Текст книги "Рассказы об астрономах"

Автор книги: Василий Чистяков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 11 страниц)

Пьер Симон Лаплас (1749–1827)

Лаплас был гениальным астрономом. Знакомящегося с его биографией поражает необычная трудоспособность, постоянство интересов, упорство и целеустремленность в разрешении поставленных проблем. Лаплас обладал редким талантом математического подхода к явлениям природы, умением в сложных процессах выделить главное, поставить нужную проблему и решить ее оригинальными методами. Все эти качества помогли ему разработать небесную механику, которая является альфой и омегой теоретической астрономии. Небесная механика изложена в пятитомном «Трактате о небесной механике». В этом трактате Лаплас дает математическое объяснение движению тел солнечной системы, в основу которого положен закон всемирного тяготения Ньютона.

Труды Лапласа по небесной механике математически утвердили закон всемирного тяготения Ньютона. В этих трудах он дал свой новый способ вычисления орбит небесных тел, доказал устойчивость солнечной системы, пришел к заключению, что по законам устойчивости кольцо Сатурна не может быть сплошным, а сама планета сильно сжата у полюсов. Далее он доказал, что средняя скорость движения Луны зависит от эксцентриситета земной орбиты, которая в свою очередь меняется под действием притяжения планет. По «возмущениям» Луны ученый определил величину сжатия Земли у полюсов. Он создал теорию движения спутников Юпитера и один из первых разработал динамическую теорию приливов.

«Трактат о небесной механике» Лапласа еще при жизни автора стал классическим произведением и в течение более полустолетия был основным руководством по теоретической астрономии.

Небезынтересно отметить, что этот трактат не потерял своего значения и в наши дни. В настоящее время для многих астрономов «Трактат о небесной механике» служит настольной книгой и образцом научного подхода к решению проблем теоретической астрономии.

Наука о происхождении и развитии небесных тел и их систем носит название «космогония». Одной из задач этой науки является выяснение происхождения планет, планетных систем и закономерностей их развития. В частности, большой интерес представляло и представляет происхождение и развитие планет нашей солнечной системы. Научная космогония стала возможной после открытия закона всемирного тяготения Ньютона и основных законов механики.

Из чего и как возникла наша планетная солнечная система? Это интересовало многих ученых, в том числе и Лапласа. Он предложил оригинальную космогоническую гипотезу. Кратко ее суть заключается в следующем. В далеком прошлом нынешняя планетная солнечная система представляла вращающуюся раскаленную газовую туманность, которая по своим размерам превосходила планетную систему во много раз и имела сплюснутую форму. В результате известных законов механики сплюснутость газовой туманности возрастала, линейная скорость вращения на экваторе увеличивалась. От экватора туманности под действием центробежной силы стали отрываться слои вещества, образовавшие газовые кольца, вращающиеся вокруг основной туманности, от которой они оторвались. Каждое из колец под действием сил взаимного притяжения частиц преобразовалось в сферическое тело. Эти тела, образованные из вращающихся газовых колец, и стали планетами. В первоначальном состоянии планеты были раскаленными, а потом благодаря излучению тепла стали холодными. Что касается Солнца, то оно образовалось из центральной части раскаленной туманности, которая после отделения ряда колец подверглась некоторому сжатию и приняла нынешнюю форму. Аналогично Лаплас объяснял и образование спутников планет с той только разницей, что кольца отделялись не от будущего Солнца, а от будущих планет.

Лаплас не знал, что за 40 лет до него с аналогичной гипотезой выступал немецкий философ Иммануил Кант (1724–1804). Согласно гипотезе Канта, Солнце когда-то было окружено туманностью, состоявшей из хаотически движущихся вокруг Солнца частиц. Позднее в результате столкновения частиц их движение упорядочилось. Туманность стала вращаться вокруг Солнца. А еще позднее из этой вращающейся туманности возникли планеты.

В истории науки гипотеза Канта – Лапласа сыграла огромную роль. Почти сто лет она владела умами ученых. Это и понятно: гипотеза опиралась на известные законы механики и закон всемирного тяготения Ньютона, который не вызывал никаких сомнений.

