemę. Deja, Ţemė yra labai trapus dangaus kūnas, jos paviršinis kietas sluoksnis

(pluta) yra tik 5-10 kilometrų storio po vandenynais ir 30-50 kilometrų - po ţemynais. Giliau esanti

maţdaug 2 900 km storio mantija yra ţymiai paslankesnė, gal net ir skysta substancija. Ji pamaţu

pereina į šerdį, kurios spindulys sudaro apie 3 450 km. Vidinėje srityje šerdis yra sudaryta iš didelio

tankio kietos medţiagos, kurioje daug metalo. Dėl esančių Ţemės viduje radioaktyvių elementų

temperatūra einant gilyn į Ţemę greitai kyla, kas kilometras padidėdama maţdaug 25 laipsniais.

Ţemės centre ji yra ne maţesnė kaip 4 000 laipsnių.

Ţemės paviršinis sluoksnis yra sudarytas iš dalių, judančių viena kitos atţvilgiu. Tas judėjimas

sukelia Ţemės drebėjimus ir ugnikalnių išsiverţimus, o susidūrimų metu yra susiformavę kalnynai.

Ţemės paviršių dengia dujų sluoksnis - atmosfera, kurios tankis tolydţio maţėja, todėl storis,

kuriame jis yra pakankamai didelis, sudaro taip pat tik kelias dešimtis kilometrų. Būtent atmosferos

buvimas yra viena būtinų mūsų egzistavimo sąlygų ir to komforto, kuriame gyvename, prieţastis.

Jei jos nebūtų arba ji būtų nepakankamai tanki, sąlygos Ţemėje pastebimai suprastėtų. Pirmiausia,

niekas nesaugotų nuo nuolatinio meteoritų lietaus, antra - ţymiai padidėtų dienos ir nakties

temperatūrų skirtumas ir galėtų būti netgi paţeistas vandens apykaitos ciklas (įsivaizduokite, kas

būtų, jei kiekvieną naktį uţšaltų visi vandens telkiniai, o kiekvieną dieną uţvirtų).

Iliustracija 4. Saulės spindulių kelionė Ţemės atmosferoje. Šiltnamio efektas.

Centrinis sistemos kūnas - Saulė, apie kurią sukasi visos planetos, yra normali, niekuo

neišsiskirianti ţvaigţdė. Stebima daug dešimčių kartų didesnių ir milijonus kartų šviesesnių

ţvaigţdţių. Apie Saulę ir kitas ţvaigţdes ţinoma labai daug, todėl aptarkime tik svarbiausias jos

savybes. Jos diametras lygus 108.97 Ţemės diametrų, o vidutinis tankis sudaro tik 1.409 kg/dm3, tai

yra beveik keturis kartus maţesnis uţ Ţemės tankį. Vis tik Saulės masė 332 830 kartų didesnė uţ

Ţemės masę. Ji sudaro 99.85 procentus visos Saulės sistemos, tai yra Saulės, devynių planetų,

kometų, asteroidų, meteoritų ir tarpplanetinės erdvės, masės. Trumpai tariant Saulė yra sudaryta iš

nedidelės šerdies, kurioje vyksta termobranduolinės reakcijos ir gaminama energija, ir supančio ją

šviečiančių dujų debesies, kurio paviršių mes ir matome. Būtent tas lengvas dujų debesys taip

stipriai ir įtakoja vidutinio Saulės tankio dydį, labai jį sumaţindamas netgi palyginus su Ţemės

tankiu. Temperatūra Saulės centre yra apie 16 milijonų laipsnių, o tankis - apie 160 kg/dm3, gi

paviršiuje siekia tik apie 6 tūkstančius laipsnių. Nustatyta, kad Saulė irgi sukasi apie savo ašį, tačiau

jos apsisukimo periodai yra skirtingi įvairiose vietose - centras apsisuka per 27 Ţemės paras,

pusiaujas - per 25.7, o polių aplinka - per 33 paras. Saulės pusiaujo plokštuma irgi nesutampa su

Ekliptikos plokštuma, bet yra pakrypusi į ją 7.25 laipsnio kampu. Ţiūrint iš Ţemės šiaurės poliaus

pusės, Saulė, kaip ir Ţemė, sukasi kryptimi prieš laikrodţio rodyklę.

Iliustracija 5. Saulės paviršiaus nuotrauka.

Saulė spinduliuoja ne tik elektromagnetinius spindulius, tai yra šviesą, bet ir energingus krūvininkų

(protonų, elektronų ir alfa dalelių) sriautus, sklindančius iš jos paviršiaus dėl viduje vykstančių

intensyvių termobranduolinės sintezės reakcijų. Tai yra vadinamasis Saulės vėjas. Jo greitis prie

Ţemės siekia 300-400 km/s, tačiau Saulės aktyvumo laikotarpiais gali padidėti netgi iki dviejų

kartų. Šis dalelių sriautas ypač sutrikdo įvairių prietaisų kosmose darbą ir gali būti pavojingas

skriejantiems kosmose ţmonėms. Ţemės magnetinis laukas gerai saugo ją nuo Saulės vėjo poveikio,

bet polių srityse jis gali sukelti viršutinių atmosferos sluoksnių švytėjimą, vadinamą pašvaistėmis.

Iliustracija 6. Saulės vėjo poveikis Ţemei.

Antrasis svarbiausias mūsų kaimynas yra Mėnulis. Jo paviršius, kaip ir Ţemės, yra kietas. Matomos

ir plika akimi tamsesnės jo paviršiaus sritys dar nuo Renesanso laikų vadinamos jūromis, nes buvo

manoma, kad jos uţpildytos vandeniu. Ţvilgterėjus kad ir per primityvų teleskopą, lengva pastebėti

Mėnulio paviršiuje apvalias įdubas. Buvo manoma, kad tai yra Mėnulio vulkanų krateriai, tačiau

pasigilinus nustatyta, kad Mėnulis yra visai atvėsęs ir nerodo jokio vulkaninio aktyvumo, ir jie yra

atsiradę susidūrus su įvairiais atsitrenkusiais į paviršių kūnais. Mėnulio diametras, lygus 3476 km,

15

sudaro maţdaug ketvirtį (tiksliau - 0.273) Ţemės diametro, o masė - 0.0123 (apytikriai 1/81) Ţemės

masės. Tankis irgi maţesnis nei Ţemės ir lygus 3.34 kg/dm3. Kadangi Mėnulis neturi atmosferos, jo

paviršiaus temperatūra dieną lygi maţdaug plius 130 laipsnių karščio, o naktimis nukrenta iki minus

170 laipsnių. Mėnulis apie savo ašį apsisuka per 27.32 Ţemės paros (tai yra Mėnulio para) ir jo

apsisukimo apie savo ašį laikas irgi tiksliai lygus 27.32 Ţemės paros (tai reiškia, kad Mėnulio metai

sutampa su jo diena), todėl į Ţemę nuolatos būna atkreipta ta pati jo pusė. Tikrąją šio reiškinio

prieţastį greitai išsiaiškinsime - Mėnulis nėra simetriškas, o kiek panašus į kriaušę, ir dėl traukos

Ţemės link visada pasisuka savo masyvesniąja puse. Vidutinis Mėnulio orbitos spindulys lygus 384

401 km (arba maţdaug 60.4 Ţemės spindulio; tokį atstumą nuo pagaminimo iki rimto remonto

nuvaţiuoja miesto autobusas); jis vėlgi nėra pastovus, o kinta nuo maţiausios vertės, lygios 363 297

km iki didţiausios, lygios 405 505 km. Mėnulio orbitos plokštuma vėlgi yra orientuota originaliai ir

nesutampa nė su viena išvardintų. Ji yra pakreipta 5 laipsnių kampu į Ekliptikos plokštumą. Dėl šios

prieţasties palyginti retai pasitaiko Mėnulio ir dar rečiau - Saulės uţtemimai. Uţtemimai gali įvykti

tiktai tada, kai Saulė, Ţemė ir Mėnulis išsirikiuoja beveik vienoje tiesėje ir Mėnulis patenka į Ţemės

šešėlį (Mėnulio uţtemimas) arba Mėnulio šešėlis krenta į Ţemę (Saulės uţtemimas). Deja, netgi

tokiu atveju pilnieji uţtemimai ne visada įvyksta, nes tuomet, kai Mėnulis būna maksimaliai nutolęs

nuo Ţemės, jo šešėlio intensyvioji dalis (umbra) Ţemės nepasiekia.

Mėnulio judėjimo orbitoje kryptis vėlgi yra tokia pati, kaip Saulės ir Ţemės, tai yra stebint iš Ţemės

šiaurės poliaus - prieš laikrodţio rodyklę. Mėnulis ne tik juda orbita apie Ţemę, bet tuo pat metu

kartu su Ţeme skrieja apie Saulę. Dėl šios prieţasties Mėnuliui apskriejus Ţemę, tai yra kai po 27

parų, 7 valandų ir 43 minučių jis atsiduria toje pačioje vietoje ţvaigţdţių atţvilgiu (tai ir vadinama

ţvaigţdiniu periodu), Saulės atţvilgiu jis dar nebūna orientuotas taip pat kaip pradiniu momentu.

Tai įvyksta tik po dviejų parų. Šis didesnysis periodas, lygus 29 paroms, 12 valandų ir 44 minutėms

būtent ir yra vadinamas Mėnulio mėnesiu. Tokiu daţniu kartojasi Mėnulio fazės - pilnatis (kai jis

yra priešingoje pusėje negu Saulė), delčia, jaunas (kai jis atsiduria toje pačioje pusėje kaip Saulė) ir

priešpilnis.

Iliustracija 7. Ţemės ir Mėnulio tarpusavio judėjimas.

Kaip ţinote, Mėnulis sukelia Ţemėje reguliariai besikartojančius potvynius ir atoslūgius. Kitas

galimos Mėnulio įtakos gyvenimui Ţemėje pasireiškimas yra susijęs su įvairiais prietarais apie jo

fazių reikšmę. Tai, kad Mėnulio fazės negali turėti įtakos kokiai nors tešlai, autobusų kursavimo

tvarkaraščiui arba sesijos rezultatams, matyt tikite kiekvienas, tačiau yra ir kitokių, ne taip

akivaizdţiai kvailų prognozių. Pavyzdţiui, laikraščiuose kiekvieną pavasarį spausdinamas

agronomų sudarytas sėjos kalendorius, kuriame rekomenduojama sėjant ar sodinant atsiţvelgti į

Mėnulio fazes. Pabandykime išsiaiškinti, ar tai gali turėti kokią nors įtaką augalams, ar tokios

rekomendacijos analogiškos astrologų panašystėms.

Pradėkime nuo potvynių, nes jie ir yra raktas minėtiems atsakymams rasti.

Ţemė 1

Saulė 8.6*10-4

Mėnulis 3.4*10-6

Venera 1.9*10-8

Jupiteris 3.3*10-8

Artimiausia ţvaigţdė 1.4*10-14

Paukščių Takas 2.1*10-11

Artimoji galaktikų grupė 10-15

Lentelė. Santykiai jėgų, kuriomis stovintį ant Ţemės ţmogų veikia įvairūs dangaus kūnai.

16

Kaip matome iš Lentelės, Saulė veikia ant Ţemės esantį kūną beveik 250 kartų didesne jėga, negu

Mėnulis. Lygiai kaip ir Mėnulis, ţiūrint iš Ţemės, ji kiekvieną parą apsisuka aplink Ţemę, tačiau

niekas nesako, kad ji gali sukelti tokius potvynius, kaip Mėnulis.

Problemos sprendimo raktas yra tas, kad visuotinės traukos dėsnyje sąveika tarp dviejų masių

proporcinga toms masėms ir atvirkščiai proporcinga atstumo tarp jų centrų kvadratui. Kas yra tas

masių centras, naudojamas šioje formulėje, pasakyti, jei gerai pagalvosime, ne taip jau ir paprasta.

Įsivaizduokite šalia viena kitos padėtas dvi liniuotes, kurias galime bet kaip sukioti apie jų masių

centrus. Rekomenduota mokykloje formulė duoda vienodą rezultatą bet kaip pasuktoms liniuotėms,

gi patys lengvai suvokiame, kad yra visai ne taip. Norint gauti teisingą atsakymą, reikia susumuoti

sąveikos jėgas tarp visų vienos ir kitos liniuotės molekulių. Tik tuo atveju, jei vietoje liniuočių

turėtume du taisyklingus rutulius, suintegravę (susumavę visų molekulių sąveikos jėgas) gautume

tokį pat rezultatą, kaip imdami atstumą tarp jų masių centrų ir leisdami, kad kiekvienos sferos masė

sukoncentruota šiame viename taške. Būtent tai ir įrodė Niutonas, ilgus metus integruodamas

minėtą integralą. Bendru atveju sąveikoja kiekviena Ţemės molekulė su kiekviena Mėnulio

molekule. Paţvelkime dabar atidţiau į Ţemę. Tos jos paviršiaus dalys, kurios yra atkreiptos į

Mėnulį, yra traukiamos ţymiai stipriau negu esančios, ţiūrint iš Mėnulio, Ţemės kraštuose arba

priešingoje jos pusėje. Tai ir sąlygoja vandens tekėjimą iš pakraščių į tą pusę, kuri atkreipta į

Mėnulį. Visiškai tiksliai šnekant, dėl santykinio Ţemės ir Mėnulio judėjimo potvyniai kasdien dar

apie 50 min vėluoja, todėl toje pačioje vietoje vyksta įvairiu paros metu. Eţere arba nedidelėje

jūroje, tokioje kaip Baltijos jūra, didelių potvynių nebūna todėl kad jėgų, kuriomis Mėnulis veikia

vieną arba kitą jo (jos) pakraštį, skirtumas yra labai maţas. Saulė tokių didelių potvynių nesukelia

dėl tos pačios prieţasties - ji yra labai toli nuo Ţemės, palyginus su Mėnuliu, ir todėl jėgų,

veikiančių dienos ir nakties puses, skirtumas yra maţdaug du kartus maţesnis. Reikia paţymėti, kad

minėtos potvynio jėgos sukelia ne tik vandens masių, kas lengviausiai pastebima, bet ir atmosferos,

o taip pat ir Ţemės paviršiaus deformacijas, kurios siekia iki pusės metro.

Dabar įsivaizduokime, kokius potvynius Mėnulyje, kol jo paviršius netapo visai sukietėjęs,

sukeldavo Ţemė. Ilgainiui jam kietėjant pasidarė palankiau ne leisti potvynio bangai sklisti

paviršiumi, o uţfiksuoti tą deformaciją ir nuolatos pasisukti ta “potvynio” bangos ketera į Ţemę, ką

ir stebime šiuo metu.

Visų trijų kūnų - Saulės, Ţemės ir Mėnulio - sąveika gali sukelti papildomus efektus,

sustiprinančius šiuos potvynius, kai jie išsidėstę vienoje tiesėje, tai yra kai Mėnulis yra pilnaties

arba jaunaties fazėje, ir silpninančius juos Mėnuliui esant delčios ir priešpilnio fazėse. Toks

poveikis gali palengvinti daigų prasikalimą, todėl sėjos kalendoriai su astrologija ryšio neturi ir yra

rimtesni, gal net verti pasitikėjimo dokumentai.

Beveik visos šių trijų kūnų ir jų orbitų savybės daugiau ar maţiau tiksliai yra ţinomos jau labai

seniai, daugiau nei du tūkstančius metų. Pradėkime nuo Ţemės. Gerai visiems ţinoma, kaip ji

atrodo ir kokio dydţio yra, tačiau vargu ar kiekvienas jūsų ţino, kaip ir kada buvo įrodyta, kad ji

apvali ir kam lygus jos spindulys.

Dar 340 BC Aristotelis savo knygoje "Apie dangų" pateikė svarių argumentų, kad Ţemė yra ne

plokščia kaip lėkštė, o apvali kaip rutulys. Pirmiausia, jis susigaudė, kad Mėnulio uţtemimai

įvyksta tada, kai Ţemė atsiduria tarp Mėnulio ir Saulės ir jos šešėlis uţkloja Mėnulį. Stebint šiuos

uţtemimus, šešėlio kraštas, slenkantis Mėnulio paviršiumi, visada būdavo apvalus. Jei Ţemė būtų

paplokščia, šešėlis daţniausiai turėtų atrodyti kaip ištęstas elipsis. Antra, stebint nuo kranto

atplaukiantį laivą, iš pradţių pasirodo jo burės, po to stiebai, ir tik po to pats laivas. Galų gale,

graikai daug plaukiojo jūromis ir buvo pastebėję, kad Poliarinė ţvaigţdė, plaukiant tolyn į pietus,

leidţiasi ţemyn, tai yra artėja prie horizonto. Kaip nesunkiai galime suprasti, šis reiškinys irgi

byloja apie Ţemės sferiškumą.

17

Pagal kampo, kuriuo matoma Poliarinė ţvaigţdė, pasikeitimą Aristotelis įvertino Ţemės spindulį.

Rezultatas tik apie 60 procentų viršijo tikslų, ţinomą šiuo metu. Tiksliau (10-20 procentų tikslumu)

Ţemės spindulį paskaičiavo Eratostenas (276-195 BC).

Iliustracija 8. Eratosteno samprotavimų schema.

Senoje (Egipto mieste, kuris šiuo metu yra apsemtas vandens pastačius Asuano uţtvanką) jis

pastebėjo, kad keletą dienų metuose Saulės spinduliai pilnai apšviečia vieno gilaus šulinio dugną.

