Царство Солнца. От Птолемея до Эйнштейна

ПРОБЕЛ В ТАБЛИЦЕ

К 1800 г. астрономия превратилась в хорошо организованную науку. Существовал целый ряд обсерваторий, множество телескопов. Дни одиночек вроде Галилея или даже Гершеля казались отошедшими в прошлое.

Вот почему поисками недостающей планеты между Марсом и Юпитером не занимался кто-то один. Двадцать четыре немецких астронома образовали нечто вроде корпорации но поиску планеты. Они устроили все с немецкой точностью, разделив небо на двадцать четыре участка: каждому члену выделили свой участок. Все необходимые приготовления были сделаны.

А пока они готовились, некий итальянский астроном из Палермо (это на Сицилии) открыл эту планету.

Этим астрономом был отец Джузеппе Пиацци, монах, который заинтересовался астрономией только в пожилом возрасте. Правительство Неаполя, которому в то время принадлежала Сицилия, финансировало строительство обсерваторий в Неаполе и в Палермо.

Пиацци особенно заинтересовался созданием новой звездной карты — наиболее точным определением положения как можно большего количества звезд. Вот почему он систематически записывал каждую звезду, которая попадала в поле обозрения его телескопа.

Ночью 1 января 1801 г. — в первую ночь нового года и девятнадцатого века — он проверял положение хорошо известной звезды, которая была слишком тусклой, чтобы ее можно было различить невооруженным глазом, но оказывалась достаточно яркой, чтобы ее легко можно было наблюдать в телескоп. Эту звезду уже зарегистрировали, и Пиацци просто хотел убедиться в том, что зарегистрированное положение полностью соответствует действительности. Проверяя это, он заметил рядом с ней еще одну звезду, приблизительно такой же яркости, и записал ее координаты. Однако поскольку эта вторая звезда уже не была известной, Пиацци вернулся к ней следующей ночью, чтобы проверить ее положение и убедиться в том, что не сделал ошибки. К своему изумлению, монах обнаружил, что действительно ошибся. Положение звезды было не таким, как он записал. Он возвращался к ней снова и снова — и всякий раз ее положение менялось.

Очевидно, звезда двигалась. Как и Гершель, Пиацци поначалу решил, что открыл новую комету. И, как это было и в случае Гершеля, когда Пиацци понаблюдал за этим объектом достаточно долго, он начал подозревать, что это — планета. По скорости ее видимого движения она могла даже оказаться той планетой, которую рассчитывали найти между Марсом и Юпитером.

Однако для того, чтобы в этом убедиться, Пиацци необходимо было рассчитать орбиту новой планеты. К несчастью, к 11 февраля он заболел и не смог делать новые наблюдения. К тому времени, когда астроном поправился, новая планета оказалась слишком близко к Солнцу, чтобы ее можно было видеть.

Конечно, у Пиацци все-таки остались его наблюдения с 1 января до 11 февраля, но их было слишком мало, чтобы рассчитать орбиту. Не зная орбиты, планету придется искать снова, и невозможно предугадать, когда именно ее найдут. В конце концов, она была довольно тусклая!

К счастью, к нему на помощь пришел молодой немецкий математик Карл Фридрих Гаусс. Он разработал способ расчета орбиты всего по трем полным наблюдениям. Когда было объявлено об открытии Пиацци, он воспользовался его наблюдениями и к ноябрю предсказал, где именно снова появится планета, когда отдалится от Солнца настолько, чтобы ее снова стало видно.

1 января 1802 г., ровно через год после открытия Пиацци, Генрих В.М. Ольберс (один из членов немецкой корпорации охотников за планетами) вновь обнаружил эту планету там, где предсказал Гаусс.

Пиацци попросил, чтобы новую планету назвали Церерой в честь римской богини плодородия (у греков ее имя было Деметра), и его просьбу исполнили. Церера была богиней, которую особо связывали с Сицилией.

Расстояние Цереры от Солнца на основе «Земля равна 10» оказалось равным 27,7. Это было почти число 28, которого требовало правило Тициуса —Боде.

