Текст книги "Царство Солнца. От Птолемея до Эйнштейна"
Автор книги: Айзек Азимов
Жанры:
Прочая научная литература
,сообщить о нарушении
Текущая страница: 7 (всего у книги 11 страниц)
Глава 7
НОВАЯ ПЛАНЕТА
ВОЗВРАЩЕНИЕ КОМЕТЫ
Точно так же, как телескоп привел к новым открытиям после Галилея, так и гравитация дала новые открытия после Ньютона. За Ньютоном пришли новые математики, которые расширили его систему и показали, как можно объяснить различные движения небесных тел, которые не объяснил сам Ньютон.
Например, перигей (ближайшее положение по отношению к Земле) и апогей (самое далекое положение по отношению к Земле) Луны не находятся в одной и той же точке пространства. С каждым оборотом они чуть смещаются и делают полный оборот вокруг Земли, возвращаясь к своему начальному положению чуть меньше чем за девять лет.
В 1749 г. швейцарский математик Леонард Эйлер разработал уравнение, которое объясняло это движение за счет сил притяжения.
Стало возможным обнаруживать даже очень слабые эффекты, которые давали весьма интересную информацию. В 1757 г. французский математик Алекси Клод Клеро вычислил количество вещества Луны и Венеры но нарушениям, которые их гравитация вызывала в движении Земли. Таким образом, закон Ньютона использовался постоянно и с успехом. Астрономы были полностью удовлетворены его применением.
А потом, в 1758 г., закон Ньютона показал свою полезность так, что это убедило не только астрономов, но и простых людей по всему миру. Это было связано с проблемой комет.
Кометы в Солнечной системе по-прежнему приносили неприятности. Работы Коперника и Кеплера их во внимание не брали. В 1680 г. Джон Флэмстид, первый королевский астроном Британии, попытался рассчитать их движение в соответствии с теорией Кеплера о том, что Солнце притягивает планеты за счет магнетизма, но это у него плохо получилось. Несмотря на все усилия, планеты по-прежнему появлялись и исчезали непредсказуемо – и по-прежнему пугали людей. Даже великий Галилей не мог объяснить причину их правления и решил, что они, по-видимому, являются оптической иллюзией.
А что, если применить к этим беспокойным кометам закон всемирного тяготения?
Ньютон сделал такую попытку – и в этом ему помогал Эдмунд Галлей, тот самый его друг, который убедил его вернуться к проблеме гравитации и финансировал публикацию его книги.
Галлей был на тринадцать лет моложе Ньютона. В возрасте двадцати лет он уже ездил на остров Святой Елены в Южной Атлантике, чтобы наблюдать и определять местоположение таких звезд, которые не видно в Северном полушарии. Вернувшись в Англию, он подружился с Ньютоном.
В 1682 г. в небе вспыхнула яркая комета, и Ньютон с Галлеем изучали ее движение. Позже Ньютон попытался применить к ней уравнения тяготения, но смог только сказать, что она должна двигаться но эллипсу с очень высоким эксцентриситетом. Эксцентриситет у этого эллипса был настолько велик, что афелий (точка орбиты, наиболее удаленная от Солнца) казался бесконечно далеким.
Такую кривую можно рассматривать как параболу. Парабола начинается так же, как эллипс, но обе ее ветви продолжают бесконечно разъединяться, так никогда и не поворачивая навстречу друг другу. Парабола также является коническим сечением и, следовательно, небесные тела могли иметь орбиты параболической формы. Однако если орбита кометы – это парабола, то это означает, что комета входит в Солнечную систему по одной ее ветви, а потом уходит но второй. Она появится всего один раз и больше не вернется. И действительно, в 1665 г. итальянский астроном Джованни Альфонсо Борелли предположил, что кометы следуют именно но таким орбитам.
В 1704 г. Ньютон и Галлей начали собирать сообщения о других кометах, наблюдавшихся в прошлом. Им хотелось посмотреть, нельзя ли но этим записям вычислить параболические орбиты для каждой из них. Астрономы изучили двадцать четыре различных сообщения о кометах.