Гипотеза Канта – Лапласа нанесла сокрушительный удар библейским представлениям о божественном сотворении Земли, Солнца, планет и звезд, о том, что Вселенная всегда пребывает в неизменном состоянии.

Свою космогоническую гипотезу Лаплас изложил в приложении к трактату «Изложение системы мира» (1796). Познакомившись с этим приложением, Наполеон I высказал Лапласу свое неудовольствие тем, что он не нашел в нем божественного первотолчка. Лаплас, будучи убежденным атеистом, ответил, что в своей теории о происхождении и движении солнечной системы он абсолютно не нуждается в гипотезе о существовании бога.

Позднее гипотеза Канта – Лапласа была подвергнута весьма серьезной критике и признана несостоятельной. Для нас она представляет лишь исторический интерес.

Лаплас знаменит не только исследованиями по астрономии, но и фундаментальными работами в области математики и физики. Так, в математике он предложил метод «каскадов» для решения дифференциальных уравнений в частных производных; ввел «преобразование Лапласа», переводящее функцию действительного переменного в функцию комплексного переменного; ввел понятие шаровой функции, имеющей разнообразные применения; доказал теорему о представлении определителей суммой произведений дополнительных миноров; создал целые главы по теории вероятностей.

В области физики, которой занимался совместно с Антуаном Лавуазье, он для изучения скрытой теплоты плавления изобрел ледяной калориметр. В теории капиллярности установил «закон Лапласа». Вывел формулу для определения скорости распространения звука в воздухе. Составил барометрическую формулу для вычисления изменения плотности воздуха как функции высоты над поверхностью Земли.

…Пьер Симон Лаплас родился в местечке Бомон в Нормандии в бедной семье. Образование получил в школе ордена бенедиктинцев. Однако духовная школа из математика и астронома не сделала богослова. Наоборот, из этой школы Лаплас вышел убежденным атеистом.

Когда Лапласу исполнилось 17 лет, он переехал в Париж и в лице знаменитого математика Жана Д’Аламбера (1717–1783) нашел покровителя. Последний устроил его профессором Парижской военной школы. Молодой профессор, как утверждают историки, буквально засыпал Парижскую академию наук своими научными трудами. Именно этим объясняется, что Лаплас в 24 года – адъюнкт, а в 36 лет – действительный член этой Академии. Высшим признанием научных заслуг Лапласа является избрание его президентом Парижской академии наук, а также почетным членом многих иностранных академий и научных обществ. Кроме того, он был председателем Палаты мер и весов, а также одним из руководителей Бюро долгот. Лаплас принимал активное участие в организации Нормальной и Политехнической школ, которые явились кузницей научных кадров высшей квалификации.

По своему мировоззрению Лаплас – материалист и последовательный атеист. Однако его материализм был механистическим. Он неправильно считал, что все явления природы, а также физиологические и социальные явления можно объяснить механистически, т. е. применением одних только законов механики.

Если в области науки Лаплас был принципиален и последователен, то этого нельзя сказать о политических взглядах ученого. Историки упрекают его в том, что в политике он был своеобразным «флюгером», поворачивался в ту сторону, куда дул «ветер». Когда победила республика, он был активным республиканцем. Когда к власти пришел Наполеон I, он стал его приверженцем и назначался им сначала министром иностранных дел, затем членом сената, а позднее и вице-председателем сената. Наполеон пожаловал Лапласу титул графа и возвел в рыцарское звание. Когда же обстановка сложилась неблагоприятно для Наполеона, Лаплас голосовал за низложение его. После реставрации Бурбонов он оказался в стане короля.

Умер Лаплас в Париже в возрасте 78 лет.

Карл Фридрих Гаусс (1777–1855)

Астрономическим исследованиям «король математиков» Гаусс посвятил лучшие годы своей жизни (с 1800 по 1820 г.). Он любил практическую астрономию и наблюдал кометы, затмения, определял широты и долготы географических мест. В тридцать лет он стал директором Геттингенской обсерватории и оставался на этой должности до конца своей жизни.

