Текст книги "Лаплас"

Автор книги: Борис Воронцов-Вельяминов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 17 (всего у книги 19 страниц)

Судьба гипотезы Лапласа

Прошли десятилетия, и в космогонической гипотезе Лапласа обнаружились трещинки. В то время, как одни принялись заделывать эти прорехи и пытались спасти гипотезу Лапласа путем введения в нее поправок или видоизменений, другие стремились выдвинуть на смену ей новые мысли, более соответствующие уровню современных знаний.

В цепи явлений, обнаруженных в солнечной системе и не предусмотренных гипотезой Лапласа, одно явление было указано уже в следующем году после опубликования «Изложения системы Мира». При помощи своих гигантских телескопов Вильям Гершель в 1787 году открыл спутников у планеты Уран, наиболее далекой из планет, известных в то время, и открытой им самим шестью годами раньше. В 1797 году Гершель уже установил и сообщил, что в противоположность всем остальным спутникам планет четыре луны Урана вращаются в обратном направлении, т. е. пробив движения самого Урана вокруг Солнца. В 1815 году, еще при жизни Лапласа, Гершель снова подтвердил свое открытие, противоречащее гипотезе Лапласа, утверждавшей необходимость прямых вращений во всей солнечной системе. Он отметил еще, что плоскость движения урановых лун почти перпендикулярна плоскости движения Урана вокруг Солнца.

Несмотря на это, ни в одном из последующих изданий своей книги Лаплас не попытался об'яснить это новое явление и даже не удостоил его упоминания. Считал ли Лаплас наблюдения Гершеля недостоверными, так как никто другой ни в Европе, ни в Америке, не обладая такими могучими инструментами, как Гершель, не мог проверить его наблюдения? Авторитет Гершеля, как прекрасного наблюдателя, был тогда уже достаточно велик, и скорее можно думать, что Лаплас, будучи весьма высокого мнения о своих трудах, не пожелал пересматривать всю свою гипотезу из-за единственного возражения.

С течением времени, однако, был открыт еще ряд обратных вращений в солнечной системе, показавших, что они далеко не являются редкими исключениями. Так, оказалось, что спутник планеты Нептун, обнаруженной в 1846 году по гениальному теоретическому предвидению Леверрье, так же вращается в обратном направлении, как и спутники Урана. Этот спутник был открыт в 1847 году, а в конце столетия обнаружилось, что один из девяти спутников Сатурна – Феба – и два из девяти спутников Юпитера также вращаются в обратных направлениях и навстречу вращению самих планет. Выяснилось и то, что вращение Урана вокруг своей оси происходит в обратном направлении, как и у его спутников, а у далекого Нептуна, по исследованиям 1928 года, вращение оказалось прямым, что еще больше осложнило картину вращений в нашей планетной системе.

Второй группой новооткрытых явлений, не вяжущихся с гипотезой Лапласа, явилось открытие спутников, вращающихся вокруг своей планеты быстрее, чем она сама вращается вокруг оси.

В кольце Сатурна, в котором сам Лаплас видел лучшее подтверждение своей гипотезы, также было открыто, что внутренний край кольца делает один оборот за восемь часов, тогда как сама планета делает его за десять с половиной часов. Это открытие, сделанное в конце прошлого века русским академиком Белопольским, с несомненностью показало, что кольцо Сатурна состоит из отдельных мелких твердых частичек, движущихся по законам Кеплера, так что внутренние из них обегают планету быстрее, чем наружные.

Между тем по гипотезе Лапласа кольца и спутники образовывались, когда скорость вращения была еще невелика, раньше, чем ядро газового сгустка собралось в уплотненную планету. После отделения кольца и спутников сжимающееся ядро – будущая планета – должно было ускориться в своем вращении. Все это противоречит фактам, открытым Холлом и Белопольским.

