<< Предыдущая

стр. 9
(из 16 стр.)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Следующая >>

Земли, люди, естественно, предположили, что она неподвижна. Наблюдая, как Солнце, Луна, весь небосвод вращаются вокруг Земли, они восприняли это как непреложный факт. У них не было оснований сомневаться в том, что Земля плоская. И, наконец, таким логичным казалось предположение, что она расположена в центре мира...
В Древнем Вавилоне сформировалось представление, будто Земля имеет вид выпуклого круглого острова, плавающего в мировом океане. На земную поверхность будто бы опирается небо — твердый каменный свод, к которому прикреплены звезды и планеты и по которому совершает свою ежедневную прогулку Солнце. Примечательно, что у древних шумеров слово «на» обозначало и «небо» и «камень». Позже основные элементы этой вавилонской модели мира встречаются и у древних евреев; ее, в частности, придерживались и авторы Библии. Например, в книге Иова говорится, будто бы «Бог... распростер небеса твердые, как литое зеркало» (Иов, 37, 18).» Вероятно, в Древней Греции впервые попытались научно объяснить эти явления, разгадать истинную причину их появления. Так выдающий-
ТАЙНЫ ВСЕЛЕННОЙ
257
ся мыслитель Гераклит Эфесский (около 544—470 гг. до нашей эры) высказал предположение о непрерывном развитии мира. Согласно Демокриту (около 460—370 гг. до нашей эры), Вселенная состоит из бесконечного множества миров, образующихся вследствие столкновения атомов, причем одни миры рождаются, другие находятся в состоянии расцвета, третьи разрушаются. Демокрит предполагал, что Млечный Путь является скоплением большого числа звезд.
У Пифагора встречается мысль о том, что Земля имеет форму шара и что она висит в пространстве без какой бы то ни было поддержки. Аристотель (384—322 гг. до нашей эры) в своем труде «О небе» уже приводит величину земной окружности, из чего следует, что радиус Земли в современной мере равен примерно 10 000 километрам.
земли, воды, воздуха и огня, тогда как небесные тела состоят из иной, неуничтожимой формы материи — эфира. Ученый утверждал, что упомянутые четыре «стихии» располагаются друг над другом в виде концентрических сфер. Каждый элемент, сместившись со своего «естественного» места, стремится снова занять его. Поэтому, мол, в природе и наблюдаются движения тяжелых элементов вниз (к «центру Вселенной»), а легких — вверх, где они переходят в состояние покоя. Аристотель и его последователи выступали против уже существовавших в то время представлений о возможном вращении Земли вокруг своей оси и ее движении в пространстве. Они выдвинули казавшиеся в то время неопровержимыми доказательства: если бы Земля вращалась вокруг своей оси, то возникал бы встречный ветер, который сдувал бы все с ее поверхности в сторону запада, а движение Земли неминуемо было бы обнаружено по изменению на протяжении года углового расстояния между произвольно взятой на небе парой звезд.
Сейчас известно: земная атмосфера в равной мере принимает участие в суточном вращении Земли, расстояния же до звезд оказались настолько велики, что у Аристотеля не было никаких шансов определить подобное изменение.
Сохранилась до наших дней работа Аристарха Самосского (около 320—230 гг. до нашей эры). Ему удалось измерить угловое расстояние Луны от Солнца в первой четверти. Он также сделал попытку определить размеры и расстояния до Луны и Солнца. По Аристарху, расстояние от Земли до Луны — 19 радиусов Земли, а до Солнца еще в 19 раз больше. По-видимому, имея в виду большие по сравнению с Землей размеры Солнца, Аристарх и высказал предположение, «что неподвижные звезды и Солнце не меняют своего места в пространстве, что Земля движется по окружности вокруг Солнца», как об этом сообщал позже и Архимед.
Во II веке до нашей эры величайший античный астроном Гиппарх определил размеры Луны с исключительной точностью. По Гиппарху, радиус Луны равен 0,27 земных радиусов, что мало отличается от принятого ныне. Расстояние до Луны этот выдающийся астроном определил в 59 радиусов Земли (истинное среднее значение — 60,3). Однако
258
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
расстояние до Солнца со времени Птолемея и вплоть до XVII века принималось равным 1120, т. е. примерно в 20 раз меньше истинного.
Первые попытки построить модель мира, в которой объяснялись бы прямые и попятные движения планет, были сделаны Евдоксом Книд-ским (около 408—353 гг. до нашей эры) и Аристотелем. Но шедевром античной астрономии стал труд выдающегося александрийского ученого Клавдия Птолемея (II век нашей эры) «Альмагест», в котором была построена новая теория планетных движений.
В то время все остальные науки о природе были еще только в зачаточном состоянии. Астрономы же, благодаря Птолемею, уже имели метод, позволявший с достаточной для того времени точностью рассчитать положение планет на небе на любое число лет вперед!
В геоцентрической модели мира Птолемея одна планета движется с угловой скоростью по малой окружности — эпициклу, центр которого, т.е другая «средняя планета», обращается с угловой скоростью по деференту вокруг Земли Из-за сложения обоих движений планета в пространстве описывает петлеобразную кривую — гипоциклоиду, что в проекции на небесную сферу при вполне определенных значениях угловых скоростей, а также величинах отношений радиуса эпицикла к радиусу деферента для каждой из планет полностью объясняло ее движение на небе. Эти значения Птолемей определил с большой точностью.
В связи с особенностями движения планеты Меркурий и Венера были названы нижними. Марс, Юпитер и Сатурн — верхними планетами. В системе мира Птолемея центры эпициклов нижних планет всегда расположены на прямой, соединяющей Землю с Солнцем, а каждая из верхних планет находится на эпицикле строго в том же направлении, в котором относительно Земли находится Солнце, иначе говоря, радиусы-векторы эпициклов Марса, Юпитера и Сатурна всегда параллельны между собой. Видно также, что верхняя планета, занимая на небе положение, противоположное Солнцу (противостояние планеты), находится в ближайшем к Земле положении — в перигее (от греческого «пери» — вблизи) В момент же соединения планеты с Солнцем, когда направления на оба светила совпадают, планета находится в апогее — в наиболее удаленной от Земли точке (от греческого «апо» — вдали).
Как замечает А.И. Климишин, «возникает вопрос: если система Птолемея ошибочна, поскольку она основывалась на ложном представлении о неподвижной Земле как центре мироздания, то почему расчеты, проведенные на ее основе, дают правильные результаты? Ведь именно поэтому она использовалась астрономами почти 1400 лет. Ответ на поставленный вопрос очевиден: это система кинематическая. Птолемей не объяснял (да и не мог объяснить), почему движение планеты именно такое, каким он его описывал. Но каждое движение относительно. И, как это ни парадоксально звучит, Птолемей описал и смоделировал движение каждой из планет совершенно правильно — так, как его действительно видит наблюдатель с Земли. Эпицикл верхней планеты
ТАЙНЫ ВСЕЛЕННОЙ
259
и есть отображение движения Земли вокруг Солнца (в случае нижней планеты это ее деферент)».
Но «...с помощью данных Птолемея было трудно согласовать между собой сведения о положениях той или другой планеты, разделенных промежутком времени в несколько сотен лет. Поэтому его система все больше усложнялась, в нее вводили множество дополнительных эпициклов, что сделало ее исключительно громоздкой. Явно противоречила наблюдениям построенная Птолемеем теория движения Луны. В итоге перегруженная эпициклами модель Птолемея рухнула. Произошла революция во взглядах на мир и место Земли во Вселенной...»
Иоганн Кеплер
ЗАКОНЫ ДВИЖЕНИЯ ПЛАНЕТ
Планеты благодаря своим внешне сложным движениям сыграли решающую роль в астрономии и вообще в построении фундамента механики и физики. Еще древнегреческие астрономы поставили вопрос, не являются ли наблюдаемые сложные перемещения по небу лишь отражением более регулярных движений планет в пространстве. С этого времени начинается теоретическое построение схем планетной системы, или же, как мы говорили выше, кинематики планетных движений в пространстве.
Один из первых коперниканцев, немецкий математик и астроном Эразм Рейнгольд (1511—1553) составил в 1551 году, основываясь на гелиоцентрической системе Коперника, таблицы движения планет, названные им «Прусские таблицы». Эти таблицы оказались более точными, чем все предыдущие, основанные на старых схемах, и это очень способствовало укреплению идеи гелиоцентризма, с огромным трудом пробивающей себе путь сквозь устоявшиеся веками и привычные для тех времен взгляды, а также преодолевающей реакционное идеологическое давление церкви.
Тем не менее вскоре астрономы обнаружили расхождение и этих таблиц с данными наблюдений движения небесных тел.
Для передовых ученых было ясно, что учение Коперника правильно, но надо было глубже исследовать и выяснить законы движения планет. Эту задачу решил великий немецкий ученый Кеплер.