Atsitiktinai būdamas kitais metais Aleksandrijoje, uoste prie Vidurţemio jūros, jis pastebėjo, kad

ten buvęs aukštas stulpas tuo pačiu metu turi pakankamai pastebimą šešėlį. Jei Ţemė būtų plokščia,

jo būti neturėtų. Pagal ţinomą stulpo aukštį ir jo šešėlio ilgį (kampas nuo stulpo viršaus į šešėlio

pakraštį buvo maţdaug lygus 7.2 laipsnio, tai yra maţdaug 1/50 nuo 360 laipsnių) galima nesunkiai

suskaičiuoti Ţemės spindulį, nes Saulė yra pakankamai toli, tad jos spinduliai yra praktiškai

lygiagretūs abiejuose miestuose, nutolusiuose vienas nuo kito apie 800 kilometrų atstumu. Taigi,

apvaţiuoti apie Ţemę yra 50 kartų toliau, negu nuvykti iš Senos į Aleksandriją. Nesunkiai gaunasi,

kad 50 x 800 km=40 000 km. Ţinant Ţemės apskritimo ilgį padalinę jį iš 2π gauname jos spindulį.

Eratosteno laikais nebuvo nei metrų, nei kilometrų, nei kokių kitokių ilgio vienetų, taigi Ţemės

spindulys būtent ir galėjo būti išreikštas tik per atstumą tarp tų miestų. 2005-aisiais metais,

švenčiant Pasaulio Fizikos metus, šis matavimas buvo pripaţintas vienų iš dešimties pačių

graţiausių visų laikų fizikos eksperimentų.

Arčiausiai Ţemės skrieja Mėnulis, taigi pirmiausia buvo bandoma išsiaiškinti, kokio dydţio ir kaip

toli jis yra nuo Ţemės. Pasirodo, ir šiuos parametrus galima išmatuoti bei suskaičiuoti nesinaudojant

beveik jokia aparatūra. Ţinodami Ţemės paviršiaus taškų judėjimo greitį, galime nesunkiai nustatyti

Mėnulio judėjimo orbitoje greitį, nes virš galvos visada yra nejudančios ţvaigţdės, šviesa iš kurių į

Ţemę dėl didelio nuotolio krenta lygiagretėmis tiesėmis. Stebėjimai rodo, kad Mėnulio šešėlis

pusiaujuje Ţemės paviršumi juda v=2020 km/h greičiu.

Ţinant Mėnulio judėjimo savo orbitoje greitį labai nesunku surasti, kad per savo metus (T = 27.3

paros) jis nuskrieja atstumą, lygų 2r, kur r ţymi atstumą nuo Ţemės iki Mėnulio, o jo greitis

orbitoje, kurį ką tik suradome, lygus to atstumo ir T santykiui. Iš šio sąryšio galime surasti atstumą

iki Mėnulio; jis lygus

r = v T / 2.

Mėnulio diametrą dabar jau galime surasti visai paprastai. Pirmiausia, galima uţfiksuoti du laiko

momentus - pirmąjį, kai Mėnulio kraštas pradeda dengti konkrečią ţvaigţdę, ir antrąjį, kai ta

ţvaigţdė vėl tampa matoma. Per išmatuotą laiką Mėnulis nuskrenda atstumą, lygų savo diametrui,

taigi ţinodami jo ir Ţemės paviršiaus taškų greičio skirtumą tą diametrą galime nesunkiai surasti.

Kitas būdas rasti Mėnulio diametrą gali būti pagrįstas kampo, kuriuo jis matomas, radimu, ir

paprasta trigonometrijos formule. Galų gale, jei ir tai per sudėtinga, galima popieriaus lape

pasidaryti apvalią skylutę ir pilnaties naktį išėjus į lauką pabandyti ištiesti ranką tiek, kad per tą

skylutę būtų matomas Mėnulis. Tada dėl trikampių panašumo Mėnulio diametras bus tiek kartų

maţesnis uţ atstumą iki jo (maţdaug 110 kartų), kiek kartų skylutės diametras yra maţesnis uţ jos

atstumą nuo akies. Turbūt jau supratote, kad nereikėtų daryti tos skylutės per didelės (didesnio nei 5

mm diametro), nes atlikti eksperimentui gali neuţtekti rankos ilgio.

Atstumą nuo Saulės iki Ţemės galime surasti pamatavę kampą, kuriuo iš Ţemės matosi Mėnulis tuo

momentu, kai Saulė apšviečia lygiai pusę jo, tai yra kai Mėnulio šešėlio kraštas lygus jo diametrui.

Šis kampas pasirodo lygus 89o 51' . Stačiajame trikampyje, kurio vienas smailusis kampas yra

ţinomas, nesunku pagal vieną ţinomą statinį (atstumą nuo Ţemės iki Mėnulio) surasti kitą statinį,

kuris būtent ir lygus atstumui nuo Ţemės iki Saulės.

Iliustracija 9. Atstumo tarp Ţemės ir Saulės matavimas.

18

Saulės diametrą galima nesunkiai surasti ţinant Mėnulio diametrą ir abu atstumus (nuo Ţemės iki

Mėnulio ir nuo Ţemės iki Saulės) bei pasinaudojant tuo faktu, kad Saulės uţtemimo metu Mėnulis

pilnai ją uţdengia, kas reiškia, kad jie abu matomi beveik tuo pačiu kampu.

Atstumų iki planetų matavimas jau yra sudėtingesnis, tačiau pirmasis tikslus matavimas, paremtas

labai sena ir graţia Thales (VI amţ. BC) idėja, tikrai vertas čia paminėti. Idėjos esmę sudaro taip

vadinamas trianguliacijos metodas. Tarkime, jūs norite išmatuoti upės plotį nepersikeldamas per ją.

Iliustracija 10. Upės pločio matavimas. Tam uţtenka susirasti kokį nors orientyrą kitoje pusėje, ir po to eiti išilgai upės tol, kol krypties į

orientyrą kitoje upės pusėje kampas netaps lygus 45 laipsniams. Toliau netgi nereikalinga

trigonometrija, nes upės plotis tokiu atveju tiesiog lygus nueitam atstumui, vadinamam baze.

Lengva šį metodą ir patobulinti. Jei upė labai plati, galima toli ir nevaikščioti, pasinaudoti maţesne

baze, bet tiksliau išmatuoti kampą į orientyrą. Kadangi trikampis vėl status, upės plotį galima rasti

arba iš panašių trikampių, arba pasinaudojus trigonometrija. Turbūt supratote, kad nuo bazės dydţio

labai priklauso tokių matavimų tikslumas. Gautas rezultatas bus tuo tikslesnis, kuo didesnė

pasirinkta bazė, kuri, kaip minėta, turi būti palyginama su upės pločiu. Čia ir yra pagrindinė

problema matuojant atstumus iki planetų, nes jie sudaro dešimtis ar šimtus milijonų kilometrų, o

Ţemės diametras, tai yra mūsų bazė - tik 13 tūkstančių kilometrų. Kaip ten bebūtų, jau Aristarchas

daugiau ar maţiau tiksliai ţinojo atstumus iki penkių pagrindinių planetų.

Taigi, elementarūs matavimai Saulės sistemoje nėra tokie jau sudėtingi ir buvo atliekami prieš

daugelį metų, nesinaudojant beveik jokia technika.

Iki šiol kalbėjome tik apie astronomijos ţinias, kurios be abejo yra įdomios patiems astronomams ir

padeda giliau paţinti gamtą ir suprasti vykstančius aplinkui reiškinius.

Deja, vien tik tuo astronomijos reikšmė toli graţu niekada neapsiribojo. Šis ţinojimas visada

atnešdavo apčiuopiamą ir praktiniame gyvenime naudą. Pirmoji, nuo senų senovės iš astronomijos

ţinių gaunama nauda yra galimybė orientuotis keliaujant ar plaukiant laivu. Poliarinė (Šiaurinė)

ţvaigţdė visada rodo kryptį į šiaurę, o jos aukštis virš horizonto – nutolimą nuo poliaus (stebėtojui

esant poliuje ji yra zenite) ar pusiaujo (artėjant prie pusiaujo ji “nusileidţia” ir pasislepia uţ

horizonto). Pagal Saulės ir Mėnulio padėtis kokiu nors laiko momentu savo koordinates galima

nustatyti dar tiksliau, ţinoma, jei yra gerai suprastas visų šių kūnų ir Ţemės tarpusavio judėjimo

pobūdis.

Antroji aktuali praktinio astronomijos ţinių pritaikymo sritis yra galimybė orientuotis ne tik

erdvėje, bet ir laike. Tai yra kalendorius. Lotyniškai šis ţodis reiškia skolų knygą, kurioje

kalendomis buvo vadinami procentų mokėjimo terminai. Dar ir dabar įvairios tautos naudoja

įvairius kalendorius, uţsilikusius dėl įvairių prietarų ir tradicijų. Ţydų ortodoksai, suskaičiavę pagal

Senąjį testamentą, kada dievas sukūrė Ţemę (“tikslus” rezultatas mūsų kalendoriuje yra minus

3761 metai), nuo to momento būtent ir skaičiuoja metus. Ţymiai modernesnė buvo, o ir šiuo metu

yra, taip vadinama Saulės metų samprata, atsiradusi maţdaug prieš keturis tūkstančius metų Egipte.

Ji paremta tuo, kad metai turi 365 dienas. Paprastumo dėlei jie buvo dalijami į 12 mėnesių,

kiekvienas kurių turėjo po 30 dienų, o penkios likę dienos metų gale būdavo išeiginės. Kodėl metai

būdavo dalinami į dvylika mėnesių? Yra keleta to skaičiaus aiškinimo variantų, bet pats

panašiausias yra tas, kad tai vis tik susiję su Mėnulio fazių kaita, labai lengvai matoma iš Ţemės.

Tikriausiai, ne to suskirstymo prieţastis, o tik pasekmė yra ir dvylika Zodiako ţvaigţdynų.

Taigi, kuo blogas buvo Egiptiečių kalendorius, kad ilgainiui jį prireikė pakeisti? Visų kalendorių

atsiradimo prieţastis, jų pranašumus ir trūkumus lengviausiai galime suvokti išsiaiškinę vieno

skaičiaus, lygaus 365.2422, prasmę. Šis skaičius rodo, kiek parų, kiekviena po 24 valandas, reikia

Saulei praeiti per du artimiausiuosius pavasario lygiadienio taškus, tai yra, kiek parų trunka Ţemės

pilna kelionė apie Saulę, vadinama metais.

19

Dabar jau nesunku išsiaiškinti, kuo blogas Egiptiečių kalendorius. Skaičiuojant metus taip, kaip jie,

kasmet lieka neįskaityta 0.2422 paros, tai yra 5 valandos, 48 minutės ir 46 sekundės. Per keturis

metus susikaupia beveik para, o tiksliau sakant – 23 valandos, 15 minučių ir 4 sekundės. Jei nieko

nekoreguoti, ilgainiui Naujųjų metų diena iš ţiemos gali persikelti į vasarą ir taip toliau klajoti.

Matyt, tai kaţkiek trikdė, ir ilgainiui pribrendo reikalas ką nors daryti. Alternatyvos korekcijai buvo

bent jau dvi – pirmiausia, jie kas ketveri metai galėdavo pridėti dar po vieną išeiginę dieną, tai yra

vietoje penkių turėti šešias atostogų dienas metų gale, ir ta problema būtų buvusi beveik išspręsta.

Antroji alternatyva, kurią Julijaus Cezario palieptas realizavo astronomas Sozigenas, buvo ta, kuri

galioja ir dabar, kai kas ketveri metai prie vasario mėnesio pridedama viena diena, ir jie tampa

keliamaisiais. Sozigenas Cezario pavedimą atliko itin kruopščiai. Pirmiausia jis metus suskaičiavo

nuo Romos įkūrimo, tai yra nuo minus 753-ųjų metų. Kadangi reforma buvo įvesta minus 46-aisiais

metais, pasirodė, kad senoviškai skaičiuojant metus “praţiopsota” beveik 90 dienų, kurios ir buvo

pridėtos prie reformos metų. Taigi, minus 46-ieji metai turėjo 445 dienas, bet pagaliau viskas

susitvarkė. Krikščionių baţnyčia priėmė šį kalendorių 325 metais.

Ar tikrai viskas?

Ne, nes taip skaičiuojant kiekvieni metai tampa lygūs 365.25 paros, tai yra kiek daugiau negu

reikia. Kasmet šis paskubėjimas sudaro 11 minučių ir 14 sekundţių, tai yra per tuos ketverius metus

susikaupia ne tiek jau maţai - 44 minutės ir 56 sekundės. Per keturis šimtus metų tai sudaro

maţdaug tris dienas. Tiek tie keturi šimtai metų turi sutrumpėti. Sprendimą surado vėlgi astronomai,

bet kadangi tai buvo popieţiaus Grigaliaus XIII valdymo metais, visi reformos nuopelnai, kaip

įprasta, buvo priskirti jam. Ta reforma, vadinamasis Grigaliaus kalendorius, buvo priimta 1582

metais. Jos esmė ta, kad keliamaisiais iš visų metų, kurių numeris baigiasi dviem nuliais, buvo

palikti tik tie, kurių numeris dalijasi be liekanos iš 400. Tai reiškė, pavyzdţiui, kad 1700-ieji, 1800-

ieji ir 1900-ieji metai nebuvo keliamieji, o 2000-ieji jau buvo tokie. Čia vėl neapsieita be korekcijų,

kadangi nuo 325-ųjų iki 1582-ųjų metų susikaupė dešimties dienų paklaida, kurią buvo nutarta

kompensuoti. Reformos įvedimo metais po spalio penktosios dienos ėjo spalio penkioliktoji.

Lietuvoje Grigaliaus kalendorius priimtas nuo 1586, o Rusijoje – tik nuo 1918 metų, todėl

susikaupęs skirtumas dabar sudaro trylika parų. Iki tos reformos Kauno senamiestyje ir dabar

esantis Vytauto tiltas per Nemuną buvo pats “ilgiausias” pasaulyje, nes jį pervaţiavus reikėdavo

prie datos pridėti arba iš jos atimti beveik dvi savaites. Tai atsispindi dar ir dabartinėse rusiškose

tradicijose švęsti Kalėdas dviem savaitėmis vėliau, nei pas mus. Tradicija pernešama ir į Naujuosius

metus, taigi kai kurie rusai turi progą sausio tryliktąją sutikti dar ir taip vadinamus “senuosius

naujuosius metus”.

Po Grigaliaus reformos metai tapo lygūs 365.2425 paros. Tai vis dar ne reikiamas anksčiau

paminėtas tikslus skaičius, bet vienos dienos paklaida dabar jau susikaupia tik po 3280 metų, ir jinai

palyginama su paklaida, kuri gaunasi dėl Ţemės judėjimo sudėtingumo. Jei reikia, susikaupusi

nuokrypa kompensuojama Naujųjų metų naktį viena sekunde koreguojant paskutiniosios metų

paros ilgį.

Susipaţinus su Ţeme ir artimiausių jos kaimynų – Saulės ir Mėnulio - įtaka jos judėjimui ir

savybėms atėjo laikas patyrinėti dar kiek tolimesnių Saulės sistemos kūnų ypatybes. Taigi,

pradėkime nuo to, kad kadaise Visatos centre būdavo talpinama Ţemė, aplink kurią sferomis judėjo

Saulė, Mėnulis ir penkios plika akimi matomos planetos (Merkurijus, Venera, Marsas, Jupiteris ir

Saturnas). Toliau buvo tvirtas sferinis dangaus skliautas, skiriantis Ţemę nuo dangaus, kuriame

buvo išbarstytos nejudančios ţvaigţdės. Visas skliautas, aišku, sukosi apie Ţemę pastoviu greičiu.

Šis Visatos suvokimas sudarė teologinės kosmologijos, gyvavusios iki XV amţiaus, pagrindą.

Pabandykime suvokti, koks naivus yra toks vaizdas. Kaip gerai ţinoma, didţiausias materialių kūnų

judėjimo greitis negali viršyti šviesos greičio vakuume, lygaus apytikriai 300 000 km per sekundę.

Tai yra didţiausias galimas ir šios kietos sferos dalių judėjimo greitis. Sfera gi per parą turi

20

"apsisukti" aplink Ţemę, todėl maksimalus jos atstumas nuo Ţemės turi būti baigtinis. Nesunku

suskaičiuoti, kad jis gali būti ne didesnis uţ keturis milijardus kilometrų. Paskutinės ţinomos

planetos - Neptuno - orbitos spindulys lygus maţdaug keturiems su puse milijardų kilometrų, taigi

ši sfera turėtų būti ne toliau kaip Saulės sistemos viduje.

Iliustracija 11. Ţvaigţdţių judėjimas stebint iš Ţemės.

Planetų (graikiškai aster planetes reiškia klajojančias ţvaigţdes) judėjimas beveik nekintančių, tik

kas parą “apsisukančių” apie Ţemę ţvaigţdţių fone visada atrodė labai sudėtingai.

Iliustracija 12. Realios planetų judėjimo trajektorijos ir kaip tos pačios trajektorijos atrodo

ţiūrint iš Ţemės. Jos judėjo pirmyn – atgal, taigi piešė danguje visokiausius zigzagus. Kiek ţinoma, pirmas bandęs

jame susigaudyti buvo Pitagoras (580-500 BC), kuris šį judėjimą netgi tapatino su muzikine

harmonija. Analogija buvo paremta tuo, kad garso daţnis priklauso nuo stygos ilgio panašiai kaip

planetos apsisukimo periodas - nuo jos atstumo nuo Saulės. Konkretesnis buvo Platonas (427-347

BC), priskyręs kiekvienai planetai permatomą bet kietą sferą, kuri judėjo (sukosi) nešdama "savo"

planetą. Platono mokinys Aristotelis (384-322 BC) šį mokslą patobulino, padidindamas sferų

skaičių iki 55. Visiško tobulumo sferų moksle pasiekė Ptolomėjus.