Критерием истины является практика; роль ее в астрономии играют наблюдения. В эпоху Лапласа изучение туманностей только еще начиналось и лишь лет восемь тому назад природа этих обширных образований выяснилась в достаточной степени. Оказалось, что некоторые из туманных пятен, на которые указывал Лаплас, являются на самом деле далекими звездными системами, но часть туманностей действительно состоит из облаков разреженного газа, существование которых предполагал в своей гипотезе Лаплас. Однако до сих пор не найдено никаких подтверждений существования туманностей, сгущающихся в звезды. Скорее напротив, в тех случаях, когда в середине туманности наблюдается звездочка, можно предположить, что окружающие ее газы удаляются от нее, рассеиваются в пространстве. Среди десятков тысяч туманностей не было открыто таких, известных нам в настоящее время, которые по своему виду напоминали бы ядро, окруженное кольцами, описанными Лапласом. Есть лишь один случай, неизвестный авторам, писавшим когда-либо о гипотезе Лапласа. Одна из так называемых планетарных туманностей, занесенная под номером 6620 в «Новый генеральный каталог» Дрейера, судя по рисунку с ее фотографии, обнаруживает нечто, близко напоминающее картину, воображаемую Лапласом. Маленькая звездочка окружена уплотненным, слегка продолговатым газовым туманом, вокруг которого хорошо заметно тонкое туманное кольцо с отчетливым сгущением в нем, напоминающим узелок. Картина эта настолько удивительна, что автор этой книги попросил для проверки прислать ему вместо рисунка лучший оригинальный снимок этой туманности, полученный в Ликской обсерватории (Америка). На оригинальном снимке сходство туманности с тем, что описывает Лаплас, оказалось еще поразительнее.

Конечно, на основании этого единичного случая еще совершенно преждевременно делать какие-либо выводы. Производить тут сравнение тем более затруднительно, что радиус туманного кольца этой туманности по крайней мере в тысячу раз превышает радиус самой далекой от Солнца планеты. Однако утверждение, что об'екты, напоминающие картину Лапласа, отсутствуют, как мы видим, не совсем верно.

Туманности, называемые планетарными, ничего общего с планетами, вообще говоря, не имеют. Это название они получили лишь потому, что обычно они имеют вид зеленоватых, слабо светящихся кружков, на первый взгляд напоминающих далекие планеты – Уран и Нептун, как они видимы в телескоп средней силы.

Не только по линии новых наблюдений, на гипотезу Лапласа обрушивался один удар за другим и по линии теоретической.

Солнечная система, предоставленная самой себе, без воздействия внешних сил должна всегда обладать одним и тем же суммарным моментом количества вращения.[18]18
  Суммой произведений из масс частиц на их скорость и на расстояние от оси вращения.


[Закрыть] С этой точки зрения теперь видно, что та скорость, которую могла иметь вращающаяся туманность Лапласа, являлась совершенно недостаточной, чтобы в ней развилась центробежная сила, отрывающая от нее кольца. Если же принять, что нужная для отрыва колец скорость вращения существовала в давно прошедшие времена, и предположить, что тогда туманность была однородной и простиралась за орбиту Плутона, получится момент количества вращения, раз в 200 больше современного. Куда же пропало движение, бывшее в системе? Это движение не могло исчезнуть. Мы увидим дальше, как современная наука пытается разрешить эту загадку.

Вывод Лапласа о необходимости прямого вращения планет и прямого обращения спутников также подвергается большому сомнению. Если массу какой-либо современной планеты распределить равномерно вдоль ее орбиты в виде кольца, шириной хотя бы в несколько диаметров планеты, то увидим, что полученная степень разрежения газа будет очень велика. Частички газа будут так далеки друг от друга, что они не смогут достаточно сильно друг друга притягивать и выравнять взаимные скорости настолько, чтобы кольцо стало вращаться, как твердое тело. Скорее можно ожидать, что частички будут обращаться вокруг Солнца независимо друг от друга. Следовательно, они будут подчиняться законам Кеплера, и внутренние частички будут иметь и угловую и линейную скорость больше, чем внешние, в противоположность тому, что думал Лаплас; значит, если в таком кольце станет сгущаться планета, то будет забегать вперед ее край, более близкий к Солнцу, и ее вращение около оси получится не прямым, а обратным. Если это так, то гипотезе Лапласа противоречат не обратные вращения планет вокруг оси, а более часто наблюдаемые прямые вращения. Спутники, образующиеся из колец, отделяемых такой не сгустившейся еще планетой с обратным вращением, тоже будут иметь обратное движение.