Иоганн Кеплер (1571—1630) появился на свет в маленьком городке Вейле близ Штутгарта. Кеплер родился в бедной семье, и поэтому ему с большим трудом удалось окончить школу и поступить в 1589 году в Тюбингенский университет Здесь он с увлечением занимался математикой и астрономией. Его учитель профессор Местлин втайне был последователем Коперника. Конечно, в университете Местлин преподавал астрономию по Птолемею, но дома он знакомил своего ученика с основами нового учения. И вскоре Кеплер стал горячим и убежденным сторонником теории Коперника.
В отличие от Местлина, Кеплер не скрывал своих взглядов и убеждений. Открытая пропаганда учения Коперника очень скоро навлекла на него ненависть местных богословов. Еще до окончания университета, в 1594 году, Иоганна посылают преподавать математику в проте-
ТАЙНЫ ВСЕЛЕННОЙ
261
стантское училище города Граца, столицы австрийской провинции Штирии.
Уже в 1596 году он издает «Космографическую тайну», где, принимая вывод Коперника о центральном положении Солнца в планетной системе, пытается найти связь между расстояниями планетных орбит и радиусами сфер, в которые в определенном порядке вписаны и вокруг которых описаны правильные многогранники. Несмотря на то что этот труд Кеплера оставался еще образцом схоластического, квазинаучного мудрствования, он принес автору известность Знаменитый датский астроном-наблюдатель Тихо Браге (1546—1601), скептически отнесшийся к самой схеме, отдал должное самостоятельности мышления молодого ученого, знанию им астрономии, искусству и настойчивости в вычислениях и выразил желание встретиться с ним. Состоявшаяся позже встреча имела исключительное значение для дальнейшего развития астрономии.
В 1600 году приехавший в Прагу Браге предложил Иоганну работу в качестве своего помощника для наблюдений неба и астрономических вычислений. Незадолго перед этим Браге был вынужден оставить свою родину Данию и выстроенную им там обсерваторию, где он в течение четверти века вел астрономические наблюдения. Эта обсерватория была снабжена лучшими измерительными инструментами, а сам Браге был искуснейшим наблюдателем. Ученый с большим интересом относился к учению Коперника, но сторонником его не был. Он выдвигал свое объяснение устройства мира: планеты он признавал спутниками Солнца, а Солнце, Луну и звезды считал телами, обращающимися вокруг Земли, за которой, таким образом, сохранялось положение центра всей Вселенной.
Браге работал вместе с Кеплером недолго: в 1601 году он умер. После его смерти Кеплер начал изучать оставшиеся материалы с данными долголетних астрономических наблюдений. Работая над ними, в особенности над материалами о движении Марса, Кеплер сделал замечательное открытие: он вывел законы движения планет, ставшие основой теоретической астрономии.
Отправным пунктом для Кеплера служило сравнение теории и наблюдений. Дело в том, что к концу XVI века Прусские таблицы, составленные, как уже говорилось выше, стали предсказывать движение планет очень неточно Наблюденные и вычисленные по этим таблицам положения планет отличались на 4—5 градусов, что было недопустимо в астрономической практике. Отсюда вытекало, что планетная теория Коперника нуждается в исправлении и дополнении.
В начале Кеплер пошел по пути уточнения и усложнения схемы Коперника. Конечно, он был глубоко убежден в истинности принципа гелиоцентризма и стал подбирать новые комбинации окружностей (эпициклов, эксцентров). Ему удалось подобрать, в конце концов, такую комбинацию, что его схема давала ошибку по сравнению с наблюде-
262
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
ниями до 8 минут. Но Кеплер был уверен, что Тихо Браге в своих наблюдениях не мог допускать таких ошибок.
Поэтому Кеплер заключил, что «виновата» теория, поскольку она не согласуется с астрономической практикой. Он отбросил полностью схему, основанную на эпициклах и эксцентрах, и стал искать другие схемы.
Кеплер пришел к мысли о неправильности установившегося с древности мнения о круговой форме планетных орбит. Путем вычислений он доказал, что планеты движутся не по кругам, а по эллипсам — замкнутым кривым, форма которых несколько отличается от круга. При решении данной задачи Кеплеру пришлось встретиться со случаем, который, вообще говоря, методами математики постоянных величин решен быть не мог. Дело сводилось к вычислению площади сектора эксцентрического круга. Если эту задачу перевести на современный математический язык, мы придем к эллиптическому интегралу. Дать решение задачи в квадратурах Кеплер, естественно, не мог, но он не отступил перед возникшими трудностями и решил задачу путем суммирования бесконечно большого числа «актуализированных» бесконечно малых. Этот подход к решению важной и сложной практической задачи представлял собой в новое время первый шаг в предыстории математического анализа.
Первый закон Кеплера предполагает, что Солнце находится не в центре эллипса, а в особой точке, называемой фокусом. Из этого следует, что расстояние планеты от Солнца не всегда одинаковое. Так как эллипс — плоская фигура, то первый закон подразумевает, что каждая планета движется, оставаясь все время в одной и той же плоскости.
Второй закон звучит так: радиус-вектор планеты (т. е. отрезок, соединяющий Солнце и планету) описывает равные площади в равные промежутки времени. Этот закон часто называют законом площадей. Второй закон указывает, прежде всего, на изменение скорости движения планеты по ее орбите: чем ближе планета подходит к Солнцу, тем быстрее она движется. Но этот закон дает на самом деле больше. Он целиком определяет движение планеты по ее эллиптической орбите.
Оба закона Кеплера стали достоянием науки с 1609 года, когда была опубликована его знаменитая «Новая астрономия» — изложение основ новой небесной механики. Однако выход этого замечательного произведения не сразу привлек к себе должное внимание: даже великий Галилей, по-видимому, до конца дней своих так и не воспринял законов Кеплера.
Кеплер интуитивно чувствовал, что существуют закономерности, связывающие всю планетную систему в целом. И он ищет эти закономерности в течение десяти лет, прошедших после публикации «Новой астрономии». Богатейшая фантазия и огромное усердие привели Кеплера к его так называемому третьему закону, который, как и первые два, играет важнейшую роль в астрономии. Кеплер издает «Гармонию
ТАЙНЫ ВСЕЛЕННОЙ
263
мира», где он формулирует третий закон планетных движений. Ученый установил строгую зависимость между временем обращения планет и их расстоянием от Солнца. Оказалось, что квадраты периодов обращения любых двух планет вокруг солнца относятся между собой как кубы их средних расстояний от Солнца. Это — третий закон Кеплера.
«Третий закон Кеплера играет ключевую роль при определении масс планет и спутников, — пишут в своей книге Е.А. Гребенников и Ю.А. Рябов. — Действительно, периоды обращения планет вокруг Солнца и их гелиоцентрические расстояния определяются с помощью специальных математических методов обработки наблюдений, а массы планет непосредственно из наблюдений невозможно получить. В нашем распоряжении нет грандиозных космических весов, на одну чашу которых мы положили бы Солнце, а на другую — планеты. Третий закон Кеплера и компенсирует отсутствие таких космических весов, так как с его помощью мы легко можем определить массы небесных тел, образующих единую систему».
Законы Кеплера замечательны и тем, что они, если можно так выразиться, более точны, чем сама действительность. Они представляют собой точные математические законы движения для идеализированной «Солнечной системы», в которой планеты — материальные точки бесконечно малой массы по сравнению с «Солнцем». В действительности же планеты имеют ощутимую массу, так что в фактическом их движении имеются отклонения от законов Кеплера. Такая ситуация имеет место быть в случае многих известных сейчас физических законов.
Сегодня можно сказать, что законы Кеплера точно описывают движение планеты в рамках задачи двух тел, а наша Солнечная система является многопланетной системой, поэтому для нее эти законы являются лишь приближенными. Парадоксальным является к тому же тот факт, что именно для Марса, наблюдения которого и привели к их открытию, законы Кеплера выполняются менее точно.
Работы Кеплера над созданием небесной механики сыграли важнейшую роль в утверждении и развитии учения Коперника. Им была подготовлена почва и для последующих исследований, в частности для открытия Ньютоном закона всемирного тяготения. Законы Кеплера и сейчас сохраняют свое значение: научившись учитывать взаимодействие небесных тел, ученые их используют не только для расчета движений естественных небесных тел, но, что особенно важно, и искусственных, таких, как космические корабли, свидетелями появления и совершенствования которых является наше поколение.
ТАЙНЫ ВСЕЛЕННОЙ
265
СПУТНИКИ ЮПИТЕРА
Итальянский ученый Галилео Галилей является одним из гигантов науки. В историю науки он вошел как мученик, его жизнь и смерть — вечный укор его мучителям. Но и, конечно, остались его открытия. Одно из самых замечательных — открытие спутников Юпитера.
Галилео Галилей (1564—1642) родился в городе Пизе в знатной, но обедневшей семье. До одиннадцати лет Галилей жил в Пизе и учился в обычной школе, а затем вместе с семьей переехал во Флоренцию. Здесь он продолжил образование в монастыре бенедиктинцев, где изучал грамматику, арифметику, риторику и другие предметы.
В семнадцать лет Галилей поступил в Пизанский университет и стал готовиться к
профессии врача. Одновременно из любознательности он читал труды по математике и механике, в частности Евклида и Архимеда. Последнего позже Галилей всегда называл своим учителем.