Jo darbe, paskelbtame apie 150 metus, operuojama su 40 orbitų, leidusių aprašyti pagrindinių

planetų judėjimą dideliu tikslumu, nepagerintu 14 amţių (iki Ticho Brage ir Johano Keplerio darbų

pasirodymo). Viduramţių arabai šį darbą vadino Almagest, kas reiškė didţiausią tobulybę.

Iliustracija 13. Ptolomėjaus sferos.

Esminę Ptolomėjaus sistemos transformaciją atliko Kopernikas (1473-1543), pernešdamas Visatos

centrą iš Ţemės į Saulę. Jo darbas vadinosi "Apie dangaus sferų judėjimą".

Iliustracija 14. Koperniko sferos.

Paskelbus darbą tapo aišku, kodėl stebint iš Ţemės planetų orbitos atrodo taip keistai, tačiau jame

nebuvo beveik jokių naujovių dėl ţvaigţdţių sferos, vietoje 40 Ptolomėjaus sferų teko įvesti 48, bet

planetų judėjimo aprašymas netapo daug tikslesnis, ir esminis argumentas, kodėl Visatos centre yra

Saulė, buvo tas, kad ji yra pagrindinė, nes viską apšviečia, bet pati idėja pasirodė labai teisinga ir

neįkainojama.

Visos minėtos teorijos, kaip matome, net nekėlė klausimo, kodėl šios sferos juda. Platonas netgi

teigė, kad judančios be prieţasčių ţvaigţdės turi sielas. Maţiausiai du tūkstančius metų

nesuvokiama protu jėga, judinanti planetas ir ţvaigţdes, turėjo būti dieviškos arba bent jau

neţemiškos prigimties, ir šis faktas itin skatino visokių mitų ir pasakų populiarumą.

Klasikinis tiesos paieškų pavyzdys yra Niutono visuotinės traukos teorija, galų gale paaiškinusi

planetų judėjimo dėsningumus. T.Bragės planetų judėjimo stebėjimų rezultatai buvo tvarkingai

surašyti daugelyje tomų, tačiau susigaudyti juose jis pats nepajėgė. Tai pavyko tik jo mokiniui

J.Kepleriui, kuris surado tuose rezultatuose keletą dėsningumų, kurie ţinomi kaip trys Keplerio

dėsniai.

Deja, paaiškinti, kodėl planetos juda būtent pagal šiuos dėsnius, jis irgi nesugebėjo. Tai padarė

I.Niutonas, kuriam teko būtent šiam tikslui sukurti šiuolaikinės matematikos - diferencialinio ir

integralinio skaičiavimo - pagrindus. Vieną integralą jis integravo 20 metų, tačiau galų gale viską

išsiaiškino. Sukurta teorija ne tik paaiškino Mėnulio ir planetų judėjimą, Keplerio dėsnius ir Bragės

stebėjimų rezultatus, bet ir dabar, praėjus daugiau kaip 300 metų, beveik tokiame pat pavidale

naudojama bet ką konstruojant, statant arba leidţiant kokią nors raketą. Planetos ar kokie kiti Saulės

palydovai (asteroidai, kometos ir kiti) skrieja apie Saulę todėl, kad jų greičiai yra nukreipti ne išilgai

atkarpos, jungiančios Saulę su tuo palydovu. Jie tarsi bando nukristi ant Saulės, bet negali dėl per

didelės to greičio komponentės, nukeiptos lygiagrečiai Saulės paviršiaus liestinei. Įsivaizduokite,

kad uţsilipote ant didelio kalno ir bandote mėtyti akmenis horizontalia kryptimi.

Iliustracija 15. Palydovų trajektorijos.

21

Jei akmens greitis yra labai maţas, akmuo krenta prie pat kojų, jei didesnis, jis skrieja toliau. Jeigu

gi greitis yra lygus pirmajam kosminiam greičiui, akmuo tampa Ţemės palydovu, tai yra pradeda

nebenukristi ant Ţemės, o skrieti apie ją kokia nors orbita. Galų gale, jei to akmens greitis yra lygus

arba didesnis uţ antrąjį kosminį, akmuo gali “pabėgti” iš Ţemės traukos lauko ir prie jos daugiau

nebegrįţti. Šie kosminių greičių dydţiai priklauso nuo dangaus kūno, kuriam jie skirti, masės ir

spindulio, todėl Saulei ir Ţemei yra visiškai kitokie. Minėti Saulės palydovai skiriasi vienas nuo

kito ne tik to greičio dydţiu, bet ir tuo, kokį kampą jis sudaro su atkarpa, jungiančia Saulę ir tą

palydovą. Tik labai specialiu atveju, jei tas kampas yra statusis, ir greičio vertė labai tiksliai

apibrėţta, orbita yra apskritimas. Visais kitais atvejais tai yra elipsės. J. Keplerio dėsniai būtent ir

teigė, kad planetų judėjimo apie Saulę orbitos yra ne apskritimai, o elipsės, todėl jų modeliavimui

apskritimais visus tuos šimtmečius, kol tai buvo neţinoma, būtent ir prireikdavo tiek daug sferų. Per

šį laiką paaiškėjo ir sukurtos teorijos taikymo ribos. Jei kūnai juda dideliais greičiais, vietoje

Niutono klasikinės mechanikos tenka taikyti Einšteino reliatyvistinę mechaniką. Mikroskopinių

kūnų, tokių kaip molekulės, atomai ar dar smulkesni, aprašymui tenka naudoti kvantinę mechaniką.

Tai nė kiek nesumenkina Niutono teorijos, nes mesto kampu į horizontą akmens arba leidţiamo į

orbitą kosminio laivo judėjimui aprašyti nei reliatyvumo teorija, nei kvantinė mechanika

nereikalingos.

Iliustracija 16. Planetų sukimosi ašys.

Planetos juda apie Saulę pagal šiuos dėsnius. Paţvelkime į pateiktas Lentelėje kai kurias jų savybes

ir orbitų parametrus.

Planeta

Tankis

(g/cm3)

m

(Ţemės

masių)

r

(Ţemės

spind.)

Para

(Ţemės

parų)

Alb

edo

Mėn

ulių

Orbitos

spindulys

R (a.u.)

Metai T

(Ţemės

metų)

R3 /T

2

Merkurijus 5.42 0.055 0.383 58.65 0.10 0 0.387 0.241 0.998

Venera 5.25 0.815 0.949 -243.02 0.65 0 0.723 0.616 0.996

Ţemė 5.52 1 1 1 0.31 1 1 1 1

Marsas 3.94 0.11 0.533 1.04 0.15 2 1.524 1.882 0.999

Jupiteris 1.33 318 11.21 0.42 0.52 >60 5.203 11.86 1.001

Saturnas 0.69 95 9.45 0.42 0.47 >50 9.539 29.46 1.001

Uranas 1.29 14.54 4.01 0.75 0.51 >27 19.19 84.01 1.001

Neptunas 1.64 17.14 3.88 0.67 0.41 >13 30.06 164.79 1.000

Lentelė. Saulės sistemos planetų savybės.

Nesunku pastebėti, kad nors planetų ir jų orbitų savybės yra pačios įvairiausios, visų jų orbitos

spindulio kubo ir apsisukimo periodo kvadrato santykis (pateiktas paskutiniame stulpelyje) yra

beveik toks pat. Tai ir yra trečiasis Keplerio dėsnis.

Kodėl taip yra, paaiškino Niutonas, atrasdamas jums gerai ţinomą visuotinės traukos dėsnį. Jėga,

kuria viena masė, lygi M (šiuo atveju M yra Saulės masė) traukia kitą masę, lygią m (planetos

masė) yra

F = GMm/R2 .

22

Čia G yra gravitacijos konstanta, o R - atstumas tarp jų (Saulės ir planetos) centrų. Kadangi planeta

nekrenta tiesiai kaip akmuo į Saulę, o juda kiekvienu momentu kryptimi, statmena jungiančiai jas

tiesei, reiškia, ši jėga yra atsverta atsirandančios dėl judėjimo apskritimu išcentrinės jėgos, kuri lygi

F = mv2/R.

Planeta per savo metus T nuskrieja visą apskritimą, kurio ilgis yra 2R, taigi jos greitis

v = 2R/T.

Jei šią išraišką įstatysime į išcentrinės jėgos išraišką ir sulyginsime abi jėgas, tai nesunkiai gausime,

kad

R3/T

2 = GM/(2)

2 .

Taigi, šis santykis priklauso tik nuo Saulės masės ir pasaulinių konstantų, todėl jis ir yra vienodas

visoms planetoms arba visiems kokios nors planetos palydovams.

Kodėl mūsų lentelėje jis vis tik ne visoms planetoms tiksliai lygus vienetui? Tai lemia keleta

faktorių, iš kurių svarbiausia yra tai, kad planetos juda ne apskritimais, o elipsėmis, ir sąveikoja ne

tik su Saule, bet ir tarpusavyje.

Tai ir yra ta reali harmonija, kuri nelengvai surasta būtent iš Saulės sistemos studijų, bet galioja be

išimčių visiems dangaus kūnams, kuriuos iki šiol pavyko stebėti.

Lentelėje yra dar keleta planetų parametrų, kurių matavimo iki šiol nesame aptarę. Pirmiausia tai

yra planetos spindulys. Jo radimas visai paprastas - kadangi planetos orbitos parametrai ţinomi,

lengvai galime rasti atstumą tarp minimos planetos ir Ţemės bet kuriuo momentu, o po to pagal jos

matomą kampinį dydį surasti diametrą. Planetos parą, tai yra apsisukimo apie savo ašį periodą,

galima nustatyti ją stebint. Planetos tankį galima surasti, ţinant jos masę ir tūrį. Surasti tūrį ţinant

diametrą visai nesunku, taigi, lieka paskutinis ir labai įdomus parametras - planetos masė.

Ţemės masę surasti itin lengva, nes ţinomas laisvo kritimo pagreitis ant paviršiaus, kuris

nustatomas paprasčiausiai mėtant daiktus. Jei šis pagreitis, ţymimas g ir apytikriai lygus 980 m/s2,

bei gravitacijos konstanta ţinomi, tai bet kurio daikto, kurio masė m, svoris lygus

P = mg = GMm/r2 .

Padalinus abi puses iš m, Ţemės masę M galima išreikšti taip:

M = gr2 /G,

kur r yra lygus Ţemės spinduliui.

Galima dar ir patikrinti gautą reikšmę, suskaičiavus tą patį dydį kitu būdu. Aukščiau jau pateikta

formulė, susiejanti planetos, tai yra Saulės palydovo, orbitos spindulį ir apsisukimo periodą su

Saulės mase. Iš šios išraiškos galime Saulės masę išreikšti per bet kurios planetos orbitos

parametrus taip:

M =(2)2 R

3/G T

2 .

Šį sąryšį galima panaudoti ir Ţemės masei rasti, kadangi Mėnulis yra jos palydovas, jo orbitos

parametrai ţinomi, o daugiau nieko ir nereikia.

23

Klausimai

1. Kokiu greičiu juda Ţemės paviršiaus taškai pusiaujuje dėl nuolatinio jos sukimosi apie

savo ašį?

2. Kodėl Ţemėje yra metų laikai?

3. Kuria kryptimi, ţiūrint iš Šiaurės poliaus pusės, sukasi Ţemė?

4. Kas yra astronominis vienetas?

5. Kiek laiko šviesa sklinda iš Saulės į Ţemę?

6. Kada Ţemė yra arčiausiai Saulės?

7. Kodėl Mėnulis visada atsisukęs į Ţemę ta pačia puse?

8. Kiek kartų Mėnulio masė maţesnė uţ Ţemės masę?

9. Kokia temperatūra yra Ţemės centre?

10. Kaip Ţemėje kistų metų laikai, jei jos sukimosi ašis būtų statmena ekliptikos

plokštumai?

11. Kodėl Mėnulis nesukelia potvynių Ţuvinto eţere?

12. Ar šie metai keliamieji? Kodėl?

13. Ar 2100-ieji metai bus keliamieji ar ne? Kodėl?

14. Pateikite keletą paprasčiausių samprotavimų, rodančių, kad Ţemė apvali.

15. Kaip paprastai išmatuoti Ţemės spindulį?

16. Kaip nustatyti upės plotį per ją nebrendant?

17. Kaip išmatuoti didelio namo aukštį nelipant ant jo stogo?

18. Kaip nustatyti Mėnulio skersmenį, jei ţinomas atstumas iki jo?

19. Kaip rasti atstumą iki Mėnulio, jei ţinomas jo orbitinis greitis?

20. Kodėl ţvaigţdţių sfera negalėtų suktis apie Ţemę?

21. Jeigu fotoaparatą, nukreiptą į Šiaurinę (Poliarinę) ţvaigţdę paliksime visai nakčiai,

kokias ţvaigţdţių judėjimo trajektorijas pamatysime išryškintoje nuotraukoje?

22. Kodėl kai kurios planetos stebint iš Ţemės juda pirmyn – atgal?

23. Kam Ptolemajui, o vėliau ir Kopernikui savo sistemose, aiškinančiose planetų

judėjimą, prireikė tiek daug sferų?

24

3. Moderni materijos struktūros samprata.

Taigi, Visata yra uţpildyta matomais objektais gana netolygiai. Ţvaigţdės, kurios yra pagrindiniai

elektromagnetinės spinduliuotės šaltiniai, yra susitelkę į galaktikas, šios – į spiečius, tarp kurių yra

didelės tuščios sritys. Gali būti, kad jose yra kaţkokia nematoma medţiaga, bet kol ta hipotezė nėra

įtikinamai patvirtinta, gal ir neverta to aptarinėti. Vienintelis geriausiai ištyrinėtas objektas, kuris

uţpildo visą erdvę, yra elektromagnetinių spindulių laukas. Taigi nuo jo ir pradėkime.

Iliustracija 1. Stambioji Visatos struktūra.

Šviesa visada buvo ir dabar yra pagrindinis informacijos nešėjas Visatoje. Kaip ţinote, ji yra ne

vieniša - šviesos greičiu juda bei informaciją neša taip pat ir kitos elektromagnetinės bangos, kurios

nuo matomos šviesos skiriasi tik daţniu. Tai yra ir radijo, ir televizijos bangos, ir infraraudonieji, ir

ultravioletiniai, ir rentgeno bei gama spinduliai. Maţą plotelį šiame "meniu" uţima matomieji

spinduliai, tačiau jų vertė neįkainojama, nes juos galima pamatyti akimi.

Iliustracija 2. Elektromagnetinių bangų ilgiai ir rūšys.

Kitų bangų fiksavimui reikalinga speciali aparatūra. Tiksliau pasakius, jeigu elektromagnetinė

banga nematoma akimi, tai dar nereiškia, kad jos nefiksuoja kiti organai. Ţinome, pavyzdţiui, kad

veikiant ultravioletiniam spinduliavimui, oda paruduoja, infraraudonosios bangos jaučiamos kaip

šiluma, ilgalaikis buvimas intensyviame radijo bangų lauke, nors tiesiogiai nejaučiamas, ilgainiui

gali būti kenksmingas sveikatai. Galų gale visi turbūt girdėjote, kokį praţūtingą poveikį buvusiems

Černobilyje avarijos metu ir po jos padarė gautos didelės gama spinduliavimo dozės. Drąsiai galima

sakyti, kad ţmogaus kūnas vienaip ar kitaip reaguoja į labai plataus palyginus su matoma šviesa

diapazono elektromagnetines bangas. Problema yra tik ta, kad netgi jautriausias organas - akis -

fiksuoja labai nedaug ir tik matomos šviesos savybių. Tai yra tik jos intensyvumas (šviesa ryški ar

ne) ir daţnis (mėlyna, geltona ar kitokia spalva). Visa kita informacija, nešama šviesos, akimi

neuţfiksuojama, tuo tarpu aparatais stebint šviesą galima nustatyti ne tik ją išspinduliavusio kūno

sudėtį ir dar kai kurias kitas savybes, bet ir suţinoti kai ką apie aplinką, kuria šviesa sklido prieš

pasiekdama imtuvą. Elektromagnetiniai spinduliai tokios informacijos neša dar daugiau.

Įsivaizduokite tik, kiek garsų girdite įjungę radio aparatą arba kiek vaizdų matote televizoriaus

ekrane. Visa tai perneša elektromagnetinės bangos, išspinduliuotos ţmogaus protu ir rankomis

sukurtų aparatų.

Ţmonės labai seniai domisi, kas gi yra ta šviesa, iš kur ji atsiranda ir kodėl matome daiktus.

Hipokratas ir Aristotelis buvo suformulavę poţiūrį, kad akis pati spinduliuoja kaţkokius spindulių

pluoštelius, kuriais mes tarsi liečiame daiktus ir todėl juos matome. Galima įsivaizduoti, kad jei jie

būtų nusprendę daryti kokius nors eksperimentus, būtų tekę tyrinėti, kokie spinduliai eina iš akių.

