Связь физики с астрономией

Физика изучает общие законы природы, и поэтому многие естественные науки тесно связаны с физикой. В частности, существуют такие смежные разделы этой науки, как биофизика, геофизика, физическая химия и другие. Но особенно тесно связана с физикой астрономия.

Астрономия изучает движение звезд, планет, спутников, процессы, происходящие в атмосфере планет, в звездах и других небесных телах. Ведущим разделом современной астрономии является астрофизика.

Астрофизика — это часть астрономии, которая изучает физические свойства небесных тел и процессы, протекающие в них и в космическом пространстве. При этом широко используются физические законы, поэтому она и получила такое название. Так, с одной стороны, астрофизика занимается разработкой и применением физических методов исследования небесных тел, а с другой — на основании законов физики дает объяснение наблюдаемым во Вселенной явлениям и процессам. Кроме того, астрофизика является важным стимулом для развития современной теоретической физики. Например, вопрос об атомной энергии начал разрабатываться на основе данных об энергетической светимости Солнца и звезд.

Наконец, астрономические наблюдения позволяют изучать поведение вещества в таких условиях, которые искусственным путем в земных условиях неосуществимы. С этой точки зрения Вселенную можно рассматривать как неповторимую и неисчерпаемую природную физическую лабораторию. Например, большинство так называемых элементарных частиц было открыто в космосе. Средняя энергия частиц первичного космического излучения (на верхней границе атмосферы) составляет около 104 МэВ. Отдельные частицы обладают энергией порядка 1012 МэВ, т. е. космические лучи являются источником частиц сверхвысоких энергий, еще не достигнутых в лабораторных условиях. При взаимодействии таких частиц с веществом происходят принципиально новые ядерные реакции, изучение которых углубляет наши знания о свойствах ядер и элементарных частиц.

Космос — это природная физическая лаборатория. В ней интенсивно происходят явления, невозможные в земных условиях (например, нагревание тел до миллионов градусов). В космосе есть небесные тела, подобные Земле, какой она была миллионы лет тому назад или какой она станет в далеком будущем. Поэтому, изучая космос, человек углубляет свои знания о Земле, в том числе и о самом себе.

Земля — это мизерная часть Вселенной. На процессы, протекающие в земной атмосфере, и на жизнедеятельность всех организмов на Земле существенное влияние оказывают другие планеты, а также Солнце и Луна. Это тоже объекты изучения астрофизики — науки, раскрывающей двери перед человечеством в огромнейший, удиви тельный и прекрасный мир звезд, комет, туманностей и галактик, определившей пространственные и временные масштабы этого динамического и сложного мира.

Раздел астрономии, изучающий происхождение и развитие небесных тел, называется космогонией (от греч. kosmos — Вселенная и genos — происхождение). Космогония отвечает на вопросы, как и когда возникли Вселенная, галактики, звезды, планеты, какие на них происходят физические изменения и процессы.

Космология представляет собой учение о Вселенной в целом, о ее наиболее общих свойствах.

Значительно увеличила возможности изучения Земли и других небесных тел космонавтика (от греч. kosmos + pautike — корабле вождение) — наука о полетах в космическое пространство; совокупность отраслей науки и техники, которые проводят исследования и освоение космического пространства для нужд людей с использованием космических летательных аппаратов. Космонавтика решает следующие проблемы: расчет траектории, конструирование космических ракет, двигателей, бортовых систем управления, пусковых комплексов, систем связи и информации, создание бортовых систем обеспечения жизнедеятельности человеческого организма в условиях космического полета.

Основоположником космонавтики является выдающийся отечественный ученый Константин Эдуардович Циолковский (1857 – 1935), который теоретически обосновал возможность покорения космоса при помощи ракет. На практике это осуществил академик Сергей Павлович Королев (1906 –1966). Начало практической космонавтике было положено 4 октября 1957 г., когда в нашей стране был запущен первый искусственный спутник Земли. Вскоре после этого, в 1959 г., были запущены отечественные межпланетные автоматические станции для исследования Луны и получены фотографии ее обратной, не видимой с Земли, стороны. Cтарт «Востока»

12 апреля 1961 г. с первым в мире космонавтом Юрием Алексеевичем Гагариным (1934 – 1968) на борту открыл век космических полетов.

В 1969 г. американские астронавты Н. Армстронг и Э. Олдрин вышли из космического корабля на поверхность Луны. Космические исследования не ограничиваются изучением Земли и ее спутника Луны. Уже запущены автоматические межпланетные станции к Марсу, Венере, Юпитеру. Обсуждается идея совместной экспедиции отечественных и американских астронавтов к планете Марс.

Единство законов природы для земных и космических явлений тесно связывает физику и астрономию. Так, движение планет вокруг Солнца и падение тел на землю происходит под действием одной и той же силы — силы тяготения (гравитационной). Движение космических аппаратов осуществляется по законам, которые были открыты на Земле при изучении движения свободно падающих тел.

Развитие астрономии, в частности астрофизики и космонавтики, способствует развитию физики. Вселенная для ученых представляет собой огромную физическую лабораторию. Вещество в ней находится нередко в таких состояниях, которые нельзя получить в земных условиях. Многие физические открытия были сделаны при анализе явлений в космосе. Так, инертный газ гелий (от греч. helios — Солнце) был открыт при исследовании солнечного света, а затем его обнаружили в атмосфере Земли.

На протяжении тысячелетий астрономы получали только ту информацию о небесных явлениях, которую им приносил свет. Можно, сказать, что они изучали эти явления через узенькую щель в обширном спектре электромагнитных излучений. Три десятилетия тому назад благодаря развитию радиофизики возникла радиоастрономия, необычайно расширившая наши представления о Вселенной. Она помогла узнать о существовании многих космических объектов, о которых ранее не было известно. Дополнительным источником астрономических знаний стал участок электромагнитной шкалы, лежащий в диапазоне дециметровых и сантиметровых радиоволн.

Огромный поток научной информации приносят из космоса другие виды электромагнитного излучения, которые не достигают поверхности Земли, поглощаясь в ей атмосфере. С выходом человека в космическое пространство родились новые разделы астрономии: ультрафиолетовая и инфракрасная астрономия, рентгеновская и гамма-астрономия. Необычайно расширилась возможность исследования первичных космических частиц и излучений, приходящих из космического пространства. Объем научной информации, полученной астрономами за последние десятилетия, намного превысил объем информации, добытой за всю прошлую историю астрономии. Используемые при этом методы исследования и регистрирующая аппаратура заимствуются из арсенала современной физики; древняя астрономия превращается в молодую, бурно развивающуюся астрофизику.

Сейчас создаются основы нейтринной астрономии, которая будет доставлять ученым сведения о процессах, происходящих в недрах космических тел, например в глубинах нашего Солнца. Создание нейтринной астрономии стало возможным только благодаря успехам физики атомных ядер и элементарных частиц.