Лекции о Солнце

Предисловие

Эта книга содержит несколько лекций о Солнце. Если говорить точнее, не столько о самом Солнце, сколько о наших представлениях о нем. Эти представления со временем менялись, причем довольно существенно. По поводу сущности Солнца и того, что на нем происходит, выдвигались многочисленные версии, большинство из которых в конечном итоге оказались неверными.

Я попытался показать, как долгими веками шел путь познания природы дневного светила. Умозрительные рассуждения о Солнце постепенно сменялись научными гипотезами, и разброс во взглядах на нашу родную звезду медленно уменьшался по мере того, как научный метод позволял получать все больше информации о ней.

Вся история исследований Солнца показывает тесную связь общего уровня науки с возможностями гелиофизиков. Наука развивается по своим внутренним законам, отдельные направления науки помогают другим, все время выравнивая общий фронт научных исследований. Так, например, выдающиеся достижения в области спектрального анализа, сделанные в XIX веке, и будучи примененными в астрофизике, позволили сделать качественный прорыв в нашем понимании Солнца. Раньше это было невозможно.

До тех пор, пока стремительно развивавшаяся в ХХ веке физика не добралась до тайн микромира, приступив к изучению природы атомов и элементарных частиц, было невозможно появление гипотезы о термоядерных реакциях в недрах Солнца как источнике его гигантской энергии. Пока не появились внеатмосферные методы исследования, невозможно было узнать о многих образованиях на Солнце, излучающих только в рентгеновских и ультрафиолетовых лучах.

Из этой книги любознательные читатели, далекие от профессиональных занятий солнечной физикой (а книга адресована прежде всего им), узнают, каким сложным и драматичным был и остается путь исследователей Солнца.

В здание наших знаний о Солнце каждый исследователь укладывает свой кирпич (кусочек новых знаний). Кому-то удается уложить больше кирпичей, кому-то – меньше. Чей-то кирпич приходится выкорчевывать, когда становится ясно, что полученные знания неверны и опровергаются другими знаниями.

Здание знаний постепенно поднимается, темпы его строительства увеличиваются. Если 400 лет назад лишь несколько человек на нашей планете вглядывались в Солнце с помощью первых телескопов, размышляя о его природе, то сейчас светило изучают во всем мире несколько тысяч специалистов, используя самые современные достижения науки.

Иногда возникает ощущение, что здание близко к завершению, и остается лишь отделывать помещения и заниматься декором. Но в науке так уже бывало. Вполне может оказаться, что построенное здание окажется отдельным крылом более значительного здания, которое еще предстоит возводить, а кажущийся надежным фундамент окажется крышей иного сооружения, о котором мы и не подозревали. А может быть, завершающий (как нам кажется сегодня!) этаж послужит фундаментом для новых будущих грандиозных надстроек.

Это вовсе не означает, что научный метод плох и наука неэффективна. Это значит, что все идет как надо. Других эффективных способов познания мира у нас не существует.

Познание продолжается. Солнце оказалось слишком сложной физической системой (в чем, впрочем, никто никогда не сомневался), и существующие модели, описывающие происходящие на Солнце процессы, в большинстве своем, наверно, пока еще не вполне адекватны. В списке задач, лежащих перед гелиофизиками, присутствуют глубокие и серьезные вопросы, разбираться с которыми, похоже, ученым предстоит еще очень долго.

Всем исследователям Солнца всех времен, и, прежде всего, моим дорогим коллегам-солнечникам по Институту солнечно-земной физики Сибирского отделения РАН, с которыми мы вместе уже более 40 лет, посвящается эта книга. Хочется надеяться, что камни, которые все мы (и каждый в отдельности) заложили в здание знаний о Солнце, останутся на своих местах и послужат основой для дальнейших построений.

Сергей Язев,

июнь 2018 года,

Иркутск

Лекция первая

Солнце на заре цивилизации

Солнце – это то, что светит и помогает нам видеть. Солнце нужно, чтобы тепло было на Земле. Если бы его не было, было бы темно и грустно.