Gal būt, tokiu atveju jie greitai būtų supratę, kad ne akis, o matomi daiktai spinduliuoja šviesą,

tačiau eksperimentai jų metodologijoje nebuvo numatyti... Visas graikų "ţinias" apie regėjimą buvo

susumavęs toks Galenas, gyvenęs antrajame amţiuje, ir tos idėjos gyvavo apie 15 amţių, panašiai

kaip ir Ptolomėjaus sistema. Galeno teorija buvo jau ţymiai moksliškesnė ta prasme, kad buvo

aiškinama tų spindulių kilmė. Buvo teigiama, kad jie gaminami smegenyse, po to optiniu nervu

pasiekia akį, kur paverčiami "matymo dvasia". Akies lęšis buvo reikalingas tam galutiniam

produktui pasiųsti į išorę. Norint galima išsamprotauti, kad tai yra pirmasis radaro aprašymas, o tuo

pačiu ir jo išradimas.

Leonardo da Vinči tik kiek modifikavo šį poţiūrį, įvesdamas dar ir spindulius, atsispindėjusius nuo

daiktų. Tik Kepleris ir Dekartas, suvokę, kaip lęšiuose formuojasi vaizdai, suprato, kad panašų

vaidmenį gali vaidinti ir akies lęšiukas, projektuodamas matomų daiktų atvaizdus į raginę. Teisingą

poţiūrį į šviesą ir matymą suformulavo galų gale tik Niutonas ir Hiuigensas ir vėlesnieji fizikai,

XVII-XVIII amţiuose eksperimentavę su tiriamais objektais. Pasirodė, kad matymas paremtas

25

kaţko tai persiuntimu nuo daikto į akį. Nors abu jie daugiau domėjosi to "kaţko", tai yra šviesos,

savybėmis, Niutonas vis tik drįso susamprotauti, kad daiktai neturi spalvų - jos atsiranda tik paties

proceso, tai yra matymo, metu. Būtent Niutonui pirmajam ir atrodė, kad šviesą sudaro kaţkokių

dalelių srautas, tuo tarpu Hiuigensas neabejotinai įrodė, kad šviesa - tai bangos, turinčios

charakteringą ilgį, daţnį ir kitas bangų charakteristikas. Pagrindinis bangos ir dalelių sriauto

skirtumas yra tas, kad aplinkos, kuria plinta banga, dalelės gali judėti netgi statmena bangos

judėjimui kryptimi, kaip vandens paviršiuje plintančioje bangoje. Taigi, bangoms plisti reikalinga

tam tikra aplinka, o tai, kad mes matome ţvaigţdes, reiškia, kad šviesos bangos gali plisti ir ten, kur

jokios aplinkos nėra, tai yra vakuume. Reiškia, šviesą neša kaţkokios dalelės, judančios bangos

plitimo kryptimi. Niutono poţiūris šią problemą išsprendţia, bet atsiranda daug kitų. Visai neaišku,

kaip dalelių srautas gali turėti bangų savybes, tokias kaip daţnis, bangos ilgis, interferencija,

difrakcija ir panašiai, kurias neabejotinai turi šviesa.

Šiuo metu yra vienareikšmiškai eksperimentiškai ir teoriškai nustatyta, kad šviesa ir visos kitos

elektromagnetinės bangos yra ne kas kita kaip vienų paslaptingiausių elementariųjų dalelių - fotonų

- srautai. Fotonas egzistuoja tik judėdamas, nes parimusio fotono masė lygi nuliui ir jo aptikti

neįmanoma. Juda gi fotonas tik šviesos, o ne kokiu nors kitokiu greičiu. Fotonai yra labai skirtingi.

Nors fotono savybės apibrėţiamos tik vienu pagrindiniu parametru - daţniu, tačiau šio parametro

kitimo diapazonas yra nepaprastai platus, praktiškai begalinis, ir tai sąlygoja jų įvairovę. Kitos

fotono charakteristikos - energija ir bangos ilgis - yra išreiškiamos per jo daţnį Planko formulėmis

E = h ir = c / , todėl E = h c / .

Čia h = 6.63 · 10 -34

J.s yra Planko konstanta, o c = 3 · 10 8 m / s - šviesos greitis. Šios

konstantos, išreikštos vienetuose su daugeliu nulių, atrodo labai nepatraukliai. Patogiausia yra

paskutinioji formulė, nes bangos ilgį, matuojamą metrais arba metro dalimis, lengviausia

įsivaizduoti ir suvokti. Be to, joje hc=1.24 keV*nm, taigi energijos vėl išreiškiamos elektronvoltais

(1 keV=1000 eV), o bangos ilgis – nanometrais, tai yra milijardinėmis metro dalimis (lygiomis 10-9

m). Paminėsiu tik, kad matomosios šviesos fotonų daţniai yra apie 1014

Hz, o bangos ilgiai sudaro

nuo 400 iki 700 nm. Trumpiausių, o tuo pačiu galingiausių gama spindulių bangų ilgiai gali būti

lygūs 10-16

ir maţiau metrų, o ilgiausių - ilgųjų radijo bangų - būti lygūs tūkstančiams metrų.

Koks fotonų ryšys su bangomis, iš kur jie atsiranda ir kur pradingsta, pakliuvę, tarkime, į akį - štai

klausimai, į kuriuos reikia pirmiausia atsakyti. Tik atsakę į juos būsime pajėgūs suprasti ir materijos

struktūrą.

Tarkime, turime kokios tai energijos (bangos ilgio) fotoną. Kol jis skrieja vakuume, tikimybė

susidurti su kokiu nors atomu labai maţa, nes tarpţvaigţdinėje erdvėje atomų tankis labai maţas.

Vis tik, nors tankis maţas, iš milţiniško kiekio fotonų, kuriuos kas sekundę spinduliuoja deganti

ţvaigţdė, vienas kitas su tokiu atomu pakeliui į Ţemę vis tik susiduria. Tai dar nieko nereiškia -

konkretus atomas sugeria ne bet kokius fotonus, o tik turinčius tam tikras, tam atomui tinkamas,

energijas. Jei fotono energija per maţa suţadinti atomus, ta aplinka jam tampa permatoma, tai yra

jis juda joje lyg tai nieko nebūtų.

Iliustracija 3. Fotonai ir atomai.

Tarkime, energija tiko. Tokiu atveju tas fotonas praţūva. Tai neturėtų būti keista, nes to fotono kaip

ir nebuvo, kadangi jo rimties masė visada, nepriklausomai nuo energijos, lygi nuliui. Lieka iš

fotono tik jo nešta energija, - ji niekur dingti negali, todėl perduodama tam atomui. Priimta sakyti,

kad tokiu atveju atomas susiţadina. Atomo energija, kaip matėme, negali padidėti bet kaip, tai yra

susiţadinti nuo bet kokios maţos energijos fotono jis negali. Galimi tik šuoliai į tam tikras

suţadintas būsenas. Tarp kitko, tai ir yra esminis kvantinės mechanikos poţymis, kvantavimas ir

reiškia kai kurių materijos būvių išskirtumą. Tokių suţadintų būsenų kiekvienas atomas turi daug;

26

jos sudaro to atomo spektrą. Skirtingų atomų spektrai yra skirtingi. Juos galima registruoti

specialiais aparatais - spektroskopais arba teoriškai apskaičiuoti, naudojantis kvantine mechanika.

Neutralaus atomo spektro energijos turi viršutinę ribą, tai yra jis tarsi pasibaigia prie tam tikros

energijos. Fotonai, kurių energijos kiek didesnės uţ šią, susidūrę su tokiu atomu, gali jį taip

suţadinti, kad iš jo išlekia elektronas, ir atomas tampa jonu, kurio spektras visiškai skiriasi nuo

pradinio atomo spektro. Dar keliant fotono energiją galima pasiekti ribą, kai išplėšiamas antras

elektronas (gauname du kart jonizuotą atomą) ir taip toliau, kol prie branduolio iš viso nelieka

elektronų. Plėšiant vidinius elektronus, jau reikalingi Rentgeno spinduliai. Dar didesnės energijos

fotonai, vadinami gama kvantai, jau geba ţadinti atomo branduolį. Atomų terpė jiems vėl, kaip ir

itin ţemų energijų fotonams, paprasčiausiai permatoma.

Grįţkime prie normalių atvejų. Susiţadinęs atomas ilgai neišbūna. Maţdaug po vienos milijardinės

sekundės dalies jis turi kam nors tą suţadinimo energiją perduoti. Jei šalia yra daug kitokių atomų,

suţadinimo energija jiems susiduriant gali pasiskirstyti ir pavirsti kinetine jų energija, tai yra

padidinti jų judėjimo greitį. Atomų arba molekulių judėjimo energija, tuo pačiu ir greitis, yra

proporcingas jų temperatūrai, todėl aprašytas procesas yra paprasčiausias apšviestos medţiagos

šilimas. Dėl tokių procesų dieną palyginus su naktimi pakyla oro ir vandens temperatūra, ištirpsta

ledai ir vyksta kitokie lengvai stebimi ir prognozuojami procesai.

Jei atmosferoje ir vandenyje tik jie ir vyktų, tos terpės būtų nepermatomos, ir jokių ţvaigţdţių

akimi nematytume. Vaizdas būtų panašus kaip gyvenant kambaryje be langų. Gelbsti galimybė

vykti dar ir kitokiems virsmams, kai retose arba turinčiose specialių savybių aplinkose suţadintam

atomui palankiau išspinduliuoti kitą fotoną, negu perduoti suţadinimo energiją kaimynams. Tai

daro medţiagą permatoma, nors fotonų kelias per ją ir apsunkinamas. Šio apsunkinimo

charakteristika yra jums paţįstamas tos skaidrios medţiagos lūţio rodiklis, kuris didesnis uţ vienetą

ir rodo šviesos greičio sumaţėjimą joje. Mikrodalelių pasaulyje, kurį puikiai aprašo kvantinė

mechanika, neuţdrausti visi galimi procesai, todėl įmanomas ir atomo ar molekulės susiţadinimas

nuo smūgių, tai yra nuo susidūrimų su energingais kaimynais, sukeliantis ne kinetinės energijos

padidėjimą, o fotono išspinduliavimą. Šį procesą kiekvienas esate irgi matę - tai yra kaitinamo

metalo gabalo švytėjimas. Jei pastebėjote, iš pradţių, kol sudarančių jį dalelių kinetinė energija yra

nedidelė, jis tik parausta, toliau jai augant pamėlynuoja ir galų gale tampa beveik baltu. Tai

paaiškinama labai paprastai - raudonųjų fotonų bangos ilgis didţiausias, o energija maţiausia iš visų

matomų, jiems spinduliuoti uţtenka ir nelabai didelių suţadinimo energijų, gi mėlynųjų fotonų

energija pati didţiausia; sudėjus juos visus į krūvą beveik vienodomis proporcijomis gaunasi balta

šviesa. Matomame diapazone beveik tokia yra šviesos, atsklindančios iš Saulės, sudėtis. Ţinoma,

joje yra dar ir visokiausių kitokių ilgių elektromagnetinių bangų, tai yra ir kitokių energijų fotonų.

Elektromagnetinių bangų spektras labai turtingas, todėl bet kokiame kūne, kurio temperatūra nelygi

absoliutiniam nuliui, molekulės juda, susidūrinėja, perduoda viena kitai energiją, o susiţadinę

kartais išspinduliuoja vieną kitą, kad ir maţos energijos, fotoną. Dėl šios prieţasties fotonus

spinduliuoja visi mus supantys kūnai, tame tarpe ir Ţemė, ir mes patys. Tai yra taip vadinamas

šiluminis spinduliavimas. Kuo karštesnis kūnas, tuo trumpesnių bangos ilgių, tai reiškia - didesnių

energijų - spindulius jis spinduliuoja. Tiksliau sakant, spinduliuojami įvairių bangos ilgių

spinduliai, bet intensyvumo maksimumas, atitinkantis tam tikrą bangos ilgį, kylant kūno

temperatūrai, slenkasi į trumpesnių bangų sritį. Kad kūnas pradėtų spinduliuoti matomus spindulius,

jo temperatūra turi būti lygi keliems tūkstančiams laipsnių. Labai karštas kūnas, toks kaip ţvaigţdės

apvalkalas, padarytas iš įvairiausių atomų ir jonų, spinduliuoja įvairiausių daţnių fotonus, kurie

susisumavę sudaro beveik tolydinį spektrą, uţklojantį ir visą matomos šviesos diapazoną. Praėjusi

per disperguojančią aplinką tokia šviesa išsiskleidţia į vaivorykštę, tai reiškia ji yra išdėstoma pagal

fotonų daţnius. Panašiai kaip Niutono prizmė dirba ir šiuolaikiniai spektroskopai, analizuojantys

spektrinę, tai yra daţnuminę šviesos sudėtį.

27

Dabar jau turbūt supratote, kad pasiekusi mus šviesa gali labai daug ką papasakoti. Pirma, jei

sugebame uţfiksuoti elektromagnetines bangas pakankamai plačiame diapazone, suradę, kokį

bangos ilgį atitinka pasiskirstymo maksimumas (ši priklausomybė vadinama Planko kreive), galime

rasti ţvaigţdės arba kitokio stebimo objekto temperatūrą. Pasitikrinti šią charakteristiką galime ir

nefiksuodami labai plataus diapazono, o tiesiog nustatę, kokių jonų spektrai matomi, kadangi

kiekvieno atomo jonizavimui reikalinga tam tikra fiksuota energija, taigi ir tam tikra ţinoma

temperatūra.

Iliustracija 4. Įvairios temperatūros objektų spinduliuotės intensyvumo priklausomybė nuo

bangos ilgio (Planko kreivės).

Nuodugniau ţvilgterėjus į šią šviesą, galima surasti, kad ji, kaip ir turėtų būti, yra ne ištisinė, o

sudaryta iš tankaus emisijos linijų tinklo. Kadangi kiekvienas atomas ar jonas turi savo specifinį, tik

jam vienam būdingą, spektrinių linijų išsidėstymą, galima nustatyti, iš kokių atomų sudarytas

ţvaigţdės apvalkalas, kuriame tas spinduliavimas yra gimęs. Pasinaudojus šia idėja dabar

supermarketo kasininkė, perbraukusi preke per specialų kasoje įtaisytą langelį nustato, kokius

daiktus ketinate nusipirkti, nes kiekvienam jų skirtas unikalus brūkšninis kodas, analogiškas

elemento, molekulės ar kokio kitokio kvantinio objekto spektrui.

Galų gale, sklindanti nuo ţvaigţdės šviesa prieš patekdama į Ţemę turi pereiti per minėtus retus

dujų debesis, kurių pilna Visatoje. Einant jai per tokią aplinką tie fotonai, kurių daţniai tinkami, yra

absorbuojami. Tai pasireiškia kaip juodos absorbcijos linijos, atitinkančios daţnius tų medţiagų, iš

kurių susidaręs debesys. Šviesa, o tuo pačiu ir energija, sugertos iš pradinio spindulio, pavirsta arba

kinetine debesies dalelių energija, arba kitais fotonais, kuriuos išspinduliuoja jos suţadinti debesies

atomai. Retame debesyje antrasis procesas labiau tikėtinas, todėl gali kilti klausimas, kodėl vis tik

tos absorbcijos linijos atsiranda. Atsakymas paprasčiausiai yra tas, kad jei pradinio spindulio fotonai

juda viena kryptimi, tai perspinduliuotieji plinta į visas puses, todėl pradine kryptimi jų

intensyvumas ir sumaţėja. Stebint tokias absorbcijos linijas arba apšviesto debesies spektrą, galima

surasti jo sudėtį bei temperatūrą, tuo pačiu praplečiant ţinias apie Visatą.

Iliustracija 5. Ištisinis, emisijos ir sugerties spektrai.

Galų gale, galima nustatyti, kokiu greičiu spinduliuojanti tą šviesą ţvaigţdė juda Ţemės atţvilgiu,

nes dėl Doplerio efekto spindulių šaltiniui ir imtuvui judant vienas kito atţvilgiu visos spektrinės

linijos pasislenka į ilgesnių arba trumpesnių bangų sritį. Tas postūmis visiems fotonams yra toks

pat, kadangi galioja labai paprastas ryšys tarp imtuvo ir šaltinio santykinio judėjimo greičio v bei

pradinio, ţvaigţdės išspinduliuoto, fotono bangos ilgio ir kritusio į imtuvą to paties fotono

bangos ilgio ' :

v / c = (' - ) / .

Jei šaltinis tolsta, jo greitis yra teigiamas, v > 0 , o jei artėja - neigiamas, v < 0 . Tai reiškia, kad

tolstančio šaltinio išspinduliuotų fotonų bangų ilgiai padidėja, tai yra pasistumia į raudonųjų bangų

pusę; todėl šis postūmis vadinamas raudonuoju. Artėjančio šaltinio bangų ilgiai sumaţėja, todėl

postūmis vadinamas mėlynuoju.

Būtent naudojantis šiuo efektu Edvinui Hablui pavyko ištirti Visatos struktūrą ir aptikti, kad ji šiuo

metu plečiasi.

Taigi, elektromagnetinės bangos neša labai daug informacijos, reikia tik mokėti ją suprasti. Akimi

tai padaryti neįmanoma, reikalingi specialūs prietaisai. Tiriant Saulės sistemą didţiulį vaidmenį

suvaidino Galilėjaus teleskopas. Dabar analogiški prietaisai yra labai ištobulinti ir leidţia stebėti

ypatingai tolimus, labai maţo ryškio objektus. Gerai apšviestos dešimties centų monetos, esančios

uţ dešimties kilometrų, pamatymas tokiu prietaisu nesudaro jokių sunkumų. Problemos atsiranda

kitur. Pasirodo, matyti Visatos objektus labai trukdo atmosfera, kurioje esantys dulkės, garai,

28

dūmai, o taip pat judančios pačios dujų molekulės iškraipo stebimąjį vaizdą. Dėl šių prieţasčių

observatorijos įrengiamos ţemyninio klimato zonose, kad dangus būtų apsiniaukęs kuo maţiau

naktų per metus. Kiek varijuoja šis rodiklis, galite spręsti iš tokių duomenų - Holivude per metus

būna apie 300 giedrų dienų, o kokiuose Gargţduose - apie 300 apsiniaukusių. Be to, observatorija

turi būti įrengta kuo toliau nuo miestų ir didelių pramonės objektų, nes miestuose, kur vyksta

aktyvus gyvenimas, yra daug šiluminės ir pramoninės taršos objektų - transporto priemonių, visokių

komunikacijų, gamyklų ir taip toliau. Ruro pramonės baseinas Vokietijoje, aukštakrosnių

kompleksai Ukrainoje ir Urale uţteršia didţiulius aplinkinius rajonus, ten observatorijos

perspektyvų neturi.