Из-за стесненного материального положения юноше пришлось бросить Пизанский университет и вернуться во Флоренцию. Дома Галилей самостоятельно занялся углубленным изучением математики и физики, которые его очень заинтересовали. В 1586 году он написал свою первую научную работу «Маленькие гидростатические весы», которая принесла ему некоторую известность и позволила познакомиться с несколькими учеными. По протекции одного из них — автора «Учебника механики» Гвидо Убальдо дель Монте, Галилей в 1589 году получил кафедру математики в Пизанском университете. В двадцать пять лет он стал профессором там, где учился, так и не завершив свое образование.
Галилей преподавал студентам математику и астрономию, которую рассказывал, естественно, по Птолемею. В работе «О движении» (1590 год) Галилей подверг критике аристотелевское учение о падении тел.
К этому же периоду относится установление Галилеем изохронности малых колебаний маятника — независимости периода его колебаний от амплитуды.
Критика Галилеем физических представлений Аристотеля восстановила против него многочисленных сторонников древнегреческого ученого. Молодому профессору стало очень неуютно в Пизе, и он принял приглашение занять кафедру математики в известном Падуанском университете.
Падуанский период, продолжавшийся 18 лет, был самым плодотворным и спокойным в жизни ученого. Здесь он обрел семью, связав свою судьбу с одинокой девушкой Мариной Гамба.
Галилей много работал, обдумывая будущие сочинения. Хотя с университетской кафедры он доносит до слушателей освященные церковью идеи перипатетиков о мироздании и даже доказывает «справедливость» геоцентризма, но одновременно он страстно ищет и находит новые подтверждения справедливости великого учения Коперника.
Узнав в конце 1608 года об изобретении за границей подзорной трубы, ученый увлеченно работает над собственной конструкцией, используя сочетание двояковыпуклой и двояковогнутой линз. Терпеливо создавая один за другим приборы со все большим увеличением, он, наконец, построил «прибор до такой степени превосходный, что при его помощи предметы казались почти в 1000 раз больше и более чем в 30 раз ближе, чем при наблюдении простым глазом», — вспоминает о своем изобретении в книге «Пробирщик» Галилей.
При помощи подзорной трубы ученым было обнаружено множество новых звезд, не видимых невооруженным взглядом, было доказано, что Млечный Путь состоит из большого скопления мельчайших звезд. Телескоп помог открыть на Луне существование гор и впадин, и, наконец, Галилей увидел на небе воочию прообраз системы Коперника — четырех спутников Юпитера, обращающихся вокруг него, как и Луна вокруг Земли. Знаменитое это открытие было сделано при помощи трубы с 30-кратным увеличением. Вот как Галилей рассказывает об этом открытии:
«7 января 1610 года, в первом часу ночи, наблюдая небесные светила, я, между прочим, направил на Юпитер мою трубу и, благодаря ее совершенству, увидел недалеко от планеты три маленьких блестящих звездочки, которых прежде не замечал вследствие слабого увеличения бывшей в то время у меня трубы. Эти светлые точки были приняты мною за неподвижные звезды, они обратили на себя мое внимание только потому, что все три находились на совершенно прямой линии, параллельной эклиптике, и были несколько ярче звезд одинаковой с ними величины. Расположение их относительно Юпитера быдо следующее: две находились на восточной стороне планеты, третья же на западной. Крайняя восточная звездочка и западная казались немного большими третьей. Я тогда не определял точным образом их взаимных расстояний, ибо, как сказано, они были сочтены мною за неподвижные звезды.
Через восемь дней ведомый не знаю какою судьбою, я опять направил трубу на Юпитер и увидел, что расположение звездочек значительно изменилось: именно все три помещались на западе от планеты и ближе одна к другой, чем в предшествовавшее наблюдение. Они по-прежнему стояли на прямой линии, но уже были разделены между собою равными промежутками. Хотя я был далек от мысли приписать это
266
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
собственному движению звездочек, но тем не менее сомневался, чтобы такое изменение в их положении могло произойти от перемещения Юпитера, за несколько дней находившего на западе от двух звездочек. С величайшим нетерпением ожидал я следующей ночи, чтобы рассеять свои сомнения, но был обманут в своих ожиданиях, небо в эту ночь было со всех сторон покрыто облаками».
Галилей описывает далее новое расположение звездочек и дальнейшие над ними наблюдения; число звездочек оказалось равным четырем.
«Вследствие всего этого я уже без малейшего колебания решил, что существуют четыре светила, вращающиеся около Юпитера, подобно тому как Венера или Меркурий вращаются вокруг Солнца. Ныне имеем очевидный аргумент, чтобы рассеять сомнения тех, кои, склоняясь допустить, что планеты обращаются вокруг Солнца, смущаются, однако, каким образом Луна несется вокруг Земли и в то же время вместе с нею совершает годичный круг около Солнца... Мы знаем теперь, что есть планеты, обращающиеся одна около другой и в то же время вместе несущиеся вокруг Солнца; мы знаем, что и около Юпитера движутся и не одна, но четыре луны, следующие за ним во все продолжение его двенадцатилетнего обращения около Солнца».
В этом замечательном рассказе живо чувствуются переживания Галилея, сделавшего небывалое открытие. Галилей уже неоднократно смотрел на небо, смотрел и на Юпитера, уже сделал ряд замечательных открытий, но он не успокаивается. Он снова и снова совершенствует трубу и снова направляет на Юпитер. Он видит новые звездочки. Он еще не думает, что это луны Юпитера, но точно фиксирует их сравнительную величину и расположение. Это не было мимолетным наблюдением, он настолько хорошо зафиксировал расположение, что через 8 дней сразу замечает изменение его. Он еще не верит в свое открытие, но, охваченный творческим порывом, уже чувствует, что имеет дело с новым фактом: это не результат простого перемещения Юпитера. Начинаются тщательные наблюдения и изучение нового факта Сопоставляя результаты отдельных наблюдений, теоретически обобщая их, Галилей приходит к смелому выводу: это спутники Юпитера. Он сразу оценивает значимость этого открытия для системы Коперника. Ведь он сам, руководясь системой Коперника, сумел не только не пройти мимо группы звездочек, одной из многих новых групп, открытых им, но и получить совершенно новый астрономический результат. Понятен восторг Галилея, понятно и то, что он сообщению о своих новых астрономических открытиях, вышедшему в 1610 году, придал величавое заглавие. «Звездный вестник».
Этой книгой Галилей начинает свою борьбу за легализацию и пропаганду системы Коперника.
Позже Галилей обнаружил феномен Сатурна (хотя и не понял, в чем дело) и открыл фазы Венеры.
ТАЙНЫ ВСЕЛЕННОЙ
267
Наблюдая, как солнечные пятна перемещаются по солнечной поверхности, он установил, что Солнце тоже вращается вокруг своей оси На основании наблюдений Галилей сделал вывод, что вращение вокруг оси свойственно всем небесным телам.
Наблюдая звездное небо, он убедился, что число звезд гораздо больше, чем можно увидеть простым глазом Так Галилей подтвердил мысль Джордано Бруно о том, что просторы Вселенной бесконечны и неисчерпаемы После этого Галилей сделал вывод о том, что гелиоцентрическая система мира, предложенная Коперником, является единственно верной.
ПЛАНЕТА УРАН
Представления людей о Солнечной системе претерпели существенные изменения за время, прошедшее с момента открытия телескопа и до конца XVIII столетия. Одно лишь оставалось неизменным: число планет в Солнечной системе, равное шести. Сатурн считался самой далекой от Солнца планетой, и мало кто допускал, что за орбитой Сатурна блуждает в мировом пространстве по гелиоцентрической орбите еще одна планета.
Эту планету открыл немецкий астроном Вильгельм Гершель. В своей долгой жизни Гершель сделал множество других замечательных открытий, относящихся как к Солнечной системе, так и к звездной вселенной. Например, он доказал, что Млечный Путь представляет собой «неизмеримый звездный слой», т. е. имеет звездную природу. Ему принадлежат уникальные наблюдения двойных звезд и фундаментальные исследования формы и структуры Галактики. Этому ученому принадлежит также открытие периодического увеличения и уменьшения белых шапок у марсианских полюсов и многих других разнообразных явлений, происходящих на Солнце, планетах и спутниках.
Но среди многочисленных его открытий, бесспорно, одно из первых мест занимает открытие Урана, и его вполне было бы достаточно, чтобы имя Гершеля навечно осталось в истории естествознания.
Фридрих Вильгельм Гершель (1738—1822) родился в Ганновере в семье гобоиста ганноверской гвардии Исаака Гершеля и Анны Ильзы Мори-цен. Протестанты Гершели были выходцами из Моравии, которую покинули, вероятно, из религиозных соображений. Атмосферу родительского дома можно назвать интеллектуальной. «Биографическая записка», дневник и письма Вильгельма, воспоминания его младшей сестры Каролины вводят нас в дом и мир интересов Гершеля и показывают тот воистину титанический труд и увлеченность, создавшие выдающегося наблюдателя и исследователя. Он получил обширное, но несистематическое образование. Занятия по математике, астрономии, философии выявили его способности к точным наукам. Но, кроме этого, Вильгельм обладал большими музыкальными способностями и в четырнадцать лет стал музыкантом в полковом оркестре. В 1757 году, после четырех лет военной службы, он уехал в Англию, куда несколько ранее переселился брат его Яков, капельмейстер ганноверского полка.
