Текст книги "Рождение миров"
Автор книги: Михаил Ивановский
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 25 страниц)
Михаил Ивановский
РОЖДЕНИЕ МИРОВ
Предисловие редактора
Космогония – наука о происхождении и развитии небесных тел – является важнейшей отраслью астрономии, так как она, соединяя в себе астрофизику (физику небесных тел) и звездную астрономию (науку о строении звездных систем), позволяет единственно правильно диалектически разрешить проблему внутреннего строения планет и звезд и найти источники звездной энергии, одновременно разрешив вопрос о происхождении Земли и о ее начальном состоянии.
В последние десятилетия космогония переживала глубокий кризис, вызванный отказом многих идеалистически настроенных космогонистов от материалистического подхода к проблемам космогонии. Не материальный мир, не данные современной астрофизики и звездной астрономии были положены в основу космогонических исследований, а произвольные гипотезы, не имевшие под собой никаких серьезных оснований. Космогония искусственно обеднялась в отношении ее фактического содержания. Так, например, в гипотезах Чемберлина, Мультона и Джинса рассматривались лишь факты, известные еще во времена Лапласа. Незнание фактического материала и нежелание с ним считаться стало обычным для многих зарубежных космогонистов. Все это не могло не приводить к компрометации не только «космогонических гипотез», но и самой идеи построения научной космогонии, к мысли о бессилии человеческого познания.
Советские астрономы первыми преодолели затянувшийся космогонический кризис и приступили к сведению теории происхождения звезд и планет. Теперь над разработкой этой теории трудятся не одиночки-космогонисты, а целые коллективы. Большие успехи советской космогонии отражены в решениях совещания по вопросам происхождения солнечной системы, созванном в апреле 1951 года отделением физико-математических наук АН СССР. Несмотря на наличие серьезных разногласий среди советских астрономов по ряду вопросов, уже сейчас вырисовываются контуры подлинно научной теории происхождения звезд и планет, обоснованной многочисленными фактами и теоретическими расчетами.
Книга М. П. Ивановского посвящена почти двухвековой борьбе передовых ученых-космогонистов за торжество идеи развития окружающей нас части Вселенной. В ней наряду с твердо установленными фактами и вполне разработанными теориями излагается и ряд гипотез, многие из которых в настоящее время являются лишь смелыми догадками. Без этих гипотез немыслимо дальнейшее развитие космогонии. Некоторые из них со временем превратятся в теории, другие же будут опровергнуты дальнейшим развитием науки. Но все они сыграют свою роль в решении великой задачи изучения развития звездного мира.
Среди научно-популярных книг по астрономии книга М. П. Ивановского является не только первой в советской литературе, полностью посвященной проблемам космогонии, но и единственной книгой, где излагается современное состояние этой науки.
В. А. Крат
Глава первая
ПРЕДВИДЕНИЕ ВАЖНЫХ ОТКРЫТИЙ
Порядок и закономерность
Природа в высшей степени упорна в своих законах, даже в мелочах, которыми мы пренебрегаем. И малейшего не должно приписывать чуду.
М. Ломоносов
Основные сведения об орбитах планет и их спутников ученые приобрели в конце XVII и в XVIII веках. По мере того, как накапливались эти сведения, у астрономов росло убеждение, что в солнечном семействе господствуют не случай и неопределенность, а порядок и закономерность. И астрономы почувствовали себя в положении разведчиков, напавших на след, который обязательно должен привести к важным открытиям.
Дальнейшие исследования подтверждали эту мысль. Чем основательнее, полнее становились знания о Солнце, планетах и лунах, тем больше закономерностей открывалось перед наукой.
Прежде всего выяснилось, что планеты обращаются вокруг Солнца по орбитам, которые по своей форме очень близки к окружностям, только Меркурий движется по орбите, совсем не похожей на окружность. Он обращается по эллипсу, у которого большая ось гораздо длиннее малой. О существовании Плутона, обладающего столь же удлиненной орбитой, в XVIII веке не знали. Таким образом, наибольшими отклонениями орбит от круговой формы отличаются крайние планеты – самая близкая и самая далекая от Солнца.
Все планеты солнечной системы движутся в одном направлении и примерно в одной плоскости.