Taigi, jau turbūt drasiai galima nuspręsti, kad idealios vietos antţeminėms observatorijoms yra

kalnuose, kur maţesnis atmosferos storis, maţiau teršalų, šilumos ir šviesos šaltinių. Taip jau seniai

pastebėta - stambiausi teleskopai yra Kaukazo kalnuose, Arizonoje - Sonoros dykumoje, Čilėje ir

Havajuose. Dar geriau negu kalnuose teleskopai jaučiasi kosmose, kur trukdţiai ir uţteršimas yra

visai nedideli. Tai jau ir padaryta. Nuo 1989 metų NASA eksploatuoja 2.4 metro diametro

teleskopą, pavadintą aptikusio Visatos plėtimąsi Edvino Hablo garbei jo vardu.

Iliustracija 6. Hablo teleskopas kosmose.

Naudojami teleskopai Visatą stebi jau seniai ne tik matomos šviesos, bet ir praktiškai visuose

kituose elektromagnetinių bangų diapazonuose. Akimi ţvaigţdţių niekas nebestebi net per

teleskopą, nes fotoplokštelėse ar kituose registruojančiuose prietaisuose galima, padidinus

ekspoziciją, per ilgesnį laiką sukaupti pakankamai informacijos ir apie visai sunkiai įţiūrimus

objektus.

Taigi, šviesa atneša informaciją ir apie tai, iš ko sudaryta Visata, nes kiekvienas elementas turi savo

"pirštų antspaudus" ir yra nesunkiai atpaţįstamas. Ne kartą yra buvę taip, kad atrodė, jog pamatytas

kaţkoks neţinomas elementas ar junginys, nes jo spektras neatitikdavo jokių ţinomų elementų

spektrų. Deja, ilgainiui pasirodydavo, kad tiesiog tai yra kas nors iš ţinomų, tačiau esantis tokiose

sąlygose, kurių nėra arba netgi visai neįmanoma dirbtinai sukurti Ţemėje. Maţdaug prieš trisdešimt

ar kiek daugiau metų, kai dirbtiniuose Ţemės palydovuose buvo įtaisyti spektroskopai, leidę stebėti

Visatą tolimojo ultravioleto ir rentgeno spindulių diapazonuose, pasirodė, kad uţregistruoti

sudėtingi ir nepaţįstami spektrai yra daug kartų jonizuotų ţinomų elementų spektrai. Tokie

elementai kosmose "pagaminami", kadangi normaliam atomui atsidūrus energingo spinduliavimo

lauke nuo jo "nuplėšiama" daug elektronų ir jis tampa iš pirmo ţvilgsnio neatpaţįstamu. Norint

sukurti tokias sąlygas Ţemėje, reikia labai pasistengti. Tai ne tik brangiai kainuoja, bet ir reikalauja

unikalios įrangos. Kosmose sąlygų įvairovė yra tiesiog stulbinanti ir materija egzistuoja visose

įmanomose formose, tame tarpe ir pačiose egzotiškiausiose, tačiau jokių dalelių, jokių atomų

branduolių, jokių atomų arba molekulių, kurių negalima būtų aptikti Ţemėje, per daugiamečius

stebėjimus nėra uţfiksuota.

Pabandykime prisiminti, iš ko viskas Visatoje padaryta, kaip materija gali pasikeisti kintant

išorinėms sąlygoms, koks aplamai yra šiuolaikinis poţiūris į jos struktūrą. Kaip ţinome, bendras

mokslo bruoţas yra tas, kad visos be išimčių ţinios negali būti sustabarėję, o nuolatos keičiasi,

tačiau tie pasikeitimai, pasiekus tam tikrą lygį, yra pastebimi tik kvalifikuotam specialistui.

Kalbėsiu būtent apie tą lygį, kuris pakankamai rafinuotas, bet kartu ir ne per lėkštas būtent jūsų

auditorijai. Vargu ar tie teiginiai, patikrinti ir pripaţinti jau kelis dešimtmečius, kiek pasikeis iki

jums išeinant į pensiją ir visai neįtikėtina, kad grįšime prie dangaus skliauto, velnių, dvasių ir

astrologijos, nors kartais skaitant laikraščius ar kokią kitokią spaudą bei ţiūrint televiziją tenka tuo

ir suabejoti.

Taigi, mums pilnai pakaks ţinių, kad Visata sudaryta iš materijos, kurios pagrindiniai struktūriniai

elementai yra protonai, neutronai ir elektronai, o taip pat jau paţįstamas fotonas, kuris

efektyviausiai perneša ne tik sąveikas tarp šių dalelių, bet ir informaciją. Gravitacinę saveiką tarp

29

bet kokių dviejų masių perneša gravitonai, tačiau jie netgi neaptikti eksperimentiškai ir šiandien,

kalbant apie smulkiausias materijos daleles, mums neaktualūs, nes ši sąveika palyginus su kitomis, -

elektromagnetine ir stipriąja, nevaidina beveik jokios rolės susidarant atomų branduoliams,

atomams ir molekulėms, taigi tuo pačiu ir visoms supančių mus dujinių, skystųjų ir kietųjų kūnų

dalelėms. Stipriąją sąveiką, suklijuojančią iš protonų ir neutronų atomų branduolius, perneša

įvairiausi mezonai - pi, ro, omega (tai – juos ţyminčios graikiškos raidės) ir kiti. Jų mums nereikės,

uţtenka ţinoti, ką ir kaip jie padaro. Galų gale, protonai ir neutronai patys yra padaryti iš kvarkų;

pastaruoju metu pasirodė ţinių, kad aptinkama netgi ir šių kvarkų struktūra, tačiau ir tai atidėkime į

šalį. Kai girdite apie daugybę kitokių elementariųjų dalelių, tai yra ne kas kita, kaip tik ypatingoms

sąlygoms esant kosmose arba laboratorijose egzistuojantys labai trumpai gyvuojantys egzotiški

objektai, beveik neįtakojantys materijos savybių. Taigi, apsistosime prie trijų pagrindinių dalelių,

nes fotonas jau paţįstamas.

Esminis materijos struktūros elementas yra atomų branduoliai. Kaip ţinote, jie sudaryti iš protonų ir

neutronų veikiant stipriąjai sąveikai. Abi dalelės labai panašios, jos skiriasi tik krūviu, todėl

apibendrintai vadinamos nukleonais. Pirmasis paradoksas yra būtent tame, kad ši sąveika vadinama

stipriąja. Energijos masteliai, palyginus su atominiais, čia yra, aišku, milijoną kartų didesni, tačiau

dviejų neutronų arba dviejų protonų į krūvą ji suklijuoti negali, o protonas su neutronu "sulimpa" tik

labai specifiniu būdu, sudarydami taip vadinamą deuteroną, sunkiajame vandenyje pakeičiantį

vandenilį. Deuteronas nelabai patvarus – pasitaikius progai jis atgal subyra į neutroną ir protoną. Iš

trijų nukleonų galima padaryti tik du branduolius - tritį (du neutronai plius vienas protonas) ir helį-3

(neutronas plius du protonai), kurie kiek patvaresni uţ deuteroną, bet neturi jokių suţadintų būsenų,

o ţadinant vėlgi iš karto skyla į dalis. Iš keturių nukleonų susiklijuoja tik vienas (du neutronai plius

du protonai), bet uţtai ypatingai patvarus, vienas patvariausiųjų periodinėje lentelėje helio-4

branduolys, dar vadinamas alfa-dalele. Šis branduolys savo išmieromis yra maţesnis uţ minėtus

trijų, o tuo labiau dviejų nukleonų branduolius. Alfa dalelė tokia patvari, kad prie jos netgi penktasis

nukleonas negali “prilipti”. Taigi, stabilių penkių nukleonų branduolių gamtoje nėra iš viso. Nuo

šešių nukleonų jau prasideda daugmaţ normalūs branduoliai, nors dar nėra ir aštuonių nukleonų

stabilių branduolių.

Iliustracija 7. Lengviausiųjų atomų branduolių savybės.

Nukleonų sulipimą branduolyje charakterizuoja toks parametras - ryšio energija vienam nukleonui.

Branduolio ryšio energija yra energijos kiekis, būtinas tam branduoliui visiškai suskaldyti į

pavienius nukleonus. Padalinta iš nukleonų skaičiaus ji kaip tik ir lygi minėtai ryšio energijai

vienam nukleonui. Kuo ji didesnė, tuo stipriau surišti branduolyje nukleonai, tuo sunkiau tokį

branduolį suardyti. Jeigu pabandytume pasiţiūrėti, kaip šis parametras kinta augant branduolio

nukleonų skaičiui, tai pamatytume, kad jis turi išsiskiriantį maksimumą jau minėtai alfa - dalelei, po

to staigiai krenta ir toliau po truputį auga iki geleţies - nikelio, o po to vėl monotoniškai krenta. Tai

reiškia, kad bene stabiliausi Visatoje, be helio, dar yra ir geleţies branduoliai. Norint gauti iš atomų

branduolių kokios nors energijos, reikia arba iš silpniau surištų lengvųjų branduolių gaminti labiau

surištus (tai vadinasi branduoline sinteze, tokios reakcijos vyksta ţvaigţdėse arba sprogstant

branduolinei bombai, lėtai jų atlikti tokiais kiekiais, kad tai galėtų duoti praktinę naudą, dar niekam

nepavyko), arba maţiau surištus sunkiuosius skaldyti į stipriau surištus lengvesnius branduolius.

Pastarosios yra reakcijos, kurios vyksta greitai sprogstant dabar nebemadingai atominei bombai (dvi

tokios bombos besibaigiant karui buvo susprogdintos Japonijoje, Hirosimos ir Nagasaki miestuose),

arba lėtai degant branduoliniam kurui atominėse elektrinėse. Augant nukleonų skaičiui

branduoliuose, sunkesniuose uţ geleţį, jie darosi vis maţiau ir maţiau stabilūs. Taip atsitinka todėl,

kad stiprioji sąveika yra trumpo veikimo spindulio sąveika. Taigi, geriau sulipę tik esantys šalia

vienas kito nukleonai, ir kai jų labai daug, atsiranda polinkis branduoliui klasterizuotis, tai yra

suskilti į maţesnes, bet labiau surištas dalis. Dėl šių prieţasčių stabilių branduolių takelis pasibaigia.

30

Tai visiškai analogiška molekulių sąveikai skystyje; dėl panašių jos savybių lašai yra riboto dydţio.

Iš viso daugiau ar maţiau stabilių izotopų yra apie tūkstantį. Paskutinis stabilus branduolys yra

urano izotopas, turintis 238 nukleonus.

Iliustracija 8. Atomų branduolių savybės.

Taigi, tūkstantis beveik stabilių branduolių. Tuo tarpu ţvilgtelėję į periodinę lentelę matome tik apie

šimtą elementų. Kodėl? Prieţastis yra tame, kad cheminį elementą, tai yra atomo savybes, uţduoda

ne branduolys, o besisukantys apie jį elektronai, ir tai dar ne visi, o tik patys išoriniai. Kiek

elektronų gali apie kokį nors branduolį suktis, apsprendţia ne bendras nukleonų skaičius jame, o tik

tai, kiek tarp jų yra protonų. Nėra jokio branduolio, sudaryto vien tik iš protonų, protonai visi turi

vienodą krūvį ir stumiasi vienas nuo kito. Nors stiprioji sąveika juos ir bando suklijuoti, susidaryti

stabiliam branduoliui būtina, kad jame būtų dar ir neutronų. Tam tikro elemento izotopai būtent ir

yra branduoliai, turintys fiksuotą protonų (ţymima raide Z), bet skirtingą neutronų (N) skaičių. Prie

visų tokių branduolių normaliomis sąlygomis tuoj pat atsiranda būtent Z elektronų, kad sistemos

(atomo) krūvis būtų lygus nuliui. Beveik kiekvienas elementas turi po kelis izotopus, tai yra

skirtingus branduolius, kuriuos atitinkantys atomai turi visiškai vienodas chemines savybes, nes

skiriasi tik esančių branduolyje neutronų skaičiumi. Pavyzdţiui, kalcis, kurio pilna mūsų kauluose,

turi šešis stabilius ir dar vienuolika radioaktyvių izotopų. Radioaktyvūs yra tie izotopai, kurių

branduoliai po ilgesnio ar trumpesnio laiko suskyla, tai yra pavirsta visiškai kitais branduoliais.

Skilimo metu elektronai irgi lengvai persiskirsto taip pat į dvi analogiškas dalis. Kaule nelieka

kalcio, o tai nėra labai gerai. Normaliomis sąlygomis tokių radioaktyvių atomų yra nedaug, ir jei

vienas kitas suskyla, tai ţmogui nieko neatsitinka. Avarijos, tokios kaip įvykusi 1986 metais

Černobylyje, metu atmosferoje atsiranda daug radioaktyvių izotopų. Jeigu jų neįkvėpėte, tai

iškritusius ant ţemės juos įsisavina augalai, po to - gyvuliai, dar po to su pienu ar mėsa galų gale ir

ţmonės. Kadangi bet koks gyvas organizmas linkęs nuolatos atsinaujinti, gyvenant tokiomis

sąlygomis normalūs kalcio atomai greitai pasikeičia radioaktyviais, kurie galų gale patys savaime

dėl radioaktyvaus skilimo dingsta beveik be pėdsakų. Iš čia ir kyla visos problemos. Daug

radioaktyvių izotopų yra daugiau ar maţiau pavojingi ir ţmogaus organizmui. Pavyzdţiui, polonis

savo cheminėmis savybėmis artimas deguoniui ir pakliuvę į organizmą jo atomai pakeičia

deguonies atomus. Sekantys po kiek laiko jų branduolių, jei atitinkantis izotopas yra radioaktyvus,

skilimai suardo tas gyvybiškai svarbias molekules, kurių sudėtyje jie būna įsiterpę. Neseniai būtent

vienu šių izotopų (poloniu-210) Londone buvo apkrėstas ir greitai mirė buvęs rusų saugumo

agentas.

Kodėl chemines elementų savybes apsprendţia tik elektronai? Čia prieţastys bent jau dvi.

Pirmiausia, branduolys yra labai maţas palyginus su atomu, jis yra tarsi labai gerai suvyniotas į

elektronų apvalkalą. Jei paimtumėte ir tušinuku nusipieštumėte savo sąsiuviniuose 1 mm diametro

taškelį ir įsivaizduotumėte, kad tokio dydţio yra atomo branduolys, tai atomas būtų ne maţesnis uţ

keturių aukštų namą. Tuo tarpu būtent branduolyje yra sukoncentruota beveik visa atomo masė, nes

kiekvienas protonas, kaip ir neutronas, yra apie 2000 kartų masyvesnis uţ elektroną. Tai panašu į

Saulės sistemą, jei branduolį įsivaizduotume kaip Saulę, o elektronus - kaip planetas, nors yra ir

esminių skirtingumų. Antroji prieţastis ta, kad tose temperatūrose, kuriose mes gyvename ir kuriose

pasireiškia būtent cheminės elementų savybės, energijos nepakanka niekam kitam, o tik kiek

"pakutenti" tuos elektronus, ir tai ne visus, o tik silpniausiai prie branduolio pririštus, tai yra

išorinius. Būtent išoriniai elektronai atsakingi uţ visą chemiją, tai yra neorganinių, o taip pat ir

organinių molekulių, iš kurių sudaryta visa gyvoji gamta, susidarymą. Kokia šių darinių įvairovė,

galime spręsti iš tokių pavyzdţių. Pratęskime mintį apie branduolį kaip taškelį ir atomą kaip namą.

Virusas tokiu atveju būtų darinys apie 5 km diametro, tarpţvaigţdinių dulkių dalelė - apie 50 km,

bakterija - dar du kartus didesnė. Lastelė būtų apie 500 km diametro dalykėlis, o kuris nors iš mūsų

vos tilptų atstume nuo Ţemės iki Saulės.

31

Šildydami maistą ar vaţiuodami automobiliu mes naudojamės cheminių reakcijų savybėmis išskirti

energiją. Panašiai kaip aptartose branduolių skilimo arba sintezės reakcijose čia irgi iš maţiau

surištų objektų susidarant labiau surištiems didėja produktų kinetinė energija, tai yra temperatūra.

Nuostabu yra dar ir tai, kad dauguma šių reakcijų vyksta savaime. Atsukate dujų čiaupą, uţdegate

degtuką, ir jeigu tik bus tiekiamos, jos gali degti metų metus.