Когда они этим занимались, Галлей обратил внимание на одну странность. Существовало две кометы, орбиты которых были почти такими же, как та, которую они с Ньютоном рассчитали для кометы 1682 г. Эти другие кометы появлялись в 1531-м и 1607 гг. Между 1531-м и 1607 гг. промежуток составлял 76 лет, а между 1607-м и 1682-м – 75 лет. Он стал смотреть дальше и обнаружил записи о комете в 1456 г., за 75 лет до 1531 г.
Не могла ли это быть одна и та же комета, возвращавшаяся каждые 75 лет? Предположим, у кометы 1682 г. орбита все-таки не параболическая, а очень вытянутая эллиптическая. Чтобы время оборота кометы составило 75 лет, дальний конец эллипса должен был отстоять от Солнца в три раза больше, чем Сатурн.
Однако Галлей был уверен в том, что сам по себе факт столь большого расстояния нельзя считать серьезным возражением. Притяжение Солнца вполне способно простираться так далеко. Поэтому он предсказал, что комета 1682 г. снова вернется в начале 1758 г.
Он знал, что сам не сможет проверить, исполнится ли его предсказание: для этого ему нужно было бы дожить до ста двух лет. И действительно, он умер в 1742 г., в возрасте восьмидесяти пяти лет. Жизнь у него была долгая, но для него это было недостаточно.
Однако предсказание Галлея не было забыто. Другие, более молодые астрономы ждали. Клеро, французский математик, о котором я уже упомянул в начале главы, был в их числе. Наступил 1758 г. – а кометы не было. Клеро заново рассчитал ее орбиту и обнаружил, что ей пришлось бы пройти вблизи от Юпитера, так что притяжение Юпитера должно было ее задержать. Он предсказал, что она окажется вблизи от Солнца в следующем году.
Сомнения увеличивались. Отсрочки и оправдания! Никакой кометы не будет. Но вот в рождественскую ночь 1758 г. немецкий астроном-любитель Георг Палич увидел в небе комету. Шли недели – и она становилась все ярче. В начале 1759 г. она была уже высоко в небе. Комета 1682 г. вернулась! Впервые в истории удалось предсказать возвращение кометы. Эти непредсказуемые создания Солнечной системы были приручены. Они подчинялись тем же законам, что и обычные планеты.
С тех пор комету 1682 г. называют кометой Галлея, и она стала вечным памятником возможностям закона Ньютона.
После того как орбита кометы Галлея была рассчитана и правильность этого расчета доказана, ее историю удалось проследить – и найти сообщения о ней в исторических записях. В 1456 г. она привела в ужас Европу, которая и так уже была напугана наступлением турок. В 1066 г. ее видели норманны, готовившиеся к вторжению в Англию. В 451 г. в разгаре была опасность,исходившая от Аттилы и его гуннов. В 66 г. н. э., по словам еврейского историка Иосифа Флавия, огненный меч повис над Иерусалимом как знамение его скорого разрушения. И это тоже была комета Галлея.
Комета Галлея продолжала внушать ужас даже после того, как ее движение объяснили. Она снова вернулась в 1835 г. (в год рождения Марка Твена) и в 1910 г. (в год смерти Марка Твена). И даже в 1910 г. тысячи, а возможно, и миллионы людей были убеждены в том, что близится конец мира.
Следующее появление кометы Галлея произойдет в 1986 г. [1]1
Книга была написана в 1986 г.
[Закрыть]– и думаю, она и тогда испугает людей.
Однако далеко не у всех комет орбиты настолько вытянуты. В 1822 г. немецкий астроном Иоганн Франц Энке обнаружил, что некая тусклая комета имела орбиту, которая не доходила даже до орбиты Юпитера. Она обращалась вокруг Солнца чуть больше чем за три года. Это была первая из открытых комет с коротким периодом, и она стала известна как комета Энке.
КОМЕТА, КОТОРОЙ НЕ БЫЛО
Через четверть века после посмертного триумфа Галлея было сделано еще одно удивительное и совершенно неожиданное открытие. Его автором был немец, которого звали Фридрих Вильгельм (Вильям) Гершель. В 1759 г. в возрасте двадцати одного года он переехал в Англию, чтобы стать музыкантом (его отец тоже был музыкант). Там Гершель стал дирижером военного оркестра, а потом остался в стране, чтобы стать астрономом и прославиться.