В 1809 году Гаусс опубликовал замечательный фундаментальный труд под названием «Теория движения небесных тел, обращающихся вокруг Солнца по коническим сечениям».

Поводом для составления трактата послужил следующий случай. 1 января 1801 года итальянский астроном Джузеппе Пиацци открыл первую из малых планет, которые, как выяснилось теперь, сотнями рассеяны между Марсом и Юпитером. Эту новую планету Пиацци назвал Церерой. Она наблюдалась в течение 40 дней на протяжении дуги в 9°. Дальнейшие наблюдения были прекращены из-за болезни астронома. О своем открытии и проведенных наблюдениях Пиацци написал европейским астрономам. Но они узнали об этом только в сентябре 1801 года. Помешала египетская экспедиция Наполеона. Средиземное море блокировал английский флот. Италия была, таким образом, отрезана от европейского континента.

Со дня окончания наблюдения над Церерой прошло много времени. За это время планета приблизилась к Солнцу и, казалось, навсегда исчезла в его лучах. Больше она не появлялась на утреннем небе. Пропала всякая надежда разыскать ее в сонме звезд, рассыпанных по всему небосводу. Попытки самого Пиацци, а также других астрономов снова увидеть Цереру не увенчались успехом.

Возникла весьма трудная проблема: определить орбиту Цереры по скудным наблюдениям Пиацци и, таким образом, найти ее. Над решением проблемы бились крупнейшие астрономы. Но дело не двигалось с мертвой точки, пока за него не взялся 24-летний Гаусс. В тиши кабинета молодой ученый, пользуясь данными первого наблюдения Пиацци, вычислил орбиту пропавшей планеты и с большей точностью указал ее местонахождение. Когда астрономы направили в указанное место телескопы, то к большому изумлению обнаружили то, что искали, – Цереру.

Вскоре астроном Цах в издаваемом им астрономическом журнале писал: «Цереру теперь легко найти и никогда более нельзя опять потерять, потому что эллипс доктора Гаусса, к удивлению, точно совпадает с положением планеты. Только те, которые знают из теории, как вывести всю орбиту в 360° из таких скудных данных, как 40-дневные наблюдения Пиацци, и из такой малой дуги, как наблюденная дуга в 9°, достойно оценят и удивятся таланту, искусству и остроумной способности комбинировать, обнаруженными доктором Гауссом».[16]16
  Цит. по кн.: Г. В.Багратуни. Карл Фридрих Гаусс. М., 1955, стр. 9.


[Закрыть]

28 марта 1802 года друг Гаусса немецкий врач и астроном Ольберс открыл вторую малую планету, названную им Палладой. Оказалось, что эта планета принадлежит к астероидам, имеет орбиту с очень большим эксцентриситетом, равным 76, и весьма внушительным наклоном, доходящим до 34°. Большое возмущающее влияние на Палладу оказывает Юпитер. Последнее обстоятельство сильно затрудняло точное определение ее орбиты. Учитывая эту трудность, Парижская академия наук несколько раз объявляла конкурс на решение проблемы, связанной с определением орбиты Паллады и возмущающего влияния на нее других планет. Проблема была настолько сложной, что на призыв академии откликнулся только один Гаусс.

Как много пришлось потрудиться ученому, можно судить по его письму, в котором он сообщал: «Я сосчитал, сколько мне придется затратить труда на вычисление возмущений Паллады Юпитером. Оказывается, для этого надо написать 337 000 цифр; сделав подобное вычисление, я определил, что, выделяя в день определенное число часов, сколько у меня есть свободного времени на эту работу, я могу написать 3300 цифр; поэтому, начав работу 2 апреля 1812 года, я могу ее закончить 15 июля»[17]17
  Цит. по кн.: Г. В.Багратуни. Карл Фридрих Гаусс. М., 1955, стр. 10.


[Закрыть].