Давайте представим себе ощущения древнего человека. Цивилизации в современном смысле этого слова не существует. Нет домов, машин, механизмов, систем связи, искусственных материалов. Человек живет в примитивном жилище – это пещера или подобие шалаша. Его окружает удивительный и разнообразный, непонятный и поэтому крайне опасный мир. Огромная бескрайняя плоская земля, с ее холмами и равнинами, горами и водоемами населена множеством живых существ: насекомых, птиц, рыб и зверей. Живые существа движутся и явно обладают собственными стремлениями – подобно людям.

Но в мире есть не только звери и птицы. Человека окружают деревья, которые растут, а значит, тоже по-своему движутся (только медленно). Но иногда ветви деревьев начинают качаться! Даже мертвые, казалось бы, камни, порой двигаются – катятся вниз. Как живое существо ведет себя вода: она может быть тихой и неподвижной, а может с ревом двигаться, сокрушая все на своем пути. Свойства живого существа можно обнаружить у ветра. Более того, даже вся гигантская земля порой содрогается в конвульсиях землетрясений, как огромное животное. Для человека это означало, что весь мир наполнен живыми сущностями.

Высоко в небе летают птицы. Но еще выше птиц видны облака. Они тоже ведут себя как живые: все время меняются, движутся. Иногда из них льется вода, иногда падает снег. А еще выше облаков виден на небе яркий огонь, который ослепляет и на который можно смотреть без опасности утратить зрение только рано утром, либо поздним вечером, либо сквозь плотный туман. И тогда видно, что небесный огонь – Солнце – имеет удивительно круглую форму, как, пожалуй, ничто иное в мире. Но, находясь низко над горизонтом, Солнце тоже изменяется: становится (как мы сегодня знаем, из-за эффекта рефракции света в плотных слоях земной атмосферы) эллипсовидным, приплюснутым, а иногда приобретает другие сложные формы.

Человек давно заметил, что животворное согревающее тепло связано именно с Солнцем. Теплая земля быстро остывает, если нет Солнца. Полуденный зной сменяется прохладой заката. Если зимнее Солнце поднимается в небо ненадолго и невысоко, то греет оно слабо, и землю охватывают долгие холода. Создается впечатление, что движущееся по небу Солнце – тоже живое, ведущее себя по-разному в разное время, подобно людям и зверям.

Специалисты по этнографии едины в одном: мир первобытного человека был плотно населен духами. Живым было все! Живыми были листья, травы, камни, скалы, горы, реки. Живым был песок, и живой была глина. Живыми, безусловно, были и Солнце, и Луна, и звезды. Последние, как думалось людям, иногда падали с небес метеорами (яркими искорками на черном небе), а то и метеоритами (железными или каменными почерневшими обломками). Может быть, первым проявлением абстрактного мышления человека разумного было выделение в окружающих его элементах мира воображаемых жизненных сущностей – духов.

Наверное, человек не мог не ощущать разницу между листком на ветке и воображаемым духом листка. Дух листка, несомненно, обладал жизненной силой, он мог «захотеть», чтобы лист оторвался от ветки и полетел, а мог пожелать пребывания в покое. Человек допускал: дух камня может в принципе «захотеть», чтобы камень полетел вверх, а не вниз. Если это не происходит, то только потому, что духу камня это не нравится, и по какой-то причине он предпочитает перемещаться именно вниз.

Но так же, проявляя самостоятельность, ведет себя и Солнце! Оно каждый день ходит по небесной тропе, подобно крупному животному на водопой. Солнце самостоятельно, без каких-либо видимых внешних причин, меняет в течение года траекторию своего пути по небу, движется на небе то выше, то ниже. Более того, похоже, что Солнце гораздо «сильнее» многих других сущностей по многим очевидным причинам.

Общаясь с духами (как правило, через колдунов и шаманов), можно было просить духа воды усмирить свое буйство во время наводнения, просить духа дождя о ливне во время засухи, просить духа оленя поддаться во время охоты, чтобы накормить племя, просить духа Солнца, чтобы было, как всегда, светло и тепло днем.