К 1770 г. его настолько заинтересовала астрономия, что он совершенно забросил музыку. Поскольку телескоп добыть было трудно, Гершель начал делать его сам. Они с сестрой отполировали тысячи зеркал и изготовили для себя такие прекрасные телескопы, каких еще ни у кого в мире не было. Их телескопы были не длинными, а широкими, чтобы улавливать как можно больше света.
Скоро Гершель уже все свое время проводил, наблюдая за небесами. Он наблюдал Миру (переменную звезду, о которой я упоминал в главе 3) и опубликовал статьи о ней и о горах на Луне, изучал пятна на Солнце и пытался понять, не оказывают ли они какого-то влияния на климат Земли. Если бы это было так, то тогда они влияли бы на сельское хозяйство, цены на зерно и благосостояние людей. Это была новая «астрология» – та, что основывалась на науке, а не на суевериях.
Гершель изучал различные планеты и обнаружил, что у Марса на полюсах есть ледяные шапки, как и на Земле. Что до его сестры, Каролины Гершель, то она со временем тоже стала проводить собственные наблюдения и стала первой женщиной-астрономом.
Но все это на самом деле большого значения не имело. Продолжая наблюдать небеса и разглядывая все подряд, 13 марта 1781 г. Гершель обнаружил странную «звезду». Она казалась крупнее других звезд. Он воспользовался большим увеличением – и звезда стала еще крупнее. Обычные звезды так себя не ведут: они остаются простыми точками света, каким бы большим ни было увеличение. Очевидно, что Гершель нашел нечто необычное.
Он возвращался к ней каждую ночь и к 19 марта убедился в том, что она движется относительно других звезд. Из всего этого Гершель заключил сначала, что это – комета, поскольку кометы были единственными пришельцами в Солнечной системе, и объявил ее кометой в сообщении Королевскому обществу.
Однако он продолжал свои наблюдения и заметил, что его объект не «мохнатый», как комета, а имеет четкие края, как планета. И хвоста у нее тоже не было. Более того – после того как он наблюдал ее несколько месяцев и смог рассчитать ее движение, то оказалось, что эта «комета» движется по орбите, все точки которой лежат далеко за орбитой Сатурна. Ее орбита была эллипсом с очень небольшим эксцентриситетом, какой свойствен планетам, а не с большим эксцентриситетом, как у комет.
Изумленный Гершель мог сделать только один вывод. Он открыл новую планету! Не просто новый спутник известной планеты, как это сделали Галилей, Гюйгенс и Кассини. Он открыл совершенно новую планету, хотя она отстояла от Солнца вдвое дальше Сатурна, и удвоил диаметр Солнечной системы.
Гершель назвал новую планету Георгиум Сидус (звезда Георга) в честь своего покровителя, короля Англии Георга III. Однако, как и Галилею и Кассини, Гершелю не удалось польстить правителю. Английские астрономы какое-то время пользовались этим названием, но больше этого никто не делал.
Вместо этого французский астроном Жозеф де Лаланд предложил назвать планету Гершель. Английские астрономы довольно долго использовали и это название, но астрономы из других стран опять были против. В конце концов было решено взять название из греческой мифологии, чтобы название сочеталось с остальными планетами.
Поскольку планету позади Юпитера (Сатурн) назвали в честь отца Юпитера, Сатурна (Крона), то германский астроном Иоганн Боде предложил назвать планету позади Сатурна в честь отца Сатурна. Так и сделали. Новая планета стала Ураном (по-гречески это имя звучало почти так же), который, но греческой мифологии, был богом небес, отцом Сатурна и дедом Юпитера.
ДАЛЬНЕЙШИЕ ПРИКЛЮЧЕНИЯ ГЕРШЕЛЯ
В каком-то смысле даже странно, что до Гершеля Уран не был признан планетой. На самом деле его даже невооруженным глазом можно видеть как тусклую звезду. Люди с хорошим зрением (или хорошими очками), которые знают, куда именно смотреть в безлунную ночь, могут без труда его увидеть.
Конечно, нельзя винить древних людей, не имевших телескопов. Все остальные планеты были по-настоящему яркими. Кто мог требовать, чтобы они пристально наблюдали за каждой тусклой звездой, проверяя, не является ли она тоже планетой.