Мы видим, что в смысле направления вращения планет возражения, делавшиеся против гипотезы Лапласа, стали рассматриваться как подтверждения его гипотезы; зато большинство вращений, рассматривавшихся как подтверждения гипотезы, теперь надо признать противоречащими ей.

Замечательно, что сторонники гипотезы Лапласа более или менее удачно оправились почти со всеми возражениями, которые против нее выставлялись. Некоторые из попыток улучшить или спасти гипотезу Лапласа противоречат друг другу или дополняют, а то и видоизменяют ее первоначальный вид, но во всех этих попытках основные идеи Лапласа остаются все-таки в силе. Поэтому, так или иначе, гипотеза Лапласа продержалась среди научных достижений вплоть до нашего столетия.

В сороковых годах XIX века Рош математически разработал гипотезу Лапласа, поскольку это вообще было возможно, и убедился, что в своих основных выводах Лаплас был прав. Кроме того, Рош детальнее разобрал механизм образования колец, которого Лаплас подробно не касался.

Соображения и расчеты Роша полвека спустя проверил третий выдающийся французский механик, Пуанкаре. Очень интересна, хотя и мало вероятна, найденная Рошем возможность образования в туманности, помимо внешних, особых «внутренних колец», как он их называет. У этих «внутренних колец» скорость вращения должна быть больше, чем у ядра туманности, и Рош думал, что из них должны были образоваться быстрые спутники Марса и внутренняя часть кольца Сатурна – явления, противоречившие гипотезе Лапласа в той форме, как он ее высказал сам.

Вопрос о происхождении в солнечной системе вращений, обратных тем, которые должны быть по Лапласу, мог быть улажен путем учета так называемого приливного трения. Это явилось некоторым добавлением к творению Лапласа, основанном на развитии теории приливов. Приливное трение, которому очень большое внимание уделил Фридрих Энгельс в своей «Диалектике природы», затрагивалось еще Кантом, но особенно блестяще оно было разработано трудами Джорджа Дарвина, сына знаменитого естествоиспытателя Чарльза Дарвина.

Если вблизи некоторого жидкого или газообразного тела, способного изменить свою форму, находится другое массивное тело, то оно притягивает к себе сильнее более близкую часть поверхности первого тела. Поэтому на теле, скажем, на планете, в этом месте получается выступ, направленный к притягивающему телу, – получается приливная волна. Такие приливные волны или водяные горбы создают на нашей Земле Луна и Солнце. В реальных жидкостях существует внутреннее трение, препятствующее, хотя и слабо, движению жидкости. Чем больше вязкость жидкости, тем сильнее в ней эти явления.

Приливный горб всегда стремится направиться по прямой, соединяющей планету с притягивающим телом. Поэтому, если планета вращается вокруг оси быстрее, чем вокруг нее обращается тело, вызывающее приливы, то приливный горб будет отставать от вращения планеты. Трение в жидкости, а на Земле и трение воды об океанское дно в таком случае тормозят вращение планеты, замедляют его. Действуя из года в год на протяжении сотен миллиардов лет, это ничтожное трение, как капля, долбящая камень, может сильно затормозить вращение планеты или даже остановить его совсем. Дарвин показал, что под действием лунных приливов Земля замедлилась в своем суточном вращении. Раньше она вращалась быстрее, и тогда Луна была к Земле ближе. Вообще торможение вращения центрального тела, благодаря действию приливов, ведет к удалению спутника от главного тела, и наоборот. Таким образом, для ряда планет с их спутниками, хотя и не во всех случаях, с полным основанием можно допустить, что в давно прошедшие времена эти спутники образовались гораздо ближе к своим планетам, чем то расстояние, которое отделяет их теперь. При этих условиях кольца могли образоваться при прежней скорости вращения, и между бывшим и теперешним моментом вращения противоречия уже нет. К сожалению, это об'яснение годится лишь в некоторых частных случаях. Ко всей солнечной системе в целом это об'яснение неприменимо.

