Гравитация

— Итак, мистер Ньютон, как вам в голову пришла идея закона всемирного тяготения?

Разговор происходит в саду усадьбы Вулсторп спустя полвека после знаменательного события. Через стол от пожилого натурфилософа, о котором сегодня говорят все, сидит юный священник и археолог Уильям Стьюкли, взявший на себя тяжёлый труд написать первую биографию Исаака Ньютона. Где-то в саду журчит ручей, а в поле за оградой то и дело блеют ягнята. На густую траву перед ними садится ворон, что-то склёвывает с земли и улетает прочь.

Старик раздумывает над вопросом, отбрасывает свои длинные седые волосы с лица и произносит

— Мистер Стьюкли, видите вон то дерево?

— Вижу.

— Одним тёплым весенним днём 1666 года — погода стояла почти как сегодня — я сидел на этом самом месте со своими записями, и тут с дерева упало яблоко…

Великие люди создают свои легенды сами. Историю о яблоке Ньютон рассказал своему биографу уже под конец жизни в саду усадьбы Вулсторп, Линкольншир. «День был тёплый, поэтому после обеда мы отправились в сад выпить чаю в тени яблонь, — пишет Стьюкли в своих “Воспоминаниях о жизни сэра Исаака Ньютона”, опубликованных в 1752 году. — Он рассказал мне, что идея гравитации пришла ему в голову как раз в подобных обстоятельствах. Её вызвало к жизни упавшее яблоко, которое он увидел, когда размышлял в саду. “Почему яблоко всегда перпендикулярно падает на землю?” — задумался он...».[3]

Однако Ньютон ни разу не упоминал о падающих яблоках в течение полувека после открытия закона всемирного тяготения. Произошло ли это на самом деле? Или Ньютон знал, что дни его научного творчества прошли, и заботился о своём наследии, а потому понял, что эта история запомнится потомкам и обеспечит ему бессмертие? В день смерти Стива Джобса, основателя компании Apple, кто-то написал в «Твиттере»: «Мир изменили три яблока: яблоко Адама, яблоко Ньютона и яблоко Стива».[4]

Неизвестно, что заставило Ньютона провести эту важнейшую связь между землёй и небом, силой притяжения, удерживающей Луну возле Земли, и силой притяжения, заставляющей яблоко упасть. Всё, что мы знаем, — это что закон всемирного тяготения Ньютона родился в ужасное время, которое ярко описывает Даниэль Дефо в «Дневнике чумного года».[5]

В августе 1665 года в Лондоне свирепствовала бубонная чума. Страх заражения был так велик, что в Кембридже, в 90 километрах к северо-востоку, закрыли университет. Никому не известному 22-летнему студенту Ньютону пришлось то пешком, то на повозках возвращаться на семейную ферму в Вулсторпе. В течение полутора лет он жил там без какого-либо контакта с окружающим миром и за это время не просто открыл закон всемирного тяготения, а изменил лицо современной науки.

Особенный

Исаак Ньютон родился на Рождество в 1643 году. Несмотря на такую символичную дату, «особенный» младенец был таким крошечным, что мог поместиться в кружку из-под кварты[6] пива, и таким слабым, что родные предсказывали ему смерть через несколько дней.[7]

Отец Ньютона умер за три месяца до его рождения, и мать осталась практически без средств к существованию. Когда мальчику исполнилось три года, она приняла предложение руки и сердца от богатого священника почти в два раза старше её. Тому требовалась жена, но не пасынок, поэтому мать Ньютона переехала в приход к новому мужу в соседнюю деревню, оставив сына на попечение бабки с дедом. Ньютон ненавидел эту замену родителей и позднее в своём дневнике признавался, как «угрожал матушке и отцу Смитам сжечь их вместе с их домом».

Через восемь лет муж матери Ньютона умер, и она вернулась в усадьбу Вулсторп вместе со сводными для своего сына братом и двумя сёстрами. Но к тому моменту слепая ярость от того, что мать его покинула, уже ярко разгорелась в душе Ньютона и так и не погасла до конца жизни.

Так как Ньютон был наследником семейной фермы, ему запрещали играть с «простыми» детьми крестьян. Исааку приходилось занимать себя самому, и он был одиноким ребёнком, затерянным в дебрях собственного воображения, постоянно что-то строящим и исследующим мир вокруг. Он создавал модели мостов и мельниц, вырезал солнечные часы и следил за движением их тени — час за часом, день за днём, с зимы до осени.

Семья оценила исключительные способности Ньютона и, когда ему было 12, нашла деньги, чтобы отправить его в королевскую школу в Грантеме. Расстояние между городом и фермой составляло тринадцать километров, и мальчик не смог бы проходить столько каждый день, так что его определили на постой к местному аптекарю. Теперь Ньютон был отрезан и от собственной семьи и чувствовал себя в ещё большей изоляции. Однако его взял под крыло директор школы, который особо интересовался математикой. Распознав в Ньютоне исключительный талант, он научил мальчика всему, что знал сам.

В 1659 году, когда Ньютону исполнилось 16, мать потребовала, чтобы он вернулся в Вулсторп и стал хозяином усадьбы со всеми её лесами, ручьями, ячменными полями и пасущимися овцами. Но Ньютон проводил своё время на семейной ферме за чтением книг и сбором трав.[8] Пока его овцы портили посевы соседей, он строил водяные мельницы. Позволив своему стаду свиней зайти на чужую землю, он даже не удосужился починить заграждение, за что получил штрафы от суда.[9] Ко всеобщему (включая и самого Ньютона) счастью, на следующий год он вернулся в грантемскую школу.

Ещё одним человеком, признававшим за Ньютоном необычные способности, был его дядя по материнской линии. Он служил приходским священником, получившим духовное образование в Кембридже, и в 1661 году помог своему 18-летнему племяннику занять место в университете. В то время Кембридж был всего лишь грязной деревенькой. Ньютон оплачивал учёбу в качестве «субстипендиата», прислуживая более богатым студентам, выполняя их поручения и доедая их объедки. В январе 1665 года начальный этап обучения закончился и ему присвоили степень бакалавра искусств.

Нам мало известно о том, каким Ньютон был в студенчестве. Судя по всему, он ни в чём себя не проявлял, как впоследствии и его последователь Альберт Эйнштейн. Тем не менее он упорно изучал математику и другие науки и поглощал труды греческих философов. Самое важное, однако, заключалось в критичности его подхода к чтению. Ньютон писал в своём дневнике: «Платон мне друг и Аристотель мой друг тоже, но мой лучший друг — истина».

Одинокое плавание по волнам мысли

Когда в 1665 году Ньютон снова вернулся в Вулсторп, стояло лето и воздух был наполнен жужжанием насекомых и пением птиц. Картина была столь идиллической, что трудно было поверить, будто всего в 160 километрах отсюда, в Лондоне, люди падали замертво на улицах. Они дрожали в ознобе и лихорадке, страдали от судорог и болей в конечностях, кто-то хватал ртом воздух, кто-то кашлял кровью. В подмышках и паху у них надувались бубоны — это чумные бактерии размножались в их лимфатических узлах. Вспышка чумы унесла тогда более 100 000 душ — четверть всего населения Лондона. Их тела увозили на повозках и без всяких церемоний сбрасывали в общие могилы.[10]

Усадьба Вулсторп представляла собой несколько обветшалое двухэтажное здание из серого известняка, примостившееся с краю долины реки Уитэм и окружённое яблоневыми деревьями и овечьими пастбищами. Здесь, сидя за своим рабочим столом, Ньютон отгораживался от ужасов, происходящих в большом мире. Возможно, он не был способен к сопереживанию, и потому эта задача давалась ему легко. А возможно, он просто понимал, что ничего не может сделать. Зачем беспокоиться о том, что не можешь изменить? К чему переживать о вещах, которые находятся в руках Всевышнего?

В душе Ньютон был прагматиком, а прагматичный человек даже самое страшное время может использовать как передышку, как возможность заглянуть в мысли Творца. «Мой лучший друг — истина», — писал Ньютон. Её поисками он и занялся в Вулсторпе, пока ужасы чумы терзали Англию. Путешествуя в одиночестве по волнам мысли, он станет самым видным математиком в мире.[11] Он откроет законы оптики и цвета, математику «счисления» и свой знаменитый бином. Но самое главное — он сформулирует универсальный закон притяжения.

Срок для этого подошёл, потому что к тому моменту уже существовала реалистичная модель, показывающая положение Земли в космосе. Однако так было не всегда.

Всё дело в массе

Когда-то люди считали Землю центром Вселенной. Легко понять, как они допустили такую ошибку. В конце концов, и Солнце, и Луна, и звёзды довольно очевидным образом вращаются вокруг Земли.

Если бы не несколько «но».

Пять планет, видных невооружённым глазом, — Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн — явно выделялись для наших предков на небесном своде тем, что медленно переползали с места на место на фоне других, неподвижных звёзд.[12] Что самое интересное, они делали это с разной скоростью. Если следить за какой-нибудь из них каждую ночь, неделю за неделей, однажды она изменит направление движения, а потом снова пойдёт назад, вычерчивая в небе безумную петлю. Как это возможно, если все планеты движутся вокруг Земли?

Никак. Потому что они этого не делают.

Для объяснения аномального движения планет (кстати, само слово «планета» происходит от греческого слова, означающего «странник») была придумана хитроумная схема. Греки верили, что небеса, в отличие от земли, — это царство истинного совершенства. А совершенной фигурой они считали круг. Возможно, пока планета обходит вокруг Земли, она также совершает оборот меньшим радиусом вокруг собственного центра? Так родился эпицикл, или круг внутри круга. Вращение по меньшему кругу объясняет, почему иногда планеты начинают двигаться в обратном направлении по своей орбите.

На самом деле это решение загадки планетарного движения — один большой обман. Если взять достаточно много кругов внутри кругов внутри кругов, можно сымитировать любое движение. Кроме того, подобное решение слишком сложное и громоздкое, а главные качества современного научного объяснения — это простота и лаконичность.

Более эффективное объяснение необычному движению планет предложил в 1543 году польский астроном Николай Коперник. Что если центр всего не Земля, а Солнце и все планеты, включая нашу собственную, движутся по орбитам вокруг него? В этом случае, как писал Коперник в своём труде «О вращении небесных сфер», движение планет становится понятным. По мере обращения вокруг Солнца Земля часто догоняет и перегоняет более медленные планеты, например Марс. С точки зрения наблюдателя на Земле, такой обгон выглядит как движение Марса назад на фоне неподвижных звёзд.[13]

Идеи Коперника оставили свой след. Теперь в космосе оказалось целых два небесных тела, вокруг которых вращались другие: Солнце с планетами, включая Землю, и сама Земля со своим спутником Луной. Ситуация ещё больше усложнилась, когда итальянский учёный Галилей смог рассмотреть Вселенную поближе с помощью своего астрономического телескопа. Он не только увидел звёзды, незаметные невооружённому глазу, горы на Луне и фазы Венеры, но и в 1610 году открыл четыре луны Юпитера. Получается, в Солнечной системе не два центра, а как минимум три!

Древние представления разваливались на глазах. Согласно верованиям древних греков, самым важным для понимания нашего мира и Вселенной в целом является местоположение. Каждая из четырёх стихий — земля, огонь, вода и воздух — имеет своё место и стремится к нему. Все они связаны с Землёй, а сама стихия земли, что неудивительно, направлена так, чтобы быть как можно ближе к центру нашей планеты. В новом же представлении о мире местоположение не играло такой роли. Иначе как во Вселенной могли появиться целых три точки, вокруг которых вращаются другие небесные тела?

Наблюдения за Солнечной системой преподали учёным урок: тела, имеющие массу, движутся по орбитам вокруг других таких же тел. Важно не местоположение.[14] Ключ ко всему — это масса.

Клуб одиноких сердец Матери-Природы

Вопрос заключался вот в чём: как одна масса подчиняет себе другую? Ключом к разгадке стал магнетизм. Кусочки магнитного железняка обладают природным магнетизмом, кажется, будто какая-то неведомая сила притягивает некоторые из них друг к другу, преодолевая расстояние между ними. Отец греческой философии Фалес Милетский писал об этих необычных свойствах железняка ещё в VI веке до нашей эры.

В 1600 году английский учёный Уильям Гилберт предположил, что именно магнитные силы удерживают вместе все объекты в Солнечной системе. Он экспериментально доказал, что по мере увеличения массы магнитного железняка росла и сила притяжения, с которым он воздействовал на кусок железа. Гилберт также отметил, что притяжение было взаимным, то есть и сам кусок железа притягивал магнитный железняк с той же силой.

Открытия Гилберта захватили некоторых учёных, среди которых был и Роберт Гук — будущий главный соперник Ньютона. Однако известно, что Солнце горячее, а если нагреть куски железняка, они утрачивают свои магнитные свойства. Поэтому Гук рассматривал магнетизм лишь как модель той силы, которая движет телами в Солнечной системе. Как и магнитное взаимодействие, она направлена от одного тела, имеющего массу, через пространство к другому такому же объекту. Как и магнитное взаимодействие, она растёт с увеличением массы. И, как и магнитное взаимодействие, она направлена в обе стороны.

Гравитация действительно притягивает массы друг к другу, пытаясь прервать их бесконечную изоляцию. Гравитация — это сила клуба одиноких сердец Матери-Природы.

Итак, вот как обстояли дела в чумном 1666 году, когда Ньютон, сидя за своим рабочим столом в усадьбе Вулсторп, начал размышлять о силе, возникающей между объектами, имеющими массу. В то время он знал о гравитации не больше, чем о магнитных свойствах железняка, но незнание его не смущало. Как говорил великий физик XX века Нильс Бор, «задача физики — не понять, какова природа, но выяснить, что мы можем сказать о природе».

Ньютон инстинктивно понимал это. Пускай он не знал, что такое гравитация, но хотя бы мог задаться вопросом: как она себя ведёт?

Читая книгу природы (законы Кеплера)

Мы обладаем ключевыми знаниями о поведении гравитации благодаря открытиям немецкого математика Иоганна Кеплера, которые он сделал в период с 1609 по 1619 год на основании работ датского астронома Тихо Браге (известного, помимо прочего, тем, что ему отрубили нос на дуэли и он до конца жизни носил на лице искусственный медный нос). В своей лаборатории на острове Вен, который сейчас принадлежит Швеции, Браге провёл множество наблюдений невооружённым глазом за планетами. Просидев много дней и ночей над записями Браге, Кеплер вывел три закона, управляющих поведением небесных тел.

Первый закон Кеплера гласит, что каждая планета движется по эллиптической орбите, в одном из фокусов которой находится Солнце. Эллипс — это особая кривая, а не просто овал. Для того чтобы его нарисовать, можно воткнуть в лист бумаги две кнопки, намотать на них леску, затем натянуть эту леску карандашом и провести вдоль неё его остриём. Кнопки при этом будут фокусами эллипса. С математической точки зрения где бы на эллипсе ни находился объект, сумма расстояний от него до фокусов будет одинаковой.

Заявление Кеплера о том, что орбиты планет имеют эллипсоидную форму, означало разрыв с прошлым. Вера греков в совершенство кругов заставляла их искать концентрические формы во всём космосе. Но природа — это книга, которую мы читаем, а не пишем. Признавая это, Кеплер и его последователи проявляли большее смирение, чем их античные предшественники, — они изучали природу, чтобы понять, что она говорит им. В частности, Кеплеру (через скрупулёзные наблюдения Браге) она сказала о том, что планеты движутся вокруг Солнца не по круглым, а по яйцеобразным орбитам.

Второй закон Кеплера гласит, что планеты обращаются вокруг Солнца не с постоянной скоростью, они движутся быстрее вблизи него и медленнее — в отдалении. На самом деле закон выражает эту идею чуть точнее. Согласно ему, воображаемая линия, соединяющая планету и Солнце, всегда очерчивает одну и ту же площадь за одно и то же время. Возьмём, к примеру, промежуток времени десять дней. Две точки на орбите планеты, находящиеся на расстоянии десяти дней друг от друга, можно соединить с Солнцем, и мы получим треугольник. Площадь этого треугольника будет оставаться неизменной, вне зависимости от того, подошла планета близко к Солнцу или находится далеко от него. Невозможно не восхититься находчивостью Кеплера, который вывел такой странный закон из наблюдений Браге.

В своём вулсторпском заточении Ньютон много думал о втором законе Кеплера. Склонность к долгим размышлениям была секретом его гениальности. Да, он умел строить сложные механизмы и проводить запутанные эксперименты и делал это куда лучше многих. Но что действительно выделяло его на фоне современников, так это невероятная, феноменальная концентрация. В этом был его ключ к успеху.

Ньютон не заботился о своём теле, не предавался развлечениям, лишь безудержно работал: порой он писал по 18–19 часов в день.[15] Шестерёнки в его голове вращались без перерыва, и каждый час, не проведённый за своими изысканиями, он считал потраченным впустую. В то время как другие не могли удержать абстрактную задачу в мозгу даже на пару минут, Ньютон был способен фокусироваться на ней часами, неделями, сколь угодно долго, пока не сумеет пробраться внутрь и найти решение. «Я постоянно держу предмет перед собой в своём сознании и жду, пока вместо первых лучей рассвета не займётся ясный день», — писал Ньютон.[16]

Ньютон препарировал второй закон Кеплера своим острым, как лазерный луч, умом и в конце концов увидел, что тот пытался сказать ему о силе притяжения, испытываемой планетой. Самым важным было не значение этой силы и не её изменение по мере удаления от Солнца. Ньютон понял, что площадь треугольника может оставаться неизменной в любой момент времени лишь при одном условии: если сила, которая воздействует на планету, всегда направлена к Солнцу.[17]

Третий закон движения планет Кеплера несколько отличается от первых двух. Вместо того чтобы описывать отдельные орбиты планет, он говорит об их взаимодействии друг с другом. Согласно третьему закону, чем дальше планета находится от Солнца, тем медленнее она движется и тем больше времени у неё занимает полное прохождение орбиты. Это ясно показывает, что сила гравитации, испытываемая планетой, становится слабее по мере удаления от Солнца. Но в этом законе есть и ещё кое-что. Кеплер был гением математики, и на самом деле его третий и последний закон утверждает, что квадраты периодов обращения планет соотносятся как кубы расстояний от них до Солнца. Например, если одна планета находится в четыре (2²) раза дальше от Солнца, чем другая, прохождение орбиты займёт у неё в восемь (2³) раз больше времени.

Третий закон Кеплера звучит ещё более заумно, чем второй, но нам с вами незачем вдаваться в детали. Главное здесь — точное математическое соотношение. А это значит, что и сила, которую описывает закон и которая действует между Солнцем и планетами, тоже должна объясняться математически. Это уже само по себе было откровением. Оказалось, что природа подчиняется математике, или, как это видел сам Кеплер, Бог — математик.[18] Сидя за своим рабочим столом в Вулсторпе, Ньютон задавал себе вопрос: в чём состоит математический закон гравитации?

Он имел уникальную возможность ответить на этот вопрос, потому что сам сформулировал определение силы, превратив её из чего-то эфемерного в точнейшее научное понятие. Ньютон сумел сделать это благодаря трудам Галилея, который умер за год до его рождения.

Объясняя книгу природы (законы Ньютона)

Тела, падающие под воздействием силы тяжести, движутся так быстро, что Галилею сложно было измерить время такого падения, пользуясь доступными ему на тот момент инструментами. Поэтому он придумал хитрый способ уменьшить силу гравитации и притормозить стремительное движение падающих объектов. Галилей ставил на стол доску под небольшим углом и спускал по ней шарики. Чем меньше был угол наклона, тем больше «размывалась» сила притяжения и тем медленнее двигался шар. Но самое важное наблюдение Галилея в этом эксперименте состояло в том, что, когда шарик достигал конца уклона, он продолжал катиться с постоянной скоростью, пока не падал с края стола.

На ровной столешнице без уклона сила притяжения «размыта» до нуля и не действует на шарик. Галилей заключил, что в отсутствие силы тело движется с постоянной скоростью.

Это заключение кажется совсем не очевидным. В повседневной жизни предметы обычно не движутся с неизменной скоростью. Если пнуть камень, он прокатится некоторое время по земле и снова станет неподвижным. Ньютон объяснил это тем, что на камень в данном случае действует ещё и тормозящая сила — сила трения с землёй. В её отсутствие — например, если бы мы пнули камень, стоя на идеально ровном льду, — он продолжил бы двигаться.

Тот факт, что движение по инерции является естественным для любого тела, даёт нам ответ на загадку, которую люди не могли разгадать с тех пор, как поняли, что не звёзды движутся вокруг Земли, а вращается сама планета. Мы знаем размеры Земли и то, что она делает полный оборот за 24 часа. Значит, на экваторе скорость на поверхности Земли составляет 1670 километров в час! Почему же люди, которые там живут, этого не замечают? Почему, если бросить мяч на землю на экваторе, планета просто не проворачивается под ним и он не падает куда восточнее, чем его бросали? Ответ заключается в том, что и мы с вами, и мяч, и воздух вокруг нас — это порождения движущегося мира и мы движемся вместе с вращением Земли, потому что именно так взаимодействуют подвижные тела.