Направление движения у всех планет одинаковое: они движутся в ту же сторону, в какую вращается вокруг своей оси Солнце. Если посмотреть на солнечный мир со стороны звезд, составляющих созвездие Дракона, то орбитальное движение планет и вращение Солнца будет направлено против часовой стрелки.
Спутники планет, которые были известны ученым в середине XVIII века, соблюдают точно такой же порядок: их орбиты имеют форму окружностей и обращаются они возле своих планет в ту же сторону, в какую вращаются планеты.
Планеты не роятся вокруг Солнца «неорганизованной» стаей, – наоборот, их движения очень упорядочены. Орбиты планет расположены примерно в одной плоскости, то есть так, как будто они плавают на поверхности незримой жидкости. И что особенно замечательно, – плоскость планетных орбит почти совпадает с плоскостью, проведенной через экватор Солнца. Иначе говоря, планеты кружатся возле Солнца, словно прикованные невидимой цепью именно к экваториальному поясу центрального светила.
Наклоны орбит планет невелики.
Наиболее резким образом это единообразие нарушает только далекий Плутон. Его орбита наклонена к плоскости солнечного экватора на 12,1°.
Луны также следуют примеру больших членов солнечной семьи: почти все они обращаются в плоскости экватора своих планет.
Планеты, у которых удалось заметить вращение вокруг осей, вращаются в одну сторону с Солнцем.
Словом, все движения в солнечной системе – вращение Солнца и планет, обращение планет и лун по их орбитам – очень упорядочены и единообразны.
Закон Кеплера
Австрийский астроном Иоганн Кеплер был глубоко убежден, что обращение планет вокруг Солнца подчинено определенным и точным законам. Он мечтал эти законы выявить и изложить их в задуманном им большом астрономическом сочинении под названием «Гармония Мира». Кеплер упорно искал эту гармонию в планетной системе. Он несколько лет отдал вычислениям, желая вскрыть зависимость между временами обращения планет вокруг Солнца и их средними расстояниями от Солнца.
Кеплер перемножал эти величины, возводил их в степень, извлекал квадратные и кубические корни… Работал, не покладая рук. Каждое свое вычисление он не ленился повторять по нескольку раз, чтобы из бежать ошибок. Настойчивость, с какой Кеплер стремился к намеченной цели, его невероятное трудолюбие и усидчивость поражали астрономов, знакомившихся с его рукописями.
Упорство победило. В 1618 году Кеплеру удалось найти ту гармонию, которую он подозревал в движении планет.
Он помножил само на себя время обращения Марса, то есть, иначе говоря, возвел его в квадрат, затем взвел в куб среднее расстояние Марса от Солнца – и в обоих случаях получил одинаковые числа.
Разумеется, все свои расчеты Кеплер вел в соответствующих друг другу единицах: время обращения планет он брал в земных годах, а их средние расстояния от Солнца – в радиусах земной орбиты.
Например, время обращения Марса в земных годах составляет 1,88 года, а среднее расстояние Марса в астрономических единицах[1]1
Астрономической единицей называется мера, равная расстоянию Земли от Солнца, приблизительно —150 миллионов километров.
[Закрыть] равно 1,524. Произведем действия: первое число возведем в квадрат: 1,882 = 3,5344; второе – в куб: 1,5243 = 3,5344.
Но может быть это только совпадение чисел?
Кеплер проделал точно такие же вычисления по отношению к другим планетам и каждый раз получал одно и тоже – квадраты времен обращения планет равнялись кубам их средних расстояний от Солнца.
Это был закон, важный закон природы, который связывает обращение планеты с ее средним расстоянием от Солнца. И выражается этот закон необычайно простой формулой Т2 = а3.
Восхищенный своим открытием, Кеплер на полях рукописи нарисовал Викторию – богиню Победы. Богиня изображена сидящей в колеснице. Она везет Кеплеру лавровый венок героя.
Рисунок Кеплера, сделанный им на полях рукописи.
Найденная Кеплером зависимость является одним из основных законов движения небесных тел. Все планеты, кометы и астероиды, все спутники звезд, все луны, обращающиеся возле планет, подчиняются этому закону.