Не имея ни гроша в кармане, Вильгельм, переименованный в Англии в Вильяма, занялся в Лондоне перепиской нот. В 1766 году он пересе-
ТАЙНЫ ВСЕЛЕННОЙ
269
лился в Бат, где скоро достиг большой известности как исполнитель, дирижер и музыкальный педагог Но такая жизнь не могла его полностью удовлетворить. Интерес Гершеля к естествознанию и философии, постоянное самостоятельное образование привели его к увлечению астрономией. «Как жаль, что музыка не в сотню раз труднее науки, я люблю деятельность и мне необходимо занятие», — писал он брату.
В 1772 году в Бат приехала младшая сестра Вильяма Каролина Лукреция. В 1773 году Гершель приобрел ряд трудов по оптике и астрономии. «Полная система оптики» Смита и «Астрономия» Фергюсона стали его настольными книгами. В том же году он впервые взглянул на небо в небольшой телескоп с фокусным расстоянием около 75 сантиметров, но наблюдения со столь малым увеличением не удовлетворили исследователя. Поскольку средств на покупку более светосильного телескопа не было, он решил сделать его сам. Купив необходимые инструменты и заготовки, он самостоятельно отлил и отшлифовал зеркало для своего первого телескопа. Переборов большие трудности, Гершель в том же 1773 году изготовил рефлектор с фокусным расстоянием более 1,5 метра. Шлифовку зеркал Гершель производил вручную (машину для этой цели он создал только через пятнадцать лет), часто работая по 10, 12 и даже 16 часов подряд, так как остановка процесса шлифовки ухудшала качество зеркала. Работа оказалась не только тяжелой, но и опасной, однажды при изготовлении заготовки для зеркала взорвалась плавильная печь.
Сестра Каролина и брат Александр были верными и терпеливыми помощниками Вильяма в этой нелегкой работе. Трудолюбие и энтузиазм дали превосходные результаты. Зеркала, изготовленные Гершелем из сплава меди и олова, были прекрасного качества и давали совершенно круглые изображения звезд.
Как пишет известный американский астроном Ч. Уитни: «С 1773 по 1782 года Гершели были заняты тем, что превращались из профессиональных музыкантов в профессиональных астрономов».
В 1775 году Гершель начал свой первый «обзор неба». В это время он еще продолжал зарабатывать себе на жизнь музыкальной деятельностью, но истинной его страстью стали астрономические наблюдения. В перерывах между уроками музыки он занимался изготовлением зеркал для телескопов, вечерами давал концерты, а ночи проводил за наблюдением звезд. Для этой цели Гершель предложил оригинальный новый способ «звездных черпков», т. е. подсчета количества звезд на определенных площадках неба.
13 марта 1781 года, во время наблюдений, Гершель заметил нечто необычное: «Между 10 и 11 вечера, когда я изучал слабые звезды в соседстве с Н Близнецов, я заметил одну, которая выглядела большей, чем остальные. Удивленный ее необычным размером, я сравнил ее с Н Близнецов и небольшой звездой в квадрате между созвездиями Возничего и Близнецов и обнаружил, что она значительно больше любой
270
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
из них. Я заподозрил, что это — комета». Объект имел ярко выраженный диск и смещался вдоль эклиптики. Сообщив другим астрономам об открытии «кометы», Гершель продолжал ее наблюдать.
Наблюдения, сделанные 15 марта, показали, что светящийся кружочек действительно обладает собственным движением относительно звезд. Из этого факта Гершель заключил, что им открыта новая комета, хотя не наблюдался ни хвост, ни туманная оболочка, присущие кометам, не очень удаленным от Солнца. Об этом открытии Гершель сообщил в Гринвичскую обсерваторию, и круг наблюдателей небесного странника значительно расширился. К лету 1781 года количество наблюдений стало достаточным, чтобы можно было вычислить параметры орбиты. Эти сложные и громоздкие вычисления выполнил петербургский академик Андрей Иванович Лексель (1740—1784), который нашел, что блуждающая звездочка Гершеля движется вокруг Солнца по почти круговой орбите на расстоянии в 19 раз большем расстояния Солнце — Земля. Лексель также определил период обращения вокруг Солнца, оказавшийся равным приблизительно 84 годам. Из этих вычислений однозначно вытекало, что Вильям Гершель открыл не комету, а новую, неизвестную до тех пор планету, так как уже тогда было известно, что орбиты большинства комет — это вытянутые эллипсы с большими эксцентриситетами или даже гиперболы.
Гершель предложил назвать новую планету звездой Георга в честь английского короля Георга III, но это название не получило распространения По предложению немецкого астронома Иоганна Боле (1747— 1826) ей было присвоено наименование Уран, взятое из древнеримской мифологии и означавшее имя самого древнего из богов. Уран отстоял от Солнца почти на 3 миллиарда километров и превышал объем Земли более чем в 60 раз.
Это уникальное открытие занимает особое место в естествознании в целом и в астрономии в частности. Открытие Гершеля сделало несостоятельными старые, традиционные взгляды на размеры и структуру Солнечной системы и отодвинуло ее границы далеко за орбиту Сатурна. Солнечная система увеличилась в линейных размерах в два раза, и теперь ее граница проходила по орбите Урана на расстоянии 19,2 а. е. от Солнца.
В дальнейшем Гершель постепенно увеличивал диаметры зеркал. Его вершиной стал построенный в 1789 году телескоп — гигант по тому времени, с трубой длиной 12 метров и зеркалом диаметром 122 сантиметра. Этот телескоп оставался непревзойденным до 1845 года, когда ирландский астроном В. Парсонс построил еще больший телескоп — длиной почти 18 метров с зеркалом диаметром 183 сантиметра.
При помощи новейшего телескопа Гершель открыл два спутника Урана и два спутника Сатурна. Таким образом, с именем Гершеля связано открытие сразу нескольких небесных тел в солнечной системе.
ОСНОВНЫЕ НАЧАЛА ГЕОЛОГИИ
Факт, что Земля имеет свою историю, был признан уже в незапамятные времена: космогонии индусов, египтян, евреев, греков рисуют более или менее грандиозные картины прошлой жизни нашей планеты. Уже в них в сказочной форме содержатся две основные теории, две антитезы, развивавшиеся затем в течение многих веков, пока одна из них не одержала победы над своею соперницей.
Основная идея индийской космогонии — чередование периодов разрушения, уничтожавших земную оболочку и ее население, с периодами покоя и созидания — высказанная еще в гимнах Веды, повторяется в сочинениях Кювье, Эли де Бомона, д'Орбиньи
и других. Впрочем, эта идея не только «переживала»; она развивалась и разрасталась по мере накопления геологических знаний. Теории, господствовавшие при выступлении Лайеля на ученое поприще, представляют только вариации на эту древнюю тему.
Но и противоположная идея — идея медленного развития — тоже стара. Овидий излагает в своих «Метаморфозах» воззрения Пифагора, заимствованные последним, в свою очередь у индийских мудрецов, — воззрения, согласно которым ничто не исчезает и не создается в мире вообще и на Земле в частности, но все изменяется и превращается в непрерывном процессе развития.
История геологии — это история попыток облечь эти идеи в научную форму, то есть связать их с реальными явлениями вместо вымышленных.
Гениальный Леонардо де Винчи не признавал катаклизмов, выдвигающих и разрушающих материки, вздымающих горы, истребляющих флору и фауну в мгновение ока. Медленная, но неустанная деятельность воды, атмосферы, ветра приводит, в конце концов, к преобразованию земной поверхности. «Берега растут, подвигаясь в море, рифы и мысы разрушаются, внутренние моря высыхают и превращаются в реки». Горные породы с остатками растений и животных отложились когда-то в воде, деятельность которой, по мнению Леонардо, нужно считать главнейшим геологическим фактором. Он отвергает потоп, будто бы перенесший раковины на вершины гор в то время, когда море покрывало их на десять локтей, «как утверждает тот, кто его мерил», и смеется над «другой сектой невежд», по мнению которых эти раковины обра-
272
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
зовались действием звезд. В его воззрениях вполне научно сформулирован принцип униформизма, с помощью которого значительно позднее было сооружено здание современной геологии.
Но эти воззрения не имели, да и не могли иметь никакого влияния на современников Леонардо.
Весь этот длинный, охватывающий почти три века (XVI—XVIII), период можно назвать подготовительным периодом геологии. Было доказано: материалы, из которых состоит земная кора, не перемешаны в беспорядке, а расположены более или менее однородными слоями или пластами; окаменелости постоянно сопровождают известные пласты; пласты эти различаются по древности и могут быть классифицированы сообразно своему возрасту.