На самом деле даже сегодня мы не знаем, почему движение по инерции — это естественное состояние тела. Но Ньютон, опираясь на необычное заключение Галилея, выразил его идею в первом из трёх своих законов движения.

Первый закон Ньютона гласит, что любое тело либо находится в состоянии покоя, либо движется вперёд по прямой с постоянной скоростью, если на него не оказывает воздействия внешняя сила (этот закон не следует путать с законом кошачьей инерции, который звучит так: «Кот, находящийся в состоянии покоя, стремится остаться в состоянии покоя, если на него не воздействует внешняя сила, как то: звук открываемой банки с кормом или пробегающая мышь»[19]). Согласно Ньютону, сила — это нечто, что сталкивает тело с предусмотренного природой пути, заставляя его менять скорость, или направление, или и то и другое. Эту идею Ньютон выразил в своём втором законе, который утверждает, что тело реагирует на приложение силы ускорением (изменением скорости) по направлению приложения данной силы и что значение такого ускорения обратно пропорционально массе тела. Иными словами, тело небольшой массы ускорится под влиянием заданной силы сильнее, чем более массивное.

Точная формулировка второго закона Ньютона такова: «Производная импульса тела равна значению прилагаемой к нему силы». Ньютон определял импульс как произведение массы тела и скорости его движения в определённом направлении. Производя такие расчёты, он закладывал основы динамики — математической теории движения.

Тот факт, что движение по прямой с постоянной скоростью является естественным для тела, открыл Ньютону всё, что ему требовалось знать о движении планеты вокруг Солнца. Во-первых, для того, чтобы толкать её вперёд по орбите, не нужна сила. Это удачное обстоятельство, ведь, как уже упоминалось ранее, Ньютон толковал второй закон Кеплера по-своему: сила притяжения направлена только в сторону Солнца и ни один из её компонентов не обусловливает движение планеты. Планета движется лишь потому, что для объектов, обладающих массой, естественным состоянием является движение.[20]

Вдумайтесь, какое это было невероятное открытие. Практически каждый, кто когда-либо размышлял над вопросом о движении планет, полагал, что существует какая-то сила, толкающая их вперёд по своим орбитам. Кто-то считал, что невидимые ангелы летят рядом с планетами и направляют их своим дыханием или биением крыльев. Кеплер представлял себе магнитные «спицы», исходящие от Солнца и заставляющие планеты поворачиваться вместе с ним. Французский математик Рене Декарт предпочитал идею солнечного водоворота, в котором планеты вращаются, как мусор, выброшенный в воду. Но Ньютон выбросил все эти идеи на свалку истории. Он понял, что второй закон Кеплера доказывает: никакая сила не заставляет планеты вращаться по своим орбитам.

Тот факт, что для тел, обладающих массой, естественным является движение по прямой, подсказал Ньютону, что именно делает сила тяготения, удерживающая планету на орбите вокруг Солнца. Она постоянно искривляет эту прямую, превращая её в круг.

Разумеется, исходя из первого закона Кеплера, Ньютон понимал, что траектории планет — это не круги, а эллипсы. Но эллипс — более сложная фигура, а эллиптические орбиты планет очень близки по форме к окружностям, поэтому Ньютон решился на такое обобщение.

Затем он задался вопросом: какая сила требуется, чтобы заставить тело двигаться по кругу, то есть чтобы постоянно изгибать естественный прямой путь своего движения? Другие учёные, включая Гука, уже знали ответ, но Ньютону об этом ничего не было известно.

Итак, Ньютон уселся за стол с листом пергаментной бумаги и нарисовал окружность радиусом r с лежащей на ней точкой, имеющей массу m. Он предположил, что эта масса движется со скоростью v. Оставалось лишь применить немного геометрии, чтобы рассчитать силу, необходимую для того, чтобы постоянно сбивать массу с её прямого пути. Она равняется произведению массы на квадрат скорости, делённому на радиус, или mv²/r.

На самом деле эта формула «центростремительной силы» основывается на здравом смысле. Предположим, вы привязали камень к концу верёвки и вращаете им над головой. Здравый смысл подсказывает, что чем тяжелее будет камень, тем сильнее вам придётся натягивать верёвку (то есть тем большую силу нужно будет приложить), чтобы камень не слетел со своей круговой траектории. Чем быстрее вы вращаете камень, тем выше будет значение необходимой сдерживающей силы. А чем короче верёвка, тем больше должно быть натяжение.[21] Гравитация — это невидимая верёвка, которая удерживает планеты, не давая им разлететься по космосу.

Затем Ньютон задался ещё одним важным вопросом: если центростремительную силу, воздействующую на планеты, обеспечивает гравитация, как именно она должна изменяться по мере удаления от Солнца, чтобы обеспечить выполнение третьего закона Кеплера? Он понял, что сила уменьшается пропорционально квадрату расстояния. То есть если одна планета находится в два раза дальше от Солнца, чем другая, то сила, с которой на неё воздействует Солнце, окажется в четыре раза меньше. Если расстояние больше в три раза, то сила будет в девять раз меньше и так далее.[22]

На небесах существовало ещё одно место, где Ньютон мог бы проверить свой закон обратных квадратов. Астрономы наблюдали за четырьмя лунами, вращающимися вокруг Юпитера (Ио, Европой, Ганимедом и Каллисто), с момента их обнаружения Галилеем в Падуе в 1610 году. Сравнительные расстояния между этими лунами и Юпитером уже были измерены, равно как и время, за которое каждая из них делает полный оборот вокруг планеты. Астрономы выяснили, что луны движутся по орбитам вокруг Юпитера точно так же, как планеты вокруг Солнца, то есть их периоды обращения различаются в зависимости от расстояния до Юпитера, как и предсказывает третий закон Кеплера. Итак, другие учёные уже сделали за Ньютона всю тяжёлую работу. Третий закон Кеплера — это неизбежное следствие того, что сила гравитации уменьшается с расстоянием в соответствии с принципом обратных квадратов.[23]

Падающая Луна

Третий закон Кеплера, действующий в высоких небесных сферах, был далёк от повседневной жизни в Вулсторпе с её стадами овец на пастбищах, возами сена, подскакивающими на дорожных выбоинах, и петушиным пением холодными серыми утрами. Однако в мозгу Ньютона рождалась поистине революционная мысль, мысль, от которой у него замирало сердце. Что, если сила притяжения, действующая в космосе, точно так же работает и на Земле? До него ни один учёный ещё не высказывал подобного предположения, но что, если существует единый закон, действующий и в небесах, и в низменном земном мире? Что, если гравитация — это универсальная сила, влиянию которой подвержены все частицы материи без исключения?

Ньютон был прагматиком и понимал, что его озарение не будет ничего стоить, пока он сам не придаст ему ценность — то есть пока он не сможет использовать его для расчётов.

Как я уже упоминал, история с яблоком Ньютона, скорее всего, просто выдумка. Но суть её состоит в том, что Ньютон понял: яблоко притягивает к Земле та же самая сила, которая удерживает Луну на её орбите.

Подобная связь между яблоком и Луной вовсе не очевидна. По крайней мере Луна на Землю пока не падает. Лишь гений Ньютона сумел увидеть истину за обманчивыми внешними проявлениями.

Представьте себе пушку, из которой выстрелили ядром. Некоторое время оно будет лететь горизонтально, а затем упадёт. Но давайте возьмём пушку побольше, которая придаст ядру большее ускорение. Теперь оно пролетит дольше. А теперь вообразите себе огромную пушку, при выстреле из которой ядро будет двигаться со скоростью 28 080 километров в час. Для такого ядра большую роль будет играть искривление земной поверхности. Как бы быстро ядро ни падало на землю, земля будет уходить из-под него и оно так и останется в постоянном падении, ни разу не коснувшись поверхности Земли. Такое ядро будет двигаться по орбите вокруг нашей планеты, вечно падая по кругу. Как писал Дуглас Адамс, «секрет полёта — в том, чтобы научиться бросать себя на землю и промахиваться».[24]

Луна постоянно падает по кругу. То есть и Луна, и яблоко всё-таки делают одно и то же. Это не совсем очевидно, потому что яблоко не имеет скорости, направленной параллельно Земле, а Луна имеет и, словно ядро из гигантской пушки, всё время движется вокруг нашей планеты.

Дети часто задают взрослым вопросы: «Почему Луна не падает? Почему не падают спутники? Что держит их в небе?». Правильный ответ — ничего. На самом деле они падают постоянно! Многие люди верят, что космонавты в космосе ничего не весят, потому что там нет гравитации. Однако даже на Международной космической станции гравитация составляет около 89% земной. Космонавты на её борту оказываются в невесомости не потому, что гравитация больше не влияет на них, а потому, что они находятся в непрерывном падении.

Всё, что оставалось сделать Ньютону, чтобы доказать, что гравитация — это универсальная сила, действующая на объекты, обладающие массой, как на Земле, так и в небесах, — это сравнить воздействие притяжения Земли на яблоко и Луну. Если он был прав, то разница между таким воздействием должна была объясняться законом обратных квадратов, то есть удалённостью от планеты.

Итак, Ньютон сосредоточился на яблоке. Учёные вроде Галилея уже провели необходимые измерения до него, и он знал, что в первую секунду яблоко падает на 490 сантиметров. Нужно было найти ответ на следующий вопрос: какое расстояние за одну секунду падения проходит Луна?

Ньютон знал, что расстояние от Луны до центра Земли составляет 384 400 километров.[25] Это позволило ему рассчитать длину окружности лунной орбиты. Так как Луна полностью проходит её за 27,3 дня, Ньютон смог вычислить и скорость Луны.

Для Луны естественным движением является перемещение с данной скоростью по прямой линии. Однако эта линия в случае Луны постоянно изогнута в сторону Земли под влиянием силы притяжения. С помощью геометрии можно рассчитать, какое расстояние Луна проходит за одну секунду отклонения со своего прямого пути в сторону Земли. У Ньютона получился результат 0,136 сантиметра. Теперь он знал, что сила притяжения Земли на расстоянии до Луны составляет 0,136/490 = ~1/3600 земной (символ ~ означает «примерно»).

Поверхность Земли находится на расстоянии 6370 километров от её центра, а Луна, как уже говорилось выше, — на расстоянии 384 400 километров.[26] Иными словами, Луна отстоит от центра Земли примерно в 60 раз дальше, чем поверхность нашей планеты. Обратите внимание, что 60² равно 3600, то есть тому числу, на которое гравитация на расстоянии лунной орбиты меньше гравитации на Земле. Ньютон доказал, что и на земные яблоки, и на небесные тела влияет одна и та же сила, которая уменьшается с расстоянием. Гравитация оказалась универсальным явлением.

Здесь стоит сделать паузу, чтобы осознать, что это значит. Сила притяжения воздействует на каждый клочок материи во Вселенной. Гравитация возникает между вами и проходящим мимо человеком, между вами и мобильным телефоном у вас в кармане, между мочкой вашего левого уха и большим пальцем вашей правой ноги. В таких повседневных ситуациях сила гравитации слишком мала, чтобы произвести видимый эффект. Но чем больше масса, тем она становится сильнее. Она накапливается. Вот почему гравитация Земли массой 5,98 миллиона миллионов миллионов миллионов тонн становится заметной и притягивает ваши стопы к полу.

Поскольку гравитация — это универсальная сила, она стремится сжать массивные частицы в максимально компактную форму, то есть в сферу. Это получается только в том случае, если материя становится тягучей, как патока, а для этого материальное тело должно быть очень сильно сжато своей собственной силой тяготения. Так как лёд проще сжать, чем камень, пороговая масса ледяных тел отличается от пороговой массы каменных. В Солнечной системе все ледяные тела более 600 километров в диаметре являются круглыми, а меньшие имеют форму картофелин. Для каменных тел пороговый диаметр равен примерно 400 километрам.

Итак, форма небесного тела определяется силой гравитации, которая сжимает материю, а также электромагнитной силой, делающей материю твёрдой, чтобы та могла противостоять гравитации. Значение электромагнитной силы, действующей между протоном и электроном в атоме водорода, самого лёгкого из всех элементов, примерно в 10⁴⁰ (10 с 40 нулями) раз больше, чем значение силы притяжения между ними. Поэтому для того, чтобы сила притяжения перевесила, в одном месте должно собраться очень много атомов. Вот почему гравитация побеждает только для тел диаметром 400–600 километров.

Здесь есть ещё один тонкий момент. Сила притяжения действительно увеличивается по мере наращивания массы материи. Именно масса нашей планеты прижимает ваши ступни к земле. Но гравитация — это не только сила, с которой объекты побольше воздействуют на объекты поменьше. Это взаимная сила, с которой тела, обладающие массой, влияют друг на друга. Земля воздействует на наши тела с силой тяготения, и наши тела отвечают ей тем же. Но, несмотря на это, мы знаем, что можем упасть в направлении Земли, а вот Земля почему-то не падает в направлении нас. Здесь в дело вступает инерция — присущая всем телам, обладающим массой, реакция сопротивления любым изменениям в своём движении.

Тела с большей массой сильнее сопротивляются попыткам сдвинуть их с места (на самом деле в этом и заключается определение массы). Земля во много раз массивнее человека, поэтому и сдвинуть её нелегко. Британский комик Энди Гамильтон был прав, когда шутил: «Так вот почему меня всё время тянет к крупным женщинам, а их ко мне — нет!».[27] Вообще, крупных женщин тоже тянет к Гамильтону, но из-за того, что их масса больше, его гравитационное влияние на них меньше. Земля действительно начинает падать навстречу вам или яблоку, только это движение практически незаметно. Философ Э. Грейлинг говорил: «Сидя в своём саду, Ньютон увидел то, чего никто не замечал до него: как яблоко притягивает к себе весь мир, а весь мир — яблоко, и что это происходит благодаря силе взаимодействия, охватывающей в своём бесконечном объятии все тела, вплоть до звёзд и планет».[28]

«Миллионы людей видели, как падают яблоки, — говорил американский финансист Бернард Барух, — но лишь Ньютон задался вопросом почему».[29]

Вера в простоту

Для того чтобы понять, что Луна падает и в то же время остаётся для наших глаз на месте и что при этом на неё действует та же сила, которая заставляет яблоко упасть с дерева, требовалось огромное воображение. В те времена небо считалось обиталищем ангелов и самого Бога, которые, по представлениям греков, состоят из эфира, пятого элемента, полностью отличного от четырёх земных стихий — земли, огня, воздуха и воды. Но Ньютон не делал никаких различий между земным и небесным миром. В мире, где всё ещё преобладала религиозная догма, он оказался достаточно смелым, чтобы спустить небо на землю. Поведение тел на Земле управляется теми же законами, что и во всей Вселенной. Существуют универсальные законы, то есть такие, которые действуют в любом месте и в любое время. И Ньютон, человек, живший на заре научной мысли, чей отец не умел писать и вместо подписи ставил крестик, проник своим умом в самое сердце природы и увидел один из таких законов.

Это было первое из великих научных объединений. Позже Чарльз Дарвин объединит человечество со всем животным царством, Джеймс Клерк Максвелл соединит электричество, магнетизм и свет, а Альберт Эйнштейн скажет, что пространство, время и гравитация — это одно целое. Современные физики мечтают о всеобщем объединении (как бы они его ни понимали) гравитации и квантовой теории, описывающей мир атомов и субатомных частиц.

Но закон Ньютона был не просто универсальным, он был простым. «Истина всегда в простоте, а не в приумножении и беспорядке вещей», — писал Ньютон.[30] Если бы закон гравитации не был так прост, житель XVII века, пускай даже и обладающий ньютоновской гениальностью, никогда бы его не открыл. Только подумайте, как удачно всё сложилось. Вселенная на фундаментальном уровне вполне могла бы управляться сложными законами, совершенно недоступными небольшому мозгу прямоходящей обезьяны, чьи предки ещё недавно жили на деревьях в Восточной Африке. Но это не так. Законы Вселенной просты.

Следуя примеру Ньютона, другие учёные тоже начали искать и находить простые законы. Вера в то, что они существуют, — это непризнанная религия физики, путеводная звезда, освещающая физикам путь во мгле. Никто не знает, почему фундаментальные законы Вселенной так просты и доступны для математики. Но 350 лет назад Ньютон первым показал человечеству, что это так.[31]

Универсальный закон Ньютона описывает гравитационную силу, действующую между частицами материи. На самом деле, как первым из учёных понял Ньютон, частицы и силы — это всё, из чего состоит Вселенная. «Силы гравитации, магнетизма и электричества распространяются на существенные расстояния, и мы наблюдаем их действие, — писал Ньютон. — Но могут существовать и другие силы, действующие на малых расстояниях и потому избегающие нашего взгляда... Может существовать сила, которая при близком контакте окажется очень мощной для проведения химических операций, но при этом распространяется на малые расстояния от частиц».[32] Сегодня мы знаем, что за «химические операции», как называл их Ньютон, отвечает электромагнитная сила и что существует ещё две фундаментальные силы природы, которые «избегают нашего взгляда», но действуют очень активно на небольших расстояниях.

Задача физиков, как точно подметил Ньютон, имеет две стороны. Во-первых, это поиск фундаментальных природных сил, а во-вторых, познание того, как эти фундаментальные силы, действуя сообща, сумели собрать из базовых частиц невероятную Вселенную вокруг нас, наполненную галактиками, звёздами, планетами, лунами, деревьями и людьми.

Двадцать два года молчания

Ньютон открыл закон всемирного тяготения в 1666 году, но ещё 22 года не заявлял о нём миру. Никто не знает, почему так произошло, однако существует несколько версий. Одна из них состоит в том, что, когда Ньютон сравнил влияние силы притяжения Земли на расстоянии Луны и на Земле, он не смог получить подтверждения закона обратных квадратов. Возможно, его расчёт расстояния, произведённый в XVII веке, оказался неверен. К тому моменту, когда он это понял и провёл повторные вычисления, он уже переключился на другие научные задачи.

Ещё одна возможная причина, по которой Ньютон не опубликовал свой труд о всемирном тяготении сразу же: он полагал притяжение Земли таким, как будто вся её масса сконцентрирована в центре. Напомню, что при доказательстве закона обратных квадратов Ньютон сравнивал расстояние до Луны от центра Земли с расстоянием от яблока до центра Земли.

Суть теории Ньютона о всемирном тяготении состоит в том, что гравитация — это сила, действующая между всеми элементами материи. Это означает, что сила притяжения, с которой Земля воздействует на Луну, равна силе притяжения, с которой на Луну воздействует и Эверест, и каждая песчинка на каждом берегу каждого земного континента... По сути, гравитационное воздействие на Луну равно сумме гравитационных воздействий всех бесчисленных частиц материи, из которых состоит Земля.

Ньютон полагал, что значение этого притяжения всегда одинаково, как если бы вся материя на Земле была сконцентрирована в одной точке в её центре. Разумеется, он не мог это подтвердить, но, как говорил физик XX века Ричард Фейнман, можно знать больше, чем ты в состоянии доказать.[33] С Ньютоном дело обстояло именно так.

Сила его интуиции была попросту пугающей. После нескольких часов, или дней, или даже недель концентрации он ясно видел перед собой решение задачи во всей его неизбежности, очевидности и правильности. Но знать правду недостаточно — нужно ещё и убедить в ней остальных. А это означало, что ему нужно было проводить много часов за столом с пером и листами бумаги и облекать свою интуицию в слова, шаг за шагом объясняя собственные идеи на языке обычных людей, то есть математики.

Одна вещь была для Ньютона совершенно очевидна. Мир имеет форму мяча, разделённого на две части, а между ними располагается невидимая нить, соединяющая Луну с центром Земли. Благодаря этой симметрии гравитационные силы, с которыми все частицы материи в одном полушарии воздействуют на все частицы материи в другом, компенсируются гравитационными силами, исходящими от всех частиц другого полушария. Они поглощают друг друга. Соответственно, сила притяжения, с которой Земля влияет на Луну, будет направлена вдоль линии, соединяющей Луну с центром нашей планеты. Этого достаточно для начала, но до утверждения о том, что притяжение будет действовать таким образом, как если бы вся масса Земли была сконцентрирована в одной точке, ещё далеко. В 1666 году Ньютон понимал, что это так, но не мог доказать.

Или, возможно, мог, но никто из живших в 1666 году просто не понял бы его доказательства.