Тем не менее до Гершеля Уран наблюдали несколько астрономов, вооруженных телескопами. Его не менее семнадцати раз помечали на звездных картах и таблицах до того, как Гершель сделал свое открытие. Гершель это обнаружил, когда стал проверять старые звездные карты – не обнаружится ли там «звезда» на том месте, где в момент составления карты должен был находиться Уран. Он нашел его в каталоге 1690 г., составленном Флэмстидом, первым королевским астрономом, о котором я упомянул в начале этой главы.
Проблема заключалась в том, что каждый из астрономов, отметив положение этой «звезды», больше на нее внимания не обращал. Он не трудился снова вернуться и проверить, не сдвинулась ли она. А с чего ему было это делать? И Гершель тоже не стал бы, если бы у него не были такие умелые руки, что в его прекрасном телескопе Уран стал виден не как точка, а как диск.
Открытие новой планеты произвело на людей огромное впечатление. Конечно, открытие спутников Юпитера и Сатурна тоже впечатляло. Но с другой стороны, тут речь шла о совершенно новой гигантской планете, чей диаметр в четыре раза превышал диаметр Земли. Эта планета находилась так далеко за пределами того, что в течение тысячелетий считалось границей движущихся сфер, на «восьмом небе».
Одним из интересных результатов этого открытия стала реакция одного немецкого химика, которого звали Мартин Генрих Клапрот. В 1789 г. в черноватой руде, называемой смоляной обманкой, он открыл новый химический элемент. Под впечатлением великого открытия Гершеля он назвал новый элемент ураном, в честь планеты. Мог ли он предположить, что спустя сто пятьдесят лет его элемент станет в миллион раз более известным, чем планета Гершеля?
Открытие Урана принесло Гершелю славу. Он получил медаль Королевского общества и был избран его членом, а через год после открытия его назначили на должность личного астронома Георга III. Наверное, помогло и то, что он назвал новую планету звездой Георга. Затем, в 1788 г., он женился на богатой вдове и всю оставшуюся жизнь мог посвящать наблюдению небес, не имея больше никаких проблем, ни финансовых, ни каких-то других.
Затем Гершель обнаружил новые небесные тела. В 1787 г., наблюдая Уран (наверное, он часто возвращался к своей собственной планете), он открыл у него два небольших спутника, назвав их Титанией и Обероном. Впервые небесное тело (не считая комету Галлея) получило имя, не входившее в греческую и римскую мифологию. Титания и Оберон были королевой и королем фей в английском фольклоре. Они стали самым маленькими спутниками, открытыми к тому моменту, – с диаметром примерно в 1500 километров.
В 1789 г. Гершель завершил создание самого крупного телескопа своего времени. На его строительство ушло 5 лет, он имел длину 12 метров и зеркало в 122 сантиметра. Гершеля удовлетворило только третье отполированное им зеркало. В первый же день, когда астроном стал в него смотреть, он навел его на Сатурн и открыл шестой спутник Сатурна. Спустя три недели он открыл и седьмой. Они располагались к Сатурну ближе, чем предыдущие пять, и были меньшего размера. Сейчас считается, что каждый имеет диаметр всего около 450 километров.
Гершель назвал их Мимас и Энцелад. Таким образом, он снова вернулся к греческой мифологии, поскольку это были два гиганта, которые вместе с Сатурном и другими титанами боролись против Юпитера.
Всю оставшуюся жизнь Гершель почти все время наблюдал двойные звезды и изучал их движение. К 1793 г. его наблюдения двойных звезд оказались достаточно длительными, чтобы он смог обнаружить, что они вращаются вокруг друг друга и их движение подчиняется закону Ньютона.
Это было потрясающей демонстрацией того, что закон всемирного тяготения действительно всемирен. Ему подчинялись не только движения планет вокруг Солнца и спутников вокруг планет, но и движение звезд вокруг друг друга. Даже на удалении многих миллиардов километров великий закон Ньютона соблюдался.
Гершель умер в 1822 г. в возрасте восьмидесяти пяти лет. Он открыл новую планету и четыре новых спутника. Более того – он положил в астрономии начало новому увлечению: охоте на планеты.
ТАБЛИЦА РАССТОЯНИЙ
Гершель успел увидеть, как это увлечение распространяется. После Галилея все вели наблюдения через телескопы. После Ньютона все рассчитывали орбиты. Теперь, после Гершеля, все искали планеты.