Тут было только одно разочарование. Церера оказалась такой тусклой! Юпитер отстоял от Земли почти вдвое дальше, чем Церера, Сатурн — в пять раз дальше, однако Юпитер и Сатурн были яркими, а вот Цереру невооруженным взглядом рассмотреть вообще было нельзя. Даже Уран, находившийся от Земли в десять раз дальше Цереры, был ярче ее.

Очевидным объяснением было то, что Церера оказалась крошечной. Выяснилось, что ее диаметр составляет всего 770 километров. Ее масса была в сто раз меньше, чем масса Луны. Если не считать двух спутников Сатурна, то Церера была самым маленьким небесным телом, открытым к этому времени.

Неужели это все, что можно было найти в промежутке между Марсом и Юпитером?

НЕ ОДНА, А ЧЕТЫРЕ

Немецкая команда, искавшая планеты, не могла поверить, что поиск окончен. Или, может быть, после таких капитальных приготовлений им просто невыносимо было ничего не делать, и они решили просматривать небеса, чтобы обнаружить там все, что удастся.

Как бы то ни было, они продолжали наблюдать — и в 1802 г. Ольберсу опять повезло. Он заново обнаружил Цереру, а теперь нашел еще одну движущуюся звезду, очень похожую на нее. Гаусс взял наблюдения Ольберса, рассчитал орбиту — и оказалось, что эта новая планета тоже вращается между Марсом и Юпитером. Ольберс назвал новую планету Палладой (одним из имен Афины, греческой богини мудрости). Однако тогда как орбита Цереры была почти круговой, орбита Паллады имела большой эксцентриситет.

Это было удивительно и, несмотря на оптимизм охотников за планетами, неожиданно. Две планеты в одной области пространства! А впереди ждали новые открытия.

В 1804 г. третью небольшую планету открыл еще один член немецкой группы, К.Л. Гардинг, — и тоже в промежутке между Марсом и Юпитером. Ольберс обратил внимание на то, что в определенной области пространства все три орбиты очень сближались. Он подумал, что там могла расколоться довольно крупная планета, оставив после себя осколки. Он продолжал наблюдать за этой областью и в 1807 г. обнаружил четвертую маленькую планету. К этому времени уже устоялся обычай называть малые планеты именами богинь. Все крупные планеты, за исключением Венеры, были названы в честь богов. Итак, третью планету назвали Юноной, по имени жены Юпитера, а четвертую — Вестой, в честь богини домашнего очага.

На этом поиски закончились. Всем казалось, что четыре планеты на том месте, где ожидалась одна, — это вполне достаточно. Четвертую обнаружили только после трех лет поисков, так что, возможно, больше там ничего и не было. Конечно, более новые планеты оказались даже меньше Цереры. Диаметр Паллады был всего 490 километров, Весты — 385 километров, а Юноны — 225 километров. Их иногда называют «большой четверкой».

Однако из этих четырех самая яркая — Веста. Бывают такие моменты, когда Веста настолько ярка, что становится даже различимой невооруженным глазом. Почему она является самой яркой, не будучи самой крупной, пока неизвестно.

Как ни малы были эти планеты, их открытие произвело фурор — почти такой же, как открытие Гершелем Урана.

В 1803 г. Клаирот, который за пятнадцать лет до этого открыл элемент уран, был в числе тех, кто помог открыть еще один новый элемент. Его назвали церием, в честь Цереры. В том же году британский химик Уильям Хайд Волластон открыл элемент, который назвал палладием, в честь Паллады. Примерно в то же время считались открытыми еще два элемента, получившие название вестий и юноний, но на самом деле это оказалось ошибкой.

Примерно в это же время английский поэт Джон Ките написал оду «На первое прочтение Гомера Чэнмена», в которую включил строки:

Однако встал вопрос о том, как именно называть эти новые планеты в совокупности. Они как-то не вписывались в общую семью планет, а во многом вели себя очень капризно. Во-первых, их орбиты лежали очень близко друг от друга. Эти орбиты также имели более высокий эксцентриситет, чем у орбит хорошо известных планет, и были сильнее наклонены по отношению к орбите Земли. И потом, новые планеты были так необычайно малы!

Гершель, который в качестве первооткрывателя новой планеты очень интересовался этими новыми объектами, предложил не называть их планетами, выдвинув название «астероиды» (от греческого слова, означающего «звездоподобные»). Он заявил, что в телескоп они кажутся похожими на звезды, оставаясь из-за своего малого размера всего лишь точками света, тогда как другие планеты в телескоп видны как шары.