В мае 1666 года Ньютон изобрёл интегральное исчисление, которое назвал обратным методом флюксий. Это элемент математической магии, с помощью которого он смог суммировать значения силы, исходящей от бесчисленного количества бесконечно маленьких масс (на самом деле не только масс, а вообще чего угодно). Данный метод позволял доказать, что сила притяжения Земли равна той силе, которая исходила бы от неё, если бы вся её масса была сконцентрирована в центре. Но так как Ньютон изобрёл это исчисление недавно и никому о нём не рассказал, то и доказательство, полученное с его помощью, мог бы понять только он сам.[34] Вряд ли можно произвести хорошее впечатление на других, если сказать им: «У меня есть блестящее доказательство, но чтобы вы его поняли, для начала я должен обучить вас новой отрасли математики, которую я только что открыл».

Ньютон был сложным и противоречивым человеком, а потому против представления его закона всемирного тяготения в 1666 году могли иметься не только научные, но и психологические мотивы. Начну с того, что он был безумно скрытным. В грантемской школе над ним издевался местный хулиган, вероятно понявший, что Ньютон не такой, как все. Сам Ньютон вспоминает, как однажды этот мальчик ударил его в живот, а будущий учёный в ответ схватил его за ухо, отволок к церкви и приложил носом о стену.[35] Несмотря на победу в конфликте, после этого травмирующего опыта Ньютон начал бояться открытости — не только физической, но и интеллектуальной. Будучи крайне чувствительным человеком, Ньютон был не в состоянии рассматривать скептицизм своих коллег как часть научного процесса и считал его личными нападками глупцов на свои идеи. Он даже не пытался их защищать, так как был уверен в собственной правоте.

Ньютон был обидчивым, вспыльчивым и довольно мстительным человеком, и со многими своими коллегами он вёл долгую и изнурительную вражду. Когда читаешь высказывание Ньютона: «Мы строим слишком много стен и недостаточно мостов», хочется воскликнуть: «Кто бы говорил!». В его утверждении: «Я могу рассчитать движение небесных тел, но не безумие людей» — тоже чувствуется некоторая ирония.

«Такт — это искусство настоять на своём, не нажив себе врага», — говорил Ньютон. К сожалению, сам он так и не научился этому искусству. Он понимал, как нужно себя вести, но не умел действовать в соответствии с этим пониманием.

Разумеется, в каждом человеке есть свои противоречия. Живший в XX веке физик Георгий Гамов рассказывал о Ньютоне такую историю (которая, конечно же, может быть выдумкой).[36] Ньютон очень любил свою кошку и, чтобы та в любой момент могла попасть в его кабинет, вырезал в двери дыру. Затем у кошки появились котята. Что же сделал Ньютон? Вырезал в двери несколько дыр поменьше, по числу котят. Он был величайшим гением всех времён, но не смог понять, что все котята могли бы проходить через одну большую дыру.

Одержимость Ньютона секретностью могла иметь и более глубинные мотивы. Несмотря на то что он родился раньше срока и был слабым ребёнком, учёный дожил до преклонного возраста и до самой старости сохранил идеальное зрение и все зубы, кроме одного.[37] После смерти от него осталась коробка с бумагами, которые следовало опубликовать для потомков. Содержание этих документов было настолько скандальным, что священник, открывший коробку, чтобы бегло просмотреть бумаги, в ужасе захлопнул её.[38] Помимо прочего, в документах содержались рассуждения Ньютона о религии. Он был глубоко верующим человеком и признавал только одного Бога. Он полностью отрицал догмат о Святой Троице — Отце, Сыне и Святом Духе. Изучив источники, он пришёл к выводу, что идея «трёх богов в одном» была хитростью навязана церкви на Первом соборе в Никее, созванном в 325 году императором Константином I.

Ньютон знал, что одних его еретических унитаристских взглядов было бы достаточно, чтобы сделать его изгоем. Существовавшие в то время в Англии законы запрещали людям, разделявшим веру Ньютона, занимать важные государственные посты, а в некоторых случаях предусматривали и тюремное заключение. Ньютон был членом совета Тринити-колледжа (колледжа Святой Троицы) в Кембридже, и ни один человек даже на секунду не заподозрил, насколько он презирал основные принципы данного учебного заведения. Возможно, Ньютон был вынужден держать свою жизнь в секрете, потому что в мире, где доминировала строгая церковная догматика, от этого зависела его жизнь. Так или иначе, он был полностью пропитан секретностью.

Итак, Ньютон прогуливался по изъезженным дорогам вокруг Вулсторпа, бродил по его лесам и тропинкам, делал невероятные открытия об окружающем мире и держал их при себе. Он ни разу не выпрыгнул из ванной с криком «Эврика!», вместо этого оставаясь в молчании.

Разумеется, можно делать разные предположения относительно того, почему Ньютон не опубликовал данные о своём открытии сразу же, в 1666 году, но факт остаётся фактом — между открытием и его обнародованием прошло 20 лет.

Для дополнительного чтения

Ackroyd P. Newton. — London: Vintage, 2007.

Feynman R., Leighton R., Sands M. The Feynman Lectures in Physics, Volume I. — Boston: Addison-Wesley, 1989.

Gleick J. Isaac Newton. — London: HarperCollins, 2004.

Goodstein D., Goodstein J. Feynman’s Lost Lecture: The Motion of the Planets around the Sun. — London: Jonathan Cape, 1996.

Gott R., Vanderbei R. Sizing up the Universe. — Washington DC: National Geographic, 2010.

Pask C. Magnificent Principia. — New York: Prometheus Books, 2013.

Shu F. The Physical Universe. — Mill Valley: University Science Books, 1982.

Эдмунд Галлей был горячим поклонником Ньютона, можно даже сказать, его другом, хотя во всём, что касалось взаимоотношений с людьми, Ньютон проявлял себя практически аутистом.[41] Галлей приехал к Ньютону, чтобы разрешить спор, который возник, когда он с двумя друзьями сидел в лондонском кафе. Одним из этих друзей был Роберт Гук, человек, придумавший термин «клетка» для обозначения крошечных элементов, из которых состоят ткани растений. Второго звали Кристофер Рен, и в тот момент он работал над строительством собора Святого Павла на месте церкви, разрушенной Великим пожаром 1666 года.

Галлей много думал над третьим законом Кеплера и, в частности, над тем, что квадраты периодов обращения планет соотносятся как кубы расстояний от них до Солнца. Как и Ньютон, он понял, что это правило соблюдается только в том случае, если на планеты распространяется закон обратных квадратов. Рен и Гук, попивая горячий чёрный кофе и дымя глиняными трубками, утверждали, что тоже вывели этот закон. Рен даже говорил, что вычислил его за много лет до Гука. Чтобы не ударить в грязь лицом, Гук ответил, что с помощью обратных квадратов мог бы объяснить любое движение планет. Однако когда Рен и Галлей потребовали от него подробностей, он сказал, что предпочёл бы держать их в секрете. Гук согласился раскрыть свою тайну, когда другие учёные попробуют провести те же вычисления и потерпят неудачу.

Галлей был уверен, что это пустая похвальба, всего лишь детская игра, в которой Гуку хотелось отличиться. Его друзья ещё спорили, когда он собрался уходить из кафе. И тут он понял, что надо делать. Только один человек в мире мог разрешить этот спор. Вот почему в августе 1684 года в душной и неудобной карете он одолел путь от Лондона до Кембриджа.

К тому моменту Ньютон имел грозную репутацию. С 1669 года он занимал постоянный пост в университете, с 1972 года был членом недавно образованного Лондонского королевского общества. За год до встречи с Галлеем он даже представил обществу своё революционное изобретение — новый «отражающий» телескоп. Благодаря тому что свет отражался вогнутым зеркалом, а не линзами, изображение не портили радужные разводы — бич всех рефракционных телескопов.[42]

Комнаты Ньютона находились на втором этаже Тринити-колледжа, между главными воротами и часовней. Через решётчатое окно душного помещения Галлей мог насладиться видом просторного сада. Он был со всех сторон окружён каменной оградой, и попасть в него можно было только по лестнице с крытой галереи, которая относилась к комнатам Ньютона. Трава была аккуратно подстрижена — владелец сада, одержимый порядком, не мог терпеть ни одной торчащей в сторону травинки. Ещё в саду имелись старая яблоня, водяной насос у стены и деревянный сарай. Галлей знал, что там часто днём и ночью горит огонь — это Ньютон проводит свои секретные алхимические эксперименты.

Галлей обернулся к загадочному хозяину жилья, который сидел на кушетке, ожидая объяснений, зачем его гость приехал издалека. Галлей откашлялся и задал свой вопрос: «Предположим, что сила притяжения к Солнцу обратно пропорциональна квадрату расстояния до него. По какой кривой тогда должны двигаться планеты?».[43]

«Разумеется, по эллипсу», — ответил Ньютон без всяких колебаний.

Ошеломлённый Галлей спросил, откуда Ньютону это известно.

«Я это рассчитал», — сказал Ньютон.

Однако сколько он ни рылся в своих записях и стопках бумаг, он никак не мог найти подтверждение своим словам. В итоге Ньютон пообещал Галлею провести расчёты повторно и отослать их результаты в Лондон.

Ньютон был человеком слова. Через несколько месяцев Галлею пришло письмо, озаглавленное «О движении тел по орбитам». На девяти страницах, полных определений, уравнений и геометрических чертежей, Ньютон доказал, что тело, на которое действует закон обратных квадратов, движется по эллиптическому пути в соответствии с первым законом Кеплера. Кроме того, он продемонстрировал, что закон обратных квадратов для силы притяжения в сочетании с некоторыми базовыми принципами динамики объясняет не один, а все законы Кеплера. На самом деле Ньютон даже пошёл дальше и доказал, что первый закон Кеплера описывает лишь частный случай движения тела под воздействием силы притяжения в соответствии с законом обратных квадратов. В действительности же путь такого тела имеет форму не эллипса, а конического сечения.

Представьте себе конус, стоящий на основании, и острый нож, которым его можно разрезать. Если нож пройдёт сквозь конус параллельно поверхности, на которой он стоит, сечение будет иметь форму эллипса. Но если нож войдёт в конус с одной стороны, будет двигаться вниз и выйдет из конуса в месте соприкосновения его основания с поверхностью параллельно другой стороне, получившееся сечение будет параболическим. Если же нож войдёт в одну стену конуса вертикально, прорежет его насквозь до основания и выйдет с другой стороны, получится гипербола.

Эти три типа пути соответствуют трём разным ситуациям с точки зрения физики. Если тело, подчиняющееся закону обратных квадратов, не имеет достаточной скорости (или энергии), чтобы сопротивляться притяжению Солнца, оно навеки останется кружиться вокруг него по эллиптической орбите. Если энергии для «побега» достаточно, то оно будет двигаться по гиперболе, то есть просто улетит к звёздам и никогда не вернётся. Парабола — это путь тех тел, которые находятся на тонкой грани между первым и вторым состоянием. Такое тело сможет преодолеть притяжение Солнца, но лишь тогда, когда удалится от него на бесконечно большое расстояние, для чего на практике потребуется бесконечное количество времени.

Достижение Ньютона было поразительным. Он сумел сформулировать три закона движения совершенно иного характера, чем законы Кеплера. Несмотря на свою блестящую точность, законы Кеплера — это не что иное, как математическое описание движения планет вокруг Солнца. Ньютоновы же законы распространяются на движение любых тел, обладающих массой, от пушечных ядер и карет до планет. Они представляют собой положения о внутренней природе реальности, об отношениях между материей, силой и движением. Используя эти три закона и закон всемирного тяготения, Ньютон объяснил второй и третий законы Кеплера, а добавив к ним закон обратных квадратов — и первый закон Кеплера о движении планет по эллипсу. Кроме того, он сделал это громоздким языком геометрии, который могли понять его современники, вместо того чтобы записать всего пару строк формул, используя изобретённое им математическое исчисление.[44]

«Демонстрация Ньютоном закона эллипсов стала поворотным пунктом, границей между старым и новым миром, — говорит физик Дэвид Гудстейн из Калифорнийского технологического института в Пасадине. — Это одно из величайших достижений человеческого разума, которое можно поставить в один ряд с симфониями Бетховена, или пьесами Шекспира, или росписями Сикстинской капеллы кисти Микеланджело».[45]

«Начала», или Приручение Вселенной

Закончив читать письмо от Ньютона, Галлей был потрясён. Он понял, что держит в руках ключ к пониманию всей Вселенной.

Галлей немедленно написал Ньютону, умоляя того разрешить напечатать этот труд. Но перфекционист Ньютон ответил отказом. Он не был доволен своей работой и считал, что может улучшить её и расширить. Ему ещё было что сказать о принципах движения и законе всемирного тяготения, а главное — об их влиянии на окружающий мир.

Но Галлей пробил брешь в плотине, и вскоре её прорвало. Ньютон, столько времени ревностно охранявший собственные открытия, был готов поведать о них миру. В течение 18 месяцев он исступлённо работал, шлифуя свои идеи и представляя их в такой убедительной форме, чтобы читатель ни на секунду не мог усомниться в их правоте. Результатом этого труда стали «Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica» — «Математические начала натуральной философии», опубликованные 5 июля 1687 года в трёх томах на 550 страницах. «Начала» не просто сделали Ньютона знаменитым. Они представили всеобъемлющую систему мироздания.

Ньютон сумел дистиллировать из запутанного хаоса окружающего мира капли чистейших фундаментальных законов, и это его достижение сложно переоценить. По сей день мы используем понятия массы, силы и скорости, но когда-то этой терминологии не существовало. Кто-то должен был её создать, и этим кем-то был Ньютон.

Он боролся с непоследовательностью языка, создавая фундаментальные понятия и наделяя их точнейшими определениями: «Абсолютное пространство по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему остаётся всегда одинаковым и неподвижным. Абсолютное, истинное, математическое время само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему протекает равномерно и иначе называется длительностью».[46] Это была титаническая борьба, всё равно что попытка отбросить назад наползающий на берег туман. Ньютон пытался приручить саму Вселенную.

Лауреат Нобелевской премии пакистанец Абдус Салам писал: «Три столетия назад, примерно в 1660 году, были возведены два величайших монумента современной истории человечества, один на Западе, а другой на Востоке. Это были собор Святого Павла в Лондоне и Тадж-Махал в Агре. Эти два строения куда лучше, чем любые слова, демонстрируют сравнительные уровни архитектурной технологии, мастерства, богатства и утончённости двух культур той эпохи. Но в то же время на Западе был возведён и третий монумент, превосходящий и первый, и второй по своей важности для человечества. Я говорю о “Началах” Ньютона».[47]

Сам Галлей использовал идеи из «Начал» Ньютона, чтобы доказать, что кометы, наблюдавшиеся в 1456, 1531, 1607 и 1682 годах, были одним и тем же небесным телом. Эта комета движется по вытянутой эллиптической орбите, уходящей далеко от Солнца, и возвращается в Солнечную систему, проходя мимо Земли, каждые 76 лет. Галлей верно предсказал, что в следующий раз она покажется на небосклоне в 1758 году. Пускай он не дожил до своего триумфа (не говоря уже о триумфе ньютоновской науки), но комету мы до сих пор называем кометой Галлея.

Самое необычное в «Началах» — это то, как житель XVII века с безупречной точностью одну за другой открывал для себя глубинные истины об окружающем мире. «Для него природа была открытой книгой, которую он свободно читал», — писал Эйнштейн. Александр Поуп посвятил ему такие строки: «Был этот мир глубокой тьмой окутан. Да будет свет! И вот явился Ньютон».

Сам Ньютон говорил о своих достижениях более скромно: «Не знаю, как меня воспринимает мир, но сам себе я кажусь только мальчиком, играющим на морском берегу, который развлекается тем, что время от времени отыскивает камешек более пёстрый, чем другие, или красивую ракушку, в то время как великий океан истины расстилается передо мной неисследованным».[48]

Несмотря на скромность автора, «Начала» — это великий труд. Трёх томов было достаточно, чтобы отправить людей в космос к иным мирам, послать зонды к далёким звёздам и понять движение галактик на ночном небе.

Последний из волшебников

«Начала» показывают Ньютона как великого мыслителя эпохи Просвещения. Это необычно, учитывая, что наука была лишь одним из интересов в его жизни. В коробке, которая осталась после смерти Ньютона (той самой, где лежали его еретические заметки о природе Троицы), имелись и другие документы — сотни страниц, посвящённых его алхимическим экспериментам и заключениям, а также изучению Библии, например расчёты истинных параметров храма Соломона.

Ньютон был алхимиком и применял в своей работе навыки, полученные во время проживания в доме аптекаря в Грантеме. Он пытался превратить свинец в золото, воспроизводя эксперименты учёных, живших до него. Он также изучал Библию, стремясь постичь древнюю мудрость. Он верил, что Создатель повсюду оставил для него подсказки, и не все из них лежат в сфере науки.

Ньютон участвовал в собственном крестовом походе за постижением мира. Это ещё одна причина, по которой он не хотел делиться своими знаниями с другими, и людям вроде Галлея приходилось вытаскивать их клещами. Писатель и историк Питер Акройд замечает: «Он знал что-то, чего другие не знали и не могли понять, и это наполняло его пьянящим чувством власти. Вероятно, он хотел, чтобы оно продлилось как можно дольше».[49]

Наука, алхимия, Библия — всё это Ньютон считал равно важными путями к пониманию творения, равными путями к Богу. На самом деле Ньютон проводил гораздо больше времени в алхимической лаборатории или за чтением Библии, нежели в работе над научными открытиями. Он даже предсказал, что конец света наступит в 2060 году. И это уже не говоря о том, что он провёл 28 лет в качестве главы Королевского монетного двора в Лондоне, занимаясь стандартизацией британской монетной системы и преследуя фальшивомонетчиков.

Джеймс Глик отмечает, что если Ньютон и был полон противоречий, то это объясняется его местом в истории: «Он родился в мире тьмы, неясности и магии. Его имя было предзнаменованием новой системы мира. Но для самого Ньютона не существовало завершённости — лишь движение, постоянное, переменчивое, не имеющее конца. Он никогда не отделял пространство и материю от Бога, не отказывался от мистики в своём видении природы. Он искал порядок и стремился к нему, но продолжал при этом смотреть в бездну хаоса. Кем бы он ни был, ньютонианцем он не был точно».[50]

Живший в XIX веке экономист Джон Мейнард Кейнс имел похожие взгляды. В 200-летнюю годовщину рождения Ньютона он писал: «Он был последним великим мыслителем, который смотрел на видимый и мысленный мир такими же глазами, как и те, кто начал создавать наше интеллектуальное наследие меньше десяти тысяч лет назад. Он не был первым из рационалистов, он был последним из волшебников».

Для дополнительного чтения

Ackroyd P. Newton. — London: Vintage, 2007.

Gleick J. Isaac Newton. — London: HarperCollins, 2004.

Pask C. Magnificent Principia. — New York: Prometheus Books, 2013.

Была середина марта, стояло ясное, холодное утро, и почти полная луна бледнела в голубом небе. Множество людей собрались на берегу в ожидании. Здесь были даже журналисты с телевидения; молодая женщина в красной дутой куртке и шарфе в клетку Burberry что-то говорит на камеру. Периодически кто-то в толпе посматривает на часы, а затем на реку. Кажется, что в ней нет ничего интересного — всего лишь вода, медленно текущая к океану, да парочка забавных лебедей у противоположного берега, которые то и дело ныряют в воду, выставляя вверх белые хвосты.

Дело происходит на реке Северн около деревни Минстерворт в Глостершире. Здесь всё дышит покоем, и сложно поверить, что вот-вот произойдёт что-то необычное. Может быть, мы зря проделали долгий путь и оставили машину где-то в полях? Может быть, это какая-то шутка и нас всех ввели в заблуждение?

Но затем мы слышим гул, словно отдалённый раскат грома. Испуганные лебеди перестают нырять и начинают суетливо озираться. Журналистка в красной куртке прерывается на середине предложения и поворачивается, чтобы посмотреть на горизонт. И вдруг мы все видим это: облако водной пыли, возникшее высоко в воздухе над поворотом реки, а за ним бурлящую, кипящую стену пены и шоколадно-коричневой воды. Ширина этой стены — 90 метров, от берега до берега. На её гребне виднеются каякеры и сёрферы в мокрых костюмах, которые проехали на огромной волне от самой дельты Северна (кстати, мировой рекорд принадлежит сёрферу по имени Стив Линг, преодолевшему таким образом расстояние 14,9 километра). Перед нами севернский бор, огромная разъярённая приливная волна, движущаяся со скоростью 21 километр в час против течения реки.

Волна быстро приближается и так же быстро уходит, исчезая из нашего поля зрения за следующим поворотом реки. Она движется к Глостеру, где разобьётся о городские доки. Большая часть «пассажиров» движется дальше вместе с рекой. Двое сёрферов, которые столкнулись на гребне волны, сейчас барахтаются в успокаивающихся водах реки вместе с удивлёнными лебедями.