Много позже у многих народов духи превращались в богов. Бог Солнца традиционно был одним из самых сильных и могущественных – это отражало жизненные наблюдения людей. Когда Солнце гневалось, губительные засухи сушили и испепеляли землю, и все живое погибало от страшной жары. Когда Солнце засыпало, болело или отворачивалось от людей, оно становилось низким, бледным, и землю сковывали зимние холода. Поэтому у множества народов Солнце ассоциировалось с главным или одним из главных богов, которых было, как правило, немало.

Известный специалист в области истории астрономии Бартел Ван дер Варден указывал в своем классическом труде «Пробуждающаяся наука. Рождение астрономии», что у древних арийцев в Иране и Индии был солнечный бог Митра. В клинописном тексте на глиняных табличках из знаменитой библиотеки Ашшурбанапала имя Митра приводится как одно из многих обозначений солнечного бога Шамаша. В более поздние времена на монументе Антиоха I из Каммагены один из четырех изображенных богов был указан под четырьмя именами – Аполлон, Митра, Гелиос, Гермес. Еще позднее, в эпоху Римской империи, Митра именуется Deus Sol Invictus, то есть «Бог Солнце Непобедимое». Не лишним будет указать, что культ Митры требовал кровавых жертвоприношений животных.

Японская богиня Солнца Аматерасу считалась первой среди более чем 800 божеств.

Могучий бог плодородия Ярило – воплощение Солнца у древних славян. Обряд масленицы – след славянского ритуала поклонения Солнцу. Округлая форма масленичных блинов напоминает нам о Солнце, прибывающем дне и приближающемся жарком лете.

У древних египтян бог Солнца Ра, изображавшийся в виде человека с головой сокола, увенчанной сияющим солнечным диском, совершал трудное и опасное путешествие на своей ладье через весь мир. Утром ладья Ра выплывала в небо, поднимаясь с востока, вечером спускалась на западе. Ночами Ра проделывал сложный маршрут в подземном темном царстве, преодолевая препятствия и сражаясь со страшными чудовищами. Своими ночными страхами и опасностями, таящимися в темноте, люди щедро делились с богами! Но, в отличие от людей, бог Ра всегда выходил победителем в схватках с монстрами подземного мира, и его ладья каждый раз вновь и вновь появлялась на востоке, озаряя светом замершую ночную землю.

Ежедневное исчезновение Солнца на западе и его новое появление на востоке породило у многих народов множество мифов и легенд о великом круговращении, повторении, умирании и воскрешении как основных механизмах и принципах, на которых построен мир.

Рис. 1. Египетский бог Солнца Ра

Любопытно, что транспортировка бога Ра по твердому небу осуществлялась при помощи ладьи – большой лодки. Для египтян перемещение по главной реке страны – Нилу – было основным и наиболее совершенным видом перевозки грузов. Поэтому египетские рисунки на папирусе и настенные фрески не показывают нам колесницу бога Солнца – в отличие от представлений греков, викингов, ведических племен Индии, у которых светило перемещается именно при помощи колесницы.

Директор Гриффитской обсерватории в Лос-Анджелесе Эдвин Крапп в своей книге «Астрономия. Легенды и предания о Солнце, Луне, звездах и планетах» обращает внимание еще и на то, что само Солнце походит на колесо, катящееся по небу.

Интересно, что у тех же египтян есть другой способ изображения Солнца – в виде крылатого диска. Понятно, что Солнце, двигаясь на огромной высоте, как птица, должно было пользоваться крыльями, – иначе как оно могло летать? Не исключено, что естественная мысль о крыльях могла появиться во время наблюдений солнечных затмений – во всяком случае, во время минимумов солнечной активности корона напоминает два симметричных протяженных крыла. Ассирийцы и персы тоже изображали Солнце в виде сияющего диска с крыльями, но у этого диска было еще и хвостовое оперение!

Это не единственный пример наделения богов чисто земными, привычными и наблюдаемыми на практике атрибутами. Вся мифология, связанная с греческими богами, – тому пример.

Впрочем, Солнце оказывалось богом далеко не всегда. Как указывает Эдвин Крапп, у многих народов мира мифические персонажи, олицетворявшие Солнце, отнюдь не являлись богами. Полинезийский полубог (наполовину человек, наполовину божество) насмешник и проказник Мауи однажды поймал Солнце с помощью веревочной петли, применив привычные навыки охоты на животных. Солнце было отпущено под обещание двигаться по небу медленнее. При этом сущность Солнца в полинезийском мифе не раскрывается: Солнце – это просто Солнце (впрочем, живое и, видимо, наделенное разумом, раз уж оно было способно давать и, тем более, выполнять обещания).