От этих истин перешли, наконец, и к общим геологическим теориям. В восемнадцатом столетии появляются целых две: нептуническая и вулканическая, или теории Вернера и Геттона.
Вернер, основываясь исключительно на минералогических признаках, дал общую классификацию горных пород, разделив их на первичные, переходные и вторичные. За исключением первичных, все остальные породы — не исключая гранитов и базальтов — отложились одна за другой из первобытного океана, хаотической жидкости — «тепайиит» — содержавшей в растворе всю будущую толщу земной коры. Отложились, конечно, в виде горизонтальных пластов, но с течением времени были взбудоражены, исковерканы, изломаны, приподняты, переворочены вследствие различных причин — главным образом, провалов в подземные пустоты, образовавшиеся между различными слоями еще во время их отложения из первичной хаотической жидкости. Таким образом земная поверхность приняла современную конфигурацию с ее неровностями, морями и материками, горами и долинами.
Теория Вернера представляет собой первую попытку облечь в научную форму древнюю идею катастрофизма. Она проводит резкую грань между прошлым и настоящим нашей планеты.
В свою очередь и униформизм нашел защитника в лице шотландца Геттона, теория которого была названа плутонической, или вулканической, так как признавала подземный огонь одним из важнейших геологических деятелей.
Не из первичной хаотической жидкости и не сразу отложились породы, составляющие современную земную кору, — учил Геттон, — они представляют итог многочисленных последовательных процессов. Были материки, которые разрушались действием вод; продукты этого разрушения отлагались на дне океанов; снова вздымались в виде материков действием подземного огня и снова разрушались и размывались... Современные толщи слоистых пород — от самых древних до новейших — вовсе не первичный осадок: все это производные, позднейшие образования, результаты многократных вспучиваний и разрушений земной коры. Силы, действовавшие при этом, продолжают и ныне
ТАЙНЫ ВСЕЛЕННОЙ
273
действовать, разницы между прошлым и настоящим нет; в истории мира неизвестно начала, не видно конца; настоящее — только момент в бесконечном и однородном процессе развития вселенной.
В числе участников образования земной коры огромную роль играли, по мнению Геттона, вулканические силы. Он доказал огненное происхождение гранита и высказал мысль, что многие из осадочных водных пород изменились впоследствии под влиянием жара (так называемые метаморфические породы). Это — два важных приобретения, которыми наука обязана шотландскому ученому.
Как общая теория, его учение немногим превосходило верне-ровское, — даром что исходило из совершенно противоположного принципа. Основная идея Геттона — единство прежних и нынешних сил природы — совершенно справедлива, но, высказанная в такой общей форме, она не объясняла происходящих в реальности явлений.
Теории Геттона и Вернера возбудили ожесточенную, продолжительную и бесплодную войну нептунистов с вулканистами, окончившуюся к общему удовольствию после того, как самые упорные бойцы обоих лагерей должны были согласиться, что земная кора прошла, так сказать, и огонь, и воду, и что она состоит из огненных (гранит, базальт и др.), водных (песчаники, известняки и пр.) и метаморфических (кристаллические сланцы) пород.
Все сильнее и сильнее сказывалась потребность в общей теории, которая связала бы накапливавшиеся материалы универсальной схемой, давая в то же время ответ на частные, конкретные, определенные вопросы, возникавшие при ближайшем ознакомлении с фактами. Такую теории создал английский ученый Лайель.
Чарлз Лайель (1797—1875) родился в графстве Форфар, в Шотландии, в отцовском имении Киннорди.
На четвертом году жизни Лайель выучился читать, а на восьмом поступил в школу доктора Дэвиса в городе Рингвуд. На девятом году его перевели в школу доктора Радклиффа в Солсбери — модную школу, где сыновья местных влиятельных людей обучались латыни. Проучившись два года в школе Радклиффа, Лайель был переведен в школу доктора Бэли в Мидгерсте. Это училище резко отличалось от предыдущих — оно не имело такого семейного, домашнего характера.
Расставшись с училищем, Лайель поступил в Оксфордский университет. Мало-помалу геология заняла господствующее место в его занятиях. Он стал предпринимать целые путешествия с геологической целью. Так, в 1817 году он посетил остров Стаффа, где осматривал Фингалову пещеру, прославленную среди эстетов песнями Оссиана, среди геологов — замечательными базальтовыми столбами, весьма любопытным геологическим явлением. В следующем году он ездил с отцом, матерью и двумя сестрами во Францию, Швейцарию и Италию.
274
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
Пять-шесть лет после окончания курса в Оксфорде Лайель беспрестанно совершал поездки по Англии и материку, имея возможность проверить и закрепить собственным наблюдением сведения, почерпнутые из книг. Много почерпнул Лайель в личном общении с наиболее выдающимися геологами Европы. Наконец, осмотр коллекций и музеев служил хорошим дополнением к материалу, почерпнутому в книгах, в поле и в беседах с учеными.
В 1822 году Лайель предпринял поездку в Винчелзи — местность, весьма интересную в геологическом отношении, так как здесь он мог наблюдать обширное пространство суши, сравнительно недавно освободившейся из-под моря.
В 1823 году он предпринял экскурсию в Суссекс и на остров Уайт, где изучил отношения некоторых слоев, остававшиеся до тех пор неясными. Следующий год Лайель посвящает геологическим экскурсиям по Англии.
Довольно скоро в одном из журналов появилась его статья, в которой он излагает свое кредо, основную идею своих дальнейших работ.
Но Лайель еще не оценил всех трудностей предстоявшей ему работы Он думал, что его роль будет ограничена, главным образом, ролью компилятора. Он решил написать учебник геологии, обыкновенный компилятивный учебник, краткий свод накопившихся в науке материалов, разумеется, иначе освещенных, чем у предыдущих исследователей. Оказалось, однако, что написать компиляцию невозможно, а можно и должно сделать нечто большее.
В 1828 году он предпринял со своим приятелем Мурчисоном продолжительную геологическую экскурсию во Францию, Италию и Сицилию.
Главной целью этой экспедиции было ближайшее ознакомление с осадками третичной эпохи. По имеющейся теории между третичной и современной эпохой был пробел, перерыв. «Ход событий изменился», старый мир погиб, уничтоженный какой-нибудь катастрофой, и воздвигся новый.
Прежние экскурсии Лайеля заставили его усомниться в справедливости этих заключений; теперь же он решился проверить свои сомнения, изучив третичные осадки на всем протяжении от Франции до Сицилии.
Исследования его совершенно уничтожили прежние воззрения. Сравнивая третичные окаменелости с современными, он сделал вывод, что они представляют одно неразрывное целое: третичные осадки, климат, население незаметно переходят в современные. Ничто не говорит в пользу громадных общих катастроф, разрывающих цепь явлений; напротив, все свидетельствует о медленном непрерывном и однородном процессе развития.
ТАЙНЫ ВСЕЛЕННОЙ
275
Понятно, какое громадное значение имели эти выводы для теории униформизма. Катастрофисты теряли свою главную опору: существование резкого перерыва между настоящим и прошлым.
Первый том «Основных начал геологии» Лайеля вышел в свет в 1830 году, второй — в 1832-м, третий — в 1833-м.
Трудно определить в нескольких словах значение этой книги. Оно не укладывается в краткую формулу, не выражается в ярких открытиях. Вся его книга в целом представляет открытие. В книге Лайеля деятельность современных сил природы впервые явилась в своем настоящем свете. Он показал, что, во-первых, работа этих «слабых» агентов приводит в действительности к колоссальным результатам, продолжаясь в течение неопределенного времени, и, во-вторых, что она действительно продолжается в течение неопределенного времени, незаметно сливаясь с прошлым
Изучению современных сил посвящены первый и второй тома «Основных начал».
Теория метаморфизма, зародыш которой мы находим у Геттона, была разработана Лайелем и приведена в связь с его общей системой. Среди горных пород, составляющих земную кору, видную роль играют толщи кристаллических сланцев, обнаруживающих признаки огненной (кристаллическое слоение) и водяной (слоистость) работ. Согласно теории Лайеля, «возраст каждой метаморфической формации бывает двоякий: сначала мы должны сообразить период, когда она появилась как водяной осадок в виде ила, песка, мергеля или известняка, а потом — определить время, когда она получила кристаллическое строение. Сообразно с этим определением один и тот же пласт может быть весьма древний относительно времени своего осаждения и новый относительно того периода, в который он получил метаморфический характер». И в этом случае нет надобности приписывать прежде действовавшим силам особую энергию не в пример нынешней спокойной эпохе. Осадочные породы издревле и теперь менялись и меняются под влиянием плутонических агентов одинаковой напряженности. Но древние отложения дольше подвергались влиянию этих агентов, оттого и изменились сильнее. На первый взгляд эти сильные изменения кажутся результатом столь же сильных причин; однако детальное изучение обнаруживает в них только итог большого числа действий, таких же, как нынешние.