Можно удивляться настойчивости Гаусса. Всю работу ученый выполнил досрочно. 12 июля он «рапортовал» Ольберсу: «Я сегодня закончил все вычисления возмущения Паллады Юпитером». [18]18
  Там же.


[Закрыть]

В 1804 году немецкий астроном Гардинг открыл третью малую планету, названную им Юноной. Это заставило Гаусса самого заняться наблюдением и определением положений малых планет. Но долго заниматься этими вопросами он не мог, так как наблюдательная работа с медленным накапливанием чаще всего малозначительных фактов не могла его удовлетворять.

В искусстве астрономических вычислений Гаусс был непревзойденным виртуозом. В истории математики обычно восхищаются вычислительным талантом Эйлера, который по своему методу вычислил орбиту кометы 1769 года в течение трех дней и в результате перенапряжения ослеп. Позднее Гаусс с большим напряжением решил эту задачу всего за один час. По этому поводу он сказал: «Конечно… я бы тоже ослеп, если бы захотел в течение трех дней продолжать такие вычисления»[19]19
  Там же, стр. И.


[Закрыть].

После замечательных астрономических работ Гаусс стал считаться величайшим математиком и астрономом мира и получил почетное прозвище «геттингенского колосса».

…Родился Гаусс в семье водопроводчика и фонтанных дел мастера в городе Брауншвейге (Германия). Отец его обладал властолюбивым и суровым характером. Последние 15 лет он занимался преимущественно садоводством. Мать Карла, Доротея, обладала мягким характером и природным умом. Она безгранично любила своего единственного сына. Уже в раннем детстве Гаусс обнаружил незаурядные способности мгновенно схватывать числовые соотношения и в уме быстро и точно производить весьма сложные вычисления.

О своем искусстве считать в уме сам Гаусс впоследствии в шутку говорил: «Я научился считать раньше, чем говорить».

Семи лет Карла отдали учиться в народную школу. Сначала он ничем не выделялся среди учащихся. Но когда на третьем году обучения стали изучать счет, то Гаусс удивил учителя и своих товарищей необыкновенными способностями. Пришлось учителю для талантливого ученика специально выписать из Гамбурга новый арифметический задачник. Но и этот задачник, трудный для товарищей, оказался весьма легким для Гаусса. На уроках он скучал. Учитель это сознавал и предоставил мальчику заниматься самостоятельно, а для консультаций прикрепил своего помощника М. Ф. Бартельса, впоследствии профессора Казанского университета и учителя гениального Н. И. Лобачевского.

В 1788 году, когда Гауссу исполнилось 11 лет, он поступает в гимназию, причем, учитывая его способности и знание древних языков, его сразу же приняли во второй класс. В гимназии он также поражал учителей своими способностями.

Языки, на которые там обращалось главное внимание, он усваивал с поразительной легкостью. Нет ничего удивительного, что через два года Карл переводится сразу в старший класс, который назывался философским.

В 1795 году Гаусса направляют для продолжения образования в Геттингенский университет. Университет он закончил в течение трех лет и возвратился в родной Брауншвейг.

22-летний Гаусс представил Гельмштадскому университету докторскую диссертацию, посвященную доказательству основной теоремы алгебры. Университет заочно присудил соискателю степень доктора. В том же 1799 году Гаусс получил звание приват-доцента в Брауншвейге, а через 8 лет стал профессором Геттингенского университета.

Еще будучи студентом второго курса, Гаусс дал построение правильного 17-угольника при помощи циркуля и линейки. Этому открытию он придавал особенно большое значение и завещал выгравировать эту фигуру на своем могильном памятнике. В Геттингене сооружен памятник Гауссу, пьедестал которого имеет форму правильной семнадцатиугольной призмы.

В 1801 году Гаусс опубликовал свое первое крупное произведение под названием «Арифметические исследования». Эта работа содержит в основном вопросы теории чисел и высшей алгебры.

Гаусс вошел также и в историю создания неевклидовой геометрии как один из ее пионеров, который вполне сознательно развивал ее, но, к сожалению, не напечатал по этому поводу ни единой строчки. В письмах к своим друзьям Гаусс высоко ценил открытие Лобачевского. Однако боязнь быть непонятным и осмеянным со стороны невежественных людей помешала ему обработать свои идеи по неевклидовой геометрии и опубликовать их.