Журналисты складывают оборудование в сумки и коробки, а остальные зрители расходятся по машинам. Все возбуждены, слышен смех. Люди уверены, что только что стали свидетелями одного из чудес природы.

Что такое боры

Севернский бор — одна из примерно 60 приливных волн такого типа в мире.[53] Самый большой и страшный из них возникает на реке Цяньтанцзян в Китае. Весной жуткая волна высотой с трёхэтажный дом движется по реке с такой скоростью, что большинство людей не смогли бы обогнать её даже бегом.[54] Её рокот слышен на расстоянии 22 километров. Лодки на это время вытаскивают на сушу, иначе их просто разобьёт в щепки. Каждый год, несмотря на многочисленные предупреждающие знаки, установленные на берегу, несколько людей подходят слишком близко к воде, и их уносит волной.

Существует несколько условий для появления бора, в первую очередь дельта определённой формы и сильная амплитуда прилива. А дельта Северна, где разница в уровне воды при приливе и отливе составляет 15,4 метра, имеет вторую по величине амплитуду прилива в мире. Быстро поднимающаяся вода попадает в канал, который становится всё уже и мельче, и в какой-то момент скорость воды, движущейся против течения, превышает скорость самого течения. Происходит так называемый гидравлический прыжок, то есть волна поднимается и стремительно движется вверх по направлению к устью. Аналогичный, пускай и статический эффект можно наблюдать у себя на кухне, когда вода из крана бьёт в раковину и распределяется по ней, резко изменяя высоту воды; при этом скорость распределения соответствует скорости прибывающей воды. Цунами нельзя почувствовать, находясь в море, но оно растёт по мере приближения к берегу. Точно так же и севернский бор выглядит лишь лёгким волнением в самой дельте, но растёт и ускоряется по мере продвижения по постоянно сужающемуся каналу.

Самые большие приливные волны такого типа возникают весной и осенью. Дело в том, что севернский бор и его родственники по всему свету — это не что иное, как экстремальные проявления приливной силы, которая весной и осенью достигает своего пика. Так как приливы и отливы возникают под влиянием Луны, следовательно, и севернский бор — это тоже её порождение. Поразительно, что стремительно движущуюся стену воды, которая пугает лебедей и развлекает сёрферов, создало космическое тело, находящееся в 384 000 километров от Глостершира.

Луна в небе кажется такой маленькой, что мы можем легко закрыть её пальцем. Кажется нелепым, что именно в ней кроется причина события, которое мы наблюдали холодным мартовским утром на берегу Северна. Неудивительно, что причины возникновения бора и появления приливов и отливов в целом очень долго оставались тайной для человечества.

Под ударами приливных волн

Нельзя сказать наверняка, когда люди впервые заметили динамику приливов и отливов. Но мы знаем, что наши предки несколько раз покидали Африку и расселялись по миру: 1,8 миллиона лет назад это впервые сделали Homo erectus, а 600 000 лет назад последними из Африки появились современные люди. С большой долей вероятности они двигались вдоль морских побережий, чтобы избежать препятствий (гор, пустынь и лесов) и постоянно иметь под рукой источники пищи.[55] Пока наши дальние и не очень предки шагали босиком по песку, они кое-что уяснили для себя: дважды в день море вдыхает и выдыхает — выплёскивается на берег и возвращается в свои прежние границы. Если смотреть на это движение с утёса или высокой скалы, станет ясно, что на самом деле данный процесс более фундаментальный: дважды в день море поднимается и опускается.

Прошло время — много, много времени. Люди изобрели сельское хозяйство, построили города и начали размышлять о явлениях мира, в котором они живут. По воле случая античные цивилизации Запада жили у Средиземного моря, в котором приливы и отливы едва заметны. Население средиземноморских государств не знало о них, и это сыграло злую шутку с Юлием Цезарем, который в 55–54 годах до нашей эры привёл римский флот к берегам Британии.

«В ту ночь было полнолуние, которое обычно вызывает большой прилив в океане, однако нашим людям было неизвестно это обстоятельство. В тот момент приливные волны начали заливать военные корабли, на которых Цезарь перевозил свою армию и которые находились у берега. Ветер же сталкивал грузовые суда, стоявшие на якоре».[56]

«Тебе грозят бедою иды марта», — предупреждал Цезаря перед смертью прорицатель в пьесе Шекспира, хотя лучше бы он посоветовал ему остерегаться мартовских вод. Возможно, тогда бы его флотилия понесла меньший ущерб в Атлантическом океане. Кстати, подобное предупреждение, в принципе, было возможно в то время. Несмотря на то что римляне мало знали о приливах и отливах, их основные характеристики были известны примерно с 330 года до нашей эры, когда греческий астроном и исследователь Пифей сумел добраться на корабле из Средиземного моря, практически окружённого сушей, до Британских островов. Впервые выйдя на судне на простор Атлантического океана, Пифей совершил фундаментальное открытие.[57] Наибольшую силу приливы имеют в новолуние (когда солнечный свет вообще не отражается Луной) и полнолуние (когда Луна полностью освещена Солнцем). Невероятно, но приливы, судя по всему, управляются Луной.

Кстати, факт, что самые высокие приливы возникают при таком расположении Луны и Солнца в пространстве, что Луна либо полностью освещена, либо не освещена вовсе, подсказывает, что и Солнце тоже играет роль в этом процессе. И Пифей это понимал. Участие Солнца также подтверждает то, что более высокие приливы приходятся на весну и осень — два особенных периода в годовом путешествии Земли вокруг Солнца.

Знание ключевых характеристик приливов и отливов — это, несомненно, важный шаг на пути к пониманию причин этого явления. Тем не менее в течение почти двух тысячелетий после Пифея никто даже не приблизился к тому, чтобы разгадать их тайну.

В начале VIII века английский монах и хронист Беда Достопочтенный заметил, что высокие приливы начинались в разных портах, расположенных вдоль побережья Британии, в разное время. Его идея состояла в том, что ландшафт, наряду с Солнцем и Луной, также задаёт определённые характеристики приливов. Это наблюдение подтверждалось отсутствием сильных приливов в окружённом сушей Средиземном море, а также гигантскими приливными волнами в эстуарии Северна.

О силе, которая вызывает приливы, Беда знал не больше своих современников. Он предположил, что Луна сдувает море на берег, а когда она перемещается, её дыхание оказывается слабее, и море возвращается в свои берега. «[Океан] как будто против его воли выталкивают на сушу вздохи Луны, а когда её силы истощаются, он принимает свою обычную форму».

Первую попытку объяснить приливы с научной точки зрения сделал арабский физик и астроном Закария аль-Казвини, живший в XIII веке. По его мнению, приливы возникают из-за того, что Луна и Солнце нагревают океанские воды и те расширяются от точки нагрева. Пускай эта версия и кажется достаточно правдоподобной, она не объясняет, почему именно Луна, а не Солнце играет главную роль в управлении приливами. Приливы, вызываемые Луной, почти в два раза больше тех, которые вызывает Солнце.

В 1609 году Иоганн Кеплер (скорее всего, под влиянием недавнего открытия Уильямом Гилбертом магнитного поля Земли) предположил, что приливы вызывает сила магнитного притяжения, с которой светила действуют на моря. Галилей, хоть и был большим поклонником Кеплера, посчитал это предположение «по-детски глупым». Для него сама мысль о том, что астрономические тела могут воздействовать на Землю на расстоянии, казалась полным оккультизмом. Сам Галилей считал, что приливы вызывает совместное влияние вращения Земли вокруг своей оси и её движения по орбите вокруг Солнца. Из-за таких движений, по его мнению, океаны движутся взад-вперёд.

На самом деле ни у кого из них не было ни малейшего шанса понять, что в действительности вызывает приливы, потому что у них не было для этого необходимого математического инструментария. Не было — пока не появился Ньютон.

Ньютон в одиночку создал систему мира, объединяющую Землю и небеса в единую теоретическую структуру, и открыл закон всемирного тяготения. Он понимал, что этот закон действует на все тела, даже на те, которые находятся вне Солнечной системы. Ньютон внимательно изучил все типы такого воздействия и описал их в своём шедевре — «Началах». Главное место среди подобных воздействий он отвёл приливам.

Приливы и их связь с Луной

При расчёте силы притяжения, с которой Земля влияет на Луну, Ньютон рассматривал всю массу планеты сконцентрированной в одной точке в её центре. Он даже смог доказать это, используя новомодную математику интегрального исчисления. Но такой подход был всего лишь удобным приближением. Разумеется, в реальности Земля гораздо больше точки. Соответственно, какие-то части планеты находятся ближе к Луне, а какие-то — дальше от неё. Приближённая к Луне часть Земли испытывает большее притяжение, чем другие. Ньютон понял, что у этой разницы в значении гравитационного воздействия должны быть серьёзные последствия. В первую очередь они должны затрагивать океаны, потому что вода, в отличие от твёрдой породы, движется свободно.

Представьте себе точку в океане, которая находится прямо напротив Луны. Притяжение Луны сильнее воздействует на воду на поверхности, чем на воду у дна, ведь дно более удалено от Луны. Ньютон понял, что эта разница в притяжении заставляет верхние слои воды двигаться относительно нижних по направлению к Луне.

Но и это ещё не всё. Теперь представьте себе точку в океане на обратной стороне Земли. Здесь притяжение Луны будет сильнее ощущаться на дне, чем на поверхности, ведь оно ближе к Луне. Такая разница в притяжении заставляет нижние слои воды сдвинуться относительно верхних.

Таким образом, в соответствии с предположениями Ньютона, Луна создаёт в земных морях не один, а два сдвига: в точке, приближённой к ней, и в точке, которая от неё максимально удалена.[58]

Но Земля не стоит на месте, а вращается вокруг своей оси. Это значит, что каждые 24 часа океаны и моря проходят через эти две точки. Человеку, который в течение суток находится на морском берегу, будет казаться, что вода дважды за день поднялась и опустилась. Итак, Ньютон объяснил то, что никто не мог объяснить до него: почему приливы случаются два раза в сутки. Разгадка заключалась в законе всемирного тяготения, которое ослабевает по мере увеличения расстояния. До Ньютона о нём просто никто не знал.

Здесь есть одна тонкость, о которой Ньютону было известно. Приливы и отливы повторяются не каждые 24, а каждые 25 часов. Это заметил ещё Пифей в 330 году до нашей эры.

Давайте ещё раз подумаем о Луне. Она не просто висит в небе над одной точкой, пока Земля вращается под ней. Вместо этого она обходит Землю по орбите, двигаясь в том же направлении, в котором поворачивается сама планета. Для того чтобы пройти орбиту полностью, Луне требуется 27,3 суток. Это значит, что наша воображаемая точка, находящаяся прямо под Луной, не окажется под ней через 24 часа. За время одного оборота Земли по своей оси Луна сместится на собственной орбите. Чтобы нужная нам точка снова оказалась прямо под Луной, Земля должна пройти ещё 1/27,3 своего полного оборота, что займёт у неё 1/27,3 от 24 часов, то есть около 53 минут. Соответственно, два прилива произойдут не за сутки, а за 24 часа 53 минуты. Это одна из причин, по которой для расчёта точного времени прилива и отлива в определённой точке побережья требуются подробные таблицы.

Тот факт, что каждый день Луна восходит на 53 минуты позже, а приливы задерживаются на то же время, ещё раз подтверждает связь между ними.

Но почему приливы на Средиземном море практически незаметны? Ответ заключается в географии, а ещё — в морской глубине. По мере вращения Земли два приливных горба смещаются на запад, то есть движутся к Средиземному морю со стороны Индийского океана. Здесь на их пути появляется преграда в виде Ближнего Востока, и океанский горб не попадает в море.

А что происходит в те дни, когда Луна находится прямо над Средиземным морем? В этом случае приливный горб действительно возникнет, но будет небольшим. Причина в том, что разница между силой притяжения Луны на поверхности воды и на дне зависит от глубины. Если водоём мелкий, то и разность невелика, а значит, приливный горб будет низким, и наоборот. Средиземное море не отличается глубиной — в среднем она составляет 1,5 километра против 3,3 километра в Атлантическом океане. Соответственно, приливы на Средиземном море будут более чем в два раза слабее океанских, даже если Луна будет находиться прямо над ним.

В учебниках и научно-популярных книгах два приливных горба в океане описываются как нечто огромное, но на самом деле они до смешного малы. Луна поднимает морскую воду максимум на метр, то есть всего на одну миллионную долю радиуса Земли. Но океан велик, и метровый горб, растянутый на большой территории, содержит огромную массу воды. Поэтому, когда такая вода достигает берега, высота волн увеличивается (как в случае с цунами). В открытом море прибой незаметен, а при приближении к суше может вырасти более чем в десять раз.

Приливы и их связь с Солнцем

Как выяснил Пифей, приливы вызывает не исключительно притяжение Луны, а совместное воздействие Луны и Солнца. Причина понятна — эти два небесных тела оказывают на Землю наибольшее воздействие. Луна весит куда меньше Солнца, но находится существенно ближе к Земле и выигрывает за счёт расстояния. Приливы, вызываемые Луной, в два раза больше вызываемых Солнцем. Из этого мы можем заключить, что Луна в два раза плотнее Солнца.[59]

Самые большие приливы возникают, когда силы гравитации Луны и Солнца увеличивают друг друга. Это происходит весной и осенью. Суть в том, что Земля вращается вокруг своей оси, подобно юле, отклоняясь от вертикали на 23,5 градуса. Следовательно, и орбита Луны тоже наклонена.[60] С точки зрения геометрии это означает, что Луна и Солнце находятся на одной линии и совместно воздействуют на земные океаны с максимальной силой лишь в те моменты, когда Земля находится на своей орбите между зимой и летом, то есть осенью и весной.

Для такого построения Солнце и Луна должны оказаться на одной стороне от Земли (тогда наступает новолуние, потому что Луну закрывает тень) или на противоположных сторонах (тогда Солнце освещает Луну полностью и наступает полнолуние). Вот почему самые сильные приливы и высокие боры на Северне наблюдаются осенью и весной, когда в небе либо сияет полная Луна, либо Луны нет вовсе.[61]

Луна и Солнце вызывают приливный эффект не только в океанах, но и на всей планете. Но каменные породы куда более твёрдые, чем вода, поэтому сила притяжения воздействует на них меньше, а увидеть её влияние очень сложно. Примечательно, что такие приливы на Земле были впервые замечены (пускай и не поняты) ещё в античные времена.

Приливы на суше: колодцы и ручьи

Приливы — довольно странное явление. Они происходят дважды за 25 часов, а не за 24, они изменяются в зависимости от времени года и фаз Луны. Кроме того, они зависят от ландшафта. Но есть и ещё одна характеристика приливов, впервые отмеченная греческим философом Посидонием, которая кажется более удивительной, чем все остальные.

Посидоний жил между 135 и 51 годами до нашей эры и наблюдал за приливами в Атлантическом океане на побережье Испании. Кроме того, он обращал внимание и на воду в колодцах и заметил кое-что необычное. Когда вода в океане поднимается, родниковая вода уходит ниже под землю, и наоборот. Оригиналы записей Посидония утрачены, но греческий географ Страбон, живший в начале нашей эры, упоминает о них в своей «Географии»: «В [храме] Геракла в Гадесе [Кадисе] есть источник, к которому можно спуститься по нескольким ступеням (вода в нём хороша для питья). Этот источник действует противоположно движению моря: во время прилива его воды опадают, а во время отлива он вновь наполняется».

Что может заставить воду в небольшом роднике или ручье двигаться в ином направлении, чем в морях и океанах? В то время на этот вопрос невозможно было ответить, потому что причина приливов оставалась загадкой. Ответ нашёлся лишь в 1940 году благодаря американскому геофизику по имени Хаим Лейб Пекерис.[62]

Прилив можно определить не просто как движение воды, но как изменение формы одного тела под влиянием притяжения другого. При формировании приливного горба притяжение Луны воздействует не только на поверхность океана, но и на воду под ней, и на дно. Вот только горб на твёрдой поверхности оказывается гораздо меньше, так как каменные породы куда плотнее. Итак, каждые 25 часов где-то на Земле образуется бугор суши, который через некоторое время разглаживается.

Теперь представим, что порода, в которой вырыт колодец, имеет пористую структуру и впитывает воду. Это вполне возможно, ведь раз люди выкопали колодец, значит, где-то поблизости есть вода. Окружающая колодец порода похожа на пропитанную жидкостью губку. И, как и губка, она впитывает в себя воду при растяжении и выжимает её при сжатии.

И камни, и морская вода растягиваются при приливе и сжимаются при отливе. Соответственно, во время прилива уровень воды в колодце снижается, а во время отлива — повышается. Именно это явление и наблюдал Посидоний и через 2000 лет объяснил Пекерис.

Каменные приливы и БАК

Позвольте мне привести ещё один пример того, как приливы возникают и в твёрдой материи, на этот раз более высокотехнологичный и современный. В ЦЕРНе, Европейской лаборатории физики элементарных частиц, расположенной около Женевы, субатомные частицы разгоняют до огромных скоростей в подземном тоннеле, длина окружности которого составляет 26,7 километра. Пока наверху мирно пасутся коровы, всего в 100 метрах под ними с невероятной силой сталкиваются мельчайшие строительные блоки материи. Кинетическая энергия изначальных частиц превращается в энергию массы частиц новых, которые появляются из вакуума, точно кролик из шляпы фокусника.[63] Всю субатомную шрапнель, разлетающуюся от места столкновения, регистрируют огромные детекторы. Именно в этом субатомном «мусоре» в июле 2012 года и был найден бозон Хиггса (частица поля Хиггса, наделяющего все прочие субатомные частицы массой).

Бозон Хиггса был открыт благодаря Большому адронному коллайдеру, в котором пучки протонов движутся по кольцу навстречу друг другу на скорости, равной 99,9999991% скорости света.[64] БАК располагается в кольцевом тоннеле, где раньше находился другой ускоритель частиц — Большой электрон-позитронный коллайдер, в котором электроны сталкивались со своими античастицами (позитронами). Именно во время использования БЭПК в 1992 году физики заметили, что с энергией пучков частиц происходит что-то необычное.[65]

Более 3000 электромагнитов, расположенных по окружности БЭПК, направляли электроны и позитроны, постоянно искривляя их путь и не давая им по инерции лететь прямо. Однако физики, работавшие на БЭПК, отмечали, что каждые 25 часов частицы несколько отклонялись от своего пути, а затем снова возвращались на него. Для того чтобы пучки не вырвались за пределы кольца, учёным приходилось постоянно компенсировать это отклонение, медленно увеличивая энергию частиц, а затем снова её уменьшая. Изменение было крошечным, всего на 0,01%.

Из-за чего частицы могли бы отклоняться от своей траектории с такой периодичностью? После некоторых размышлений учёные нашли ответ. Приливы и отливы возникают дважды каждые 25 часов. Удивительно, но, судя по всему, явление, наблюдаемое в БЭПК, было с ними связано.

Два раза за каждые 25 часов в породе, внутри которой находился БЭПК, образовывался приливный горб. Растяжение породы заставляло кольцо сжиматься. Затем горб исчезал, сжимая породу и расширяя БЭПК. Земля поднималась вверх на каких-то 25 сантиметров (это примерно длина книги, которую вы сейчас читаете), и это уменьшало длину окружности БЭПК почти на миллиметр.[66] Тем не менее этого было достаточно, чтобы учёным потребовалось периодически корректировать энергию частиц примерно на 0,01%, иначе они бы вырвались из кольца.[67]

Разумеется, данный эффект ощущался сильнее при полной Луне и в новолуние, когда Луна и Солнце оказывались на одной линии и усиливали влияние друг друга на Землю. Сложно представить себе более технологичное проявление приливной силы на суше.[68]

Лунотрясения

Но не только земные породы могут испытывать растяжение и сжатие. То же самое происходит и на Луне. На самом деле Земля вызывает на Луне куда более сильные приливы, чем Луна на Земле, потому что масса нашей планеты примерно в 81 раз больше массы её спутника. Соответственно, и приливная сила на Луне должна быть в 81 раз больше. Но, как мы помним, приливы вызывает не притяжение само по себе, а разность притяжений. Диаметр Луны равен примерно четверти диаметра Земли. Такое короткое расстояние означает, что разница в гравитации имеет в четыре раза меньше возможности проявить себя. Итак, сила, с которой Земля воздействует на Луну, вызывая растяжение, больше той, с которой Луна воздействует на Землю, не в 81, а примерно в 20 раз.[69] Тем не менее и этого достаточно для растяжения породы примерно на десять метров.