Наконец, не менее полно и основательно исследовал Лайель вопрос о роли органических агентов в истории земной коры. Он уничтожил прежнее мнение о перерывах в истории органического мира — об уничтожении и возникновении целых фаун и флор, — доказав (для третичной эпохи), что при более тщательном исследовании мы открываем и здесь постепенность развития, гармонирующую с постепенным преобразованием неорганической среды.
276
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
Система Лайеля положила начало геологии как строгой индуктивной науке. Метод его был воспринят в силу своей внутренней необходимости. Физическая геология, поставленная им на твердую почву, продолжала развиваться с поразительной быстротой. Чем глубже и тщательнее исследовали современные явления, тем ярче освещалась история земной коры, что, конечно, подстегивало исследователей. Во Франции, в Германии старые теории еще держались более или менее искусственно влиянием академических ученых, но наряду с ними развивалось и новое направление. В 50-60-х годах теория униформизма завоевала господство повсюду.
Геология ушла далеко со времени первого издания «Основных начал». Но можно сказать одно: наука устремилась по пути, проложенному Лай-елем.
Урбен Леверье
ПЛАНЕТА НЕПТУН
После открытия Гершелем Урана во многих обсерваториях мира начались тщательные наблюдения за движением новой планеты. Используя законы Ньютона и учитывая притяжение открытых к тому времени планет, астрономы уточнили орбиту Урана и уже к середине первой половины XIX века окончательно убедились в том, что видимая орбита новой планеты и результаты расчетов с каждым годом наблюдений... все больше расходятся.
Наиболее проницательные ученые высказали смелое предположение, что на движение Урана оказывает сильное влияние расположенная за ним и еще неизвестная науке довольно большая планета.
Урбен Леверье во Франции и Джон Адаме в Англии сумели математически точно определить положение и размеры неизвестной планеты, «возмущающей» орбиту Урана.
Если следовать хронологии фактически, то сначала следует изложить историю исследований английского астронома Джона Адамса.
Джон Кауч Адаме (1819—1892) родился в семье фермера в городке Лидкот (графство Корнуолл). Еще в детстве он проявил исключительные для его возраста математические способности, и в 1831 году родители послали его учиться в частную школу в Девонпорте, известную высоким уровнем преподавания. Все свободное время он проводил там в институте механики, и здесь он впервые приобщился к научной литературе. В 1835 году он сам наблюдает комету Галлея, а в 1837 году — лунное затмение, после чего публикует свою первую небольшую заметку. Осенью 1839 года он блестяще выдерживает экзамен в колледж Сент Джона при Кембриджском университете и начинает там учебу.
Астрономия увлекает Адамса все более и более. В 1841 году он знакомится с публикацией директора Гринвичской обсерватории Эри 1832 года, в которой была изложена теория Бувара для Урана, рассказано о ее трудностях при совместном учете «старых» и «новых» наблюдений, о ее расхождениях с наблюдениями после 1820 года. Это определило научный путь Адамса на многие годы.
В том же 1841 году Адаме начинает изучать астрономию в качестве обычных студенческих курсов, в частности, теорию движения Луны и планет. Затем в течение всего 1842 года он готовится к знаменитому для Кембриджа ежегодному математическому конкурсу, который являлся официальным экзаменом на степень бакалавра по математическим наукам.
278
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
После конкурса Адаме приобретает степень бакалавра. Как первый призер он становится членом научного совета колледжа. Но проблема Урана волнует его больше всего. К этому времени у него окончательно укрепилось мнение, что неправильности в движении Урана вызваны неизвестной более далекой планетой.
Как видно из записей в дневниках Адамса, его окончательно убедила в этом научно-популярная книга Мэри Соммервиль «Связь между физическими науками». В начале лета 1843 года Адаме уезжает на время летних каникул к себе домой в Лидкот, где приступает наконец к исследованиям Урана. В октябре этого года он уже получает первые результаты.
Он продолжает работать над этой проблемой дальше. При этом он получает еще более точные с математической точки зрения решения проблемы. Всего, начиная с лета 1843 года до сентября 1845 года, Адаме получил шесть решений, каждое из которых он считал точнее предыдущего.
Хотя Адаме становился очень решительным и смелым в своих научных планах и исследованиях, но в, обыденной жизни он был невероятно скромным и робким. Так, первые пять решений проблемы о неизвестной планете, не увидев свет и никому не став в то время известными, перешли впоследствии лишь на полки архива Кембриджского колледжа Сент Джона, где и хранятся как огромная ценность до сих пор. Только шестое решение, правильнее сказать, только резюме результатов, которые выглядели наиболее полными и точными, Адаме решился показать в частном порядке осенью 1845 года Эри и Джеймсу Чэллису, профессору астрономии, директору Кембриджской обсерватории, кого он считал наибольшими авторитетами в астрономии Более или менее подробно об этом решении и о последнем, седьмом решении, полученном в 1846 году, рассказано в единственной статье, которая была представлена Адамсом в качестве доклада на заседании английского Королевского астрономического общества лишь в ноябре 1846 года (уже после фактического открытия Нептуна). По этой статье и по очень кратким высказываниям в литературе можно судить о содержании первых исследований Адамса.
Адаме пишет краткую записку, в которой объясняет, что завершено решение труднейшей задачи, беспокоившей весь астрономический мир почти пятнадцать лет Но Эри отнесся к записке Адамса явно отрицательно. Он не пошел навстречу Адамсу ни словом, ни делом Итак, с сентября 1845 года до июля 1846 года результаты, полученные Адамсом, не имели никакого практического эффекта. В печати о них не появилось ни слова.
Над той же задачей, что и Адаме, в то же время работал и французский астроном Леверье, ничего не зная об исследованиях английского ученого.
Урбен Жан Жозеф Леверье — один из крупнейших французских астрономов XIX века. Достаточно сказать, что и во второй половине
ТАЙНЫ ВСЕЛЕННОЙ
279
двадцатого века французский Астрономический ежегодник предпочитал публиковать координаты Меркурия, Венеры, Земли и Марса, т. е. четырех планет из девяти, вычисляемые на основании теории и конкретных формул Леверье! Но наибольшую и всемирную славу принесло Леверье открытие Нептуна.
Урбен Леверье (1811—1877) родился в городке Сен-Ло в Нормандии. Отец — скромный служащий. Уже в школе Леверье проявил способности к науке, и родители, связывающие со своим сыном честолюбивые надежды, посылают его в 1828 году в колледж города Каена на два года для повышения знаний по математике. В 1830 году Леверье окончил колледж.
Через год он успешно выдерживает конкурс в Политехническую школу. Окончив после трех лет занятий школу с отличием, Леверье получил возможность самостоятельного выбора работы. Он стал химиком в одном из государственных учреждений.
В астрономию привел Леверье случай. В 1837 году его знания в астрономии были еще довольно слабые. Но карьера ученого благодаря его огромному таланту оказалась быстрой и блестящей. Уже в 1839 году, после двух лет очень интенсивной работы, он представил в Парижскую Академию наук доклад «О вековых возмущениях (изменениях) планетных орбит», который был в скором времени опубликован. В 1840 году Леверье публикует еще более точные результаты по этой проблеме.
В последующие три года он работает над теорией движения Меркурия. С конца 1843 года до лета 1845 года Леверье провел очень интересные исследования некоторых короткопериодических комет, и тут же опубликовал результаты, которые также вошли в золотой фонд небесной механики.
Неудивительно, что летом 1845 года Франсуа Араго, директор Парижской обсерватории и глава французской астрономии того времени, предлагает Леверье заняться актуальнейшей тогда проблемой открытия неизвестной планеты, возмущающей Уран.
Леверье сразу приступает к этой проблеме. История его исследований сравнительно короткая и успешная.
В ноябре 1845 года он представляет в Академию наук и тут же публикует первую статью, посвященную Урану. Он заново строит всю теорию движения Урана с учетом возмущений от известных планет, перекрывая и уточняя все, что было сделано Буваром. Его работа и характер самого изложения отличались тщательностью, учетом тончайших деталей, четкостью.
Всю зиму 1845 года и весну 1846 года Леверье усиленно продолжает исследования и 1 июня представляет в Академию наук вторую статью по данной проблеме. Она состоит из двух частей. В первой части Леверье заново проводит сравнение всех существующих наблюдений Урана и вычислений по своей точной теории движения Урана.
Во второй части Леверье переходит уже к гипотезе о существовании неизвестной планеты. Прежде всего, он кратко и четко анализирует
280
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
другие гипотезы относительно причин неправильного поведения Урана, не соглашаясь с ними.
Далее Леверье ставит задачу, близкую по содержанию к той, которую рассматривал Адаме: определить элементы орбиты неизвестной возмущающей планеты, а также поправки к элементам первоначальной орбиты Урана так, чтобы в конце концов теория движения Урана с учетом влияния этой неизвестной планеты отвечала наблюдениям.
В этой статье он дает предварительное решение задачи. Весь анализ выглядит в целом очень солидно и не оставляет сомнения в истинности результатов. Во Франции статья Леверье была встречена с восторгом и оценена как аналитический триумф.