Все закономерности, найденные учеными, указывают, что планеты и луны не случайные попутчики, приставшие к Солнцу во время его странствований по бесконечным дорогам Вселенной. Они члены единого целого и составляют организованную систему закономерно связанных между собой небесных тел.
Поэтому за солнечным семейством планет укрепилось название – солнечная система, а в среде ученых сложилось твердое убеждение, что Земля и все остальные планеты являются дочерьми Солнца, а луны – как бы внучатами, и что рождение планет и лун обусловлено действием какого-то неизвестного науке закона природы.
Странное математическое правило
Дальнейшее изучение планетной системы привело к открытию еще одной закономерности. Она выражается так называемым правилом Боде-Тициуса, которому долго не находилось удовлетворительного объяснения.
Напишем ряд дробных чисел: первое – 0,0 и второе 0,3, а все последующие будут вдвое больше предыдущего, то есть – 0,0 0,3 0,6 1,2 2,4 4,8 9,6 19,2. Если прибавить к каждому из этих чисел по 0,4, то получится новый ряд, который довольно хорошо выражает средние расстояния планет от Солнца, измеренные в астрономических единицах.
У астрономов XVIII века, которые изобрели это странное математическое правило, получилась вот такая таблица.
Сходство, как можно заметить, большое. И невольно бросалось в глаза отсутствие планеты на пятом месте от Солнца. По правилу Боде-Тициуса ее среднее расстояние должно равняться 2,8 астрономическим единицам. Однако никакой планеты в промежутке между Марсом и Юпитером астрономы не видели.
Очень многие ученые верили, что планета, предсказанная этим правилом, действительно существует. В конце XVIII века астрономы учредили особое общество для розыска планеты-незнакомки. Но прежде чем общество «небесных сыщиков» успело приступить к работе, неизвестная планета нашлась. Ей дали имя Церера.
Это был первый из астероидов, одна из тех планет-малюток, которых «выловили» затем свыше двух с половиной тысяч.
Наибольшее расстояние Цереры от Солнца оказалось равным 2,767 астрономическим единицам. Оно очень близко к тому, что предсказывало правило Боде-Тициуса. Таким образом, правильность таинственных математических подсчетов, данных непонятным правилом, получила серьезное подтверждение.
В 1846 году благодаря трудам французского математика Леверрье, русского астронома Лексела и англичанина Адамса была найдена еще одна планета – Нептун.
Среднее расстояние Нептуна от Солнца по правилу Боде-Тициуса должно составить: 19,2 х 2 + 0,4 = 38,8.
Действительное расстояние оказалось довольно далеким от этого числа —30,1!
Правило было нарушено. Ученые стали склоняться к мысли о том, что оно объясняется простым совпадением чисел и никакой закономерности не выражает. Интерес к этому правилу, разумеется, сразу же упал.
Девятую планету, названную Плутоном, нашли в 1930 году.
Велико же было удивление астрономов, когда стало известно, что среднее расстояние Плутона от Солнца почти в точности равно тому расстоянию, какое по правилу Боде-Тициуса предназначалось для Нептуна – 39,5!
Девятая планета расположилась на месте восьмой. Восьмая же, таким образом, оказалась на промежуточной орбите, и ее расстояние от Солнца равно средне-арифметическому от расстояний Урана и Плутона: (19,2+39)/2 = 29,35.
Но в чем же дело? Ведь если зависимость между какими-либо величинами или явлениями может быть выражена с помощью математической формулы, то несомненно, что эти величины или явления закономерно связаны между собой. Само существование правила Боде-Тициуса свидетельствует, что расстояния планет от Солнца неслучайны.
Повидимому, правило Боде-Тициуса выражает какой-то закон, который действовал во время образования планет, и именно он заставил их занять нынешние орбиты.
Что это за закон? В чем его сущность? Почему этому закону подчиняются все планеты, кроме Меркурия?
Для Меркурия совершенно произвольно принято число 0,0, тогда как по правилу Боде-Тициуса надлежало взять 0,15. Но 0,15 + 0,4 дает 0,55, что очень непохоже на действительное расстояние Меркурия от Солнца, равное 0,387. Не близость ли Солнца вызвала это отклонение от правила?
Ответа на эти недоуменные вопросы не было до самого последнего времени.