Быть может, действие приливного трения об'ясняет даже различия в направлении вращения планет и спутников. Эта гипотеза так называемой планетной инверсии предложена Пуанкаре и Стрэттоном. Последние считают величину приливного трения еще большей, чем Дарвин (ведь установить ее точно за краткий срок наших наблюдений нельзя). Они полагают, что вначале все планеты и их спутники вращались в обратном направлении, как следует из поправленной гипотезы Лапласа. При этом оторвались внешние кольца, которые дали спутников с обратным движением – как раз наиболее далеких от своей планеты, что подтверждается наблюдением: обратные спутники Юпитера и Сатурна отстоят от них дальше, чем прямые.

Между тем на образовавшиеся клубки – будущие планеты, вращающиеся в обратном направлении, сразу же начинает действовать приливное трение. Продолжая действовать, приливное трение, вызываемое притяжением к Солнцу, будет все больше и больше тормозить обратное вращение планеты. В конце концов приливное трение может даже превратить вращение в прямое и, в связи с продолжающимся сжатием, сделать его достаточно быстрым. Кольца, образовавшиеся после этого, были уже ближе к своей планете и, следовательно, вращались в прямом направлении, дав «прямых» спутников.

Таким образом, можно было бы думать, что далекие планеты, начиная с Урана, имеют обратное вращение, так как, находясь дальше от Солнца, они испытывают меньшее приливное воздействие, и их обратное вращение не успело еще смениться на прямое, Если это верно для Урана, то неверно для Нептуна, вращение которого оказалось прямым, хотя его спутники двигаются обратным вращением. Что же касается Плутона, открытого лишь в 1930 году и наиболее далекого от Солнца, то о его вращении нам пока еще ничего неизвестно.

Конечно, такое об'яснение не свободно от ряда возражений и кажется несколько натянутым. Более вероятно положение Дарвина, который не шел так далеко и допускал лишь, что приливы, вызываемые Солнцем на Марсе, затормозили его вращение, так что оно стало более длинным, чем период обращения Фобоса, выделившегося из кольца еще в то время, когда Марс вращался быстрее, чем теперь.

Из всех предыдущих возражений, с которыми гипотеза Лапласа так или иначе справилась, наиболее серьезным, удовлетворительного объяснения которому, в сущности, еще не дано, является недостаточный момент вращения солнечной системы в настоящее время.

Все сделанные возражения носили до сих пор чисто механический характер. Развитие физики нанесло еще один, пожалуй, главный удар гипотезе Лапласа – именно образованию колец и возможности сгущения их в планеты. Современная физика показывает нам, что центральное раскаленное ядро должно было испускать мощные потоки света в окружающую его газовую атмосферу. Между тем свет производит сильное отталкивательное давление на молекулы газа, не учтенное Лапласом. Кроме того, частички газа, по кинетической теории материи, находятся в непрерывном движении, которое уже давно доказано. Это движение частиц обусловливает упругость газа, мешающую ему сгуститься под действием притяжения в один плотный шар. Новейшие исследования американского ученого Мультона и английского ученого Джинса показывают, что такое сгущение возможно лишь при условии, чтобы либо масса разреженной туманности имела порядок солнечной массы (а не порядок масс маленьких планет), либо чтобы плотность туманности была достаточно велика. Если мы вообразим себе, что масса всей солнечной системы равномерно распределена по об'ему шара с радиусом, равным радиусу Плутона, – а первичная туманность должна была быть еще больше, – то ее средняя плотность составляла бы одну трехсотмиллионную долю плотности обычного воздуха. Такую малую плотность газа мы пока еще не в силах создать искусственно при помощи самых лучших воздушных насосов. При такой гигантской разреженности газа он едва ли может иметь достаточную вязкость, чтобы вся туманность вращалась подобно твердому телу. Как предполагал Лаплас, сцепление между частичками газа при таких условиях практически отсутствовало бы. Тогда совершенно невероятно расслоение тонкого газового диска на кольца, разделенные промежутками, а тем более их сгущение в планету. Скорее всего, молекулы, вследствие вращения отрывающиеся от туманности на ее периферии, непрерывно рассеивались бы в мировом пространстве. Все это происходило бы тем вероятнее, чем большая часть массы была бы сосредоточена вначале в центре туманности, образовавшей впоследствии Солнце. Последнее предположение устранило бы первое из приведенных возражений (относительно момента количества вращения), но усугубило бы упомянутые выше возражения Джинса. Действительно, при этом плотность туманности в том месте, где в ней, по предположению, образовывались кольца, была бы еще меньшей.