Однако французские астрономы, к которым Леверье обратился дрежде всего, не собирались организовывать поиски новой планеты. Он срочно ищет возможности «внедрения своей работы в практику наблюдений».
Леверье не стал обращаться к маститым астрономам и директорам обсерваторий. Он обратился к молодому немецкому астроному Иоганну Готфриду Галле, ассистенту Берлинской обсерватории.
Леверье отсылает 18 сентября письмо к Галле, в котором пишет: «...Я хотел бы найти настойчивого наблюдателя, который согласился бы уделить некоторое время наблюдениям в той области неба, где может находиться неизвестная планета. Я пришел к своему выводу на основании теории движения Урана...»
' Галле получил это письмо 23 сентября. Его реакция была немедленной и положительной. В ту же ночь он сел за телескоп — 23-сантиметровый рефрактор Берлинской обсерватории.
Галле стал помогать Д'Аррест, которому пришла счастливая идея. Он предложил использовать звездную карту неба и тут же в ходе наблюдений сравнивать положения наблюдаемых и зафиксированных на карте небесных светил. Неизвестной планеты на карте быть не должно, поэтому планетой окажется та звезда, которая не отмечена на карте.
Правда, требовалась подробная и точная звездная карта, без которой подобный способ поиска планеты привел бы только к недоразумениям. Такой карты данного участка неба не было ни у английских, ни у французских астрономов. Но она оказалась в Берлинской обсерватории. Это была карта звездного атласа Берлинской академии наук, составленная Карлом Бремикером (1804—1877), напечатанная в конце 1845 года, но еще не разосланная на другие обсерватории.
Взяв карту, Галле и д'Аррест продолжили наблюдение. Галле называл по очереди звезды, а д'Аррест отмечал их на карте. Вскоре, а именно почти ровно в полночь, Галле назвал звезду примерно 8-й величины, которую д'Аррест на карте не нашел. Ее положение отличалось от того, которое было вычислено по данным Леверье, но незначительно. Следовательно, это и была так долго разыскиваемая планета. С начала
ТАЙНЫ ВСЕЛЕННОЙ
281
наблюдений и до замечательного открытия в эту знаменательную ночь 23 сентября 1846 года прошло лишь несколько часов.
В следующую ночь удалось подтвердить открытие. Все соответствовало данным Леверье: положение, яркость, собственное движение.
Утром 25 сентября Галле пишет Леверье письмо, подтверждая факт открытия планеты: «Планета, положение которой Вы указали, действительно существует. В тот же день, когда я получил Ваше письмо, я обнаружил звезду 8-й величины, не указанную на превосходной карте (составленной доктором Бремикером) из звездного атласа, опубликованного Берлинской академией наук. Наблюдения в следующую ночь подтвердили, что это — искомая планета».
Таковы обстоятельства официального и всеми признанного открытия восьмой планеты Солнечной системы.
Метод, с помощью которого было предсказано существование Нептуна, покорил воображение ученых. За движением Нептуна стали тщательно следить и вскоре обнаружили столь значительные различия между наблюдаемой и теоретической орбитами нового светила, что это могло быть объяснено только существованием еще одной планеты, расположенной за Нептуном!
18 февраля 1930 года молодой астроном Клайд Томбо из Ловеллов-ской обсерватории в Америке, наконец, обнаружил (на расстоянии, почти в три раза превышающем радиус орбиты Нептуна) новую планету Солнечной системы, получившую название Плутон. Томбо тем самым подтвердил расчеты известных астрономов-теоретиков Персиваля Ло-велла и Вильяма Пикеринга.
Поистине, как сказал знаменитый французский оптик и астроном Франсуа Араго, «...умственные глаза могут заменять сильные телескопы...»
КОСМОНАВТИКА
В наше время полет космического корабля считается обыденным явлением. И даже порою странным кажется, что еще сто лет назад люди только могли мечтать о таких полетах.
«В XVII веке появился рассказ французского писателя Сирано де Бержерака о полете на Луну, — пишет И.А. Минасян. — Герой этого рассказа добрался до Луны в железной повозке, над которой он все время подбрасывал сильный магнит. Притягиваясь к нему, повозка все выше поднималась над Землей, пока не достигла Луны. Известный английский писатель Герберт Уэллс описал фантастическое путешествие на Луну в снаряде, корпус которого был сделан из материала, не подверженного силе тяготения.
Разные предлагались средства для осуществления космического полета, но ни один ученый, ни один писатель-фантаст за многие века не смог назвать единственного находящегося в распоряжении человека средства, с помощью которого можно преодолеть могучую силу земного притяжения и унестись в межпланетное пространство. Великая честь открыть людям дорогу к звездам выпала на долю нашего соотечественника Константина Эдуардовича Циолковского.
Скромный калужский учитель сумел рассмотреть во всем известной пороховой ракете прообраз могучих космических кораблей будущего. Его идеи до сих пор служат и еще долго будут служить основой создания ракет и освоения человеком околосолнечного пространства.
Почти две тысячи лет прошло с тех пор, как изобретатели пороха — древние китайцы — построили первые ракеты, но только Циолковский показал, что единственный летательный аппарат, способный проникнуть за атмосферу и даже навсегда покинуть Землю, — это ракета. Он не только обосновал общие принципы, но и произвел подробные практические расчеты, в результате которых замечательный ученый и пришел к выводу о необходимости создания ракетных поездов, или, как мы теперь говорим, многоступенчатых ракет, а также о необходимости создания искусственных спутников Земли».
Константин Эдуардович Циолковский (1857—1935) родился в селе Ижевском Рязанской губернии в семье лесничего. В десятилетнем
ТАЙНЫ ВСЕЛЕННОЙ
283
возрасте Костя заболел скарлатиной и потерял слух. Мальчик не смог учиться в школе и вынужден был заниматься самостоятельно.
Вот как вспоминал о годах юности сам ученый:
«Я разбирал с любопытством и пониманием несколько отцовских книг по естественным и математическим наукам (отец некоторое время был преподавателем этих наук в таксаторских классах) И вот меня увлекает астролябия, измерение расстояния до недоступных предметов, снятие планов, определение высот. Я устраиваю высотометр. С помощью астролябии, не выходя из дома, я определяю расстояние до пожарной каланчи. Нахожу 400 аршин. Иду и поверяю. Оказывается — верно. Так я поверил теоретическому знанию...»
Когда Константину исполнилось шестнадцать лет, отец отправил его в Москву к своему знакомому Н Федорову, работавшему библиотекарем Румянцевского музея. Под его руководством Циолковский много занимался и осенью 1879 года сдал экзамен на звание учителя народных училищ. После рождества 1880 года Циолковский получил известие о назначении на должность учителя арифметики и геометрии в Боровское уездное училище...
В Боровске Циолковский проработал несколько лет и в 1892 году был переведен в Калугу. В этом городе и прошла вся его дальнейшая жизнь. Здесь он преподавал физику и математику в гимназии и епархиальном училище, а все свободное время посвящал научной работе. Не имея средств на покупку приборов и материалов, он все модели и приспособления для опытов делал собственными руками.
Круг интересов Циолковского был очень широк. Однако из-за отсутствия систематического образования он часто приходил к результатам, уже известным в науке. Например, так произошло с его первой научной работой, посвященной проблемам газовой динамики.
Но за вторую опубликованную работу — «Механика животного организма» — Циолковский был избран действительным членом Русского физико-химического общества. Эта работа заслужила положительные отзывы крупнейших ученых того времени — Менделеева и Столетова.
Столетов познакомил Циолковского со своим учеником Николаем Жуковским, после чего Циолковский стал заниматься механикой управляемого полета. Ученый построил на чердаке своего дома примитивную аэродинамическую трубу, на которой производил опыты с деревянными моделями.
Накопленный им материал был положен в основу проекта управляемого аэростата. Так Циолковский назвал дирижабль, поскольку само это слово в то время еще не придумали. Циолковский не только первым предложил идею цельнометаллического дирижабля, но и построил его работающую модель. При этом ученый создал и оригинальный прибор для автоматического управления полетом дирижабля, а также оригинальную схему регулирования его подъемной силы.
284
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
Однако чиновники из Русского технического общества отвергли проект Циолковского из-за того, что одновременно с ним с аналогичным предложением выступил австрийский изобретатель Шварц. Тем не менее Циолковскому удалось опубликовать описание своего проекта в журнале «Научное обозрение» и таким образом закрепить за собой приоритет на это изобретение.
После дирижабля Циолковский перешел к исследованию аэродинамики самолета. Он детально исследовал влияние формы крыла на величину подъемной силы и вывел соотношение между сопротивлением воздуха и необходимой мощностью двигателя самолета. Эти работы были использованы Жуковским при создании теории расчета крыла.
В дальнейшем интересы Циолковского переключились на исследования космического пространства. В 1903 году он опубликовал книгу «Исследования мировых пространств реактивными приборами», где впервые доказал, что единственным аппаратом, способным совершить космический полет, является ракета. Правда, Циолковскому не хватало математических знаний, и он -не смог дать детальные расчеты ее конструкции. Однако ученый выдвинул целый ряд важных и интересных идей.