Трудно указать такую отрасль теоретической и прикладной математики, в которой бы Гаусс не оставил своего следа. Он внес существенный вклад и в теорию поверхностей, геодезию и теоретическую физику.

После смерти Гаусса осталось большое литературное наследство. Полное собрание сочинений, изданное Геттингенским научным обществом, составляет 11 объемистых томов (работы по астрономии вошли в 6-й том).

Лаплас называл Гаусса лучшим математиком мира. На медали, выпущенной в 1855 году в честь ученого, выгравирована надпись: Mathematicomm principi (король математиков).

Гаусс был почетным членом многих иностранных академий наук и научных обществ. Ему было всего 24 года, когда Казанский университет избрал его своим почетным членом. В 1824 году он становится почетным академиком Российской академии наук.

Фридрих Вильгельм Бессель (1784–1846)

Хотя точность наблюдений со времен Коперника к концу XVIII века возросла в сотни раз, тем не менее эта точность не удовлетворяла астронома Фридриха Бесселя. Он объявил войну ошибкам, которые происходят из-за неточности инструментов и по вине наблюдателя. Его старанием разработана теория астрономических ошибок, а также дана формула, по которой вычисляется систематическая ошибка, зависящая от наблюдателя. Хорошо владея математикой, он при обработке результатов наблюдений умело применял теорию вероятностей и метод наименьших квадратов.

В 1830 году выходят знаменитые бесселевы «Кенигсбергские таблицы», в которых изложены методы учета и исправления всевозможных ошибок и погрешностей, связанных с несовершенством инструментов и личными особенностями наблюдателя.

Бессель был крупнейшим специалистом по вычислению кометных орбит. Так, в 1804 году он вычислил орбиту кометы Галлея по результатам наблюдений, полученным другими астрономами. Ему же принадлежит ряд гипотез о физической природе комет и наиболее полная математическая теория основных кометных явлений.

Известно, какую большую ценность представляют каталоги звезд. Они дают возможность изучать собственное движение звезд и различные смещения земной оси в пространстве (прецессию и нутацию). Большим мастером по составлению весьма точного звездного каталога явился Бессель. В 1818 году он опубликовал сочинение «Основы астрономии», в котором дается точное описание более чем 3200 звезд. За 12 лет (с 1821 по 1833 год) в обсерватории Кенигсбергского университета на меридианном круге Бессель определил положение 75 011 звезд в поясе неба от 47° до – 16° склонения.

Известно, что параллаксом звезды называется угол, под которым с нее виден диаметр земной орбиты. Выраженный в секундах дуги параллакс равен обратной величине расстояния до звезды в так называемых парсеках. Ясно, что, зная параллакс звезды, легко вычислить расстояние от наблюдателя до звезды. Проблема вычисления параллакса звезды долгое время считалась неразрешимой, пока за нее не взялся Бессель. Для определения параллакса какой-нибудь звезды надо определить ее видимое смещение за счет действительного перемещения наблюдателя. Для этой цели ученый использовал только что изобретенный его учеником Фраунгофером точный инструмент – голиометр. В 1838 году Бессель при помощи этого прибора впервые определил параллакс звезды G1 в созвездии Лебедя. Таким образом, он впервые в мировой науке определил расстояние до «неподвижных» звезд.

Бессель был прекрасным наблюдателем. Известно, что самой яркой звездой северного неба является Сириус, а наиболее яркой звездой в созвездии Малого Пса является Процион. Наблюдая в 1834 году эти звезды, астроном заметил, что они имеют собственные движения. Но внимательный глаз наблюдателя увидел в этом движении особенность, которая его очень заинтересовала. Эта особенность заключалась в том, что видимый путь каждой из этих звезд идет по волнистой («змеевидной») линии.