Главный удар, нанесенный гипотезе Лапласа со стороны физики, очень показателен. Лаплас строил свою гипотезу, исходя из данных одной лишь чистой механики, делая тем самым гениальную попытку свести многообразие природы, к механическим явлениям. В этом смысле гипотезу Лапласа можно назвать венцом механистического мировоззрения в области физико-математических наук. Ее стройность и кажущаяся всеоб'емлемость дали сильнейший толчок дальнейшему развитию механистического материализма и перенесению его на более сложные явления физические, биологические и даже на область общественных явлений.

Однако механистический материализм, игнорируя законы диалектики, игнорируя переход количества в качество, не учитывая многогранности свойств материи, упрощает действительность. Поэтому развитие нашего знания, вскрывая диалектические законы, проявляющиеся в природе, обнаруживает несостоятельность механистического мировоззрения. Оно является превзойденной формой, пережитым этапом, и основоположники марксизма блестяще показали, как должно развиваться наше дальнейшее проникновение в тайны природы.

Современные космогонические гипотезы, идущие на смену лапласовой, должны учитывать не только механические свойства вещества, но должны принимать во внимание и физико-химические свойства материи, в которых качественная сторона проявляет себя в полной мере.

В XIX веке возражения, накопившиеся против гипотезы Лапласа, заставили многих ученых попытаться создать новые гипотезы, об'единяемые общим названием «небулярных», потому что они вслед за Лапласом исходили из идеи преобразования туманности (по-латыни – nebula) в солнечную систему под действием одних лишь внутренних сил.

Что заменяет сейчас гипотезу Лапласа

В настоящее время наиболее удачной признается гипотеза Рессела, выдвинутая им в 1935 году и представляющая видоизменение гипотезы, разработанной Джинсом.

Сущность гипотезы Рессела состоит в том, что некогда, очень давно, вместо нашего Солнца была сформировавшаяся, довольно плотная двойная звезда, система двух солнц. Случайно на близком расстоянии от этой двойной звезды прошла какая-то другая звезда. Прилив был так силен, что спутник разорвался на куски, что произошло бы еще легче в случае прямого столкновения с пришлой звездой, навеки затем исчезнувшей в недрах мирового пространства. Эти «осколки» спутника состояли из достаточно плотных газов, находившихся в его недрах. Поэтому, распавшись на части, он мог быстро застыть, сгуститься в планеты. Действие сопротивляющейся среды, окружавшей большую из двух звезд, наше теперешнее Солнце, и составившейся из мелких осколков и газов, рассеявшихся при катастрофе, должно было, как показывает расчет, превратить первоначальные орбиты осколков планет в почти круговые. Пока планеты еще не застыли и, двигаясь по вытянутым кривым, могли еще сильно приближаться к Солнцу, оно производило в них огромные приливы. Так, с планетами повторилось почти то же, что произошло при рождении планет: и у них путем описанного выше приливного разрыва (вызванного Солнцем) образовались спутники. Против гипотезы Рессела тоже можно выдвинуть возражения, но они уже не так вески, как возражения против гипотезы Лапласа. Тесное сближение двух звезд, а тем более предполагаемое гипотезой Рессела их столкновение может происходить так редко, что планетные системы должны возникать лишь у одной из миллиардов звезд.

Так должно быть из-за огромности расстояний, отделяющих звезды друг от друга.