Мы представляем себе Луну холодной и безжизненной. Кажется, будто ничто на её серой, покрытой кратерами поверхности никогда не изменялось. Но раз на Луну действуют силы сжатия и растяжения, значит, она вовсе не похожа на неподвижную пустыню. Задолго до изобретения телескопа люди замечали на Луне странные огни, которые зажигались каждые несколько месяцев. Одно из самых ранних наблюдений было сделано 18 июня 1178 года, когда пятеро монахов из Кентербери заявили, что были свидетелями взрыва на Луне. Эти загадочные огни, называемые ещё кратковременными лунными явлениями (КЛЯ), представляют собой одну из главных тайн Луны.

КЛЯ, наблюдаемые в эпоху телескопов, имеют ряд общих черт. Они локализованы и слегка превышают предел разрешающей способности человеческого глаза, то есть их площадь составляет не менее одного квадратного километра. Они длятся от минуты до нескольких часов и делают поверхность Луны то ярче, то тусклее. Перед исчезновением некоторые из них меняют свой цвет на рубиново-красный.

Долгое время многие астрономы были уверены, что КЛЯ существуют только «в глазах смотрящего» и не имеют отношения к Луне как таковой. Но в 2002 году Арлин Кроттс из Колумбийского университета в Нью-Йорке проанализировал записи о 1500 таких явлений и выяснил, что КЛЯ чаще всего возникают в шести местах на Луне: половина в кратере Аристарх диаметром 45 километров, а четверть — в 100-километровом кратере Платон.[70]

Во всех этих местах лунная кора была жестоко деформирована либо из-за удара метеорита или кометы, произошедшего в течение последней сотни миллионов лет, либо в результате более сильного воздействия, которое имело место 3,8 миллиарда лет назад и заставило лаву выплеснуться на поверхность и сформировать лунные моря.[71]

Сейсмометры, установленные на Луне членами экипажей всех «Аполлонов», кроме одного, зарегистрировали уже несколько сотен лунотрясений, которые случаются тем чаще, чем сильнее приливное воздействие Земли. Большинство очагов лунотрясений располагается по периметрам морей, там, где порода наиболее деформирована. Кроме того, «Аполлон-15», «Аполлон-16» и зонд «Lunar Prospector», облетевший Луну по орбите в 1998 году, регистрировали случайные выбросы радиоактивного газа радона-222, происходившие исключительно в шести зонах КЛЯ.

Радон-222 представляет собой продукт распада урана, входящего в состав глубинных лунных пород. Кроттс предположил, что КЛЯ возникают, когда из-за лунотрясения газ вырывается на поверхность через трещины в лунной коре. Газ находится под давлением и выбивает часть лунного грунта (реголита) вверх, как пробку из бутылки.

Кроттс считает, что всего полутонны газа, вырывающегося в вакуум, будет достаточно для того, чтобы пробить реголит и создать облако диаметром пару километров, которое рассеется за 5–10 минут. Газовое облако либо отбрасывает тень на область под ним, либо светится, потому что частицы пыли в нём отражают больше света, когда они рассеяны в вакууме, а не лежат на поверхности Луны. Также возможно, что трение частиц наделяет их положительными и отрицательными зарядами, между которыми в какой-то момент возникает разряд вроде молнии. Такой разряд даёт энергию атомам газа, от чего они начинают излучать характерный красный свет.

По расчётам Кроттса, из-за периодического растягивания и сжатия Луны под влиянием притяжения Земли ежегодно перемалывается около 100 000 тонн породы. Столько весит целый авианосец. В процессе такого перемалывания в космос выбрасывается около 100 тонн газа.

Это предположение имеет не только теоретическое, но и практическое значение. Мы планируем и дальше отправлять людей на Луну. «Аполлон-18», запуск которого был отменён, должен был совершить посадку как раз в одной из зон КЛЯ. Если бы КЛЯ произошло, астронавты оказались бы в большой опасности. Представьте себе такую картину: 20 июля 2025 года, кратер Аристарх, ближняя сторона Луны. Ровно через 56 лет после «Аполлона-11» космический корабль NASA «Альтаир-2» сел на поверхность Луны. Через несколько часов после этого астронавты совершают первые шаги по Луне — впервые почти за полвека. Внезапно дно кратера начинает пульсировать и из него вырывается газ, поднимая вверх огромный столб пыли. Сбитые с ног взрывом астронавты поднимаются и смотрят на место своей посадки. Корабля там больше нет — он исчез в клубах серебристой пыли.

Если Кроттс прав, то Луна — гораздо более опасное место для людей, чем мы предполагали. И это объясняется с помощью ньютоновской теории приливов.

Раз лунотрясения возникают под влиянием приливной силы Земли, то логично было бы предположить, что Луна играет какую-то роль в землетрясениях. Но, судя по всему, это не так, по крайней мере не в случае больших катаклизмов. Однако удивительно, что толчки после разрушительного землетрясения 22 февраля 2001 года в Крайстчерче, Новая Зеландия, коррелировали с расположением Луны на небе.[72] Возможно, после сильного удара обломки породы были нестабильны и, для того чтобы привести их в движение, оказалось достаточно даже самого небольшого воздействия.

Как замедлить Луну

Приливы и отливы на Земле и на Луне не просто изменяют форму каждого из небесных тел, вызывая колебания уровня воды в земных океанах и лунотрясения. Они также имеют огромные последствия для системы Земля–Луна в целом. Когда-то Луна вращалась вокруг своей оси быстрее, чем сейчас. Однако под влиянием приливных сил Земли её движение замедлилось.

Когда Луна вращалась быстрее, приливный горб, возникавший под влиянием Земли, двигался вместе с ней и не находился прямо напротив нашей планеты. Земная гравитация оттягивала его назад, и ход Луны затормаживался. В какой-то момент Луна начала вращаться вокруг своей оси так медленно, что делала лишь один оборот за время прохождения земной орбиты.

Именно так дело обстоит и сейчас. Одна сторона Луны, ближняя, всё время смотрит на Землю, в то время как дальняя сторона никогда не поворачивается к нам. Человечество впервые увидело её только 7 октября 1959 года, когда советский лунный зонд «Луна-3» пролетел над ней.[73]

Из-за синхронного обращения Луны приливный горб, появившийся под влиянием Земли, теперь направлен в её сторону. Поскольку теперь Луна не тащит его за собой при движении, гравитация Земли, ранее тянувшая горб назад, замедляя ход Луны, больше не влияет на её вращение. Луна оказалась зафиксированной в таком положении, как только период её вращения вокруг своей оси совпал с её орбитальным периодом.

Как замедлить Землю

Приливные силы замедляют движение не только Луны. Скорость вращения Земли тоже уменьшается из-за них. Этот эффект менее заметен, чем на Луне, так как Земля гораздо массивнее, а значит, лучше сопротивляется попыткам изменить её движение. Представьте себе приливный горб в океане на той стороне Земли, которая смотрит прямо на Луну. Так как Земля вращается быстро, такой горб будет обгонять линию, соединяющую нашу планету со спутником.[74] Сила притяжения Луны начнёт оттягивать приливный горб назад, замедляя движение Земли.

Из этого неизбежно следует вывод, что раньше Земля вращалась быстрее. И у этого предположения есть доказательство. Как ни странно, оно заключается в кораллах. Эти морские организмы, часто встречающиеся в тропических морях, выделяют карбонат кальция, из которого формируют свой твёрдый внешний скелет. Ежедневный и ежесезонный рост их внешнего скелета можно проследить по слоям карбоната кальция, примерно как динамику роста дерева можно понять по годовым кольцам. Посчитав количество колец у коралла, можно определить, сколько дней было в том или ином году. Ископаемые кораллы, жившие примерно 350 миллионов лет назад, показывают, что в то время год состоял из 385 дней. Раз длительность года, то есть периода времени, необходимого Земле, чтобы обогнуть Солнце по орбите, не изменилась, значит, 350 миллионов лет назад день длился менее 23 часов.[75]

Увеличение суток всего на час за 350 миллионов лет означает, что Земля лишь слегка замедлила свой ход. Но этот процесс неумолимо продолжается. Например, мы знаем, что день сегодня на 1,7 миллисекунды дольше, чем был век назад. Мы даже можем с уверенностью сказать, что в течение последних 2,5 тысячи лет день увеличивался на 1,7 миллисекунды каждые 100 лет. Удивительно, но подтверждение этому учёные нашли в вавилонских глиняных табличках.[76]

Вавилонские астрологи заносили в такие таблички данные о полных солнечных затмениях. Во время такого затмения Луна полностью закрывает солнечный диск и Земля на некоторое время погружается во мрак посреди дня. Большинство табличек было обнаружено в XIX веке крестьянами, которые искали кирпичи для строительства. Таблички были проданы собирателям древности в Багдаде, находившемся в 85 километрах от того места, где когда-то стоял Вавилон. Оттуда они попали в Британский музей в Лондоне (сегодня он может похвастаться почти полной коллекцией). На многих табличках указано точное время солнечных затмений.

И вот здесь возникает загадка.

Например, астролог, живший в 136 году до нашей эры, записал, что в 08:45 утра 15 апреля весь Вавилон погрузился во мрак, потому что Луна на некоторое время оказалась перед Солнцем. Казалось бы, у нас нет оснований не верить его записям. Но если современные астрономы с помощью компьютерного моделирования отмотают время назад, то окажется, что полное солнечное затмение 15 апреля 136 года до нашей эры не должно было быть видно из Вавилона. Земля, Солнце и Луна не выстроились в одну линию на этой долготе. «Зоной полного затмения» был бы остров Майорка, расположенный на 48,8 градуса западнее Вавилона.

Разница 48,8 градуса равняется примерно 1/8 полного оборота Земли, то есть 3,25 часа. Судя по всему, во время полного солнечного затмения 15 апреля 136 года до нашей эры Земля была на 1/8 своего полного оборота сдвинута к востоку. Этому может быть только одно объяснение. За последнюю тысячу лет Земля начала вращаться медленнее. С 136 года до нашей эры прошло около миллиона дней, так что, даже если дни в то время были на долю секунды короче сегодняшних, эти доли в совокупности могут объяснить расхождение во времени на 3,25 часа. В 500 году до нашей эры день должен был быть на 1/20 секунды короче, чем сегодня, и каждые 100 лет должен был увеличиваться на 1,7 миллисекунды. Это единственное объяснение записи на глиняной табличке.

Поразительно, что линии на глиняной табличке, нанесённые представителями древней цивилизации, могут содержать такую точную астрономическую информацию и что такие важные сведения зависели от того, сойдутся ли Луна и Солнце на одной линии в небесах. При таком их расположении возникает своего рода пояс затмения, имеющий не более 250 километров в ширину. Полные затмения в каждой конкретной точке планеты наблюдаются крайне редко. Так что, если античный учёный наблюдал затмение с определённого места, современным астрономам не обязательно знать точную дату, чтобы его идентифицировать. Значения времени ±20 лет будет достаточно.

Здесь в истории возникает новый поворот. Небольшие изменения формы орбит, по которым движутся искусственные спутники, вызываемые приливным горбом Земли, показывают, что замедление нашей планеты должно увеличивать день не на 1,7, а на 2,3 миллисекунды раз в 100 лет. Значит, на вращение Земли должно влиять что-то ещё. Оказалось, что это что-то связано с последним ледниковым периодом, который закончился около 13 000 лет назад.

Во время ледникового периода на Землю давил огромный вес ледяных покровов, которые немного сплющивали планету с полюсов. Когда льды начали таять, земля под ними стала подниматься. Этот процесс длится по сей день, делая Землю более округлой. Соответственно, планета начинает вращаться быстрее, как конькобежец, прижавший руки к бокам. Из-за этого день сокращается примерно на 0,5–0,6 миллисекунды за век, и именно из-за этого удлинение суток составляет не 2,3, а всего 1,7 миллисекунды каждые 100 лет.

В долгосрочной перспективе Земля под влиянием Луны может замедлиться настолько, что одна её сторона будет постоянно повёрнута к Луне, как сегодня одна сторона Луны повёрнута к Земле. Если это произойдёт, то на одной половине Земли Луна останется видимой, а на другой исчезнет. Расчёты показали, что такое событие станет возможным, когда Земля замедлится настолько, что будет поворачиваться вокруг своей оси всего один раз за 47 современных дней.

Для достижения такого результата Земля должна замедлять своё движение более десяти миллиардов лет. К этому моменту запасы водорода в солнечном ядре иссякнут, Солнце превратится в красного гиганта и либо сожжёт, либо поглотит и Луну, и Землю. Так что Земля, в отличие от Луны, никогда не окажется зафиксированной в такой позиции. Ей просто не хватит на это времени. Тем не менее в космосе есть другие системы, в которых подобное произошло. Вращающиеся одна напротив другой бинарные звёзды влияют друг на друга именно таким образом и всегда обращены друг к другу только одной стороной. Есть и более близкий нам пример — Плутон и его спутник Харон, зафиксированные именно так.

Луна: попытка к бегству

Приливное влияние Луны на Землю замедляет движение нашей планеты, уменьшая её вращательный момент. Существует фундаментальный принцип физики, называемый сохранением количества движения при вращении, согласно которому вращательный момент изолированной (замкнутой) системы никогда не меняется. Значит, если вращательный момент Земли уменьшается, вращательный момент другого элемента системы должен компенсировать это, увеличившись. В нашем случае вариант только один — Луна.

Притяжение Луны создаёт два приливных бугра с двух сторон Земли, но тот, который возникает на той же стороне, что и Луна, притягивает её с наибольшей силой. Как мы уже знаем, этот приливный бугор обычно обгоняет Луну на её орбите, потому что Земля делает оборот вокруг своей оси быстрее, чем её обходит Луна. Поэтому гравитация Земли тащит Луну вперёд по её орбите, придавая ей ускорение.

Обратите внимание, что сила притяжения Земли на расстоянии до Луны имеет именно такое значение, какое необходимо, чтобы изогнуть траекторию тела, движущегося с лунной скоростью, и придать ей форму замкнутой орбиты, которую мы и наблюдаем. Соответственно, если Луна будет двигаться слишком быстро, её скорость превысит необходимую и она вылетит за орбиту. В отношении Земли «за орбиту» означает вверх, а мы знаем, что, если подбросить тело (к примеру, мяч) вверх, гравитация замедлит его полёт. Парадоксальным образом Луна, ускоренная приливным взаимодействием с Землёй, движется медленнее при удалении от Земли. Из-за этого вращательный момент увеличивается до необходимого значения.[77]

И это не просто теоретические рассуждения. Пилотируемые американские космические корабли «Аполлон-11», «Аполлон-14» и «Аполлон-15», а также беспилотные советские аппараты «Луноход-1» и «Луноход-2» оставили на лунной поверхности рефлекторы. Эти зеркала размером с кулак называют ещё угловыми отражателями, и они умеют отражать свет ровно в том направлении, откуда он исходит. То есть можно направить лазерный луч на Луну, чтобы он отразился от углового отражателя, а затем измерить время его возврата на Землю. Зная скорость света, можно легко рассчитать расстояние до Луны.[78]

Эксперименты показывают, что каждый год расстояние, которое проходит отражённый от Луны луч, увеличивается на 3,8 сантиметра.[79] Иными словами, каждые 12 месяцев Луна отдаляется от Земли на расстояние, примерно равное длине большого пальца руки. Если вам 70 лет, за вашу жизнь она прошла путь, равный длине автомобиля.

Наблюдение полных затмений

Тот факт, что каждый год Луна удаляется от Земли на 3,8 сантиметра, означает, что когда-то она была гораздо ближе к нам. А это, в свою очередь, влияло на возникновение полных затмений — одного из самых потрясающих природных явлений.

Как мы уже знаем, полное затмение наступает, когда Луна проходит между Землёй и Солнцем, закрывая солнечный диск и отбрасывая тень на Землю. Полное затмение возможно потому, что Солнце, хотя оно и больше Луны в 400 раз, находится от нас в 400 раз дальше. Вот почему Солнце и Луна кажутся нам на небе равными по размеру. Для нас это очень удачное обстоятельство. Несмотря на то что в Солнечной системе существует более 170 лун, ни с одной планеты невозможно наблюдать полное затмение. Более того, нам повезло не только с местом, но и со временем.

Поскольку Луна отдаляется от Земли, в прошлом она казалась больше, а в будущем будет становиться меньше. Судя по всему, первые полные затмения начались около 150 миллионов лет назад, а ещё через 150 миллионов лет их не будет вовсе. Наблюдать полные затмения жители Земли могут только в течение небольшого срока её существования. К примеру, во времена динозавров их ещё не было.

Тот факт, что Луна удаляется от Земли, а в прошлом располагалась ближе к ней, прекрасно сочетается с теорией о её происхождении.

Планета, которая преследовала Землю

Луна слишком велика по отношению к Земле, а её диаметр равен примерно четверти диаметра нашей планеты. Все прочие луны в Солнечной системе кажутся крошечными рядом со своими планетами. Кроме Плутона, луна которого ещё больше по отношению к его размерам, но с 2006 года Плутон перестал считаться планетой.

Такой размер Луны намекает нам, что и происхождение у неё было необычным. Учёные предполагают, что 4,55 миллиарда лет назад, когда наша планета только сформировалась, она столкнулась с небесным телом массой, примерно равной массе Марса (сегодня эту гипотетическую планету называют Тейей). Внутренние слои Земли превратились в жидкость, а часть её мантии выплеснулась в вакуум. Вокруг нашей планеты образовалось кольцо, похожее на те, которые опоясывают газовые гиганты в Солнечной системе. Из этого кольца быстро сформировалась Луна, орбита которой в то время находилась в десять раз ближе к Земле. После этого Луна начала постепенно отдаляться от нашей планеты.

Подтверждение теории Большого всплеска было найдено в ходе американской космической программы «Аполлон», благодаря которой мы знаем, что состав Луны схож с составом внешней мантии Земли. Кроме того, лунные породы содержат куда меньше воды, чем самые сухие земные скалы. Это подтверждает, что когда-то они подверглись воздействию высоких температур. Вопрос только вот в чём: чтобы тело с массой Марса не разрушило всю нашу планету, а всего лишь создало Луну, оно должно было пройти по касательной к Земле на очень небольшой скорости. Однако все космические тела, движущиеся по орбитам вокруг Солнца (как в пределах земной орбиты, так и вне её), слишком быстры для этого.

Теория Большого всплеска будет работать только в том случае, если Тейя когда-то находилась на той же орбите, что и Луна. Она могла сформироваться из обломков в стабильной точке Лагранжа, то есть в 60 градусах перед Землёй или за ней на орбите вокруг Солнца.[80] Сегодня такие же обломки астероидов движутся по орбите Юпитера в 60 градусах перед ним и за ним, так что Юпитер кажется плывущим в Саргассовом море. Если верить теории Большого всплеска, Тейя миллионы лет преследовала Землю, а затем перешла на другую орбиту, что и вызвало столкновение.

Поскольку сила притяжения тела ослабевает с квадратом расстояния от него, приливные силы, которые объясняются разницей в притяжении, уменьшаются с кубом расстояния. Недавно сформировавшаяся Луна находилась примерно в десять раз ближе к Земле, чем сейчас, а значит, приливная сила, с которой она влияла на Землю, была в 10³ = 1000 раз больше, чем сейчас. В то время Земля ещё не имела океанов, но если бы они были, воды в них дважды в день поднимались бы не на пару метров, а на километры.

Но не только новорождённая Луна влияла на Землю. Сама Земля тоже воздействовала на неё с приливной силой, увеличенной в 1000 раз. Торможение движения Луны было таким сильным, что, вероятнее всего, она зафиксировалась в нём достаточно рано (примерно в течение десяти миллионов лет после своего формирования). Так как первые микроорганизмы на Земле появились гораздо позже, примерно 3,8–4 миллиарда лет назад, ни одно живое существо не наблюдало обратную сторону Луны, вращающейся в ночном небе.

Луна не всегда двигалась с такой скоростью

Возникает интересный вопрос: всегда ли Луна отдалялась от Земли со скоростью 3,8 сантиметра в год? В 2013 году группа учёных во главе с Мэтью Хубером из Университета Пердью (Уэст-Лафайетт, Индиана) выяснила, как эта ситуация выглядела 50 миллионов лет назад. Они ввели данные о глубине океанов и очертаниях существовавших в то время континентов в компьютерный симулятор приливов и на основании его показателей сделали вывод, что в то время Луна удалялась от Земли медленнее, скорее всего, в два раза.[81]

Всё дело в Атлантическом океане, который сегодня достаточно широк, чтобы сформировать большой приливный горб, влияющий на Луну и заставляющий её отступать достаточно быстро; 50 миллионов лет назад океан ещё не принял свою сегодняшнюю форму, поэтому его приливный горб был меньше, а влияние на движение Луны — слабее. В то время за большую часть приливного воздействия отвечал Тихий океан.

Данный пример — ещё одна иллюстрация того, как сложна система приливов и отливов. Их высота и сила, с которой они тормозят движение Земли и ускоряют отступление Луны, зависят от того, насколько легко приливные горбы могут двигаться по океанским просторам. Это, в свою очередь, обусловливается расположением континентов, которое постоянно изменяется из-за континентального дрейфа (тектоники плит, как он официально называется).