В новозеландском варианте мифа Мауи даже поколотил пойманное Солнце – никакой бог не позволил бы подобного обращения с собой! Солнце при таком рассмотрении выглядит вполне обычным и даже домашним персонажем, как конь или собака. Хозяин поймал лошадь и отхлестал – чтобы не убегала…

Индейцы племени чумашей в Южной Калифорнии представляли себе Солнце во вполне человеческом виде: некий бородатый обнаженный муж идет по канату, натянутому над миром, и несет факел, чтобы осветить и согреть Землю.

Существует замечательное описание процесса «разжигания» Солнца во время солнечного затмения. Индейцы привязывали горящие угольки к наконечникам стрел и стреляли вверх, надеясь снова поджечь потухшее светило. Технология оказалась эффективной: очень быстро Солнце снова ярко вспыхивало на небосводе. Очевидно, что в этом Солнце – просто источник света и тепла, подобный очагу.

Описывая затмения Солнца, создатели многих древних мифов считали, что разнообразные существа (демоны, чудовища либо мифические животные) настойчиво пытаются сожрать Солнце. В древнеиндийском эпосе излагается история, как демон по имени Раху (изображаемый, как правило, в образе дракона) отхлебнул напиток бессмертия. Солнце и Луна, заметившие этот возмутительный акт беззакония (демонам напиток не полагался), немедленно сообщили о случившемся богу Вишну. Рассердившийся Вишну поступил радикально – отрубил Раху голову. С тех пор успевшая заполучить свойство бессмертия голова дракона периодически пытается в отместку проглотить доносчиков – Солнце и Луну. Поскольку у Раху нет туловища, светила снова и снова выскальзывают из перерубленной глотки и убегают.

Следует обратить внимание: в этом мифе (и во многих иных) Солнце снова живое и разумное (способно разговаривать и убегать от опасности), но дополнительно о сущности Солнца ничего не говорится.

Мотив поедания Солнца как причина затмений довольно распространен у многих народов. Во всех подобных мифах природа Солнца не раскрывается – какой смысл о нем рассказывать, если все о нем и так знают? При этом ясно, что какая-нибудь лягушка, хотя бы и гигантская, – наверное, все-таки не соперник богу (иначе, что это за бог?) И если во вьетнамском мифе ей (лягушке) удается проглотить Солнце (хапнуть с неба, как какого-нибудь комара), то такое светило явно лишено божественного статуса. Это некий важный элемент мира, возможно, даже одушевленный – но все-таки не бог.

Рис. 2. Раху заглатывает Солнце. Солнечное затмение нередко воспринималось древними как акт пожирания Солнца сверхъестественными существами

Упомянем, что затмения в некоторых мифах рассматриваются не как акт поедания одного светила другим, а как акт их совокупления.

Во времена Древней Греции мир в умах просвещенных людей строился на иных принципах. Никто (или почти никто) здесь уже не говорил об одушевленности небесных светил. Картины мира, которые строили древнегреческие философы, указывали на Солнце как на некий физический объект, элемент окружающей нас природы.

Версий о сущности Солнца было множество. В их числе представление о том, что Солнце и Луна – некие светящиеся облака, которые сгорают, двигаясь по небу с востока на запад. Наутро ввысь поднимается новое облако – Солнце. Надо полагать, люди понимали, что если Солнце и облако, то все же какое-то необычное. Но, тем не менее – все-таки облако!

С давних времен людьми признавалась (точнее, предполагалась) огненная природа Солнца. Огонь, хорошо известный людям с тех пор, как они стали людьми, был непонятным, но привычным. Как и Солнце, огонь мог нести тепло и жизнь, а мог обернуться смертельным бедствием (например, в образе лесного пожара). Естественно, и ослепительное Солнце воспринималось как нечто горящее, раскаленное, огненное… Но все-таки, что это такое? Что горит в небесах, почему не исчерпывается необходимое для горения, как давно поняли люди, горючее?