Более того: охотники за планетами чувствовали, что у них есть путеводитель, новое правило относительно расстояния планет от Солнца. Еще со времен Кеплера астрономы пытались понять, почему планеты находятся от Солнца именно на таких расстояниях. Если смотреть от Солнца, то кажется, что планеты отстоят все дальше и дальше друг от друга.
Так, Меркурий находится от Солнца в среднем на расстоянии 58 миллионов километров, Венера – 108 миллионов километров, Земля – 150 миллионов, Марс – 228 миллионов, Юпитер – 778 миллионов и Сатурн – 1426 миллионов. Расстояния между планетами, начиная с расстояния между Меркурием и Венерой, составляли примерно 57 миллионов, 47 миллионов, 88 миллионов, 435,5 миллиона и 725,5 миллиона километров. Если не брать в расчет Меркурий (и действительно, у его орбиты эксцентриситет намного больше, чем у других, так что от него можно ожидать странностей), то расстояние между планетами стремительно росло.
Никто не знал, почему это так. Однако в 1766 г. немецкий астроном Иоганн Даниэль Тициус в связи с этими расстояниями ввел интересный прием.
Он сказал: предположим, вы записываете последовательность чисел. Начните с 0, затем возьмите 3, а потом пусть следующее число будет вдвое больше предыдущего. Эта последовательность будет выглядеть так: 0, 3, 6, 12, 24, 48, 96 и так далее.
Теперь прибавьте к каждому числу последовательности 4, так чтобы она стала такой: 4, 7, 10, 16, 28, 52, 100 и так далее.
Теперь предположим, что мы назовем расстояние от Земли до Солнца 10 и запишем расстояния до всех остальных планет в виде пропорции. Например, расстояние от Венеры до Солнца составляет 0,72 от расстояния Земли до Солнца. Если расстояние до Земли считается 10, то расстояние до Венеры следует взять как 0,72 х 10, или 7,2. То же самое можно проделать и для остальных планет.
Результаты приведены в следующей таблице:
Заметьте: если не считать число 28 в таблице Тициуса, расстояния планет до Солнца очень близко соответствуют его цифрам.
Когда Тициус объявил об этом, никто на это особого внимания не обратил. Однако это правило взял на вооружение более известный немецкий астроном, Боде, тот самый, который позже предложил название Уран. Он опубликовал этот ряд в 1772 г., и с тех пор это правило получило название закона Боде. Такие несправедливости время от времени в науке происходят. (В российской астрономии несправедливости нет: его называют правилом Тициуса—Боде. – Примеч. пер.)
Однако это все равно не произвело особого впечатления – пока спустя несколько лет не был открыт Уран. Среднее расстояние от Солнца до Урана оказалось равным 2860 миллионам километров. Это было в 19,2 раза больше расстояния от Земли до Солнца. Следовательно, если расстояние до Земли принять за 10, то расстояние до Урана будет 192.
Если теперь вы вернетесь к моему описанию последовательности Тициуса, вы увидите, что следующей цифрой после 100 будет 196. А 196 достаточно близко к 191,8, чтобы правило Тициуса– Боде оказалось по-настоящему интересным. Теперь, когда астрономы начали охотиться за планетами, многим показалось, что это правило похоже на карту Солнечной системы, в которой указано положение неисследованной территории.
Например, как насчет того числа 28 в последовательности Тициуса? Между Марсом и Юпитером нет планеты! Или все-таки есть? В конце концов, Марс ведь меньше Земли. Возможно, за Марсом есть планета, которую не обнаружили потому, что никто не ожидал, что какая-то тусклая звезда окажется планетой.
Астрономы взялись за поиски. Началась эпоха научной охоты за планетами.
Глава 8
БОЛЕЕ НОВАЯ ПЛАНЕТА
ПРОБЕЛ В ТАБЛИЦЕ
К 1800 г. астрономия превратилась в хорошо организованную науку. Существовал целый ряд обсерваторий, множество телескопов. Дни одиночек вроде Галилея или даже Гершеля казались отошедшими в прошлое.
Вот почему поисками недостающей планеты между Марсом и Юпитером не занимался кто-то один. Двадцать четыре немецких астронома образовали нечто вроде корпорации но поиску планеты. Они устроили все с немецкой точностью, разделив небо на двадцать четыре участка: каждому члену выделили свой участок. Все необходимые приготовления были сделаны.