Массы и плотности
Когда ученым стали известны массы и плотности планет, выяснилась еще одна странность. Первые четыре планеты – Меркурий, Венера, Земля с Луной и Марс – и по объему и по массе сравнительно невелики, но они отличаются значительной плотностью вещества, в среднем, она почти вдвое превышает плотность таких горных пород, как гранит, диабаз и т. п.
Следующие четыре планеты – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун отличаются большими массами и объемами, но плотность их мала – она почти вдвое меньше плотности земных горных пород.
Девятая планета еще очень плохо изучена, о ней трудно сказать что-либо определенное.
Столь удивительная и резкая разница между двумя группами планет также не может быть беспричинным явлением. Но и она, как и другие закономерности, не поддавалась объяснению.
Последнее, что обращает на себя внимание, это резкая разница между массами Солнца и остальных членов солнечной системы. По своим размерам и по массе Солнце исключительно велико. Его поперечник равен 1391 тысяче километров, а масса составляет почти 2 миллиарда квинтиллионов, то есть 21027 тонн (квинтиллион – это миллиард миллиардов). Масса Солнца такова, что надо сложить вместе 332 тысячи шаров, подобных земному, и только тогда получится тело, равное по массе Солнцу.
Вокруг Солнца обращается многочисленная свита разнообразных небесных тел. В ее состав входит 9 планет с 30 спутниками, несколько миллиардов астероидов, свыше тысячи комет и метеорных потоков, бесчисленное множество отдельных камешков-метеоритов и облако космической пыли, образующее на нашем небе явление зодиакального света.
Масса Солнца по сравнению с массами планет.
Все эти тела и тельца вместе взятые в 745 раз меньше Солнца по массе. Соотношение между массами Солнца и планет примерно такое же, как между человеком и его мизинцем. Если планеты – дочери Солнца, то упрекнуть Солнце в щедрости нельзя: оно выделило «дочерям» только один «мизинец» вещества.
Примерно такое же соотношение между планетами и их лунами. Луны меньше своих планет в сотни и в тысячи раз. Исключение составляет спутник Земли – Луна, которая по массе меньше земного шара только в 81,5 раза. Это позволяет считать Луну не спутником, а тоже планетой, составляющей вместе с Землей двойную планету.
Глава вторая
ПЕРВЫЕ ПОПЫТКИ ОБЪЯСНЕНИЯ
Закон всемирного тяготения
Дай мне вещество и движение, и мир созиду.
А. Радищев
Однажды жарким летним днем Ньютон со своим другом Стекелеем сидели после обеда в саду и пили чай. Легкий ветерок шевельнул ветви яблони. Одно яблоко сорвалось с дерева и покатилось к ногам Ньютона.
Ньютон обратил внимание Стекелея на упавшее яблоко и сказал, что в дни его юности, почти точно в такой же обстановке, падение яблока навело его на мысль о тяготении. И это было более чем полвека назад – в 1664 году.
Тогда в Англии вспыхнула эпидемия чумы. Страх перед беспощадной болезнью заставлял людей покидать густо населенные города. Ньютон, учившийся в Кембриджском университете, уехал к себе на родину, в селение Вульсторп. Там он жил в полном одиночестве, поглощенный размышлениями о научных вопросах, волновавших ученых того времени. Решение этих вопросов составляло задачу века.
Одной из таких назревших научных проблем было исследование удивительной зависимости между временем обращения планет вокруг Солнца и их средним расстоянием. Эта зависимость была установлена Кеплером в 1618—19 годах, но какого-либо объяснения она тогда не получила. Кеплер предполагал, что от Солнца исходит некая сила, управляющая движениями планет по орбитам. Что она собой представляет, Кеплер не знал. Не знали этого и современники Ньютона. Многие из них подозревали, что загадочная «солнечная сила» родственна или подобна тяжести. Однако обосновать это предположение никто не мог.
Ньютон, поселившись в годы чумы на своей ферме, настойчиво искал пути к решению задачи. Его мысли были обращены к Луне. Ньютон старался понять, что заставляет нашего спутника подчиняться закону Кеплера и описывать возле Земли нескончаемые круги, почему Луна не может ни удалиться от Земли, ни упасть на нее.