Пиацци был против, потому что малые планеты вовсе не были похожими на звезды. Звезды — это громадные шары пылающих газов, как и наше Солнце. Малые планеты были «планетоподобными», и их следовало называть «планетоидами». Оба названия используют и сейчас.

На самом деле малые планеты — это настоящие планеты, такие же настоящие, как и другие, а вовсе не «похожие на планеты». Так что, хотя «планетоид» и звучит лучше, чем «астероид», сейчас все больше используется термин «малые планеты».

НЕ ЧЕТЫРЕ, А ТЫСЯЧИ

Но почему малых планет должно было оказаться всего четыре? Были ли эти малые миры осколками взорвавшейся «настоящей» планеты? Некоторые предполагали, что это именно так. А если так, то почему бы не существовать гораздо большему, числу осколков? Пиацци, например, утверждал, что их должно быть больше.

В 1830 г. немецкий астроном М. Хенке снова начал поиски. Они заняли пятнадцать лет, но он не сдавался и наконец в 1845 г.нашел пятую малую планету, которую назвал Астреей, по имени греческой богини правосудия. Она была на тот момент самой маленькой — всего около 180 километров в диаметре.

После этого дела почему-то пошли быстрее. Еще три малые планеты были открыты в 1847 г., одна — в 1848 г., одна — н 1849-м, три — в 1850-м, две — в 1851-м и не меньше шести — в 1852-м. Некоторые из них имели диаметр более 150 километров. Кое-кто из астрономов начал специализироваться на поиске планетоидов. Хенке обнаружил еще один, который назвал Гебой. Английский астроном Джон Рассел Хайнд открыл четыре планетоида — Ириду, Флору, Викторию и Ирину — в конце 1840-х — начале 1850-х гг. Еще один астроном, Де Гаспари, открыл пять: Гигию, Партенопу, Эгерию, Эвномию и Психею. К 1890 г. было открыто около 300 — и к тому времени появился новый способ поиска астероидов.

Видите ли, примерно в 1830 г. один французский художник, Луи Дагер, открыл способ заставлять солнечный свет оставлять след на химических веществах. Результат назывался дагеротипом. Из него развилась современная фотография.

Постепенно этот новый метод начали применять и в астрономии. Одним из первых, кто это сделал, был итальянский астроном Лнджело Сеччи, который в 1851 г. сфотографировал Солнце во время затмения. Позже он сделал фотографии Луны.

К 1866 г. астрономы собрались сфотографировать все небо.

Фотографии имеют некоторые преимущества но сравнению с обычным глазом, даже вооруженным телескопом. Во-первых, они дают постоянную запись, которую можно изучать не спеша. Во-вторых, при использовании различного освещения и различной выдержки фотография может сделать видимыми такие вещи, которые глаз в обычных условиях не видит.

Однако проблема фотографирования слабо светящих звезд заключалась в том, что, если пленка используется достаточно долго, звезды из-за вращения Земли успевают сдвинуться настолько, что все портят. Из-за этого были придуманы способы очень равномерного поворота телескопов, который бы точно компенсировал вращение Земли.

Немецкий астроном Макс Вольф воспользовался такими медленно движущимися телескопами для того, чтобы находить малые планеты. До 1890 г. малые планеты находили, очень тщательно сверяя наблюдения, проведенные с помощью глаз. И даже когда наблюдения стали делать, сравнивая фотографии, это все равно отнимало много времени и было скучно.

Однако когда Вольф воспользовался движущимся телескопом, чтобы делать фотографии, все звезды получались на них яркими точками. Однако любая малая планета двигалась по небу со скоростью, которая отличалась от скорости звездного фона. Поэтому она получалась на фотографии как небольшой мазок.

В следующие сорок лет было объявлено об открытии почти двух тысяч (!) малых планет. Сам Вольф обнаружил 587, а еще один немецкий астроном, Карл Рейнмут, открыл 980. Все они были крошечными. На самом деле Церера, хоть она и сама очень невелика, больше остальных малых планет, имеете взятых, даже с учетом тех тысяч, которые все еще не найдены. По некоторым оценкам, общее число малых планет, открытых и не открытых, равно 44 000. Однако большинство из них настолько малы, что общая масса всех малых планет не может превысить одну тысячную массы Земли.