За это обстоятельство с радостью ухватились теологи, заинтересованные в том, чтобы доказать исключительность солнечной системы во вселенной, а вместе с ней доказать исключительность жизни на Земле и достоверность христианской мифологии. Например, ученый аббат Маджини даже в 1932 году настаивал на том, что рождение планет совершалось чуть ли не по божественному предначертанию.

Между тем Лаплас писал: «Аналогия, которая побуждает нас сделать из каждой звезды центр планетной системы, приобретает правдоподобие благодаря гипотезе, предложенной нами относительно образования звезд и Солнца, ибо ввиду того, что по этой гипотезе каждая звезда, подобно Солнцу, была первоначально окружена обширной атмосферой, естественно приписывать этой атмосфере те же действия, как и солнечной, и предполагать, что из нее возникли, вследствие ее сгущения, планеты и спутники».

Таким образом, холодный и строгий ум Лапласа под влиянием научных соображений приблизился к той же идее множественности обитаемых миров, которую проповедывал пламенный поэт и философ Джордано Бруно, за двести лет до Лапласа сожженный за эту проповедь на костре «священной инквизиции».

Сейчас еще Нет возможности подтвердить или отвергнуть существование планетных систем около ближайших звезд. Установление этого факта было бы очень важно для космогонии.

Неуверенность, с какой можно принимать в космогонии ту или иную гипотезу образования планет, в значительной степени вызвана отсутствием других планетных систем, которые мы могли бы сравнивать с нашей. Изучение других таких систем, находящихся в другой фазе своего развития, чем наша, сразу сильно прояснило бы вопрос. Самое же развитие солнечной системы длится так долго, изменения в ней так медленны, что история науки и даже история всего человечества в сравнении с историей Солнца – только краткий миг. Поэтому нельзя пессимистически относиться к тому, что гипотеза Лапласа устарела и что другие гипотезы приходится сменять одну за другой.

Как говорит известный современный английский ученый Джине, имея в виду недостаточность фактических данных, «время выводов в космогонии еще не наступило». Однако человеческому пытливому уму несвойственно ждать накопления этих данных, и он пытается, не так уж плохо, проникнуть в тайну мироздания с тем оружием, которым он владеет сейчас.

Каждая новая гипотеза, проверенная человеческой практикой, может быть, еще и не вполне верно, но все ближе и ближе отражает действительный ход развития мироздания. В этом убеждает нас все течение исторической жизни человечества, так же обстоит дело и в одной из труднейших областей знаний, которой посвятил свои творческие способности Лаплас.

Лаплас не дал такой широкой картины, как Кант. Он не рассматривал всего мироздания, не считая возможным выходить далеко за рамки установленного наукой и погружаться в область вымысла. Зато его гипотеза поколебалась не так скоро, как другие, новейшие гипотезы. Теперь к космогоническим гипотезам пред'является больше требований, чем во времена Лапласа, но зато и наши знания в области теории тоже возросли. И можно полагать, что успех лапласовского построения об'ясняется не большей простотой проблемы, которую он себе поставил, а тем, что его гипотеза гораздо сильнее опередила современное ему состояние науки, чем гипотезы новейших космогонистов опережают состояние науки XX века.

Подводя итоги, мы можем, вслед за Фурье, сказать о Лапласе следующее. Нельзя утверждать, что он создал новую науку, подобно Галилею, Ньютону или Лейбницу, «но Лаплас был рожден для того, чтобы все углублять, отодвигать все границы, чтобы решать то, что казалось неразрешимым. Он кончил бы науку о небе, если бы эта наука могла быть окончена». Гипотеза Лапласа продержалась в науке дольше всех других и, как сказал Пуанкаре, «для ее возраста на ней уже не так много морщин». Своей подкупающей ясностью, простотой, логичностью и разработанностью она заслужила того, что до сих пор приводится во всех книгах и учебниках по астрономии, хотя несостоятельность ее и очевидна. Заложенные в ней идеи эволюции оказали огромное и благотворное влияние и на другие области точной науки. Наконец Лаплас первый без всяких оговорок и двусмысленностей исключил провидение из вопросов мироздания. Лаплас и в своей гипотезе и в поисках причинности в каждом исследованном им явлении природы выступает последовательным материалистом.