И вот как-то раз, когда Ньютон сидел погруженный в свои мысли, его внимание привлекло яблоко, сорвавшееся с ветки.
– Почему яблоки, а также и все остальные предметы, падают всегда отвесно? – подумал Ньютон. – Почему не куда-либо в сторону, а только по направлению к центру Земли?
Значит, действительно, существует какая-то притягательная сила, присущая материи и сосредоточенная в центре Земли. А если эта сила свойственна всякой материи, то, очевидно, она должна соответствовать ее количеству. Чем массивнее, чем тяжелее тот или иной предмет, то есть чем больше содержится в нем частичек материи, тем сильнее будет его притяжение.
И Земля и яблоко состоят из материи. Следовательно, Земля притягивает к себе яблоко, а яблоко притягивает Землю – притяжение взаимно. Но Земля огромна, и ее притяжение велико, а яблоко мало, и его притяжение незаметно. И поэтому яблоко падает на Землю, повинуясь ее могучему притяжению.
То, что мы называем тяжестью тел или их весомостью, есть не что иное, как следствие тяготения Земли. Это тяготение пропорционально количеству частиц материи, заключенных в телах, или, иначе говоря, пропорционально массе тел.
Найдя правильный путь решения задачи. Ньютон продолжал свои рассуждения.
– Яблоко, сорвавшееся с ветки, упало на Землю. Точно так же оно упадет и с кровли дома, и с высокой башни, и с обрыва горы. Повинуясь тяготению, с гор скатываются камни и сбегают ручьи, из туч выпадает град, снег, дождь. Значит тяготение Земли распространяется выше всех башен, гор, выше туч.
Конечно, чем дальше от Земли, тем ее тяготение должно становиться все слабее и слабее, оно несомненно убывает с расстоянием, но нигде не исчезает совсем. Хотя Луна далека, но тяготение Земли безусловно достигает ее, и именно оно удерживает Луну на ее орбите!
Если это предположение правильно, то оно может быть проверено вычислением. Сила тяжести на поверхности Земли известна. Известно было во времена Ньютона и расстояние до Луны – оно равняется 60 земным радиусам. Но о величине земного радиуса в распоряжении ученых тогда не было надежных и проверенных данных. Ньютон воспользовался результатами весьма неточных измерений Земли, выполненных в 1635 году, и принял земной радиус равным 5500 километрам.[2]2
В настоящее время эти величины измерены с большой точностью, расстояние до Луны равно 384 400 км или 60,37 земных радиуса, а средний земной радиус, по определению советских ученых, равен 6 367 554 метрам.
[Закрыть] Он погрузился в вычисления, с тем чтобы определить, чему равна сила земной тяжести на расстоянии Луны, и узнать, достаточна ли она, чтобы удерживать Луну на ее орбите.
Но неверные исходные данные привели к ошибочному результату. Ньютон отложил свою работу.
Прошло несколько лет. В 1671 году были опубликованы новые, более точные сведения о размерах земного шара. Эти сведения стали известны Ньютону, и он немедля повторил свои вычисления.
Сила тяжести на поверхности Земли такова, что каждое свободно падающее тело проходит в первую секунду 4,89 метра. Луна находится от Земли на расстоянии 60 земных радиусов, то есть она расположена в 60 раз дальше от центра земного шара, чем предметы, лежащие на его поверхности.
Ньютон нашел, что сила тяжести убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Иначе говоря, если увеличить расстояние вдвое, то сила тяжести ослабеет вчетверо, а при увеличении расстояния втрое, она ослабеет в девять раз. Вчетверо дальше – в шестнадцать раз слабее, а в 60 раз дальше – в 3600 раз слабее.
Если это предположение правильно, то на расстоянии Луны свободно падающее на Землю тело пройдет в первую секунду не 489 сантиметров, а в 3600 раз меньше, т. е. 0,1359 сантиметра.
Ньютон вычислил, как велико в действительности ежесекундное отклонение Луны от прямого пути, и у него получилось число, очень близкое к 0,1359. Это доказывало, что земное тяготение и на самом деле убывает обратно пропорционально квадрату расстояния и, достигая Луны, оно удерживает Луну на ее орбите.