Gyvename mes iš tiesų prabangiose sąlygose, tai yra 273 plius minus 50 laipsnių Kelvino

temperatūroje. Paţvelkite pro langą - aplinkui pilna garų, dujų, skysčių ir kietų kūnų. Ne tiek jau

daug reikia apsirengti ir pavalgyti, kad uţtektų energijos palaikyti pastovią kūno temperatūrą, kaip

tik tokią, kurios reikia vykti savaiminėms suvalgyto maisto - monosacharidų (anglies ir vandenilio

atomų junginių) oksidacijos, tai yra reagavimo su deguonimi reakcijoms, po kurių susidaro vanduo

ir anglies dvideginis, o atsipalaidavusi energija palaiko kūno temperatūrą, kurioje ištirpsta riebalai,

lengvai juda raumenys, gyslomis teka kraujas ir sklandţiai dirba superkompiuteris - mūsų

smegenys. Ţmogaus naudojama energija yra apie 110 W, tai yra kaip įprastos kaitinimo lemputės!

Šis Visatos sukurtas mechanizmas yra išties tobulas. Dabar prisiminkite, kiek problemų atsiranda

ţiemą, temperatūrai nukritus tik 10-20 laipsnių. Vanduo uţšala, reikia šilčiau rengtis ir šildyti

patalpas. Kas gi būtų, jei temperatūra dar labiau nukristų - tarkime, iki minus 200 laipsnių

Celsijaus? Uţšaltų ir sukietėtų ne tik vanduo, bet ir dauguma kitų elementų, netgi tie, kurie

normaliomis sąlygomis yra dujos. Dabar pagalvokime, kas atsitiktų pakilus temperatūrai keliais

tūkstančiais laipsnių. Molekulės suskiltų, beveik visos medţiagos, kurios normaliai yra kietos,

suskystėtų, o kai kurios ir išgaruotų. Visatoje ir ţemos, ir aukštos temperatūros yra įprastas dalykas,

todėl tokia didelė ir stebimų spektrų įvairovė. Kylant temperatūrai ir medţiagoms pereinant iš vienų

agregatinių būvių į kitus jų fizikinės savybės labai keičiasi.

Dar labiau keliant temperatūrą chemija, o tuo pačiu ir visa organika pasibaigia - nuo atomų pradeda

atitrūkti elektronai - iš pradţių vienas, po to antras, ir taip toliau iki susidarant pilnai jonizuotai

plazmai, kai branduoliai dėl didţiulės kinetinės energijos nebegali nulaikyti elektronų. Tokiu atveju

jokios struktūros nebesusidaro, elektronai nebetrukdo pasireikšti branduoliams, kurie gali laisvai

dauţytis ir reaguoti. Tokie procesai vyksta ţvaigţdėse, jų metu kaip tik ir išsiskiria ta energija, kuri

uţtikrina minėtą mūsų komfortą.

Kiekvieną iš minėtų materijos būvių, atsirandančių kylant temperatūrai, tai yra:

1. Kietą kūną su beveik nejudančiais jonais gardelės mazguose,

2. Skystį, kuriame neutralios, susigrąţinę elektronus molekulės gali beveik laisvai judėti viena kitos

atţvilgiu,

3. Dujas, kuriose tos molekulės dar laisvesnės,

4. Aukštų temperatūrų, kai molekulės jau suirę, atomines dujas.

5. Įvairių jonizacijos laipsnių dujas,

6. Pilnai jonizuotas dujas, kuriose atomai suskilę į laisvus elektronus ir branduolius,

7. Dar aukštesnes temperatūras, kai tampa galimos lengvųjų branduolių sintezės reakcijos,

atitinka specifiniai spektrai ir atitinkamų energijų fotonai, kurie pasiekę mus ir išduoda, iš kur

atvykę.

Iliustracija 9. Periodinė elementų lentelė. Sudėtingos molekulės, iš kurių sudaryti gyvi organizmai, negali egzistuoti ir daugintis nei aukštose,

nei ţemose temperatūrose. Jų egzistavimas sąlygose, kurios buvo po Didţiojo Sprogimo, yra tiesiog

neįmanomas. Jokios gyvybės negali būti nei ţvaigţdėse arba labai artimoje jų aplinkoje, nei labai

toli nuo jų, nes vidutinė Visatos temperatūra, kaip išsiaiškinome praėjusioje paskaitoje, yra labai

ţema. Taigi, palankiausios gyvybei yra “oazės” tam tikroje ţvaigţdţių aplinkoje, viena kurių yra

mūsų planeta.

Reziumuojant galima pasakyti, kad mūsų įprastinė chemija, pasireiškianti įvairiausiuose aplink mus

vykstančiuose procesuose, yra ne kas kita, kaip ţemų energijų fizika, kurios “veikiantieji asmenys”

32

yra silpniausiai surišti išoriniai atomų elektronai, o biologija – dar ţemesnių energijų fizika, kurios

procesuose dalyvauja didelės molekulės, kurių išoriniai elektronai yra dar silpniau surišti, todėl ir

atsiranda galimybė minimaliomis energijos sąnaudomis priversti dirbti labai sudėtingus biologinius

objektus.

Šiuolaikinė fizika sėkmingai aprašo pačius įvairiausius procesus, kurių energijų diapazonas tęsiasi

nuo termobranduolinių iki pačių maţiausių energijų; šio aprašymo sėkmę lemia Visatos struktūros

ir vystymosi dėsnių paţinimas ir galimybės praktiškai spręsti ţinomas lygtis, aprašančias tuos

procesus. Deja, mūsų galimybės aprašant sudėtingas sistemas yra dar labai tolimos nuo poreikių,

tačiau paprastų sistemų ir procesų, vykstančių esant palyginus didelėms energijoms, aprašymas

daugeliu atvejų yra gana sėkmingas.

Pervertinti fundamentalių Visatos dėsnių paţinimo reikšmę neįmanoma. Yra sakoma, kad kaţkada

Faradėjaus atlikti bandymai su ritėmis, kuriomis tekėjo elektros srovė, tada atrodę kaip kokio

keistuolio ţaidimai, atpirko visas padarytas, daromas ir planuojamas daryti ţmonijos investicijas į

mokslą, nes šių bandymų išdava yra elektros energija, ryšiai, kompiuteriai ir kita visa prabanga,

kuria kasdien naudodamiesi uţmirštame, kam uţ tai turime būti dėkingi.

Klausimai

1. Kokios yra elektromagnetinių spindulių rūšys ir kuo jos skiriasi?

2. Koks šviesos greitis?

3. Maţiausio bangos ilgio elektromagnetinės bangos?

4. Didţiausio bangos ilgio elektromagnetinės bangos?

5. Kokios spalvos fotonų energija didţiausia?

6. Kokios spalvos fotonų energija maţiausia?

7. Kas yra Dopplerio reiškinys?

8. Kur geriausia įrengti teleskopą?

9. Sąveika, rišanti atomus į molekules?

10. Sąveika, rišanti planetas ir ţvaigţdes į grupes?

11. Kokių atomų Visatoje daugiausia?

12. Elementariosios dalelės, iš kurių sudaryti atomų branduoliai?

13. Jei neutralus atomas turi Z elektronų, tai kiek neutronų ir kiek protonų gali būti jo

branduolyje?

14. Jei atomo branduolys būtų tokio dydţio, kaip milimetro diametro taškas, tai kokio

dydţio būtų atomas?

15. Kokie yra du būdai atomo branduolio sukauptai energijai atpalaiduoti?

33

4. Visatos evoliucija

Taigi, Visata sudaryta beveik išimtinai tik iš vandenilio ir helio. Kaip atsiranda kiti elementai, kaip

gyvena ir miršta ţvaigţdės, koks jų energijos šaltinis, kaip iš Visatos išmokti gaminti ir taupiai

naudoti energiją? Pabandykime aptarti šiuos klausimus.

Pagrindinis Visatos energijos šaltinis yra ţvaigţdės, sukuriančios lokalines oazes nuolatos

besiplečiančioje ir dėl to vėstančioje Visatoje. Iš pirmo ţvilgsnio visos ţvaigţdės gana panašios,

ypač ţiūrint plika akimi iš Ţemės, bet kiek išsamiau patyrinėjus pasirodo, kad iš tiesų jos labai

skiriasi ir dydţiais, ir spindesiu, ir įvairiomis kitomis charakteristikomis, ir netgi savo spalvomis.

Iliustracija 1. Ţvaigţdţių spalvos.

Dabar pagaliau atėjo laikas išsiaiškinti, kas jas jungia, ir suprasti to lyg ir begalinio ţvaigţdţių

energijos šaltinio prigimtį. Vėl pamatysime, kad jos savo prigimtimi yra vienodos, besiskiriančios

tik pagrindiniu parametru - mase, kuri apsprendţia beveik visas kitas jų regimąsias savybes.

Jei prisimenate, Saulės vidutinis tankis yra 1.41 kilogramo į kubinį decimetrą. Tai yra ne ką daugiau

uţ vandens tankį, tačiau Saulė greičiau panašesnė ne į skysčio, o į labai įkaitusių dujų rutulį. Jos

paviršiuje tankis visai maţas, tačiau einant gilyn jis labai auga ir centre pasiekia reikšmes, dešimtis

kartų didesnes uţ švino tankį. Ir vis tik tai yra dujos, nes dėl labai aukštos temperatūros įvairios

esančios ten dalelės juda tokiais didţiuliais greičiais, kad jų sąveikos, tai yra ir kokios nors jų

koreliacijos, būdingos skystį arba kietą kūną sudarančioms dalelėms, pasireikšti negali. Betarpiškai

matomas yra tik Saulės paviršius; apie jos vidinę struktūrą galima spręsti tik kombinuojant

netiesioginių eksperimentų ir teorijos rezultatus. Gautos tokiu būdu ţinios yra patikimos, nauja

informacija tik patikslina jau turimą.

Pirmiausia akivaizdu, kad šis dujų kamuolys kaţkaip tai laikosi nekolapsuodamas, nesuskildamas

ir neišgaruodamas. Yra išsiaiškinta, kad jeigu veiktų tik gravitacinė sąveika, Saulė susitrauktų į

maţą kamuoliuką. Tam priešinasi jau minėta didţiulė vidinių dalelių kinetinė energija, sukelianti

efektinę slėgio jėgą, priešingą gravitacinei. Šis balansas, vadinamas hidrostatine pusiausvyra, yra

patenkintas kiekviename ţvaigţdės vidiniame taške; kitaip ţvaigţdę sudaranti medţiaga tekėtų iš

sričių, kuriose jėgos nesubalansuotos, į sritis, kur toks balansas jau susigulėjęs, ir pusiausvyra

vistiek nusistovėtų.

Išoriniuose Saulės sluoksniuose, kur branduolinės reakcijos nevyksta, vandenilio atomai sudaro apie

79 %, vidiniuose sluoksniuose jo yra maţiau - apie 73 %. Kaip minėjau, kitą dalį (viduje - apie 25

%) ten sudaro helio atomai. Kitų elementų yra tik pėdsakai. Tokia Saulės, kaip ir kitų ţvaigţdţių,

sudėtis yra sąlygota jos prigimties ir vykstančių branduolinių reakcijų. Sritis, kurioje tos reakcijos

vyksta, uţima tik apie 20 % spindulio. Joje tačiau sukoncentruotas apie trečdalis visos Saulės

masės, nes būtent toje srityje tankis yra pats didţiausias. Vykstant šioms reakcijoms, apie kurias dar

kalbėsime nuodugniau, išsiskiria daug energijos, kurios dalis pavirsta reakcijos produktų kinetine

energija (iš čia ir aukšta temperatūra), o kita dalis išspinduliuojama gama kvantų (didelės energijos

fotonų) pavidale. Šie fotonai, daug kartų absorbuoti ir vėl išspinduliuoti ir dėl to praradę energiją,

pavirtę visai kitų bangų ilgių fotonais, galų gale pasiekia Saulės paviršių ir išsisklaido erdvėje,

apšviesdami ir mus. Jei kelią, lygų Saulės spinduliui, fotonas vakuume nulekia per 2 sekundes, tai

Saulėje tą kelią jis įveikia tik per milijoną metų. Taigi, jei branduolinės reakcijos Saulėje staiga

nutrūktų (tai praktiškai neįmanoma), mes to dar nepajustume milijoną metų! Kaip prisimenate, šis

degantis dujų rutulys sukasi, iš jo išlekia ne tik fotonai, bet ir elektringos dalelės, sklindančios į

visas puses dideliu greičiu (Saulės vėjas) ir sukamos besisukančios Saulės magnetinio lauko ir tuo

pačiu ją stabdančios.

Didţiausia, daug metų neįminta paslaptis, susijusi su Saule, yra jos energijos šaltinis. Suprasta ji tik

dvidešimtojo amţiaus pradţioje, kai Einšteinas paskelbė savo garsiąją formulę

34

E = m c2 ,

leidusią masei virsti energija, o energijai - mase. Deja, tai buvo tik principinė galimybė, kuri

galutinai įgavo prasmę tik suformulavus kvantinę mechaniką (1926 metais). Įsigilinus galima

suvokti, kad kaip tik pagal šią formulę suvalgytas maistas oksidacijos reakcijos metu virsta energija,

reikalinga palaikyti kūno temperatūrą. Minėtos anksčiau cheminės reakcijos būtent ir yra tokios,

kurių metu susidariusio produkto masė yra šiek tiek maţesnė uţ reaguojančių molekulių masių

sumą. Būtent tas skirtumas ir pavirsta energija. Tas pats vyksta ir degant malkoms, anglims ar

dujoms. Deja, išsiskirianti šių reakcijų metu energija yra labai maţa palyginus su ta, kurią

spinduliuoja kokia nors ţvaigţdė.

Kas gi vyksta ţvaigţdės viduje? Panašiausias į tiesą scenarijus paskelbtas Hanso Betės darbuose

apie 1930 metus. Tai yra taip vadinamas protonų ciklas. Yra nustatyta, kad ir Saulė, ir jos planetos

yra susidarę iš to paties dujų ir dulkių debesies, kuriame atsiradus nehomogeniškumams

gravitacinės jėgos pritraukia vis naujus ir naujus vandenilio atomus. Augant tų didesnio tankio

uţuomazgų masei, neišvengiamai auga ir jų energija, atomai pradeda dauţytis vienas į kitą ir

jonizuotis. Šis procesas yra nepusiausvyrinis, kadangi gravitacinei jėgai kol kas niekas negali

pasipriešinti; todėl ilgainiui tankis ir energija taip išauga, kad bet kokie du protonai tose srityse

įgyja pakankamai energijos nugalėti elektrostatinį atostūmį, atsirandantį dėl jų krūvių vienodumo.

Kai tai atsitinka, atsiranda galimybė jiems tiek suartėti, kad pradėjus veikti labai trumpo siekio

branduolinėms (stipriosios sąveikos) jėgoms, jie gali sulipti, sudarydami deuterio branduolį. Vienas

protonas tokiu atveju pavirsta neutronu; išspinduliuojamas pozitronas ir neutrino. Šis deuterio

branduolys, susidūręs su trečiuoju protonu, gali pagimdyti dar naują branduolį (helį-3), sudarytą iš

dviejų protonų ir neutrono. Būtent šiuo momentu ir gimsta gama kvantas, pradedantis savo kelionę į

ţvaigţdės išorę. Susidūrus dviems tokiems naujiems helio-3 branduoliams atsipalaiduoja didţiulė

energija, kadangi susidaro helis-4, vadinamas alfa dalele, kuris, kaip ţinome, yra vienas stabiliausių

branduolių. Tas stabilumas ir reiškia, kad jos masė yra maţesnė uţ reaguojančių branduolių ir kitų

reakcijos produktų masių skirtumą. "Sutaupyta" masė, sudaranti 0.007 pradinės masės dalį, virsta

energija, kurią nusineša gimę dalelės. Prasidėjus tokioms reakcijoms, atsiranda jau minėtas slėgis,

besipriešinantis gravitaciniam kolapsavimui, ţvaigţdė toliau nebesitraukia, o pradeda išlaikyti

formą.

Iliustracija 2. Protonų ciklas. Kiek laiko uţteks Saulei turimo "kuro"? Pasirodo, baimintis nėra ko. Saulė dega dar tik apie 5

milijardus metų, ir turimų atsargų turėtų pakakti dar tokiam pat laikui. Šį rezultatą galima gauti

įvertinus, kad apie 10 % Saulės masės, lygios 2 * 1033

gramų, reaguoja, ir suskaičiavus, kiek

energijos (0.007 pradinės masės dalis) išsiskiria kiekviename minėtame akte, o taip pat pasirėmus

prielaida, kad Saulė spinduliuoja visą laiką tokią pat kaip šiuo metu ( 4 * 1033

ergų per sekundę)

energiją. Tai nėra labai grubūs įvertinimai, jie patikimi ir gali įkvėpti optimizmą, kad Saulės

energijos, kol ţmonės išmoks apsirūpinti kokia nors kitokia, mums turėtų uţtekti.

Taigi, Saulė yra tipiška vidutinė ţvaigţdė. Iš vienos pusės tai gerai, bet iš kitos nelabai patrauklu,

nes jos studijos duoda nelabai daug informacijos apie tai, kas vyksta kitokiose ţvaigţdėse ir kas

atsitinka vėliau, kai išdega (pavirsta heliu) esantis ţvaigţdėje vandenilis. Kadangi šis procesas yra

negrįţtamas, nes jo metu energija išsiskiria, turi kas tai iš esmės pasikeisti tokios ţvaigţdės

evoliucijoje. Stebėjimai ir teoriniai tyrimai rodo, kad būtent tai ir įvyksta.

Tiksliausiai bet kokį šviesulį apibūdina spinduliuotės galia (spindesys), tai yra pilnutinė energija,

kurią neša visų spektro diapazonų elektromagnetinės bangos per vienetinį laiką. Yra ţvaigţdţių,

kurių spindesys milijoną kartų didesnis negu Saulės, taip pat ir tokių, kurių spindesys yra milijoną

kartų maţesnis. Jei vietoj Saulės būtų šviesiausia ţvaigţdė, Ţemėje akimirksniu išgaruotų

vandenynai ir ištirptų kalnai, o jei blankiausia – viskas sušaltų į ragą.