Давать названия этим планетам стало трудным делом. Богини вскоре были исчерпаны, хотя некоторых использовали уже дважды. Например, название Европа, данное 52-й малой планете, уже было использовано для одного из крупных спутников Юпитера. Еще одну из малых планет назвали Сапфо, в честь поэтессы, которая жила в Древней Греции.

Затем стали использовать всевозможные другие названия. Их давали в честь астрономов. Например, 1000-я малая планета была названа Пиаццией, в честь Пиацци, открывшего Цереру; 1001-я получила название Гауссия в честь Гаусса, вычислившего орбиту Цереры; 1002-я называлась Ольберией в честь Ольберса, заново обнаружившего Цереру.

Такая честь оказывалась и бизнесменам, и политикам, так что существуют малые планеты, которые называются Карнегия, Рокфеллия и Гуверия. Иногда отчаявшиеся астрономы позволяли себе шутить. Есть астероиды с названиями Лимбургия, Арника и Гейша. Студент университета Дрейка открыл планетоид и назвал его Экард («Ekard» — это слово -«Drake», написанное наоборот).

Однако малые планеты — не единственные результаты усилий охотников за планетами. Через сорок лет после открытия первой малой планеты ими была одержана огромная победа. История этой победы начинается с того самого мира, с которого началась вся история с розыском планет, — то есть с Урана.

ШАЛОСТИ УРАНА

В 1820 г. французский астроном Алекси Бувар составлял новые таблицы, в которых отражалось положение Юпитера и Сатурна в различные моменты прошлого и будущего. У него не возникло проблем. Математические расчеты полностью совпадали с реальными наблюдениями, которые проводились и течение многих лет.

Бувар попытался проделать то же для новой планеты, Урана, — и тут у него начались трудности. Как астроном ни пытался рассчитать его орбиту с помощью гравитационной математики, он не мог добиться, чтобы результаты совпадали со всеми наблюдениями за положением Урана, которые проводились с 1690 г., когда планету впервые увидел и зарегистрировал Флэмстид (который, конечно, не знал, что это — действительно планета). Различие между расчетными положениями и зарегистрированными реальными было невелико. По правде говоря, это различие было настолько мало, что его невозможно было заметить без телескопа. Однако оно было достаточно большим, чтобы не давать Бувару покоя.

Бувар решил, что старые наблюдения, проводившиеся до Гершеля, могли оказаться не совсем правильными. В конце концов, старые телескопы были не слишком хорошими. Тогда он стал использовать только наблюдения Гершеля и тех, кто следовал за ним, и получил орбиту, которая совпадала с расчетной, после чего, должно быть, вздохнул с облегчением.

Однако во время наблюдений за Ураном в течение следующих нескольких лет стало ясно, что он стал немного отходить от рассчитанной орбиты. Это отклонение опять было очень маленьким, но в то же время достаточно большим, чтобы астрономы ужаснулись. Неужели что-то не так с ньютоновским законом всемирного тяготения — после стольких лет и такого множества побед? Неужели он как-то изменяется на том огромном расстоянии, которое отделяет Уран от Солнца?

Однако астрономы не поддались панике. Необходимо было кое-что выяснить. Видите ли, математика Ньютона работает точно только для так называемых «задач с двумя телами». Иначе говоря, если бы во Вселенной существовало всего два тела, например Земля и Солнце, то гравитационные формулы идеально описывали бы движение Земли вокруг Солнца.

Однако поскольку тел во Вселенной больше, чем два, математики Ньютона не достаточно для того, чтобы дать точное решение.

А ведь во Вселенной находится бессчетное количество тел. Как же определить планетные орбиты с помощью математики, которая способна работать только для двух тел? Ответ заключается в том, что звезды находятся настолько далеко, что их гравитационный эффект можно игнорировать. В пределах Солнечной системы (где все равно находятся тысячи тел) Солнце настолько больше всех остальных тел, вместе взятых, что его гравитация — это единственное, что необходимо учитывать с самого начала. Например, орбиту Земли можно сначала рассчитать так, словно кроме нас существует одно только Солнце. Далее, во время бега вокруг Солнца Венера иногда оказывается впереди Земли, а иногда — позади. Когда она впереди, ее гравитационное притяжение тянет вперед и немного ускоряет Землю. Когда Венера позади, она чуть-чуть замедляет Землю. Это принимают во внимание, и расчеты земной орбиты уточняются. Затем учитывают воздействие Марса, принимают во внимание влияние Луны и так далее.