Ученый задумался. Чем объяснить «змеевидность» наблюдаемого пути этих звезд? Этому факту он дал довольно простое объяснение, которое потом подтвердилось исследованиями других астрономов. По гипотезе Бесселя, периодическая неправильность («змеевидность») в движении Сириуса и Проциона объясняется наличием у этих звезд невидимых спутников. Бессель даже вычислил орбиты этих невидимых спутников, но провести наблюдение за ними не мог.

Впервые спутник Сириуса обнаружил через 28 лет американский оптик-астроном А. Кларк, причем он ничего не знал о гипотезе Бесселя. Оказалось, что этот спутник имеет период обращения 50 лет. Спутник Проциона впервые наблюдал русский астроном О. В. Струве в Пулково через 62 года после выдвинутой Бесселем гипотезы. Оказывается, спутник Проциона имеет период обращения 40 лет. Позднее выяснилось, что оба спутника принадлежат к весьма редкому классу сверхплотных звезд, называемых «белыми карликами», которые при сравнительно малых размерах имеют чудовищно большую плотность (десятки и сотни килограммов в одном кубическом сантиметре). Вот они-то и оказывают влияние на свои центральные светила, какими являются звезда-гигант Сириус и звезда-гигант Процион.

Фундаментальные работы оставил Бессель и по геодезии. Так, он совместно с известным ученым-геодезистом И. Я. Байером произвел геодезическое измерение (триангуляцию) в Восточной Пруссии. На основании десяти весьма тщательных измерений он определил форму Земли.

Имя Бесселя широко известно и в математике. Обычно ему приписывается открытие цилиндрических функций (Бесселевы функции), которые впервые были введены Л. Эйлером еще до рождения Бесселя. Его имя носит и одна интерполяционная формула, открытая еще Ньютоном. Но в этом «приписывании» Бессель не виноват. Просто он настолько умело и оригинально использовал тонкий аппарат высшей математики в своих теоретических работах, что, читая их, невольно приходишь к выводу, что кое-что из этого аппарата впервые создано и введено в оборот самим Бесселем.

Бессель родился в северо-западной части Германии, в городе Миндене. Отец – мелкий прусский чиновник. Обремененный большой семьей, отец не мог дать сыну нужного специального образования: просто не хватало денег на такую «роскошь».

Еще в четырнадцатилетием возрасте Бессель начал самостоятельно трудиться. Подгоняемый нуждой, он переезжает в город Бремен и устраивается там приказчиком в одном торговом доме. Свободное время юноша отдает книгам и наблюдениям за звездами. Его заветная мечта – стать астрономом. Бессель понимал, что для этого надо много знать и прежде всего – математику и физику.

Не зная отдыха и покоя, не досыпая, Бессель самостоятельно изучает самые сложные разделы высшей математики, ведет наблюдения за небом. Самообразование шло успешно. Всепоглощающий интерес к науке, умноженный на терпение и труд, дал хороший результат.

В 20 лет Бессель – признанный астроном. Уже тогда за вычисление орбиты кометы Галлея он получает лестный отзыв от астронома Ольберса. После этого Бессель поднимается вверх по служебной лестнице. В 22 года он получает место ассистента-астронома в частной обсерватории в Лилиентале. Через четыре года становится профессором Кенигсбергского университета. Здесь он проявляет кипучую деятельность: читает лекции, ведет научную работу, руководит строительством университетской обсерватории. С этой обсерваторией, директором которой он был до самой смерти, связаны все последующие его астрономические работы, вошедшие в золотой фонд науки. Крупнейшие иностранные академии наук, в том числе Петербургская, избрали его своим почетным членом.

Жизнь Бесселя весьма поучительна. Исключительно одним самообразованием Бессель из астронома-любителя вырос в крупнейшего ученого, удивившего мир своими замечательными открытиями, которые стали классическими.

В чем секрет больших научных успехов Бесселя? По-существу никакого секрета нет. Главное – это безмерная любовь к науке и стремление внести в нее какой-то свой вклад. Бессель любил астрономию до одержимости, умел трудиться и в этом труде находил счастье и смысл жизни.