35

Kalbėdami apie šviesą jau išsiaiškinome, kad priklausomai nuo ţvaigţdės temperatūros jos

spinduliuotės maksimumas gali atitikti įvairius bangų ilgius, taigi ir įvairias spalvas.

Pagal spalvą, tai yra, pagal paviršiaus temperatūrą, ţvaigţdės skirstomos į spektrines klases. Šių

klasių ţymėjimai ir apibrėţimai ilgainiui keitėsi, todėl yra įgavę gana betvarkį ir iš pirmo ţvilgsnio

nelogišką pavidalą.

Ţvaigţdţių spektrinės klasės ţymimos raidėmis O, B, A, F, G, K ir M. Šmaikštesni ţmonės aptiko

tvarką net ir šioje sekoje – angliškai tai lengvai įsimenama kaip sakinio „Oh, Be A Fine Girl/Guy,

Kiss Me!“ ţodţių pirmosios raidės. O klasės ţvaigţdės yra tos, kurių paviršiaus temperatūra

didţiausia. Ji gali siekti 50 000 Celsijaus laipsnių. Tai labai šviesios ţvaigţdės, visame danguje jų

matomos tik kelios. B klasės ţvaigţdės irgi karštos, šviesios, bet kiek vėsesnės. Šiai klasei priklauso

nemaţai ryškių ţvaigţdţių, matomų plika akimi, pavyzdţiui, Rygelis, kurio paviršiaus temperatūra

lygi 25 000 Celsijaus laipsnių. A klasės ţvaigţdės dar kiek vėsesnės – jos yra baltos spalvos. Tokių

ţvaigţdţių yra dar daugiau, dėl jų gerai matomas Paukščių Takas. Būdingos šios klasės ţvaigţdės –

Sirijus, Vega, Altayras ir Denebas, kurių paviršiaus temperatūra apie 10 000 laipsnių. Geltonai

baltos ţvaigţdės, kiek karštesnės uţ Saulę, priklauso F klasei, pavyzdţiui, Šiaurinė, kurios

temperatūra lygi 7 500 laipsnių. Saulė ir kitos geltonos spalvos ţvaigţdės priklauso G klasei; jų

paviršiaus temperatūra sudaro apie 6 000 laipsnių. Dar šaltesnės yra oranţinės spalvos K klasės

ţvaigţdės (temperatūra – nuo 4 000 iki 5 000 laipsnių), pavyzdys – ţvaigţdė milţinė Arktūras.

Paskutinė yra vėsiausių, kartu ir raudoniausių ţvaigţdţių M klasė. Tarp jų yra supermilţinė

Betelgeizė, kurios temperatūra tik 3 100 laipsnių.

Tarp šių dviejų svarbių ţvaigţdės charakteristikų – absoliučiojo ryškio ir spektrinės klasės arba

spalvos – yra rastas įdomus ryšys. Jei nupieštume diagramą, vadinamą jos autorių Hertzsprungo ir

Russello vardais (sutrumpintai – HR diagrama; sudaryta 1911–13 metais), kurios ordinačių ašyje

atidėtas ţvaigţdės absoliutusis šviesis, o abscisių ašyje – jos efektinė temperatūra (tiksliau tariant,

tai yra spalvos rodiklis) nuo O iki M klasės, tai dauguma stebimų ţvaigţdţių diagramoje pasiskirsto

ne bet kaip, o eina juosta iš kairiojo viršutinio (didţiausias šviesis, aukščiausia spektrinė klasė – O) į

dešinįjį apatinį kampą (maţiausias šviesis, spektrinė klasė M). Tos ţvaigţdės vadinamos

pagrindinės sekos ţvaigţdėmis, joms galioja paprasta taisyklė – kuo ţvaigţdė mėlynesnė, tuo ji

šviesesnė.

Iliustracija 3. Hertzsprungo ir Russsello diagrama.

HR diagramos svarbą galima suprasti nagrinėjant lengvai suvokiamą paprastą atvejį. Įsivaizduokite,

kad matuojamas kiekvieno į auditoriją įeinančio studento ūgis ir masė. Jei sukaupę pakankamai

duomenų pabandysime juos susieti diagrama, kurios x ašyje atidedama studento masė jos maţėjimo

tvarka, o y ašyje – jo ūgis, tai gauta diagrama bus labai panaši į Hertzsprungo ir Russello diagramą,

nes didesnio ūgio studento masė turi būti didesnė, o maţesnio ūgio studento – maţesnė. Dauguma

studentus vaizduojančių taškų tikriausiai atsidurs ant nelabai plačios juostos, einančios iš viršutinio

kairiojo į apatinį dešinįjį kampą. Kuo ne HR diagrama? Ką ji reiškia? Nesunku suvokti, kad

vienintelis dalykas, kurį ta diagrama akivaizdţiai rodo, yra tas, kad visi matuoti yra jauni beveik

vienodo amţiaus ţmonės. Senukams, drambliams arba skruzdėlėms tos diagramos turėtų atrodyti

kiek kitaip. Tai – pagrindinė išvada, kuri rodo, kad ţvaigţdės, kaip ir studentai, turi kaţką bendra.

Iliustracija 4. Studentų ūgio ir masės ryšys.

Tas bendrumas reiškia, kad visose pagrindinės sekos ţvaigţdėse energija gaminama vienodu būdu,

o jų savybės skiriasi tik todėl, kad skiriasi masės, tai yra „kuro“ atsargos ţvaigţdėse. Kuo didesnė

pagrindinės sekos ţvaigţdės masė, tuo ji karštesnė, ir atvirkščiai. Saulė, kaip minėta, yra tipiška

vidutinė ţvaigţdė, jos vieta yra beveik tos diagramos centre. Yra ir šimtą kartų didesnės, ir beveik

12 kartų maţesnės masės ţvaigţdţių. Labai masyvių ţvaigţdţių yra labai nedaug, o labai lengvas

(raudoniausias) sunku aptikti.

36

Diagramoje yra dar kelios sritys, kuriose išsidėsčiusios ne pagrindinės sekos ţvaigţdės – milţinės,

supermilţinės ir baltosios nykštukės, bet norint suprasti jų prigimtį ir vietą, reikia išsiaiškinti, kas

atsitinka „sudegus“ ţvaigţdei.

Nustatyta, kad visos ţvaigţdės, esančios pagrindinėje šios diagramos sekoje, yra jaunos ţvaigţdės,

kuriose deginamas vandenilis. Nustatyta, kad masyviose ţvaigţdėse šios reakcijos vyksta ţymiai

greičiau negu lengvosiose, todėl masyvios ţvaigţdės daug greičiau sudega. Saulės degimo laikas -

apie 10 milijardų metų. Ţvaigţdės, kurios masė 20 kartų didesnė, vandenilio deginimo laikas

analogiškai vertinant gaunasi tik apie 20 milijonų metų. Maţesnėms ţvaigţdėms jis gali būti ţymiai

didesnis uţ 10 milijardų metų. Deja, dėl fizikinio pobūdţio prieţasčių negali susiformuoti nė

nepaprastai masyvios, nė itin maţos ţvaigţdės, nes pirmuoju atveju tai riboja ţvaigţdės atsiradimo

sąlygos (debesies tankis, fluktuacijos dydis ir pan.), kurios negali būti kokios nors iš esmės

besiskiriančios nuo vidutinių, o antruoju atveju todėl, kad nesukaupus ţvaigţdei pirmajame etape

pakankamai masės, branduolinės reakcijos iš viso negali prasidėti, kaip matyt ir įvyko formuojantis

Jupiteriui, kuris savo sudėtimi labai panašus į Saulę, bet nešviečia.

Šie rezultatai gauti teorinių samprotavimų ir skaičiavimų išdavoje, tačiau egzistuoja ir labai įdomi

galimybė patikrinti šias išvadas. Yra surasta nemaţai taip vadinamų ţvaigţdţių spiečių, turinčių nuo

kelių dešimčių iki šimtų tūkstančių ţvaigţdţių (nepainioti su galaktikomis, turinčiomis jų

milijardus). Ţvaigţdės, sudarančios tokį spiečių, yra susiformavę beveik vienu metu iš to paties

dujų debesies, skiriasi tik jų masės. Lengva tokias ţvaigţdes lyginti, nes jos visos beveik vienodai

nutolę nuo Ţemės ir paklaidos nustatant atstumus, o tuo pačiu ir absoliučiuosius ryškius, tokiu

atveju yra minimalios. Akivaizdu, kad minėta teorija yra patvirtinama tokių spiečių stebėjimais.

Sudegus vandeniliui, ţvaigţdė išeina iš pagrindinės sekos. Kokioje sekos vietoje tai atsitinka ir į ką

ji evoliucionuoja, priklauso vėlgi pagrindinai tik nuo ţvaigţdės masės. Pirmiausia panagrinėkime

evoliuciją ţvaigţdės, kurios masė maţdaug lygi Saulės masei, po to atskirai panagrinėsime kaip

masyvesnes, taip ir lengvesnes.

Saulės tipo ţvaigţdė, kaip ir visos kitos, degdama tolydţio kinta, nes vandeniliui virstant heliu

centrinės dalies tankis ir temperatūra auga. Auga ir ţvaigţdės šviesis, taigi ji lėtai juda diagramoje

aukštyn. Pakilusi centre temperatūra labiau įšildo ir išorinius sluoksnius, juose irgi prasideda

vandenilio degimo reakcijos. Taip degimo sritis tolydţio plečiasi, kol, praėjus po gimimo maţdaug

10 milijardų metų, pasiekia ţvaigţdės išorę. Tai reiškia, kad visas vandenilis jau yra pavirtęs heliu.

Čia labai vykusi atrodo analogija su krosnimi, į kurią pridėjus kuro degtuku uţdegama tik labai

nedidelė sritis kur nors netoli pakuros. Ugnis toliau pati ţino ką daryti - ji plinta į kraštus,

įtraukdama į reakciją vis naujas kuro mases ir versdama jas pelenais. Ţvaigţdėse tų "pelenų", kaip

pamatysime, yra daug rūšių, ir pirmoji jų yra helis. Degimo sričiai artėjant prie ţvaigţdės paviršiaus

gravitacinė trauka jau nebepajėgia atsverti slėgio, atsirandančio dėl aukštos temperatūros srities

plitimo. Jį galima kompensuoti tik plečiantis išoriniams sluoksniams ir dėl to jiems vėstant. Taip ir

atsitinka. Ţvaigţdės spindulys šioje stadijoje gali labai išaugti - iki 50 kartų. Padidėjus ţvaigţdės

paviršiaus plotui padidėja ir jos šviesis (iki 1500 kartų), nors išorinių sluoksnių temperatūra ir yra

ţemesnė nei anksčiau. Ţvaigţdė virsta raudonąja milţine, telpančia dešiniajame viršutiniame HR

diagramos kampe.

Jeigu ţvaigţdės masė nedidelė, tuo visos branduolinės reakcijos ir pasibaigia. Saulės masės

ţvaigţdei galimas dar vienas šansas sublizgėti - taip vadinamas helio blyksnis. Jis įvyksta todėl, kad

vandenilio degimo reakcijai plintant į išorę vidiniai sluoksniai, sudaryti iš helio, pradeda trauktis ir

šilti, ir besibaigiant vandenilio degimui temperatūra centre pasiekia reikšmes, pakankamas, kad trys

helio branduoliai susidūrę įveiktų kuloninį atostūmį ir suartėtų iki atstumų, kai pradeda veikti

branduolinės jėgos. Tada jie virsta anglies atomo branduoliu, turinčiu šešis protonus ir šešis

neutronus. Po tokios reakcijos produkto masė vėl maţesnė uţ susiduriančiųjų trijų alfa dalelių,

todėl, kaip ir degant vandeniliui, atsipalaiduoja nemaţai energijos. Ţvaigţdė vykstant šiai reakcijai

37

tampa kiek šviesesnė ir mėlynesnė, tačiau tai tęsiasi neilgai, nes helio degimo reakcijoms plintant į

paviršių ji dar kartą grįţta į raudonosios milţinės fazę. Saulės masės ţvaigţdėms po to

termobranduolinės reakcijos pasibaigia, tuo tarpu masyvesnėms vykstant helio degimui centre gali

susidaryti sąlygos, palankios dar sunkesnių branduolių - deguonies, neono, magnio ir toliau iki

geleţies, sintezei. Kadangi geleţis, kaip ţinome, turi stabiliausią atomo branduolį, tolesnės

branduolių sintezės reakcijos negali vykti, nes jos neapsimoka energetiškai. Jeigu ir susidaro koks

sunkesnis elementas, tai tik grynai atsitiktinai.

Antrą kartą tapusi raudonąja milţine, Saulės tipo ţvaigţdė degraduoja, nes praranda galimybę

gaminti energiją. Ir pirmąjį, ir antrąjį kartą branduolinių reakcijų zonai pasiekus ţvaigţdės paviršių,

dalis išorinio sluoksnio nulekia į erdvę, kadangi jo niekas nebelaiko, o kinetinė energija yra labai

didelė. Taip atsitikus antrąjį kartą, ţvaigţdė pradeda pulsuoti, kaskart nusimesdama vis naujus

išorinius sluoksnius. Dėl to ji pradeda maţėti. Centre, kuris dabar tampa išore, esanti aukšta

temperatūra sąlygoja jos baltą spalvą, todėl ji vadinama baltąja nykštuke. Tai yra gana keistas

objektas, kurio masė palyginama su ţvaigţdės, iš kurios ji išsivystė, mase, o spindulys - su Ţemės

spinduliu. Tai sąlygoja labai didelį jos tankį, pasiekiantį tonų į kubinį centimetrą reikšmes. Vėliau

tokia ţvaigţdė tolydţio vėsta, jos temperatūra ir spindesys vis maţėja.

Masyvesnės uţ Saulę ţvaigţdės savo kelią pradeda kitoje HR diagramos vietoje, nes jų šviesis yra

didesnis, o spalva - mėlynesnė. Jų gyvavimo laikas maţesnis, todėl viskas vyksta daug greičiau.

Tokia ţvaigţdė gali pereiti ne dvi, bet keletą raudonosios gigantės fazių, įvykstančių pasibaigus

eiliniam branduoliniam kurui (vandeniliui, heliui, angliai, deguoniui, neonui ir taip toliau).

Kiekvieną kartą po tokios fazės ji praranda dalį savo masės. Priklausomai nuo to, kiek masės liko,

galimi keli tolesnės evoliucijos išdegus visam branduoliniam kurui variantai. Jei lieka maţiau kaip

1.4 Saulės masės, ji, kaip ir Saulė, evoliucionuoja į baltąją nykštukę. Jei likusi masė didesnė uţ šią,

bet maţesnė uţ 2 - 3 Saulės mases, ji galų gale tampa neutronine ţvaigţde.

Iliustracija 5. Ţvaigţdės gimimas. Neutroninės ţvaigţdės atsiranda, kai kolapsuojant ţvaigţdei elektronas ir protonas gali susispausti

taip, kad įvykus specifinei reakcijai iš jų susidaro neutronas. Atsiradusių neutronų tolesnis

suspaudimas tokios masės ţvaigţdėje neįmanomas, todėl ji ir lieka neutronine ţvaigţde. Kaip

prisimenate, nei iš dviejų, nei iš trijų ir taip toliau neutronų stabilūs branduoliai nesusidaro.

Neutroninė ţvaigţdė irgi nėra darinys, panašus į kokio nors elemento branduolį, nes ji laikosi ne dėl

stipriosios, o dėl gravitacinės sąveikos. Jos savybės dar fantastiškesnės uţ baltosios nykštukės

savybes, nes diametras sudaro ne daugiau kaip 10 kilometrų, o masė lygi maţdaug dviems Saulės

masėms. Pabandykite paskaičiuoti jos tankį!

Esant dar didesnėms liekamosioms masėms, iš ţvaigţdės išsivysto juodoji skylė, tai yra pats

egzotiškiausias iš visų kol kas minėtų objektų, reiškiantis visišką gravitacijos jėgų pergalę prieš

visas kitas, visus draudimus ir pagrindines fizikos taisykles. Ilgą laiką buvo manoma, kad jų iš viso

neįmanoma pastebėti, tačiau pastaruoju metu ši nuomonė yra pakitusi. Ţvaigţdei kolapsuojant, tai

yra maţėjant jos spinduliui, gali ateiti toks momentas, kad antrasis kosminis greitis, tai yra greitis,

būtinas įveikti to objekto traukos jėgą, gali pasidaryti didesnis uţ šviesos greitį. Tai įvyksta, kai

objekto spindulys sumaţėja iki taip vadinamo Švarcšildo spindulio, kuris Saulei lygus 3

kilometrams, Ţemei - 9 milimetrams ir panašiai; yra formulė jam suskaičiuoti. Tokiu atveju iš taip

susitraukusio objekto negali "pabėgti" netgi fotonai. Jei taip, tai jokia informacija iš kūno,

susitraukusio iki šios sferos arba maţesnių išmierų, išeiti į išorę negali. Logiška galvoti, kad jų tuo

pačiu negalima ir aptikti, tačiau tai nėra teisinga. Pasirodo, toks objektas, turintis didelę masę, gali

pasireikšti iškreipdamas apie save erdvę. Jei jis būtų vienas iš dvinarės ţvaigţdės narių, tai antrojo

objekto - matomosios ţvaigţdės judėjimo pobūdis gali stipriai pasikeisti. Stebint tokios ţvaigţdės

judėjimą, galima identifikuoti jos partnerę. Juodoji skylė gali taip pat iškraipyti praskriejančius pro

šalį fotonus, tai irgi gali padėti ją aptikti.