Небольшие воздействия на орбиту планеты, объясняемые гравитационным притяжением других планет, называются возмущениями или пертурбациями.

При расчетах орбиты Урана учитывалось влияние притяжения планет-гигантов, Юпитера и Сатурна. Это были единственные известные планеты, которые были достаточно велики и находились достаточно близко к Урану, чтобы заметно изменить его орбиту. Дело в том, что размер возмущений зависит от массы планеты, которая это возмущение вызывает. Возможно, цифры для размеров Юпитера и Сатурна оказались неточными.

Прусский астроном Фридрих Вильгельм Бессель был специалистом по пертурбациям, и он взялся решать эту задачу. Он разработал новые методы расчета возмущений и использовал для этого математические выражения, которые и сейчас носят название функций Бесселя.

Бессель провел новые измерения расстояний между спутниками Юпитера и Сатурна и самими планетами. По этим расстояниям и по скорости, с которой спутники вращались вокруг своих планет, он смог вычислить размер обеих планет более точно, нежели это делалось раньше.

Он воспользовался этими новыми значениями для того, чтобы рассчитать возмущения Урана, — но и это не помогло. Новые цифры не объясняли отклонения этой планеты от рассчитанной орбиты. Никакие цифры, которые он мог использовать, не давали объяснения пертурбаций.

Бессель сдался. Он высказал предположение, что где-то может находиться еще одна планета, которую не учитывают, и что ее гравитационное притяжение ответственно за этот феномен. Однако тогда он не стал развивать эту идею.

В 1834 г. астроном-любитель по имени Т.Дж. Хасси написал письмо Джорджу Эри, которого должны были вот-вот назначить королевским астрономом Англии. В письме он высказал предположение о том, что за Ураном имеется какая-то планета, и предлагал ее искать. Однако Эри энтузиазма не выразил. Такая далекая планета окажется очень тусклой, и найти ее будет трудно. Эри придерживался мысли о том, что орбиту Урана все-таки удастся выяснить, уточнив возмущения, вызванные известными планетами.

Однако Уран отклонялся все дальше и дальше, и к 1843 г. Королевское научное общество в Геттингене, в Германии, обещало премию тому, кто разгадает тайну Урана. Сам Бессель готовился снова взяться за эту проблему, возможно, для того, чтобы искать таинственную внешнюю планету, однако умер, не успев начать работу.

НЕУДАЧИ ДЖОНА АДАМСА

Однако кембриджский студент, которого звали Джон Кауч Адаме, решил посмотреть, что он сможет сделать с помощью бумаги и пера. Ему было чуть больше двадцати, когда он за это взялся: возможно, молодость придавала ему отваги.

Он начал с предположения, что за Ураном находится планета, расположенная на таком расстоянии, которое дает правило Тициуса—Боде. Адамс сделал предположение относительно ее размера, а затем рассчитал, где именно она должна была бы находиться для того, чтобы воздействовать на Уран так, чтобы это объяснило странности его движения. Это дало Адамсу достаточно информации, чтобы рассчитать, где планета будет находиться в этот момент.

Джон Адамс закончил свои расчеты в сентябре 1845 года и отправил копии одному кембриджскому профессору и Эри, королевскому астроному. Однако Эри, который в этой истории был «злодеем», не стал искать планету в месте, указанном Адамсом. Во-первых, фотографирование неба к тому моменту еще не было разработано, и не существовало приемлемой карты тусклых звезд для той области небосвода, где Адамс предсказал появление новой планеты. По крайней мере, у Адамса такой карты не было, и поэтому Эри совершенно не хотелось начинать сложные поиски, которые к тому же могли оказаться безрезультатными.