Из-за того что предсказать движение плит в долгосрочной перспективе невозможно, мы также не можем знать, когда вращение Земли замедлится настолько, чтобы она оказалась навсегда повёрнута одной стороной к Луне. Мы знаем лишь одно: для того чтобы Земля начала делать полный оборот вокруг своей оси за 47 дней, а Луна отошла от неё настолько далеко, что её орбитальный путь тоже занимал бы 47 дней, должно пройти не менее десяти миллиардов лет. Мы уже знаем, что это совершенно гипотетический сценарий, потому что к этому времени Солнце превратится в ужасающий красный гигант, светящий в 10 000 раз ярче, чем сегодня, и уничтожит (или по крайней мере существенно изменит) систему Земля–Луна.

У приливов и отливов есть и ещё одно свойство. Каждый день, когда волны накатывают на побережье, а потом возвращаются в море, они подхватывают множество маленьких камешков. Трение между камнями, которые постоянно сталкиваются друг с другом, генерирует тепловую энергию, поглощаемую окружающей средой. Именно такая потеря энергии в конечном итоге приводит к замедлению вращения Земли.

Приливы нагревают Землю незначительно, и если вы отправитесь купаться в море, ни песок, ни камни не обожгут вам ноги. Но в Солнечной системе есть одно место, где приливы генерируют куда больше тепловой энергии. Это Ио, гигантский спутник Юпитера, открытый Галилеем в 1609 году.

Лунная пицца

Восьмое марта 1979 года. Космический зонд NASA «Вояджер-1» пролетает через систему Юпитера быстрее пули, спеша на встречу с Сатурном в 1980 году. Но перед тем, как зонд навсегда покинет газовый гигант, управляющая команда заставляет его развернуть камеру назад и сделать прощальный снимок Ио. Навигационный инженер Линда Морабито первой видит изображение, преодолевшее расстояние 640 миллионов километров до Центра управления полётами, и у неё перехватывает дух. Из крошечной, видной лишь наполовину луны вырывается столб фосфоресцирующего газа.

Морабито первой за всю историю человечества увидела супервулканы Ио. На следующий день вся команда по управлению «Вояджером» склонилась над увеличенными фотографиями и данными измерения температур. Они обнаружили восемь гигантских столбов газа, выбрасывающих материю вверх на сотни километров. Оказалось, что Ио — самое геологически активное космическое тело в Солнечной системе, на котором располагаются более 400 вулканов. Отверстия, через которые на поверхность Ио выбрасываются оранжевая, жёлтая и коричневая породы, делая её похожей на пиццу, напоминают гейзеры в Йеллоустоунском парке. В некотором смысле вулканы Ио — это действительно гейзеры. Лава в них не вырывается на поверхность, но нагревает жидкий диоксид серы, расположенный прямо под корой Ио, и тот превращается в газ. Затем газ выбрасывается вверх точно так же, как пар в земном гейзере.

Каждый год Ио выбрасывает в вакуум около 10 000 миллионов тонн вещества, которое затем опадает на поверхность, покрывая её серой, как землю вокруг гейзеров в Йеллоустоуне. Вот почему на фотографиях Ио выглядит как гигантская пицца. Яркие цвета — это всего лишь слои серы, имеющие разную температуру.

Ключом к пониманию супервулканов Ио является Юпитер, в 318 раз превышающий по массе Землю. Ио находится от него на том же расстоянии, что Луна от Земли. Но из-за огромной силы притяжения Юпитера Ио обращается вокруг него не за 27 дней, как наша Луна, а всего за 1,7 дня. Гравитация, воздействующая на приливные горбы Ио, уже давно остановила её вращение, так что теперь луна постоянно повёрнута к своей планете одной стороной. Только представьте, какой вид откроется перед людьми, если космический корабль когда-нибудь сядет на поверхность Ио: Юпитер и его разноцветные облачные кольца будут занимать четверть неба.

Так как Ио зафиксирована в одном положении, два приливных горба, возникших под влиянием притяжения Юпитера, будут направлены прямо на него и прямо от него. Они не будут двигаться в камне, как земные приливные горбы движутся в океанах. Если бы на Ио происходило что-то подобное, твёрдые породы постоянно растягивались бы и сжимались, постепенно нагреваясь из-за трения (точно так же нагревается резиновый мяч, который вы сжимаете в руке). Раз этого не происходит, логично предположить, что температура Ио не растёт под приливным влиянием Юпитера.

Но это не так.

Ключевую роль в нагревании Ио играют две другие открытые Галилеем луны, которые движутся по более удалённым от планеты орбитам, — Европа и Ганимед. Ганимед представляет собой самую большую луну в Солнечной системе и превышает по размерам Меркурий. За то время, которое требуется Ио, чтобы обойти вокруг Юпитера четыре раза, Европа делает это дважды, а Ганимед — один раз. Из-за этого два спутника периодически оказываются выстроенными в одну линию, что усиливает их воздействие на Ио. Они как будто дёргают Ио в сторону, удлиняя её орбиту. Таким образом Ио постоянно перемещается по направлению то к Юпитеру, то от него. Именно это движение и заставляет Ио разогреваться изнутри.

Да, приливные горбы Ио направлены прямо на Юпитер и от него. Но когда Ио подходит близко к своей планете, приливный горб растёт, а когда удаляется — горб уменьшается. Из-за постоянного движения порода то сжимается, то растягивается, и из-за этого процесса Ио разогревается так сильно, что больше всего тепла на один килограмм веса в Солнечной системе выделяет именно она, а вовсе не Солнце.[82]

Загадка Плутона и Харона

Пара Юпитер–Ио — не единственная в Солнечной системе, в которой два небесных тела, движущиеся по орбитам вокруг друг друга, оказались зафиксированными в таком положении, что каждому из них видна только одна сторона другого. Существует ещё Плутон и его огромная луна Харон.

Самое интересное в Хароне то, что его диаметр равен половине диаметра Плутона. Благодаря этому Плутон некоторое время считался планетой с самой большой луной (относительно его собственных размеров) в Солнечной системе. Но в 2006 году Международный астрономический союз лишил Плутон статуса планеты и перевёл в разряд карликовых планет. Теперь он всего лишь один из многих десятков тысяч ледяных обломков, вращающихся вокруг Солнца на границе Солнечной системы.

Пояс Койпера состоит из ледяных обломков, оставшихся после появления планет. Из них планета не получилась, потому что они были слишком разреженными. Пояс Койпера похож на внутренний пояс астероидов Солнечной системы — ещё одну свалку планетарного строительного мусора, который не смог сконцентрироваться в одной точке под влиянием силы притяжения Юпитера.

Внутренний край пояса Койпера начинается недалеко от Нептуна (то есть расстояние от него до Солнца примерно в 30 раз больше, чем от Земли), а внешний заканчивается на расстоянии от Солнца в 50 раз большем, чем то, на котором находится Земля. Несмотря на название, первым существование этого пояса предсказал бывший ирландский солдат и астроном-любитель Кеннет Эджворт в 1943 году, так что по справедливости он должен был бы называться поясом Эджворта–Койпера.

Плутон соответствует двум критериям планеты, сформулированным Международным астрономическим союзом в 2006 году: он круглый и движется по орбите вокруг Солнца. Но так как рядом с ним находится множество объектов из пояса Койпера, он не соблюдает третье требование — свободная орбита, на которой нет других небесных тел.

Четырнадцатого июля 2015 года станция NASA «New Horizons» пролетела через систему Плутон–Харон, словно скоростной поезд, пройдя всего в 14 000 километров над небесным телом, которое в момент отправки станции ещё считалось планетой. Сотрудники Центра управления полётами на Земле были поражены. Они ожидали увидеть мёртвый, неподвижный мир, скованный космическим холодом вдали от Солнца. Вместо этого перед ними предстали азотные ледники и горы льда, вершины которых были скрыты в завихрениях тонких облаков. Наиболее удивительным было то, что так называемая область Томбо (розовое пятно на Плутоне, имеющее форму облака и названное в честь первооткрывателя Плутона Клайда Томбо) не имела ни одного кратера, в отличие от остальной поверхности планеты. Это означало, что лёд здесь образовался сравнительно недавно.

Откуда же берётся энергия для этой необычной активности? Внутренние слои Земли нагреваются за счёт радиоактивности урана, тория и калия, но для того, чтобы разогреть Плутон, этого недостаточно. Нагревание под воздействием приливной силы Харона тоже исключается, так как подобный процесс невозможен в системе, где луна движется по кругу вокруг планеты и оба небесных тела всегда повёрнуты друг к другу одной и той же стороной. Однако это правило работает только в том случае, если Харон оказался на орбите Плутона в момент образования Солнечной системы, примерно тогда же, когда Луна стала спутником Земли. Если же Плутон заполучил свой спутник недавно (в течение последних полумиллиарда лет), то нагрев под воздействием приливных сил имел бы место и продолжался до тех пор, пока Плутон и Харон не оказались бы зафиксированы в текущем положении относительно друг друга. Никто не знает, как всё было на самом деле. Этот вопрос остаётся открытым.

Водные луны

Нагрев под влиянием приливных сил, кроме всего прочего, намекает на возможное зарождение жизни — не на Ио, так как тамошние условия слишком суровы, а на Европе. Европа нагревается за счёт влияния приливных сил Юпитера, Ио и Ганимеда и состоит в основном изо льда (в отличие от каменной Ио). Следовательно, внутренняя часть спутника должна была растаять. Где-то на Европе есть жидкая вода.

Тело, содержащее жидкость, вращается не так, как полностью твёрдое. Судя по вращению Европы, под десятикилометровым слоем льда на ней находится океан глубиной 100 километров — самый большой во всей Солнечной системе.

Издалека Европа кажется похожей на шар для боулинга, а её гладкая блестящая поверхность выглядит как огромный каток. Но если посмотреть на неё поближе, можно увидеть огромные трещины во льду. Они создают необычный мозаичный узор, напоминающий тот, который можно увидеть в Северном Ледовитом океане. Летом лёд вскрывается и отдельные льдины пускаются в свободное плавание, а зимой океан замерзает снова. Подобный узор служит ещё одним подтверждением того, что на Европе есть жидкая вода.

Подлёдный океан, куда не проникает ни один луч солнечного света, не кажется подходящим местом для жизни. Однако открытие, сделанное на Земле в 1977 году, заставило учёных усомниться в этом. Океанограф Боб Баллард с помощью субмарины «Элвин» нашёл на морском дне гидротермальные источники. Они находятся во многих километрах от поверхности океана и выбрасывают в его воды разогретые до высоких температур минералы, поддерживая жизнь экосистемы, живущей в полной темноте. В самом низу пищевой цепочки здесь находятся бактерии, получающие энергию не из кислорода, а из соединений серы, а на её вершине — гигантские трубчатые черви длиной с половину человеческой руки.

Учитывая, что Европа нагревается под влиянием приливной силы, на её дне почти наверняка имеются гидротермальные источники. Это повышает её шансы стать вторым после Земли местом в Солнечной системе, где может быть обнаружена жизнь. В данный момент NASA планирует отправить на Европу зонд, который в идеале должен сесть на её поверхность и пробурить отверстие в десятикилометровом слое льда. Современные технологии пока что не могут справиться с такой задачей, но в 2022 году будет запущена межпланетная станция Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE), которая сможет изучить одно необычное явление на Европе.

В 2013 году с помощью космического телескопа «Хаббл» учёные увидели струи воды высотой 200 километров, бьющие из трещин в ледяном панцире Европы. Их источником может быть только подлёдный океан. Учёные из NASA полагают, что, если JUICE сможет пролететь через них и взять образцы жидкости, там могут быть обнаружены инопланетные микроорганизмы.

У Сатурна тоже есть спутник, выбрасывающий в космос струи воды, — Энцелад. Он имеет всего 500 километров в диаметре, и никто не ожидал от него подобной активности. Однако, судя по всему, растяжение и сжатие под воздействием приливных сил расплавили его внутренние слои. Возможно, что на Энцеладе находится самый маленький океан в Солнечной системе, но, как и на Европе, в нём тоже могла возникнуть жизнь.

Тот факт, что луны Юпитера и Сатурна нагреваются под воздействием приливных сил своих планет, может изменить принципы поиска жизни в других частях нашей Галактики. Дело в том, что Юпитер и Сатурн находятся за пределами обитаемой зоны Солнца. Обитаемой считается зона, в которой планеты расположены достаточно близко к своей звезде, чтобы вода на них не замерзала, но и достаточно далеко, чтобы она не закипела. Юпитер и Сатурн достаточно далеки от Солнца, и поэтому вода, необходимая для развития известных нам форм жизни, на них бы замёрзла. Но, как мы видим на примере Европы и Энцелада, этого не произошло. Судя по всему, вокруг соседних с нами звёзд часто вращаются газовые гиганты, иногда даже превышающие по размерам Юпитер. Возможно, у них есть луны большего диаметра, чем Ио или Европа, которые тоже нагреваются за счёт приливных сил.

Предварение равноденствий

Приливы не единственное последствие влияния гравитации на Землю, так как она не является единой точкой, а занимает некоторое пространство. Ньютон открыл и ещё один эффект гравитации — предварение равноденствий.

Смена времён года на нашей планете происходит потому, что ось вращения Земли наклонена относительно плоскости орбиты, по которой она движется вокруг Солнца. В частности, как мы уже выяснили, ось отклоняется на 23,5 градуса по вертикали, и это означает, что и экватор Земли имеет такой же наклон относительно плоскости её орбитального движения. В Северном полушарии лето наступает, когда Земля поворачивается этим полушарием к Солнцу, а зима — когда полушарие смотрит в другую сторону. То же самое происходит и в Южном полушарии. Соответственно, когда в Северном полушарии зима — в Южном лето и наоборот.

Весна и осень — это промежуточные времена года, но астрономы стремятся к большей точности. По их словам, весна и осень наступают, когда плоскость орбиты Земли (эклиптика) пересекает плоскость экватора. Эти моменты в путешествии нашей планеты вокруг Солнца называют весенним и осенним равноденствием.

Все планеты движутся близко к эклиптике, потому что они возникли из одного и того же плоского кольца космического мусора, которое когда-то вращалось вокруг Солнца. Соответственно, на звёздном небе, которое видно с Земли, они располагаются в одной узкой полосе, о чём нашим предкам было известно ещё с античных времён. Звёзды в этой полосе были сгруппированы в 12 созвездий, соответствующих 12 знакам зодиака. В 2000 году до нашей эры, когда жители Вавилона создавали данную систему, на весеннее солнцестояние приходилось созвездие Овна, однако примерно каждые 2000 лет оно сдвигается на один знак. Во времена Иисуса Христа оно выпало на знак Рыб, а сегодня переходит в знак Водолея (в котором окажется к 2060 году). Именно это и имеют в виду люди, говорящие о наступлении эры Водолея.

Такое перемещение зодиакальных созвездий по ночному небу называют предварением равноденствий. Это третий и самый загадочный тип движения Земли после вращения вокруг своей оси и перемещения по орбите вокруг Солнца. Его открытие приписывают Гиппарху, греку, который жил и работал на острове Родос и которого часто называют величайшим астрономом Античности.

В 129 году до нашей эры, когда Гиппарх составлял свой знаменитый звёздный каталог, он обратил внимание на кое-что необычное. Положение звёзд на небе не соответствовало измерениям, сделанным древними вавилонянами. Казалось, будто все звёзды изменили своё местоположение и сделали это согласно какому-то порядку. Гиппарх предположил, что с места сдвинулись не звёзды, а сама Земля.

Используя записи вавилонских коллег, Гиппарх точно рассчитал скорость, с которой двигались звёзды. Судя по всему, земная ось каждые 72 года изменяла своё положение в пространстве примерно на один градус. Из-за этой прецессии ось вращения нашей планеты (всё ещё наклонённая на 23,5 градуса) раз в 26 000 лет поворачивается по вертикали. Звезда, находящаяся сейчас прямо над Северным полюсом, отличается от той, которую наблюдали древние египтяне. Мы видим Полярную звезду из созвездия Малой Медведицы, а 5000 лет назад жители Египта видели на её месте звезду Тубан из созвездия Дракона.

Именно прецессия объясняет предварение равноденствий, однако никому из учёных прошлого это не приходило в голову. Никому до Ньютона.

Ньютон понял, что форма Земли изменяется не только под влиянием притяжения Солнца и Луны, но и из-за её собственного вращения. Тела на экваторе перемещаются со скоростью около 1670 километров в час. Гравитация Земли не обеспечивает достаточной центростремительной силы, чтобы удерживать всю эту материю на месте, и она разбегается. Сегодня Земля вытянута в сторону от идеально шарообразной формы на 23 километра.

Ньютон понял, что притяжение Солнца и Луны, с которым они влияют на этот «экваториальный горб», заставляет вращающуюся Землю дрожать, как юлу. Она вращается по кругу в том направлении, в котором смотрит её ось. Приняв во внимание силы, воздействующие на Землю, Ньютон подсчитал, что прецессия должна занять 26 000 лет. Точно такое же значение приводили и его античные коллеги.

Закон всемирного тяготения стал источником постоянных сюрпризов. Оказалось, воздействие гравитации имеет множество последствий, и я ещё не рассказал вам обо всех.

При формулировании закона обратных квадратов Ньютон рассматривал Солнце и планеты как точки, обладающие массой. По его мнению, Земля влияет на Луну, как если бы каждая из них была лишь точкой с заданной массой. Но и Земля, и Луна имеют большую площадь, и именно это является основанием для таких явлений, как приливы и предварение равноденствий.

Ньютон сделал ещё одно допущение: он предположил, что на Землю воздействует только Солнце, а на Луну — только Земля. В случае с приливами мы видим, что это не так, ведь влияние на Землю оказывают и Луна, и Солнце. Так часто происходит в природе: на одно тело одновременно воздействуют несколько. Такое влияние приводит к тому, что космические тела вроде планет не всегда движутся ровно по эллиптическим орбитам. Кроме того, зная это, мы можем предугадать существование ещё не известных нам тел, основываясь на хаотическом движении известных.

Для дополнительного чтения

The Severn Bore: A natural wonder of the world (https://www.severn-bore.co.uk).

Ekman M. A concise history of the theories of tides, precession-nutation and polar motion (from antiquity to 1950) // Surveys in Geophysics. — 1993. — Vol. 14. — Issue 6. — P. 585–617 (http://www.afhalifax.ca/magazine/wp-content/sciences/vignettes/supernova/nature/MAREES/HistoireMarees.pdf).

Shu F. The Physical Universe. — Mill Valley: University Science Books, 1982.

Simanek D. Tidal Misconceptions. — 2003 (https://www.lockhaven.edu/~dsimanek/scenario/tides.htm).

Поиски продолжались уже почти целый час, и все действия их участников стали автоматическими. Иоганн Галле всматривался через огромный медный телескоп-рефрактор в небо над Берлином, поворачивая ручки настройки до тех пор, пока в перекрестье не появлялась звезда, а затем выкрикивал её координаты. Его молодой ассистент Генрих Д’Арре, сидевший за деревянным столом в другом конце помещения под куполом обсерватории, просматривал карту звёздного неба, освещённую масляной лампой, и кричал в ответ: «Эта звезда нам известна». Галле снова принимался крутить ручки, направляя телескоп на следующую звезду. Из-за холодного ночного воздуха у него уже побаливала шея, и он начинал сомневаться в успехе предприятия.

Галле и Д’Арре находились в Королевской обсерватории в Берлине из-за необычного письма, которое они получили днём. Оно было подписано Урбеном Леверье, математиком и астрономом из парижской Политехнической школы. За год до этого Галле отправил Леверье копию своей научной работы, но ответа не получил. Теперь Леверье, очевидно, жалел об этом, ведь ему требовалась помощь прусских коллег. Поэтому текст письма был полон запоздалых благодарностей.

Галле мог бы отомстить коллеге, сказав, что его письмо случайно затерялось в куче бумаг у него на столе. Судя по всему, астрономы из Парижской обсерватории так и поступили, иначе зачем Леверье было писать в Берлин? Но Галле был выше этого, а кроме того, услуга, о которой просил Леверье, заинтересовала его. Леверье просил коллегу с помощью знаменитого телескопа Фраунгофера, установленного в Берлинской обсерватории, посмотреть на область между созвездиями Козерога и Водолея и поискать там объекты, которых нет на картах звёздного неба.

Директор обсерватории Иоганн Франц Энке считал это задание просто потерей времени. Но в ту ночь он собирался праздновать свой 55-й день рождения, а не пользоваться рефрактором, поэтому решил, что вреда не будет, и разрешил Галле выполнить странную просьбу Леверье. Галле быстро привлёк к делу студента-астронома Д’Арре. Вот так эти двое оказались в одной обсерватории ночью 24 сентября 1846 года, рассматривая небо в огромный механический телескоп Фраунгофера, самый точный астрономический инструмент того времени во всём мире.