А пока они готовились, некий итальянский астроном из Палермо (это на Сицилии) открыл эту планету.
Этим астрономом был отец Джузеппе Пиацци, монах, который заинтересовался астрономией только в пожилом возрасте. Правительство Неаполя, которому в то время принадлежала Сицилия, финансировало строительство обсерваторий в Неаполе и в Палермо.
Пиацци особенно заинтересовался созданием новой звездной карты – наиболее точным определением положения как можно большего количества звезд. Вот почему он систематически записывал каждую звезду, которая попадала в поле обозрения его телескопа.
Ночью 1 января 1801 г. – в первую ночь нового года и девятнадцатого века – он проверял положение хорошо известной звезды, которая была слишком тусклой, чтобы ее можно было различить невооруженным глазом, но оказывалась достаточно яркой, чтобы ее легко можно было наблюдать в телескоп. Эту звезду уже зарегистрировали, и Пиацци просто хотел убедиться в том, что зарегистрированное положение полностью соответствует действительности. Проверяя это, он заметил рядом с ней еще одну звезду, приблизительно такой же яркости, и записал ее координаты. Однако поскольку эта вторая звезда уже не была известной, Пиацци вернулся к ней следующей ночью, чтобы проверить ее положение и убедиться в том, что не сделал ошибки. К своему изумлению, монах обнаружил, что действительно ошибся. Положение звезды было не таким, как он записал. Он возвращался к ней снова и снова – и всякий раз ее положение менялось.
Очевидно, звезда двигалась. Как и Гершель, Пиацци поначалу решил, что открыл новую комету. И, как это было и в случае Гершеля, когда Пиацци понаблюдал за этим объектом достаточно долго, он начал подозревать, что это – планета. По скорости ее видимого движения она могла даже оказаться той планетой, которую рассчитывали найти между Марсом и Юпитером.
Однако для того, чтобы в этом убедиться, Пиацци необходимо было рассчитать орбиту новой планеты. К несчастью, к 11 февраля он заболел и не смог делать новые наблюдения. К тому времени, когда астроном поправился, новая планета оказалась слишком близко к Солнцу, чтобы ее можно было видеть.
Конечно, у Пиацци все-таки остались его наблюдения с 1 января до 11 февраля, но их было слишком мало, чтобы рассчитать орбиту. Не зная орбиты, планету придется искать снова, и невозможно предугадать, когда именно ее найдут. В конце концов, она была довольно тусклая!
К счастью, к нему на помощь пришел молодой немецкий математик Карл Фридрих Гаусс. Он разработал способ расчета орбиты всего по трем полным наблюдениям. Когда было объявлено об открытии Пиацци, он воспользовался его наблюдениями и к ноябрю предсказал, где именно снова появится планета, когда отдалится от Солнца настолько, чтобы ее снова стало видно.
1 января 1802 г., ровно через год после открытия Пиацци, Генрих В.М. Ольберс (один из членов немецкой корпорации охотников за планетами) вновь обнаружил эту планету там, где предсказал Гаусс.
Пиацци попросил, чтобы новую планету назвали Церерой в честь римской богини плодородия (у греков ее имя было Деметра), и его просьбу исполнили. Церера была богиней, которую особо связывали с Сицилией.
Расстояние Цереры от Солнца на основе «Земля равна 10» оказалось равным 27,7. Это было почти число 28, которого требовало правило Тициуса —Боде.
Тут было только одно разочарование. Церера оказалась такой тусклой! Юпитер отстоял от Земли почти вдвое дальше, чем Церера, Сатурн – в пять раз дальше, однако Юпитер и Сатурн были яркими, а вот Цереру невооруженным взглядом рассмотреть вообще было нельзя. Даже Уран, находившийся от Земли в десять раз дальше Цереры, был ярче ее.
Очевидным объяснением было то, что Церера оказалась крошечной. Выяснилось, что ее диаметр составляет всего 770 километров. Ее масса была в сто раз меньше, чем масса Луны. Если не считать двух спутников Сатурна, то Церера была самым маленьким небесным телом, открытым к этому времени.
Неужели это все, что можно было найти в промежутке между Марсом и Юпитером?