Вот почему он ограничился тем, что написал Адамсу ответ, попросив пояснить некоторые моменты его вычислений. По какой-то причине Адамс не ответил ему сразу же. Возможно, он опасался обидеть человека, который считался авторитетным, и не хотел показаться чересчур напористым.

Тем временем во Франции другой астроном, Урбэн Жан Жозеф Леверье (который был старше Адамса всего на несколько лет), работал над той же задачей. Он выполнил свою работу более аккуратно, чем Адаме, но пришел практически к тем же выводам. Леверье закончил свою работу позже Адамса, однако опубликовал ее в июле 1846 г., когда Эри все еще занимался неопубликованной работой Адамса.

Когда Эри увидел, насколько хорошо согласуются результаты Леверье и Адамса, это невольно его впечатлило. Он задал Леверье те же вопросы, что и Адамсу. Леверье тотчас на них ответил, и Эри решил, что планету все-таки следует поискать.

9 июля он попросил Джеймса Чэллиса из обсерватории Кембриджа начать поиски. Чэллис так и сделал, но безрезультатно. Позже оказалось, что в августе он на самом деле видел эту планету дважды в разные дни, но не заметил, что она изменила свое положение.

В сентябре Леверье написал Иоганну Готфриду Галле из Берлинской обсерватории и попросил его поискать в неком месте небосвода тусклый объект, который будет виден не как точка света, а как шар. И снова Леверье повезло больше, чем Адамсу. Незадолго до этого Галле как раз получил новую карту этой области. Он посмотрел в указанное Леверье место и в первую же ночь открыл «звезду», которой па карте не было.Она оказалась новой планетой, примерно такого же размера, что и Уран.

Таким образом, хотя работа Леверье была закончена позже расчетов Адамса, обычно честь открытия новой планеты приписывается именно Леверье. В науке существует твердое правило: слава достается не тому, кто первый сделал открытие, а тому, кто первый публикует его и рассказывает о нем миру. Это мудрое правило направлено на то, чтобы ученым не хотелось хранить свои открытия в тайне.

Однако в данном случае это правило сработало против Адамса, который не прославился из-за консерватизма Эри и отсутствия настойчивости. Однако возможно, все сложилось не так плохо, как могло бы. Адамс перенес свое разочарование с достоинством и стойкостью, чем и заслужил огромное восхищение. Потом он сделал немало превосходных работ и заслужил немало наград. И когда в 1881 г. Эри наконец ушел в отставку с поста королевского астронома после 46-летней службы, этот пост предложили Адамсу. Однако Адаме уже начал стареть и предпочел более спокойную жизнь. И Эри, и Адаме умерли в 1892 г. Эри было девяносто один год, Адамсу — семьдесят три года.

Тем временем (вернемся к нашей истории) возник вопрос о том, как назвать новую планету. Некоторые французские астрономы захотели назвать ее Леверье. Однако астрономы других стран возражали против того, чтобы планета называлась именем Леверье, точно так же как в свое время астрономы вне Англии возражали против того, чтобы планета была названа именем Гершеля. Новая планета, восьмая от Солнца, получила название Нептун, по имени римского бога морей, без всяких на то причин. Через месяц после открытия Нептуна британский астроном Уильям Ласселл, наблюдая за ним, обнаружил спутник. Он назвал его Тритоном, в честь одного из сыновей Нептуна, задача которого заключалась в том, чтобы успокаивать море после шторма. Тритон — еще один из гигантских спутников: он больше нашей Луны.

В этой истории была одна странная погрешность. Нептун не находился на расстоянии, предсказанном правилом Тициуса — Боде. По этому правилу Нептуну соответствовало число 388, так что ему следовало бы отстоять от Солнца примерно на 6300 миллионов километров. На самом же деле он находится от Солнца всего в 1500 миллионах километров.

Ни одно другое астрономическое открытие и истории — ни до того, ни после — не произвело такого фурора, как открытие Нептуна. Мир был изумлен.

Представьте себе: новая гигантская планета найдена просто потому, что заметили крошечные отклонения в движении другой планеты, причем обе находились нарасстоянии более полутора миллиардов километров от Земли! Математик садится за стол, делает расчеты и говорит: «Посмотрите в такую-то точку — и найдете планету». И какой-то астроном смотрит туда — и находит ее.

Это было одной из самых впечатляющих побед человеческого разума.