38

Iliustracija 6. Fantastinė kelionė per mikro ir makro pasaulius. Tuo ir galima būtų baigti ţvaigţdţių gyvenimo apţvalgą. Visatoje yra stebimos praktiškai visos

minėtos vystymosi fazės, pradedant gimimu iš dujų ir dulkių debesies ir baigiant juodaja skyle.

Matomi ir dar įdomesni procesai, kai evoliucionuojant ţvaigţdţių poros nariams jie pradeda įtakoti

vienas kitą ne tik gravitacinėmis jėgomis, bet ir betarpiškai. Materija gali tekėti iš vienos ţvaigţdės

į kitą ir sukelti ţymų jos spindesio padidėjimą (tokia ţvaigţdė vadinasi nova). Ţvaigţdės tarsi

gyvena, bendradarbiauja, kaip kokios firmos, vienos bankrutuodamos, kitos – jų sąskaita

išsiplėsdamos, ir šiaip patirdamos visokius kitokius netikėčiausius nuotykius.

Kaip gi vis tik Visatoje atsiranda visi kiti elementai, sunkesni uţ geleţį, kurie, tarp kitko, būtini

gyvybės egzistavimui? Kaip jau išsiaiškinome, jų susidarymas negali būti savaiminis, nes nebekuria

energijos, o reikalauja didţiulių jos sąnaudų. Laimei, toks mechanizmas – supernovų sprogimai ir

kitos katastrofos, kuriamos vėlgi gravitacijos jėgų, kaip tik ir realizuojasi sudegus masyvioms

ţvaigţdėms, kurių viduje yra sukaupti dideli geleţies branduolių kiekiai. Sprogimo metu tie

branduoliai yra praturtinami neutronais ir sukuria visą sunkesniųjų branduolių šeimą. Šie

branduoliai po nedelsiant vykstančių radioaktyviųjų virsmų virsta stabiliais arba ilgai gyvuojančiais

branduoliais, uţpildančiais sekančią po geleţies branduolių stabilumo tako dalį.

Tai, kad Ţemės gelmėse galima rasti įvairių elementų, kurių branduoliai yra sunkesni uţ geleţį

(geriausias pavyzdys – auksas), reiškia, kad Saulė, kurios amţius yra apie 5 milijardai metų, nėra

pirmosios kartos ţvaigţdė, gimusi Paukščių Tako formavimosi metu, o yra atsiradusi ţymiai vėliau

kaip Galaktikos vystymosi produktas, susikūręs iš kokybiško dujų ir dulkių debesies, dėl anksčiau

vykusių katastrofų praturtinto sunkiaisiais branduoliais. Taigi, Ţemės susiformavimui neabejotinos

įtakos turėjo artimųjų, o gal ir ne taip jau artimų Paukščių Tako sričių istorija ir savybės. Kaţkas

panašaus yra ir su gyvybe Ţemėje. Visai priimtini du scenarijai - pirmasis, kad gyvybė pati išsivystė

Ţemėje evoliucijos keliu, ir antrasis - kad sporos, sudarančios jos atsiradimo pagrindą, buvo

atgabentos į Ţemę kaţkokio tai kosminio keliauninko (kometos, asteroido ar panašaus). Abiem

atvejais neabejotina aplinkos, tuo pačiu ir Visatos, įtaka. Tai yra visiškai natūralu ir suprantama, nes

efektingiausiai vystosi tik atviros sistemos, kurių vienu iš pavyzdţių gali būti ir mūsų auditorija.

Dėl šios prieţasties tam tikra prasme racionalus grūdas yra ir judėjų - krikščionių - musulmonų

mituose apie sunkius dievybės, tai yra kaţkokio išorinio prado, darbus kuriant visus šiuos dalykus.

Visa, apie ką dabar kalbėjome, liečia daugiau Visatos įtaką Saulės sistemos, Ţemės ir ţmonijos

atsiradimui ir istorijai. Gal net įdomesnis yra klausimas, koks Visatos poveikis mūsų gyvenimui

šiandien. Ţaismingai, nors ir nelabai lengvai, nes kiekvieną kartą tenka skaičiuoti planetų padėtis,

šią problemą sprendţia, kaip jau anksčiau matėme, astrologai. Šiaip pati astrologijos idėja yra visai

nebloga, nes Visata, kaip jau supratote, turi ţymią įtaką mūsų gyvenimui. Deja, suversti visą "bėdą"

planetoms yra nelabai protinga ir, kaip rodo pateikti ankstesnėse paskaitose elementarūs įvertinimai,

netikslu.

Yra tiksliai ţinoma, kad nepaisant lokalinių fliuktuacijų Visata yra homogeninė ir izotropinė, tai yra

tokia pati beveik visuose pakankamai dideliuose tūrio elementuose ir stebint visomis kryptimis. Ši

jos savybė pasireiškia lygčių, aprašančių vykstančius Visatoje reiškinius, simetrijomis. Kitais

ţodţiais tariant, fizikos lygtys, aprašančios izoliuotą sistemą, tokią kaip pavienis atomas ar Saulės

šeima, yra invariantiškos transliacijų ir posūkių erdvėje atţvilgiu. Praktiškai pirmoji simetrija

pasireiškia tuo, kad pernešus tą atomą ar visą Saulės šeimą į kitą vietą Visatoje, jų savybės turėtų

nepasikeisti, o antroji - kad pasukus šią sistemą savybės taip pat neturi keistis. Kasdieniniame

gyvenime, pavyzdţiui, tai reiškia, kad akmenys tokiu pat pagreičiu kaip dabar krito ir prieš du

šimtus, ir prieš du milijonus metų, nors Ţemė su Saule tais momentais buvo visai kitose Paukščių

Tako, o tuo pačiu ir Visatos, vietose, o taip pat tai, kad stalas dėl Ţemės pasisukimo nepakeičia

naktį savo formos. Taigi, šie judėjimo lygčių ir Visatos invariantiškumai yra tiesiogiai surišti ir seka

vienas iš kito. Jie neblogai patikrinti eksperimentiškai, nes pasiekianti iš Visatos informacija,

39

atnešama šviesos, byloja būtent apie tai, kad įvairiose vietose atomai yra visai tokie patys, kaip ir

Ţemėje, Saulėje ar kur kitur artimiausioje mūsų aplinkoje. Stebuklingiausia Visatoje yra tai, kad

kaţkokiomis tai lygtimis, kuriose yra tik skaičiukai ar raidytės, iš viso galima aprašyti gamtos

reiškinius. Antrasis stebuklas yra tas, kurį šio amţiaus pradţioje (1918 metais) įrodė matematikė E.

Noether. Ji ne šiaip sau išfilosofavo, o grieţtai ir įtikinamai matematiškai pademonstravo, kad

kiekviena tokia simetrija yra surišta su kokiu nors tvermės dėsniu.

Pasirodė, kad Visatos homogeniškumas, pasireiškiantis judėjimo lygčių transliaciniu

invariantiškumu (tai yra invariantiškumu pernešimo erdvėje atţvilgiu), yra judesio kiekio tvermės

prieţastis. Analogiškai Visatos izotropiškumas (vienodumas stebint visomis kryptimis) pasireiškia

judėjimo lygčių invariantiškumu posūkių atţvilgiu ir yra judesio kiekio momento tvermės dėsnio

prieţastimi. Sunku net įsivaizduoti, koks būtų mūsų gyvenimas, jei negaliotų šie tvermės dėsniai. Iš

šių rezultatų seka iš viso stulbinanti išvada, kad Visatos struktūrą galima tirti stebint pavienį atomą

arba kokią elementarią dalelę. Bet kokie šių tvermės dėsnių paţeidimai tame atome ar dalelėje gali

būti sąlygoti tik nukrypimais nuo Visatos homogeniškumo arba izotropiškumo. Deja, tai kol kas

nestebėta nei makro, nei mikro pasauliuose. Tai ir yra vienas iš Visatos įtakos mūsų gyvenimui

pasireiškimų. Jei kas nors pasikeistų ir būtų ne taip, kaip yra, Visatoje, tai tuoj pat labai ryškiai

pasireikštų mūsų kasdieniniame gyvenime. Gali būti, kad tokiu atveju daug kas, tame tarpe ir mes

patys, iš viso negalėtume egzistuoti.

Gal būt kai kam jau kilo klausimas, su kokia Visatos simetrija surištas energijos tvermės dėsnis. Ta

pati E.Noether yra įrodţiusi, kad jis seka iš Visatos laiko homogeniškumo. Ir klasikinės Niutono, ir

kvantinės Šrėdingerio lygtys yra invariantiškos laiko transliacijų atţvilgiu, tai yra ta pati uţdara

sistema, esanti toje pačioje vietoje, įvairiais laiko momentais evoliucionuoja vienodai, tai reiškia,

yra aprašoma visiškai ta pačia lygtimi, o esant toms pačioms pradinėms sąlygoms - ir tais pačiais

sprendiniais, nepriklausančiais nuo laiko atskaitos taško. Niutono lygtys, parašytos prieš tris šimtus

metų, aprašo šiandieninį Mėnulio judėjimą taip pat gerai, kaip ir anais laikais. Jeigu Visatos savybės

kaip nors pasikeistų, ir laikas taptų nehomogeniškas, tai iš karto pasireikštų netgi paprasčiausiuose

buitiniuose reiškiniuose. Yra ir kitokių tvermės dėsnių, pavyzdţiui, krūvio, barijoninio krūvio,

keistumo ir panašių kitų, kurių ryšys su Visatos simetrijomis kol kas neakivaizdus.

Reikia paminėti ir dar vieną laiko savybę, tai yra jo neizoptropiškumą, pasireiškiantį tuo, kad mes

prisimename praeitį, bet negalime prisiminti ateities, negalime nieko pakeisti praeityje, bet esame

beveik visagaliai planuodami savo bent jau artimiausią ateitį. Ryšium su šiuo visiškai akivaizdţiu

laiko nesimetriškumu ilgą laiką gana keistai atrodė klasikinės Niutono lygtys, kurios yra simetriškos

laiko apgręţimo atţvilgiu. Klasikinėje fizikoje kai kuriais atvejais tokia simetrija nėra keista, nes du

susiduriantys bilijardo rutuliai, jei juos nufilmuotume, o po to filmą paleistume į atvirkščią pusę,

atrodytų judantys visai natūraliai. Kitaip būtų su filmu, kuriame uţfiksuotas kiaušinio kritimas arba

ţmogaus gyvenimas, todėl akivaizdu, kad klasikinės lygtys tinka toli graţu ne visiems procesams

aprašyti. Tarp kitko, jos negali aprašyti nei Visatos vystymosi, nei mikroskopinių procesų, kurie

atsakingi ir uţ gyvybės atsiradimą. Šiuo metu jau galutinai aišku, kad visi fundamentalūs procesai

Visatoje turi kvantinę prigimtį, tai reiškia, jie gali būti aprašomi tik Šrėdingerio lygtimi, kuri šios

prieštaraujančios sveikam protui simetrijos neturi. Jos sprendiniai, atitinkantys priešingas laiko

tekėjimo kryptis, yra skirtingi. Tai išsprendţia vieną sudėtingiausių Visatos paradoksų, susijusių su

laiko neizotropiškumu.

Galų gale, kvantinė mechanika sudaro galimybes išspresti ir dar vieną kosmologijos paradoksą,

susijusį su įvykių determinizmu. Jeigu Visata vystytūsi pagal klasikinės mechanikos dėsnius, kaip

ilgą laiką atrodė, tai Niutono lygtys Visatai, uţdavus tam tikras pradines sąlygas bet kuriuo laisvai

pasirinktu momentu, turėtų aprašyti visą vėlesnę jos evoliuciją, įskaitant ir tai, kur kiekvienas iš

mūsų rytoj pietaus. Akivaizdu, kad tai yra nesamonė, tokiu būdu gyvybės atsiradimas Visatoje iš

viso būtų neįmanomas; be to, kiekvieno mūsų valia kiekvienu momentu leidţia nukrypimus nuo šių

40

dėsnių prognozuojamų rezultatų, todėl jie darosi iš viso beprasmiai. Kitaip visa tai atrodo, jei

reikalai vystosi pagal kvantinės mechanikos dėsnius - tik tokiu atveju Heizenbergo neapibrėţtumo

principas leidţia realizuotis įvairiausioms galimybėms ir sudaro bazę atsirasti tokiai stebuklingai

fliuktuacijai, kaip gyvybė su visomis iš to išplaukiančiomis pasekmėmis.

Iliustracija 7. Kosminis kalendorius. Baigdami paţvelkime į lentelę, kurioje pateikiami energijos, sukauptos vienose ar kitose

medţiagose ir atpalaiduojamos nurodytu būdu, mastai.

Medţiaga

(1 kilogramas)

Procesas Laikas, kurį dega 100 W lemputė,

naudojanti sukurtą energiją

Vanduo Krinta iš 50 m aukščio (beveik kaip

Kauno hidroelektrinėje)

5 sekundės

Anglis Sudega krosnyje arba šiluminėje

elektrinėje

8 valandos

3 procentų įsodrinimo urano rūda

UO2

Skyla reaktoriuje, tokiame kaip

Ignalinos atominėje elektrinėje

690 metų

Grynas uranas 235

U Visiškas skilimas kaip pirmosiose

atominėse bombose

30 tūkstančių metų

Deuterio ir tričio dujų mišinys Visiška sintezė kaip ţvaigţdėse ar

šiuolaikinėse branduolinėse bombose

30 tūkstančių metų

Medţiaga ir antimedţiaga Anihiliacija, vykstanti pagal Einšteino

formulę E = mc2

30 milijonų metų

Jei prisimenate, vidutinis ţmogaus galingumas yra panašus į pateiktos lentelėje lemputės, tačiau jo

poreikiai vystantis civilizacijai yra ţymiai didesni ir vis auga, todėl tradiciniai energijos gamybos

būdai jau yra atgyvenę.

Branduolinė energetika, naudojanti sukauptų Ţemės gelmėse radioaktyviųjų branduolių skilimo

procesus, yra kiek susikompromitavusi dėl buvusių avarijų ir gresiančių radioaktyviųjų atliekų

saugojimo problemų. Šios problemos nėra lemiančios, didelį vaidmenį stabdant branduolinės

energetikos vystymąsi vaidina nuoţmi ir gausiai finansuojama naftos ir dujų magnatų, o ir

gyvenančių iš ţaliavų teikimo valstybių pasipriešinimo kampanija. Avarijų, tokių kaip vykusi

Černobylyje, prieţastys yra nepakankamas aptarnaujančio personalo atidumas ir kontrolė, tai yra tos

pačios, kaip ir daugybės kasdien kad ir mūsų valstybėje uţsidegančių gaisrų, kuriuose ţūva

tūkstančius kartų daugiau ţmonių, nei yra nukentėjusių nuo tų avarijų. Galų gale, kol kas niekas

neskaičiavo, kiek ţmonių kasmet ţūva nuo oro uţteršimo naftos degimo produktais (manoma,

milijonai). Branduolinė energetika šio uţteršimo leidţia visiškai išvengti.

Ţinoma, dar geresnis energijos gavybos būdas būtų tas, kurį ţmonija paţino supratusi ţvaigţdţių

energijos šaltinį, nes Visatoje vykstantys procesai ir jų produktai yra susigulėję per milijonus metų,

todėl patys tobuliausi. Tai – termobranduolinė sintezė. Deuterio ir tričio arba helio-3 branduolių,

reikalingų šiai sintezei, kiekiai vandenynuose yra praktiškai neišsemiami, todėl išsivysčusios

valstybės šiems darbams skiria labai didelį dėmesį. Naujasis tarptautinis ITER projektas, kuriame

aktyviai dalyvauja ir mūsų valstybė – Europos Sąjunga (įrenginiui Prancūzijos pietuose, kuriame

tikimasi tokias reakcijas uţdegti ir padaryti jas rentabiliomis, skirtas daugiau nei dešimties milijardų

eurų finansavimas), gali po vieno-kito dešimtmečio atverti tokias galimybes.

41

Paskutinis, pats efektingiausias teoriškai materijos ir antimaterijos anihiliacijos pagal Einšteino

formulę mechanizmas būtų dar efektingesnis, tačiau mūsų gyvenamoje Visatos dalyje, o gal ir

visoje Visatoje antimedţiagos yra labai maţai ir todėl jos gamyba kol kas reikalauja daug daugiau

energijos sąnaudų, nei ji gali duoti anihiliuodama.

Klausimai

1. Kas lemia ţvaigţdės gyvavimo laiką?

2. Kiek laiko dar gali degti Saulė?

3. Kokiam procesui pasibaigus ţvaigţdė palieka pagrindinę seką?

4. Ţvaigţdės energijos šaltinis?

5. Kas bendra baltajai nykštukei, neutroninei ţvaigţdei ir juodajai skylei?

6. Kas yra juodoji skylė?

7. Kokie branduoliai susidaro degant ţvaigţdei?

8. Kokių ţvaigţdţių mūsų Galaktikoje daugiausia?

9. Kaip Visatoje atsiranda elementų, sunkesnių uţ geleţį?

10. Kokios Visatos simetrijos sąlygoja ţinomiausius tvermės dėsnius?

11. Su kokiomis problemomis susiduria klasikinė mechanika, aiškindama Visatos

evoliuciją?

12. Ar galėjo kokios nors formos gyvybė atsirasti Visatoje tuoj pat po Didţiojo

Sprogimo?