Те первые работы ученого прошли почти незамеченными. Учение о реактивном звездолете только тогда было замечено, когда начало печататься вторично, в 1911—1912 годах, в известном распространенном и богато издающемся столичном журнале «Вестник воздухоплавания». Тогда многие ученые и инженеры за границей заявили о своем приоритете. Но благодаря ранним работам Циолковского его приоритет был доказан.
В этой статье и последовавших ее продолжениях (1911 и 1914 годах) он заложил основы теории ракет и жидкостного ракетного двигателя. Им впервые была решена задача посадки космического аппарата на поверхность планет, лишенных атмосферы.
В 1926—1929 годы Циолковский решает практический вопрос: сколько нужно взять топлива в ракету, чтобы получить скорость отрыва и покинуть Землю.
И.А. Минасян: «Циолковский вывел формулу, позволяющую рассчитать максимальную скорость, которую может развить ракета. Эта максимально достижимая скорость в первую очередь зависит, конечно, от скорости истечения газов из сопла ракеты. А скорость газов в свою очередь зависит, прежде всего, от вида топлива и температуры газовой струи. Чем выше температура, тем больше скорость.
Значит, для ракеты нужно подбирать самое калорийное топливо, которое при сгорании дает наибольшее количество теплоты.
Но максимальная скорость ракеты зависит не только от скорости истечения газов из сопла. Из формулы следует, что она зависит также от начальной и конечной массы ракеты, т. е. от того, какая часть ее
ТАЙНЫ ВСЕЛЕННОЙ
285
веса приходится на горючее и какая — на бесполезные (с точки зрения скорости полета) конструкции: корпус, механизмы управления, рули и даже самую камеру сгорания и сопло
Эта формула Циолковского является фундаментом, на котором зиждется весь расчет современных ракет Отношение общей, стартовой массы летательного аппарата к его весу в конце работы двигателя (т. е. по существу к весу пустой ракеты) в честь великого ученого названо числом Циолковского.
Основной вывод из этой формулы состоит в том, что в безвоздушном пространстве ракета разовьет тем большую скорость, чем больше скорость истечения газов и чем больше отношение начальной массы ракеты к ее конечной массе, т. е. чем больше число Циолковского.
Установив, что предел скорости ракеты зависит от качества топлива и отношения полезной и «бесполезной» массы, Циолковский исследовал теплотворные возможности пороховых топлив. Его вычисления показали, что эти топлива не смогут обеспечить нужной температуры горения, а значит, и скорости истечения, необходимых для преодоления земного притяжения. Кроме того, рыхлый порох занимает большой объем, приходится увеличивать корпус и, следовательно, конечную массу ракеты».
Расчет показывает: для того чтобы жидкостная ракета с людьми развила скорость отрыва и отправилась в межпланетный полет, нужно взять топлива в сто раз больше, чем весит корпус ракеты, двигатель, механизмы, приборы и пассажиры, вместе взятые. Снова очень серьезное препятствие.
Ученый нашел оригинальный выход — ракетный поезд, многоступенчатый межпланетный корабль. Он состоит из многих ракет, соединенных между собой. В передней ракете, кроме топлива, находятся пассажиры и снаряжение. Ракеты работают поочередно, разгоняя весь поезд. Когда топливо в одной ракете выгорит, она сбрасывается, при этом удаляются опустошенные баки, и весь поезд становится легче. Затем начинает работать вторая ракета и т. д. Передняя ракета, как по эстафете, получает скорость, набранную всеми предыдущими ракетами.
Может показаться, что выгоднее сделать как можно больше ступеней ракеты. Однако расчеты убедительно доказывают, что это не так: максимальная скорость заметно увеличивается до трех-четырех ступеней, а дальше почти не растет. Скорость ракеты после шести ступеней практически остается постоянной.
Любопытно, что, не имея практически никаких приборов, Циолковский рассчитал, что оптимальной высотой для полета вокруг Земли является промежуток от трехсот до восьмисот километров над Землей. Именно на этих высотах и происходят современные космические полеты.
286
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
На много лет опередив своих современников, великий ученый с помощью точного языка математики впервые показал пути овладения человеком космическим пространством и указал реальные пути, по которым должна пойти техника межпланетных сообщений.
Узнав о работах Циолковского, немецкий ученый Герман Оберт написал ему: «Зная Ваши превосходные работы, я обошелся бы без многих напрасных трудов и сегодня продвинулся бы гораздо дальше».
Еще в 1911 году Константин Эдуардович произнес вещие слова: «Человечество не останется вечно на Земле, но, в погоне за светом и пространством, сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе все околосолнечное пространство».
Сегодня все мы свидетели того, как сбывается это великое предвидение.
КОНЦЕПЦИЯ ДРЕЙФУЮЩИХ КОНТИНЕНТОВ
Альфред Лотар Вегенер
После открытия Колумбом Америки на географических картах стали уточняться изображения американского побережья.
«Если взглянуть повнимательней на глобус или на любую карту мира, можно заметить одну особенность очертаний многих береговых линий, — пишет Борис Силкин. — Южная Америка и Африка, если их «сдвинуть» вплотную, довольно аккуратно «вложатся» друг в друга, как детали мозаичной картинки. Гренландия выглядит так, будто она только что вырвалась из «объятий», с одной стороны — Северной Америки, а с другой — Северной Европы... Длинный рукав Антарктического полуострова в Западном полушарии смыкается с крайним югом Южной Америки, и так далее: множеству выступов по одну сторону моря соответствуют впадины в очертаниях суши по другую сторону.
Эти «географические странности» люди отметили еще в те времена, когда они только учились составлять карты. Об этом размышляли знаменитый английский философ Фрэнсис Бэкон (1561—1626), французский мыслитель Франсуа Пласэ и многие другие.
Еще в 1596 году в Амстердаме вышел в свет ученый трактат фламандского картографа Абрахама Ортелия (1527—1598) «Географическая сокровищница». Ортелий совершил два замечательных «прорыва» в познании мира, на столетия предваривших господствующую ныне теорию дрейфа континентов. Он не только отметил «совместимость» береговых линий Старого и Нового Света (включая и Европу), но и попытался реально представить, как шло раздвижение континентов».
Антонио Снидер в середине девятнадцатого столетия узнал о полном сходстве ископаемых растений каменноугольного периода палеозойской эры, найденных в Европе и Северной Америке. Снидер стал искать причину. Он решил, что ископаемые деревья росли в одном большом лесу, разделившемся когда-то на части. Одна половина оказалась в Европе, а другая — в Америке!
Снидер сближает на карте материки так, чтобы берега соединились, и он получил единый континент. В 1858 году его сочинение «Мироздание и его разоблаченные тайны» было опубликовано в Париже. Но современникам его идея показалась неправдоподобной, и о ней забыли.
Та же судьба постигла гипотезы еще нескольких европейских и американских ученых. Все они предполагали, что континенты наших
288
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
дней — всего лишь обломки более крупных «суперконтинентов» далекого прошлого, удалившиеся друг от друга на тысячи километров.
Наконец, в 1910—1912 годах немецкий исследователь Вегенер не только вновь выдвинул эту гипотезу, но и подкрепил ее разнообразными геологическими и геофизическими данными.
Альфред Л отар Вегенер (1880—1930) родился в семье берлинского священника. Сначала Альфред избрал профессию астронома. Он получил образование в Гейдельбергском, Инсбрукском и Берлинском университетах.
Еще в годы учебы он пишет работу о движении планет. Ее высоко оценили специалисты.
«Но он со студенческих лет мечтал заняться исследованием острова Гренландия и наукой о погоде — метеорологией, в то время делавшей практически первые шаги, — отмечает Б. Силкин. — И не только мечтал, но и готовился к этому.
Все свободное время Вегенер посвящал дальним лыжным походам, занятиям конькобежным спортом, а также изготовлению и запуску... воздушных шаров и змеев, считая, что именно эти «игрушки» станут первыми средствами доставки измерительных приборов в относительно высокие слои атмосферы, где «делается» погода. Вместе со своим братом Куртом в 1906 году он поставил рекорд длительности беспрерывного пребывания в воздухе на воздушном шаре — 52 часа.
«Воздушные» и спортивные достижения Альфреда Вегенера не остались незамеченными, и вскоре он был включен в качестве метеоролога в состав датской полярной экспедиции, направлявшейся в манившую его Гренландию. Потом — преподавание метеорологии в Марбургском университете. Там он написал интересную работу о том, как ведет себя тепловая энергия в атмосфере. А в 1912 году — новая экспедиция в Гренландию. Собранные данные по метеорологии и гляциологии (науке о льде и снеге) заполнили множество томов».
Первая мировая война прервала научную работу. Вегенер становится младшим офицером германской армии. После окончания войны он становится директором Отдела метеорологических исследований Морской обсерватории в Гамбурге. В 1924 году ученый переезжает в Австрию, где получает кафедру метеорологии и геофизики в Грацском университете.

<< Предыдущая

стр. 9
(из 16 стр.)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Следующая >>