Они начали поиски в полночь, когда на улицах Берлина погасли газовые фонари и город погрузился во мрак. Сейчас был уже почти час ночи. Галле навёл перекрестье телескопа на очередную звезду и выкрикнул её координаты. Ожидая ответа Д’Арре, он мечтал поскорее отправиться домой, к жене и тёплой постели. Но Д’Арре молчал. Чем, интересно знать, он там занимается?

Галле вырвал из размышлений грохот упавшего стула. Оторвавшись от окуляра, он увидел силуэт своего помощника в свете масляной лампы. Д’Арре бежал к нему, размахивая картой звёздного неба, как обезумевшая птица. Было слишком темно, чтобы разглядеть лицо Д’Арре, но Галле на всю жизнь запомнил его слова в тот миг: «Этой звезды нет на карте!».

Тщетно пытаясь успокоиться, чтобы их руки не дрожали, двое учёных ещё раз навели телескоп на неизвестное небесное тело. Сомнений не было — такой объект отсутствовал на карте звёздного неба. И не без оснований, ведь это была не звезда. Звёзды на их огромных расстояниях от Земли обычно выглядят как крошечные точки, и даже приближение с помощью телескопа не даёт рассмотреть их как следует. Но этот объект выглядел не точкой, а крошечным сияющим диском.

Это была планета, неизвестная планета. Со времён появления Земли она двигалась по своей орбите вокруг Солнца на периферии нашей системы, в полной темноте, и до этого момента никто не имел о ней представления. В тот момент у неё ещё не было имени, а о её существовании знали всего два человека. Но очень скоро всё человечество будет знать её под названием Нептун.

Растяжение во все стороны

То, что Д’Арре и Галле обнаружили новую планету, кажется невероятным событием, почти чудом. Коллега из Парижа написал Галле и попросил начать поиски нового мира, дав очень чёткие инструкции на этот счёт. Заинтригованный, но не очень-то верящий в успех Галле выполнил эти указания. Всего час работы — и он уже видит в телескоп совершенно новую планету, которая находится ровно на том месте, про которое говорил Леверье. Это был триумф астрономии, триумф предсказательной науки, но самое главное — триумф Исаака Ньютона и теории, которую он разработал почти за два века до этого.[85]

Чтобы закон всемирного тяготения можно было использовать для предсказания различных явлений, Ньютон делал некоторые допущения. Как мы уже говорили выше, при расчёте воздействия Земли на Луну он представлял себе нашу планету так, как если бы вся её масса была сконцентрирована в одной точке в её центре. На самом деле, разумеется, Земля имеет большую площадь, и из-за разницы в воздействии Луны на разные её части форма Земли изменяется, что приводит к появлению приливов. Но предположение о Земле как об одной точке — это не единственное допущение, сделанное Ньютоном. Он также предположил, что на планеты распространяется лишь притяжение Солнца. Благодаря такому допущению он смог доказать, что, если планета движется под воздействием силы, которая ослабевает с квадратом расстояния (то есть в соответствии с законом обратных квадратов), её орбита имеет форму эллипса, как и предсказал Кеплер.

Но главная характеристика гравитации состоит в её универсальности. Это означает, что даже самые крохотные клочки материи воздействуют друг на друга с помощью силы тяготения. Следовательно, планета подчиняется влиянию не только Солнца, но и остальных планет. Возьмём в качестве примера Землю. Максимальное гравитационное воздействие на неё оказывают Юпитер (самая большая планета в Солнечной системе, масса которой равна примерно 1/1000 массы Солнца) и Венера, находящаяся рядом с нашей планетой. Их влияние различается в разные временные периоды, потому что Юпитер движется по орбите вокруг Солнца медленнее Земли, а Венера — быстрее. Но когда Юпитер находится на минимальном расстоянии от нашей планеты, его сила притяжения составляет 1/16 000 силы притяжения Солнца. Когда же расстояние между Венерой и Землёй максимально сокращается, сила притяжения Венеры становится примерно в полтора раза меньше этой цифры.

Поскольку гравитационное воздействие планет Солнечной системы друг на друга значительно меньше, чем влияние Солнца, Ньютон в своих расчётах планеты не учитывал. Но, строго говоря, планета размером с Землю движется под влиянием множества других небесных тел. В результате её орбита вокруг Солнца не является идеальным эллипсом. Первый закон Кеплера верен лишь приблизительно. Гравитационные силы, воздействующие на планету, постепенно изменяют её ориентацию в космосе, и участок орбиты, максимально приближённый к Солнцу, постоянно изменяется.

Давайте представим, будто мы ничего не знаем о существовании в Солнечной системе других планет. Если мы будем долго наблюдать за орбитой Земли, мы заметим, что она немного отклоняется от формы идеального эллипса. Обдумав эту ситуацию, мы придём к выводу, что в космосе существуют и другие массивные объекты, «дёргающие» нашу планету, когда она проходит мимо них, как дети, которые дёргают мать за пальто, чтобы она не шла слишком быстро. Применив огромные компьютерные мощности и приложив массу интеллектуальных усилий (это очень сложные вычисления), мы поймём, что гравитационное воздействие на Землю оказывают ещё семь планет, каждая из которых имеет свою массу и движется по своей орбите вокруг Солнца.[86]

Закон всемирного тяготения Ньютона помог нам составить карту невидимого мира. Именно этот принцип использовал Леверье, чтобы исследовать рубежи Солнечной системы и вычислить местоположение восьмой планеты, Нептуна. И всё это из-за того, что одна из планет не двигалась по идеально эллиптической орбите.

Планета по имени Георг

Уран был открыт Уильямом Гершелем, бывшим музыкантом родом из Германии. В 1757 году 19-летний Уильям и его сестра Каролина переехали в Бат, английский город, основанный римлянами на месте, где бьют термальные источники.[87] Гершель работал церковным органистом, но его страстью была астрономия. В саду у своего дома он построил один из лучших телескопов того времени; 13 марта 1781 года он рассматривал в него звёздное небо и заметил странную размытую звезду. Сначала Гершель решил, что это комета, но в последующие несколько ночей она переместилась в созвездие Близнецов. Учёный понял, что она движется не по удлинённой орбите кометы, а по планетарной орбите, больше напоминающей окружность.

Открытие новой планеты стало международной сенсацией. С момента зарождения науки людям были известны лишь шесть планет. Теперь же их оказалось семь.

Гершель был иммигрантом и хотел признания в своей новой стране. Поэтому он окрестил планету звездой Георга в честь короля Георга III. Это очень разозлило французских астрономов, которые были против именования небесного тела в честь английского короля. Вместо этого они стали называть её Гершелем. Миротворцами в этом споре выступили, как ни удивительно, немцы. Астроном Иоганн Боде предложил дать новой планете имя в честь Урана, отца римского бога Сатурна, и эта идея прижилась. Только представьте себе, как выглядел бы перечень планет в Солнечной системе, если бы этого не произошло: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн… и Георг.

Почти за век до открытия Урана его наблюдал английский астроном Джон Флемстид. В 1690 году он ошибочно занёс Уран в свой каталог как 34-ю звезду в созвездии Тельца. Благодаря записям Флемстида и его коллег, подкреплённым более поздними наблюдениями, к началу XIX века орбита Урана уже была известна учёным настолько хорошо, что её можно было сравнить с предсказанной на основании закона всемирного тяготения Ньютона.

Вот тут-то и начались загадки.

Факт наличия эллиптической орбиты не соответствовал результатам наблюдений. Как только она была рассчитана, Уран тут же начал отклоняться от неё. Шли годы, наблюдений становилось всё больше, а Уран отклонялся всё сильнее.

Лишь немногие сомневались в законе всемирного тяготения Ньютона. Его успех за последние два столетия был таким всеобъемлющим и масштабным, что его считали чем-то вроде Священного Писания. Учёные предположили, что за Ураном может находиться ещё одна планета, чья гравитация и сбивает Уран с правильного эллиптического пути.

Охота на невидимую планету

В 1841 году Джон Кауч Адамс, математический гений из Корнуолла, Англия, решил вычислить, где именно в Солнечной системе должна находиться новая планета, чтобы она могла оказывать наблюдаемое воздействие на Уран.[88] Его расчёты были ужасающе сложными, но уже через четыре года он был готов представить результаты своего труда королевскому астроному Джеймсу Челлису. Тот, однако, не принял Адамса всерьёз. Помимо прочего, доверие к нему подрывала его привычка постоянно уточнять свои расчёты и то и дело менять предсказания относительно местоположения новой планеты.

Адамс не знал, что в то же самое время во Франции Леверье проводил похожие вычисления. Чтобы упростить пугающе сложные расчёты, Леверье сделал несколько обоснованных допущений. Например, он предположил, что новая планета должна находиться далеко от Солнца, иначе астрономы уже заметили бы её. Он также решил, что её масса должна быть сравнима с массой Урана, который по этому показателю примерно в 15 раз превышает Землю. Наконец, Леверье решил, что невидимая планета должна двигаться по орбите вокруг Солнца в той же плоскости, что и другие планеты.[89]

Удивительно, но Леверье, как и Адамса, не принимали всерьёз. Директор Парижской обсерватории Франсуа Араго не считал поиски новой планеты первоочередной задачей. Когда Леверье понял, что не добьётся от Араго точных сроков для выполнения своей задачи, он потерял терпение и 18 сентября 1846 года отослал свои расчёты, указывающие на примерное местонахождение планеты, в Берлин. Ещё через пять дней Иоганн Галле, единственный человек, поверивший Леверье, вошёл в историю как первооткрыватель Нептуна.

Как и Уран, Нептун наблюдался и ранее, но его не принимали за планету. Его едва можно разглядеть невооружённым глазом. Существуют некоторые свидетельства того, что уже в декабре 1612 года в Падуе Галилей видел Нептун в свой недавно созданный телескоп, но посчитал его просто звездой.

После обнаружения Нептуна между Англией и Францией разгорелся спор о том, кого именно считать его первооткрывателем. Интересно, что этот спор никак не повлиял на отношения между самими Адамсом и Леверье, хотя последнего многие считали заносчивым и агрессивным человеком. После первой же встречи они стали друзьями — возможно, из уважения к математическим талантам друг друга, а возможно, из-за усилий, которые обоим пришлось приложить, чтобы им поверили. Сегодня открытие Нептуна приписывают Адамсу и Леверье в равной степени.

Обнаружение Урана было настоящей сенсацией. Это была первая планета, открытая в эру телескопов и науки. Расстояние от Урана до Солнца в два раза больше, чем от Солнца до Сатурна, а значит, всего за один день размеры известной человечеству Солнечной системы увеличились вдвое. Открытие Нептуна также было сенсационным, но в несколько другом смысле. Если Уран был замечен астрономами случайно, существование Нептуна, включая его массу, внешний вид и местоположение, было точно предсказано. Наука наделила человека возможностями божества. Закон Ньютона теперь не только объяснял то, что мы видим, но и предсказывал невидимое.

И в XXI веке эта история может повториться.

Девятая планета

В начале 2016 года два астронома из США поразили весь научный мир, заявив, что вокруг Солнца по удалённой орбите обращается ещё одна, ранее не известная планета, масса которой в десять раз превышает земную. До тех пор пока ей не найдут имени получше, Константин Батыгин и Майк Браун из Калифорнийского технологического института в Пасадине предложили называть её просто девятой планетой. До 2006 года девятой планетой был Плутон, но затем его понизили в должности до статуса карликовой планеты.[90]

Доказательства, которые привели Батыгин и Браун, касаются не аномального движения других планет, а странного поведения объектов в поясе Койпера. Как мы уже упоминали, этот пояс состоит из десятков тысяч ледяных обломков, оставшихся после создания планет и вращающихся вокруг Солнца за орбитой Нептуна.[91] Батыгин и Браун отметили, что шесть самых далёких объектов пояса Койпера имеют очень вытянутые орбиты, которые не растянуты в разные стороны, как можно было бы предположить, а вместо этого направлены примерно в одну точку. Кроме того, они имеют одинаковое отклонение (примерно 30 градусов) от плоскости, в которой движутся остальные восемь планет. Если верить Батыгину и Брауну, эти аномалии объясняются гравитационным воздействием далёкой невидимой планеты.[92]

Данная планета должна быть не только огромной, но и очень далёкой — расстояние от неё до Солнца должно в 20 раз превышать расстояние между Солнцем и Нептуном. Батыгин и Браун предполагают, что девятая планета движется по крайне вытянутой орбите, то приближаясь к Солнцу на расстояние, равное семи расстояниям до Нептуна, то удаляясь на дистанцию, превышающую расстояние до Нептуна в 30 раз. Из-за такой длинной орбиты она делает полный оборот вокруг Солнца не раз в 165 лет, как Нептун, а раз в 15 000 лет.

Девятая планета могла сформироваться вместе с остальными планетами 4,55 миллиарда лет назад, а затем отлететь на дальнюю орбиту после столкновения с зародышем одного из гигантов Солнечной системы (Юпитера или Сатурна). Кроме того, есть вероятность, что раньше она обращалась вокруг другой звезды. В «звёздной колыбели», где родилось наше Солнце, появились на свет и сотни других звёзд, располагавшихся на близком расстоянии друг от друга, и вполне возможно, что, когда две такие звёзды встречались, они обменивались планетами. Тот факт, что в Солнечной системе может существовать ранее неизвестная планета, напоминает нам, что жизнь порой оказывается удивительнее научной фантастики.

Учитывая расстояние между девятой планетой и Солнцем, она, скорее всего, почти не отражает солнечный свет, и поэтому её сложно разглядеть даже в самый большой телескоп. Но в те моменты, когда она подходила к Солнцу максимально близко, она должна была быть видна и занесена на карты звёздного неба. Когда же она находится на наибольшем удалении от Солнца, для того, чтобы рассмотреть её, нужен крупнейший телескоп на Земле, например пара десятиметровых телескопов в обсерватории Кек, Мауна-Кеа, Гавайи. Есть и ещё один способ. По предположениям учёных, диаметр девятой планеты в 3,7 раза превышает земной, а температура на поверхности составляет −226 градусов Цельсия. Соответственно, её можно засечь с помощью инфракрасного телескопа, чувствительного к тепловым волнам.

Если девятая планета действительно существует, это делает нашу Солнечную систему похожей на ещё примерно 2000 планетарных систем, вращающихся вокруг других звёзд. Типичная планета в такой системе имеет массу от 1 до 17 земных. Если подобная Суперземля когда-то существовала, но затем была вытолкнута за пояс Койпера, это объясняет отличие Солнечной системы от её звёздных собратьев.

По иронии судьбы Браун сыграл важную роль в понижении Плутона до статуса карликовой планеты. В 2005 году он открыл Эрис, удалённое от Солнца ледяное небесное тело, примерно равное по размерам Плутону. Это открытие показало, что Плутон, который с 1930 года считался самой далёкой планетой Солнечной системы, — на самом деле не что иное, как крупнейший объект из множества в поясе Койпера. Возможно, предлагая новое небесное тело взамен Плутона, Браун пытается извиниться за то, что «уничтожил» целую планету.

Разумеется, может оказаться, что никакой девятой планеты на самом деле нет. Некоторые астрономы всё ещё скептически относятся к этому предположению. Как бы там ни было, закон всемирного тяготения Ньютона до сих пор помогает нам видеть невидимое.

Экзопланеты

На сегодняшний день нам известно несколько тысяч планет, вращающихся вокруг других звёзд. При этом лишь малую долю из них астрономы действительно видели. Существование большей части было рассчитано, исходя из их воздействия на свои солнца. Всё снова сводится к закону всемирного тяготения Ньютона. Солнце притягивает планету с той же силой, что и планета — солнце. Разумеется, звезда имеет существенно бо́льшую массу и сдвинуть с места её труднее. Тем не менее некоторое движение всё же происходит.

Строго говоря, планеты не вращаются вокруг неподвижного солнца. Это всего лишь одно из допущений, сделанных Ньютоном для более удобной системы расчётов. На самом деле и планета, и её солнце движутся вокруг их общего центра массы. Так как масса солнца куда больше, чем масса планеты, этот центр располагается ближе к центру звезды (обычно внутри неё).[93] Пока планета перемещается вокруг него по большой орбите, солнце движется по крошечной.

Можно описать это движение и другим способом: находясь в одной части орбиты, планета тянет своё солнце на себя, а перейдя на другую половину орбиты, начинает тянуть в противоположном направлении. Из-за этого звезда подрагивает, и, используя высокочувствительные приборы, учёные на Земле могут засечь эти колебания. Вы наверняка заметили, что частота или тональность сирены повышаются, когда полицейская машина приближается к вам, и понижаются, когда она отдаляется. Точно так же и частота света, выделяемого звездой, повышается или понижается в зависимости от того, движется эта звезда в сторону Земли или от неё. Измерив величину допплеровского смещения для атомов самых распространённых элементов, например водорода, астрономы могут рассчитать скорость звезды при приближении или удалении от нашей планеты.

В тех случаях, когда на звезду действует гравитация планеты, максимальная скорость колебания составляет несколько метров в секунду для планет размером с Юпитер и всего десяток сантиметров в секунду для небесных тел, схожих по размерам с Землёй. Иными словами, шар раскалённого газа, зачастую имеющий в диаметре более миллиона километров, перемещается в нашем направлении со скоростью бегущего человека, а от нас — со скоростью черепахи. Это кажется невероятной технической задачей, но астрономы могут измерять такие скорости, используя высокочувствительные спектрографы. Именно так мы узнаём о существовании невидимых планет.[94] Только в середине 1990-х их было открыто более 2000, а прямо сейчас учёные занимаются поисками второй Земли.[95]

Самый яркий пример того, как с помощью закона всемирного тяготения Ньютона мы можем увидеть невидимое, относится не к звёздам и планетам, а к более крупным объектам во Вселенной. В конце XX века учёные, к своему изумлению, обнаружили, что звёзды и галактики, которые раньше считались основными компонентами космоса, составляют лишь малую его часть. Оказалось, что во Вселенной есть гораздо больше объектов, чем мы могли вообразить, и что значительная их часть скрыта от человеческого взора.

Невидимая Вселенная

В конце 1960-х – начале 1970-х годов астрономы Вера Рубин и Кент Форд из отдела земного магнетизма в Институте Карнеги в Вашингтоне занимались изучением спиральных галактик. Эти звёздные водовороты составляют примерно 15% от всех галактик, и к этому типу относится наш Млечный Путь. Рубин и Форд хотели выяснить, с какой скоростью звёзды в спиральных галактиках вращаются относительно их центра.

Они выбрали для изучения те галактики, которые повёрнуты к Земле ребром, потому что в них звёзды перемещаются вдоль линии прямой видимости. Использовав сверхчувствительный спектрограф, они сумели измерить скорость звёзд с непревзойдённой точностью.

Чем дальше от центра галактики, тем меньше должно быть значение силы притяжения. Соответственно, Рубин и Форд ожидали, что звёзды на границе спирали будут вращаться медленнее, как планеты в Солнечной системе, скорость движения которых уменьшается по мере удаления от Солнца.

Но они обнаружили нечто совсем иное.

Насколько учёные могли видеть, на всех орбитах вокруг центра спиральной галактики скорость звёзд оставалась постоянной. Звёздный водоворот был слишком быстрым. Казалось бы, при такой скорости их должно было бы отбрасывать в стороны, как сиденья на цепочной карусели. Они давно должны были оторваться от галактики и пуститься в свободное космическое плавание. Сила притяжения к центру галактики не должна была их удерживать.

Но удерживала.

Современные астрономы, как и их коллеги в XIX веке, непоколебимо верят в закон всемирного тяготения Ньютона, который за все эти годы принёс им столько успешных открытий.[96] Поэтому Рубин и Форд придумали этому аномальному поведению звёзд объяснение, которое недалеко ушло от рассуждений Адамса и Леверье о странном движении Урана. Видимо, звёзды в спиральных галактиках не разлетаются потому, что их удерживает сила гравитации, присущая большему объёму материи, чем можно увидеть в телескоп. Гораздо большему объёму.

Судя по всему, каждая спиральная галактика окружена сферическим облаком тёмной материи (чтобы представить это наглядно, вообразите себе компакт-диск в центре пчелиного роя). Тёмная материя либо вообще не излучает свет, либо излучает недостаточно, чтобы его могли зафиксировать современные приборы, а её масса превышает массу видимых звёзд примерно в десять раз.

Открытие Нептуна показало учёным, что они долгое время не замечали целой планеты в Солнечной системе. Открытие тёмной материи имело куда более серьёзное значение. Оно показало нам, что мы долгое время не замечали почти всю Вселенную.

