За какво служи астрономията?

Често ме питат какво уча. Казвам физика. И какво ще работиш после? Искам да съм астроном. Често ми се налага да обяснявам на хора че не само че има хора, които се занимават професионално с астрономия, ами че това е от особена важност за развитието на науката като цяло. Та искам да дам някои доста конкретни примери за това за какво ни служи астрономията.

Астрономията е в основата на двете най-важни теории за физиката на 20. век: Квантовата механика и Теорията на относителността. Когато великият физик Макс Плакс предлага хипотезата, че светлината е съставена от малки частици - кванти (откъдето идва и „Квантова механика”) или фотони, то е за да обясни „ултравиолетовата катастрофа”. Въпросната „катастрофа” се състои в това, че за да излъчват в ултравиолета, звездите трябва да имат безкрайна енергия. Разбира се, те имат много голяма, но не и безкрайна енергия. Тоест, за да можем да наблюдаваме ултравиолетово излъчване, те трябва да са излъчили цялата си енергия в ултравиолета наведнъж, след което да са угаснали. А това не е така: звездите са много и са си още там. Макс Планк дава обяснението, че лъчението от звездите не е непрекъснато, а е разделено на малки пакети - въпросните кванти, които имат много малка енергия. Така звездата няма нужда да излъчва наведнъж цялата си енергия. Това поставя началото на квантовата механика. А, сега, някои ще попитат, за какво служи квантовата механика (която отдавна се развива отделно от астрофизиката, но без астрофизиката е трудно да си представим нейното идване) - еми отговарям: защото квантовата механика ни позволява да правим полупроводници, диоди, транзистори - въобще цялата електроника се основава на квантовата механика. Да кажем, че квантовата механика не служи за нищо е все едно да кажем, че не ни служат за нищо компютрите, GSM-ите, MP3-плеърите. През 2007 Нобеловата награда за физика беше дадена на Албел Фер и Петер Грюнберг за откриването на квантовото явление „гигантско магнитосъпротивление”. Това позволява да се намалят няколко пъти размерите на твърдите дискове! Това откритие е блестящ пример за това, как занимания с изцяло фундаментална наука могат бързо да дадат приложения в индустрията*, стига индустрията да ги търси и в нея да има кадри, разполагащи в необходимия научен потенциал, за да могат да извлекат най-доброто от прогреса. (Политическа скобка - за съжаление, мисля че в България „инвеститорите” се стремят да развиват изключително леката индустрия, именно защото за тежката и хай-тек индустрия са необходими много знаещи индустриални учени и инженери, за чиито заплати на нашите „инвеститори“ не им се плаща, а пък на запад тяхното присъствие в предприятията е рутина). Дотук засегнах само един важен раздел на квантовата механика - физиката на твърдото тяло. Ще кажа две думи и за квантовата оптика: единствено квантовото описание на атомите и светлината ни позволява да правим лазери. А за огромното приложение на лазерите, мисля, няма нужда да убеждавам никого: медицина, метрология...Голямото значение на астрофизиката в развитието на квантовата механика е признато от, например, големите имена в квантовата оптика Артър Шолоу (един от двамата изобретатели на лазера) и Теодор Хенш (Нобелова награда за 2005. И Шолоу е лауреат на наградата, но от по-рано), които казват недвусмислено „Астрофизиката ни даде Розетския камък за разбирането на Квантовата механика”

Ще дам още един пример: Преди Максуел, физици и астрономи са си задавали привидно безполезния въпрос: Как така, светлината е вълна, а се разпространява във вакуума? Да се отговори на този въпрос не е толкова лесно: всички вълни, които познаваме се разпространяват в някаква среда - например, звукът се разпространява във въздуха. Максуел успява да синтезира теоретичните и експериментални познания от епохата в труд, който дава отговор на този въпрос. И какво от това, биха си казали някои? Ами да погледнем едно от тези уравнения: Законът на Фарадей, който гласи, че променливото магнитно магнитно поле поражда променливо електрично поле. Начин да направим променливо магнитно поле е да вземем земното магнитно поле, което е статично. После, вземаме метална рамка, която започваме да въртим бързо. Магнитното поле, което рамката „вижда” е променливо, защото току рамката е успоредна на магнитните линии на Земята (тогава никоя и линия не пресича рамката, т.е. магнитното поле сякаш е нула), току е перпендикулярно и тогава „вижда” цялото магнитно поле. При този процес в рамката протича електричен ток. Казахме ток. А за какво служат тези неща? Ами днес имаме светлина, след като Слънцето залезе (!), радио и телевизия (за които които се разпространяват с електромагнитни вълни, които се подчиняват на същите тези Уравнения на Максуел като светлината. Нещо повече, светлината е електромагнитна вълна), GSM-и (в частта предаване на информацията, за устройството виж по-горе), лекарите виждат счупените ни кости с рентгетови лъчи, без да е нужно да отварят крайниците ни!

Ще спомена съвсем накратно и Теорията на относителността. Тя се е зародила, за да се обяснят едновременно явленията звездна аберация - видимо движение на звездите при движението на Земята около Слънцето и отрицателните резултати от опита на Майкелсън-Морли. Много биха казали, че няма и никакъв смисъл да се изследват тези въпроси. Е, Айнщайн го прави. Прави своите специална и обща теория на относителността. По-късно, за да съгласува двете теории (Квантовата механика и специалната относителност - какво безмислено занимание!), Дирак трябва да открие „Уравнението на Дирак”, от което естествено следва съществуването на спин на електрона, както и съществуването на анти-частица на електрона - позитрона. Какво от това, пак биха си казали някои. Еми явлението „спин” на електрона ни позволява да направим ядрено-магнитен резонанс - уред, който позволява да се изследва, например, човешкия мозък - без да му се вреди по никакъв начин!

Виждате, постиженията на астрофизиката имат огромни последствия върху всекидневния ни живот. От изключителна важност факта, че астрофизиката е неразривно свързана с другите области на науката, които пък взаимно си помагат в развитието. Така че, бих искал да заключа за ползата от науката като цяло: намерете в Интернет една снимка от средата на 19. век (това ще е една от първите фотографии) и от сега, началото на 21 век. Открийте 10-те разлики. 9 от тях ще се дължат на невероятния напредък на науката, немислим без работата на астрофизиците.

--
* Страницата на Нобеловия комитет казва: GMR is a good example of how an unexpected fundamental scientific discovery can quickly give rise to new technologies and commercial products (http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2007/phyadv07.pdf)