Первые попытки дать обоснованные ответы на эти вопросы были предприняты носителями нового подхода к окружающему миру – первыми учеными, применившими научный метод к объяснению Вселенной. На самом деле, это еще не был полноценный научный метод, это были только его зачатки. Считается, что первые проявления науки, воспринимаемой в современном смысле, характерны для Древней Греции (хотя очевидно, что ростки новой методологии появлялись и раньше, например в Древнем Египте.

Описание истории науки обычно начинается с Фалеса из малоазиатской греческой колонии Милет, основателя так называемой ионийской школы философов. Он жил более двух с половиной тысячелетий назад – с 640/624 по 548/546 год до н. э. В списке из 12 астрономических достижений Фалеса фигурирует его утверждение: «Солнце и звезды состоят из земли, но при этом раскалены».

Некоторые достижения Фалеса в астрономии опровергаются специалистами, – в том смысле, что его утверждения были известны и ранее. Делая оговорку о том, что Фалес мог быть и не первым, повторим вслед за ним: Солнце состоит из раскаленной земли. Слово «земли» в данном контексте, видимо, надо интерпретировать так: из грунта, камня, из всего того же, из чего состоит и Земля, на которой мы живем.

Главным по отношению к Солнцу было утверждение, что весь видимый мир устроен одинаковым образом и вполне материален. Небесные тела, по Фалесу, состоят из вещества, подобное которому мы можем найти и на Земле. Разница только в температуре. Заметим, что причину нагрева Солнца «добела» Фалес не указывал (точнее, его рассуждения на этот счет неизвестны, и что он думал по этому поводу, мы, видимо, уже никогда не узнаем).

Развивал и уточнял идеи Фалеса его ученик Анаксимандр (610–546 годы до н. э.). Историк астрономии Алина Иосифовна Еремеева называет поразительными идеи, которые были высказаны этим величайшим умом древности. С ней можно согласиться! По Анаксимандру, мир начинался с холодного и влажного ядра-зародыша, окруженного раскаленной огненной оболочкой. Под воздействием жара оболочки влажное ядро высыхало, выделявшиеся пары под растущим давлением раздували оболочку. В конце концов, оболочка лопнула и распалась на ряд огненных колец. В центре мира осталась свободно парящая Земля в виде низкого цилиндра (она неподвижна, поскольку нет причины двинуться в ту или иную сторону). Одно из отслоившихся колец и породило Солнце.

Добавим заодно, что Анаксимандр был, по-видимому, первым мыслителем, который считал, что Земля в виде плоского диска не покоится на каком-то массивном фундаменте (слонах, черепахах и т. д.), а висит в центре мира. Воистину, представить себе висящий в пространстве и никуда не падающий гигантский тяжелый объект было непросто. Отказ от «подставок» под Землей – это грандиозный интеллектуальный прорыв, который был осуществлен Анаксимандром. Впрочем, эта замечательная идея к сущности Солнца отношения не имеет.

Ученик Анаксимандра Анаксимен (?–528/525 годы до н. э.), в отличие от своего учителя, полагал, что Солнце и Луна свободно парят в воздухе, уже «не привязанные» к соответствующим кольцам.

К ионийской школе примыкал еще один мыслитель, чьи высказывания по поводу Солнца сохранились до наших дней. Речь идет о Гераклите из Эфеса (540–480 годы до н. э.). Философ считал, что Солнце – это круглое вместилище в пространстве, заполненное светлыми и чистыми испарениями некоей огнеподобной субстанции, – основы всего мира. Гераклит полагал, что Солнце имеет размеры в один фут (чуть больше 30 сантиметров).