Мнение о том, что Вселенная больше, чем нам кажется, высказывалось ещё в 1930-х годах. Фриц Цвикки, американский астроном швейцарского происхождения из Калифорнийского технологического института в Пасадине, наблюдал за скоплениями галактик. К своему удивлению, он обнаружил, что галактики, из которых состоят подобные скопления, вращаются с такой скоростью, что давно должны были бы разлететься. Примерно в то же время в Голландии Ян Оорт открыл, что звёзды, находящиеся недалеко от нашего Солнца, вращаются быстрее ближе к центру Млечного Пути, что можно объяснить притяжением видимой материи внутри солнечной орбиты.

Цвикки заключил, что в скоплениях галактик на самом деле имеется больше материи, а Оорт понял, что не всю материю в нашей собственной Галактике можно рассмотреть в телескоп. Именно дополнительное притяжение этой тёмной материи, как назвал её Цвикки (он использовал немецкий термин Dunkle Materie), удерживает вместе звёзды и галактики.

Идея о невидимых массах во Вселенной по каким-то причинам оказалась непопулярной в астрономических кругах (возможно, потому, что в неё сложно было поверить). Но ситуация изменилась, когда Рубин и Форд представили свои наблюдения за звёздами в спиральных галактиках.[97] Множество звёзд вели себя аномальным образом, и закрывать на это глаза было нельзя.

Гравитация не только указывает на наличие тёмной материи, но и позволяет рассчитать её распределение. Дело в том, что по пути к Земле свет от дальних галактик искривляется за счёт силы притяжения тёмной материи. По искажению, или «линзированию» изображений, таких галактик можно понять, как тёмная материя была распределена на их пути. Прямо сейчас в горах Чили идёт создание телескопа, который поможет учёным исследовать этот эффект. Большой обзорный телескоп (Large Synoptic Survey Telescope) станет чем-то вроде телескопа наоборот.[98] Его задачей будет собирать свет и создавать изображения тьмы.

Свидетельствами существования тёмной материи являются не только спиральные галактики. Есть и ещё одно важное место. Вселенная появилась 13,82 миллиарда лет назад в результате Большого взрыва и с тех пор расширяется и остывает. Из обломков материи после взрыва родились около 100 миллиардов галактик, включая и наш Млечный Путь. Единственный минус этого сценария в том, что он не учитывает одну довольно важную характеристику Вселенной — существование людей.

Галактики появились на свет потому, что какие-то области гигантского огненного шара во время Большого взрыва оказались более плотными, чем другие (считается, что эти «колебания плотности» в первые доли секунды после взрыва оставили свой отпечаток на всей Вселенной в виде квантовых процессов, но это уже совсем другая история).[99] Так как более плотные области имели чуть бо́льшую силу притяжения, она накапливали материю быстрее, чем другие. Дополнительная масса увеличивала силу притяжения и так далее по замкнутому кругу. Но дело в том, что этот процесс идёт очень медленно; 13,82 миллиарда лет, прошедших с момента зарождения Вселенной, было бы недостаточно для формирования таких больших галактик, как Млечный Путь. Значит, во Вселенной должно существовать больше материи, которую мы не можем увидеть в телескопы. Материи, чья гравитация ускорила рождение галактик. Тёмной материи.

Масса всей тёмной материи во Вселенной превышает массу видимой материи (включая галактики, звёзды и прочие объекты, состоящие из атомов, вроде нас с вами) примерно в 5–6 раз. На самом деле благодаря европейскому телескопу «Планк», который регистрирует «остаточное свечение» Большого взрыва, мы можем назвать даже более точную цифру. В то время как атомы составляют 4,9% энергии массы в нашей Вселенной, 26,8% приходится на тёмную материю. Оставшиеся 68,3% известны также как «тёмная энергия». Они были открыты в 1998 году, невидимы для человеческого глаза, заполняют собой весь космос и обладают отталкивающей гравитацией, но это тоже совсем другая история.[100]

Если вы спросите меня, что такое тёмная материя, я не смогу ответить вам ничего по существу. Некоторые считают, что она состоит из ещё неизвестных человечеству субатомных частиц. Некоторые физические теории, например теория суперсимметрии, постулируют существование доселе неизвестных фундаментальных частиц, которые не «чувствуют» электромагнитную силу и потому не испускают электромагнитных волн, то есть света. Ещё одно предположение состоит в том, что чёрная материя — это множество чёрных дыр, каждая весом с Юпитер и размером с холодильник, которые возникли под воздействием сил Большого взрыва.[101]

Если тёмная материя состоит из «допотопных» чёрных дыр и они равномерно распределены по всей Вселенной, то до ближайшей такой дыры нам придётся лететь 30 световых лет, почти в десять раз дальше, чем до самой близкой к Земле звезды, Альфе Центавра. Если же она состоит из субатомных частиц, то прямо сейчас тёмная материя проходит сквозь вас, не встречая сопротивления, как пуля через сгусток тумана. Лишь одно можно сказать о тёмной материи с полной определённостью: если вы разгадаете её природу, в Стокгольме вас будет ждать ваша Нобелевская премия.

Говоря современным языком, Нептун был тёмной материей своего времени. Но если мы перенесёмся на машине времени в XIX век, то узнаем, что он был не один. Существовала и ещё одна загадочная ускользающая планета, и называлась она Вулкан.

Вулкан

Наверняка многие из вас при слове Вулкан вспомнили родную планету Спока из сериала «Звёздный путь». Джин Родденберри, создавший его ещё в 1960-х годах, выбрал название не случайно. Такая планета действительно существовала, по крайней мере в воображении астрономов XIX века, в частности Леверье.

После триумфального предсказания о существовании Нептуна звезда Леверье взошла на небосклоне науки, и в 1854 году его назначили директором Парижской обсерватории. Но никакая работа, никакие достижения не давали ему того чувства восторга, которое он испытал, чудесным образом найдя новый мир на окраине Солнечной системы. За это открытие монаршие особы искали его расположения, а научный мир и вовсе боготворил. Слава и преклонение вскружили ему голову, и он хотел получать их снова и снова. Если бы только он мог повторить свой успех, если бы ещё раз сумел сделать невероятное предсказание, которое поразит всё человечество. Для этого Леверье решил обратить своё внимание на внутреннюю, а не на внешнюю часть Солнечной системы.

Он задался амбициозной целью: полностью изучить орбиты Меркурия, Венеры, Земли и Марса. Если он сделает это, то, возможно, найдёт какую-нибудь аномалию, которая приведёт его к новому блестящему открытию.

Как я уже упоминал, на каждую планету действует не только сила притяжения Солнца, но и гравитация прочих планет. В результате такого влияния планета не вращается постоянно по одному и тому же пути. Вместо этого её эллиптическая орбита смещается с течением времени, заставляя планету двигаться по розетковидному маршруту. Из-за прецессии во время подхода к Солнцу на минимальное расстояние (перигелий) путь планеты плавно его огибает. Астрономы называют такую точку прецессией перигелия.[102]

В 1843 году, за три года до открытия Нептуна, Леверье впервые занялся четырьмя внутренними планетами Солнечной системы. Чтобы рассчитать орбиту каждой из них, он мучительно складывал значения гравитационного воздействия всех остальных планет Солнечной системы. К сожалению, его предположения не соответствовали наблюдениям. Леверье подозревал, что дело было в недостаточно точной информации о расстояниях и массах планет. Итак, через десять лет после своего триумфа с Нептуном он решил внести ясность в планетарную статистику.

В 1852 году самым точным средним значением расстояния от Земли до Солнца считались 95 миллионов миль[103]. К 1858 году Леверье уточнил эту цифру — 92,5 миллиона миль[104] (что лишь на половину процента отличается от результатов современных измерений). Ещё через год, вооружённый этим знанием, Леверье ещё раз принялся за расчёт планетарных орбит.

Это было долгое и утомительное предприятие, и, как и 16 лет назад, Леверье не удалось добиться успеха. Его расчёты не сходились с результатами наблюдений, полученными астрономами. Но Леверье верил в закон всемирного тяготения Ньютона и в собственную математическую интуицию, а потому продолжил расчёты. Ему всё ещё казалось, что дело в недостаточно точных данных относительно масс планет и расстояний между ними. Он попытался корректировать их по одному. Эта задача отняла у него очень много времени, но в конце концов его усилия принесли свои плоды. Нужно было внести лишь небольшое изменение, чуть увеличив массы Земли и Марса, и можно было точно рассчитать орбиты всех внутренних планет.

Всех, кроме одной.

Меркурий — самая близкая к Солнцу планета, а также самая маленькая в Солнечной системе. Даже луна Юпитера Ганимед превышает её по размеру.

Согласно расчётам Леверье, притяжение ближайшей к Меркурию планеты, Венеры, заставляет его перигелий приближаться к Солнцу примерно на 1/5000 длины его орбиты каждые 100 лет. Астрономы при описании подобного явления использовали бы ещё более непонятные термины. Они бы сказали, что Венера заставляет перигелий Меркурия сдвигаться на 280,6 угловой секунды в столетие (одна угловая секунда равна 1/60 угловой минуты, а угловая минута — 1/60 градуса). Леверье рассчитал, что притяжение газового гиганта Юпитера добавляет к этому ещё 152,6 угловой секунды в 100 лет, Земли — 83,6 угловой секунды, а оставшихся планет — всего 9,9 угловой секунды. Сложив все эти числа, Леверье получил значение для прецессии перигелия Меркурия — 526,7 угловой секунды за 100 лет.

Вот только это значение было неправильным. Тщательные наблюдения за Меркурием показали, что его перигелий сдвигается примерно на 565 секунд в столетие. Это означает отличие от расчётных значений, равное 38 угловым секундам (современное значение составляет 43 угловых секунды за 100 лет).

Расхождение было крошечным, но Леверье проводил достаточно точные расчёты, чтобы показать, что оно действительно существует. Каждые 100 лет прецессия перигелия Меркурия составляла на 38 угловых секунд больше необходимого. Иными словами, даже если бы все прочие планеты Солнечной системы покинули её и улетели в космос, то есть не оказывали бы никакого влияния на Меркурий, он всё равно двигался бы по своему розеточному пути, который повторяется примерно раз в три миллиона лет и который совершенно невозможно объяснить.

Леверье не верил своим глазам. Аномалия с Ураном повторялась! На Меркурий должно было действовать скрытое от человеческих глаз небесное тело, расположенное внутри орбит внутренних планет. Леверье пришлось собраться с духом, чтобы озвучить своё предположение. Возможно ли, что этим телом была новая планета?

Чтобы рассчитать её скорость, Леверье предположил, что она движется по орбите на полпути между Меркурием и Солнцем. Если её масса была примерно равна массе Меркурия, её воздействие как раз могло бы объяснить его необычную прецессию. На этом этапе тут же возник вопрос: почему такую большую планету ещё не заметили астрономы? Разумеется, рассмотреть её было бы сложно из-за солнечного света, но она должна была быть видна во время полных солнечных затмений, когда Луна полностью закрывает собой солнечный диск и становятся видны даже очень близкие к нему звёзды.

А если дело не в планете, в чём ещё оно могло бы быть? Леверье задумался, может ли странное поведение Меркурия объясняться воздействием группы астероидов, движущихся по орбите между ним и Солнцем. Если так, то некоторые из этих объектов могли быть достаточно большими, чтобы можно было увидеть их прохождение (транзит) по солнечному диску.

Удивительно, но проходящие таким образом объекты уже наблюдались ранее. Сельский врач из Франции по имени Эдмон Модест Лескарбо увлекался астрономией. Задумавшись о поясе астероидов между Марсом и Юпитером, открытом в начале XIX века, он решил выяснить, где ещё в Солнечной системе могут находиться подобные объекты.[105] Он уже видел Меркурий (чёрную точку на фоне Солнца) в свой рефракторный телескоп диаметром четыре дюйма[106], установленный в Оржер-ан-Бос, что примерно в 70 километрах от Парижа. Естественно было бы предположить, что, если между Меркурием и Солнцем имеются астероиды, их тоже можно рассмотреть подобным образом.

В субботу 26 марта 1858 года Лескарбо работал в своей клинике. У него появилось свободное время между приёмами, и он решил посвятить его наблюдениям за Солнцем. Чтобы не ослепнуть, он проецировал изображение солнечного диска на бумагу. На этой проекции его внимание привлекла крошечная чёрная точка, расположенная на самом краю Солнца. Разумеется, Лескарбо не терпелось увидеть её перемещение, но наступило время принимать следующего пациента. Когда астроном смог вернуться к своему телескопу, он с облегчением обнаружил, что точка никуда не делась. Лескарбо следил за ней до тех пор, пока она не скрылась за пределами солнечного диска. Он засёк время транзита — 1 час 17 минут 19 секунд. Именно такой скорости орбитального движения стоило ожидать от астероида во внутренней части Солнечной системы.

Поразительно, но Лескарбо никому не сообщил о своём открытии. Только через девять месяцев, прочитав статью Леверье о возможном существовании между Меркурием и Солнцем ещё одного объекта или объектов, он решился написать в Парижскую обсерваторию.

Леверье отнёсся к заявлениям доктора крайне скептически, но стремление повторить успех с Нептуном пересилило. Он вынужден был встретиться с коллегой. Тридцать первого декабря 1859 года Леверье сел на поезд из Парижа в Оржер-ан-Бос, даже не предупредив Лескарбо о своём приезде. Он ожидал увидеть провинциального любителя, но вместо этого обнаружил первоклассного учёного, создавшего высокоточные научные инструменты. Подробно расспросив Лескарбо о его наблюдениях, Леверье уверился в правдивости его слов.

Невероятно, но ему снова улыбнулась удача. Успех, пришедший к нему с открытием Нептуна, повторился. Он верно предсказал существование ещё одной планеты между Меркурием и Солнцем. Поистине он был богом среди людей.

Вернувшись в Париж, Леверье перевёл открытие Лескарбо на язык цифр. Если новая планета вращается вокруг Солнца по окружности, то она должна полностью проходить свою орбиту за 21 день. Соответственно, несколько раз в году можно наблюдать её транзит по солнечному диску.

Леверье объявил об открытии новой планеты, вызвав этим восхищение всего мира. К февралю 1860 года у неё появилось имя. Планеты называют именами древних богов, а кузнецом на горе Олимп, где они жили, был Вулкан. Это имя прекрасно подходило, ведь новую планету постоянно опалял солнечный жар. Итак, она стала Вулканом.

Другие астрономы, в частности специализировавшиеся на пятнах на Солнце, быстро заявили, что тоже наблюдали транзит Вулкана, но не распознали в нём планету.[107] Следующий случай увидеть её прохождение по солнечному диску должен был представиться между 29 марта и 7 апреля 1860 года. Астрономы в индийском Мадрасе и в Австралии (Сиднее и Мельбурне) внимательно наблюдали за Солнцем всё это время. Но ничего не произошло.

Шли годы. Некоторые учёные заявляли, что видели новую планету, но большинство других её не замечали. Кроме того, наблюдения свидетелей ни разу не подтверждались независимыми третьими лицами.

После полного солнечного затмения 7 августа 1869 года некоторые наблюдатели снова заявили, что видели Вулкан. К счастью, свидетелем этого события был и пионер космической фотографии Бенджамин Апторп Гулд из Берлингтона, штат Айова. Он сделал 42 снимка туманной белой «короны» вокруг Солнца, которая видна только во время полных затмений. Ни на одной из фотографий не было и следа новой планеты.

Решающий удар по открытию Леверье нанесло полное затмение 29 июля 1878 года. Множество астрономов на поездах железной дороги Union Pacific отправились на Средний Запад в город Роулингс, штат Вайоминг. Среди них были и величайшие наблюдатели того времени, в том числе Саймон Ньюком из Военно-морской обсерватории в Вашингтоне (к сожалению, история запомнит его в первую очередь как человека, провозгласившего, что предметы тяжелее воздуха не могут летать, прямо накануне первого полёта братьев Райт) и Норман Локьер, который 20 октября 1868 года, сидя в своём саду в лондонском пригороде Уимблдоне, открыл в составе Солнца гелий — первый элемент, который сначала обнаружили в космосе, а потом выявили на Земле. Даже знаменитый на весь мир изобретатель Томас Эдисон принял участие в этом предприятии.

Добравшись до Роулингса, учёные разбрелись по подходящим для наблюдения точкам и начали устанавливать свою аппаратуру. Небо было затянуто облаками, а глаза их постоянно слезились от пыли и песка, которые ветер швырял им в лицо. Тем не менее, несмотря на погоду и помехи в работе оборудования, многие из них увидели и даже сфотографировали затмение. Новую планету заметил только один.

Джеймс Крейг Уотсон, директор обсерватории Энн-Арбор в штате Мичиган, сообщил, что видел небольшой красноватый объект, вращавшийся вокруг Солнца внутри орбиты Меркурия. Новость немедленно облетела весь мир. Возможно ли, что через 20 лет после того, как Леверье предсказал существование новой планеты, она наконец-то явила себя людям?

Проблема состояла лишь в том, что никто больше её не заметил. Многие наблюдатели видели маленькое красное пятнышко, но опознали в нём тусклую звезду Тета Рака. Уотсон стоял на своём, даже когда уже было довольно очевидно, что его коллеги правы, а он ошибается. Он умер от болезни в 42 года в 1880 году и до самой кончины был уверен, что своими глазами видел Вулкан.

Расклад сил поменялся, и учёные пришли к мнению, что Вулкана не существует и никогда не существовало. Он оказался лишь фантазией, памятником человеческим заблуждениям, символом того, какой силой обладают желания. От Вулкана остались лишь полузабытые исторические сведения и имя планеты, на которой родился Спок.

Неразгаданная загадка

На самом деле предположение о существовании Вулкана вовсе не было таким уж безумным. Только в нашей Галактике вокруг звёзд вращаются тысячи планет, и многие из них похожи на Вулкан.

Одним из самых неожиданных открытий современной астрономии стало обнаружение газовых гигантов, которые находятся ближе к своим звёздам, чем Меркурий к Солнцу. Эти «горячие юпитеры» не могли сформироваться на таком расстоянии от звёзд. Газ нагрелся бы слишком сильно, и его атомы начали бы двигаться с такой скоростью, что сила притяжения не смогла бы удержать их вместе. Астрономы полагают, что «горячие юпитеры» рождаются гораздо дальше от своих солнц. Трение между ними и диском из космического мусора и обломков, из которого рождаются другие планеты, заставляет их двигаться по спирали и подходить ближе к звезде. Считается, что такая планетарная миграция произошла в доисторические времена и в нашей Солнечной системе. Судя по всему, Юпитер и Сатурн некоторое время играли в космические «музыкальные стулья», прежде чем занять свои места.

Глядя на планетарные системы вокруг других звёзд, можно заметить, что наша Солнечная система слишком вытянута. Орбиты более чем половины экзопланет находятся ближе к своим звёздам, чем орбита Меркурия к Солнцу. Вулканы в изобилии встречаются в нашей Галактике. Возможно, это иллюзия, вызванная ошибкой восприятия. Астрономы находят экзопланеты по колебаниям звёзд или потускнению их света, а планеты, близкие к своему солнцу, заметить легче всего, потому что они обычно быстро проходят полный круг по своим орбитам.

Возможно, что и наша Солнечная система стала необычной лишь какое-то время назад. Если верить компьютерным симуляциям её зарождения, изначально в непосредственной близости от Солнца могло вращаться несколько планет, которые затем столкнулись, и Меркурий оказался единственным выжившим. Если этот сценарий верен, то Вулкан действительно существовал. Вот только он разминулся с человечеством на 4,55 миллиона лет.

Леверье умер 23 сентября 1877 года. Он разгадал секрет необычного движения Урана, открыл Нептун и расширил границы Солнечной системы. Но Вулкан ускользнул от него, и он понимал, что не нашёл объяснения необычному движению Меркурия.

Наступил XX век, полный чудес: рентгеновских лучей, радиоактивности и летающих машин, подчиняющихся воле человека. Аномальное поведение Меркурия считалось любопытной, но не такой уж важной задачкой. Никто не думал о ней день и ночь, мало кто вообще о ней задумывался. Потому-то никто и не заподозрил, что подобное поведение подсказывает нам: как это ни удивительно, но Ньютон был не прав насчёт гравитации.

Человека, который понял это и создал дополненную теорию гравитации, звали Альберт Эйнштейн. Но ещё до того, как он осознал неправоту Ньютона в отношении силы тяготения, Эйнштейн понял, что его великий предшественник неверно понимал характер её основ — пространства и времени.

Для дополнительного чтения

Aw T. Map of the Invisible World. — London: Fourth Estate, 2010.

Levenson T. The Hunt for Vulcan... And how Albert Einstein destroyed a planet, discovered relativity and deciphered the Universe. — London: Head of Zeus, 2015.

Schilling G. The Hunt for Planet X. — New York: Copernicus Books, 2009.