Философское направление, развивавшееся ионийской школой, обычно квалифицируется как учение, содержащее элементы стихийного материализма. Судя по всему, в создаваемые картины мира ионийские философы вносили процессы и явления, которые наблюдали своими глазами. Впечатляющие картины испарения воды и формирования облаков над морем, видимо, привлекались для использования в построениях описаний Вселенной. А пар под давлением, способный подбрасывать крышку сосуда, вероятнее всего, и навел Анаксимандра на мысль о разрушении раскаленной оболочки мира. Впрочем, дело было 25 веков назад, и теперь трудно воспроизвести ход рассуждений древнегреческих мыслителей…

Совершенно иной подход развивали последователи знаменитого философа и математика Пифагора (около 580 – около 500 года до н. э.). Пифагорейцы считали, что Вселенная состоит из нескольких (девяти или десяти) концентрических шаровых поверхностей – сфер, которые вращались вокруг единого центра. На сферах были жестко закреплены известные в те времена планеты, а также воображаемый Антихтон («Противоземля»). На самой далекой, последней сфере размещались неподвижные звезды. Замечательным свойством этой системы было то, что Земля впервые не являлась центром мира, а двигалась вокруг общего его центра, подобно другим планетам! Но в центре Вселенной Пифагора было вовсе не Солнце, как можно было себе представить. Там находилась некая таинственная Гестия («центральный огонь»).

О системе мира Пифагора известно из достаточно туманного изложения его последователя Филолая Кротонского в пересказе Диогена Лаэртского. Возможно, картина была бы яснее, если бы до наших времен дошли первоначальные тексты. Во всяком случае, если суммировать то, что известно о взглядах пифагорейцев, получается следующее. Вокруг «центрального огня» движется «Противоземля». Она нужна для того, чтобы загораживать Землю от «центрального огня», – собственно, поэтому мы его никогда и не видим. «Противоземля» всегда находится между Гестией и Землей, обеспечивая вечное «затмение» Гестии для земного наблюдателя. Кроме того, мы живем на той половине шарообразной Земли, которая всегда отвернута от Гестии, – и это тоже причина того, что никто никогда не видел своими глазами «центральный огонь».

На следующей за «Противоземлей» сфере находится Земля, за ней – Луна, затем Меркурий, затем Венера, и уже только за этой планетой – Солнце, совершающее за год один оборот вокруг «центрального огня». При этом Солнце – вовсе не источник света и тепла! По Филолаю, Солнце представляет собой нечто вроде полупрозрачного (стеклянного? хрустального?) шара. Этот шар только отражает (как зеркало), преломляет (как линза) и передает планетам тепло и свет «центрального огня». Уже упоминавшаяся А. И. Еремеева предположила, что эта идея возникла у пифагорейцев при изучении свойств стеклянных шариков, собирающих свет, – первых линз в руках человека.

Кроме того, в системе невнятно описан еще и некий, еще более таинственный, «внешний огонь», который разливается за пределами далекой сферы неподвижных звезд.

Итак, Солнце, по Пифагору (точнее, по Пифагору в интерпретации Филолая), – это своеобразное оптическое устройство со свойствами линзы и зеркала, чья функция – транслировать на планеты свет «центрального» и «внешнего огней». Оставалось только гадать, кто же сконструировал и построил такую Вселенную…

Воистину, Древняя Греция – это удивительное место и удивительная эпоха. Именно здесь и именно тогда, более двух тысяч лет тому назад, впервые возникали грандиозные и разнообразные идеи об устройстве мира. Если пифагорейцы видели мир гармоничным и подчиненным строгому математическому замыслу, то такой мыслитель, как, например, Анаксагор (500–428 годы до н. э.) представлял себе Солнце весьма «весомо, грубо, зримо». Он полагал, что Солнце – это оторвавшаяся от Земли в результате ее быстрого вращения громадная каменная глыба размерами с полуостров Пелопоннес (занимающий, между прочим, треть территории Греции). Сама идея означает, что Анаксагор был знаком с понятием центробежной силы. При этом, стремительно двигаясь сквозь наполняющую Вселенную субстанцию (мировой эфир), Солнце сильно раскалилось, став «огненным насквозь». Это первая известная нам попытка указать на огромные размеры Солнца! В те времена превалировала точка зрения о том, что Солнце имеет диаметр порядка одного фута, двух локтей и т. п. Кроме того, нагрев небесного тела за счет трения при движении сквозь некую среду – тоже великолепная идея, которая (не в случае с Солнцем) вполне соответствует законам природы, которые еще не были открыты, но уже нащупывались.