Гюйгенс. Волновая теория света

ГЛАВА 2 Загадка Сатурна

Сатурн оказался одной из самых сложных загадок нового космоса, постепенно открывающегося с помощью телескопов. Эта многоликая планета не давала покоя астрономам с того самого момента, как на нее обратил внимание Галилей в 1612 году. А 40 лет спустя молодой Гюйгенс предложил простое, изящное и совершенно неожиданное решение.

Как оказалось, Париж — это не только крысы, клопы и уличное зловоние. Гюйгенсу удалось встретиться здесь с музыкантами и поэтами, знакомства с которыми он так искал. Христиан так описывал причины, по которым его спутники, в том числе младший брат Лодевейк и кузен Луи Дубле, мечтали посетить столицу Франции:

«Один заявил, что приехал, чтобы научиться вести себя в благородном обществе; второй — чтобы познакомиться со знаменитостями; третий, напротив, интересовался красивыми зданиями и последней модой; четвертый просто хотел уехать подальше от дома. После долгих споров, часто довольно жарких, мы почти единодушно пришли к выводу, что, хотя здесь и большие заработки, они не стоят того, чтобы преодолевать такое огромное расстояние».

Из-за общего юмористического тона письма в нем не упоминалась пятая причина, которая и была вознаграждением за тяготы 500-километрового путешествия. Гюйгенс попал в Париж эпохи Grand Siecle — Великого века, когда как раз вошли в моду так называемые салоны. Однако наряду с литературными вечерами маркизы де Ментенон и мадемуазель де Скюдери свои собрания устраивали и ученые. Благодаря рекомендациям отца Христиан был введен в кружки Клода Милона и Абера де Монмора, которые впоследствии стали основой полноценных научных организаций с продуманной структурой и большими ресурсами, таких как Французская академия наук. В Королевской библиотеке, включавшей почти 20 тысяч томов, Гюйгенс познакомился с поэтом Жаном Шапленом, астрономами Адриеном Озу, Исмаэлем Буйо и Жилем Робервалем. Члены этой группы беспокойных искателей именовали друг друга самым благородным, по их мнению, титулом — математиками.

Всем известно, что секрет успешной карьеры заключается в полезных связях. Это правило работает и сейчас, а уж в научном сообществе XVII века, когда не существовало профессиональных журналов и главным источником информации служила переписка, оно было еще более безотказным. Личные знакомства имели огромное значение, так как позволяли быть в курсе последних открытий и исследований. Часто большие трактаты включали страницы, которые до этого пересылались по почте и успели пересечь пол-Европы. Переписываясь друг с другом, ученые исправляли ошибки, делились трудностями и рассказывали о своих гипотезах. В этих письмах упоминались самые разные новости, говорилось, что получателю или его знакомым были высланы такие-то книги или высказывались просьбы о пересылке работ, которые невозможно было получить другим способом. Один из самых ярких примеров такой переписки, больше похожей на совместное исследование, мы видим в письмах, которыми обменивались Блез Паскаль и Пьер Ферма. В четыре руки они создали основы современной теории вероятностей, отталкиваясь от задачи, которую поставил перед Паскалем Антуан Гомбо, или, как он себя называл, шевалье де Мере. Скорее всего, Гюйгенс узнал об этой задаче во время своего первого путешествия в Париж. Научные загадки притягивали его, как магнит, и юноша тут же задумался о решении. При этом Гюйгенс самостоятельно пришел ко многим выводам, уже сделанным Паскалем и Ферма, а также сформулировал оригинальные идеи, которые изложил со свойственным ему изяществом в работе De ratiociniis in ludo aleae («О расчетах в азартной игре»).

Французский математик Симеон Дени Пуассон (1781-1840) считал, что в основании теории вероятностей лежала «задача, связанная с азартными играми, которую задал светскому льву суровый янсенист». В результате этого необычного сотрудничества появилась новая область математики. Светским львом был шевалье де Мере (это скорее прозвище, чем титул), а в качестве сурового янсениста выступал Блез Паскаль. Задача же осталась в истории под названием задачи о разделении ставок и звучит следующим образом.

Двое игроков начинают азартную игру, в которой имеют одинаковые шансы на выигрыш. Они делают одинаковые ставки, выигрыш должен достаться победителю — тому, кто первым выиграет определенное количество партий подряд. Если вдруг игру придется прервать, как должны действовать игроки, чтобы разделить деньги наиболее справедливым образом?

Портрет Блеза Паскаля.

Шевалье де Мере вдохновил еще более интенсивные исследования, предложив и смежные задачи. Так же поступили Паскаль, Ферма и многие другие, кому был известен предмет переписки. Не стал исключением и юный Христиан Гюйгенс. Каков был его вклад? Споры об этом ведутся до сих пор. Мы же приведем его собственные слова из письма к ван Схотену, которым открывался его труд «О расчетах в азартной игре»: «Необходимо заявить, с другой стороны, чтобы никто не приписал мне честь первого открытия, которая мне не принадлежит, что некоторые знаменитейшие математики Франции уже давно занимаются такими вычислениями. Однако эти мудрецы, хоть и бросили себе вызов и предложили множество очень сложных задач, держат свои методы решения в тайне. Поэтому мне пришлось самому исследовать весь этот предмет...» На сей раз Гюйгенс не стал тянуть с публикацией работы, как это бывало в других ситуациях, когда он из-за своей медлительности подчас терял право на первенство. Между его путешествием в Париж и изданием книги, которую он отправил ван Схотену в мае 1656 года, прошел всего год. Более полувека она оставалась единственным изданием по теории вероятностей. Таким образом, Гюйгенс заполнил большой пробел по этой теме, и его работа заняла место между первыми пробами Кардано и Галилея и великим трудом Ars Conjectandi («Искусство предположений») Якоба Бернулли.

Константин открыл перед сыном все возможности для того, чтобы тот попал на дипломатическую службу, однако Христиан нашел другое применение полезным связям. Его открытие Титана произвело фурор в Париже, и когда Жан Шаплен стал уговаривать ученого опубликовать его, тот не стал возражать. Тем не менее Гюйгенса терзали сомнения, которые преследовали его на протяжении всей научной карьеры: он считал, что работа была неполной. Разве можно считать трактат о Сатурне законченным, если в нем не раскрыта тайна его удивительной многоликости?

Телескоп не только помог заложить основы новой модели космоса, но и способствовал появлению неожиданных головоломок. Загадку Сатурна в течение почти полувека пытались отгадать самые выдающиеся астрономы.

В марте 1610 года был опубликован революционный труд Галилея Sidereus nuncius («Звездный вестник»), который, однако, не стал последним в списке достижений пизанского ученого. В августе того же года он написал Кеплеру письмо, в котором содержалась сложная анаграмма: Smaismrmilmepoet aleumibunenugttaviras. Кеплер приложил все силы для расшифровки. Какое же новое небесное чудо открыл Галилей? Он был настоящим охотником за спутниками, а Кеплер создал теорию, согласно которой у Марса их должно было быть два. Кеплер переставлял буквы и так и сяк, пока не получил осмысленную фразу: Salve umbistineum geminatum Martia proles («Привет вам, близнецы, порождение Марса»). Выходит, Галилей увидел те два спутника Марса, которые искал Кеплер? На самом деле немецкий астроном немного схитрил и поменял одну из букв: n у него превратилась в гласную и, которой ему не хватало. Правильным ответом была фраза: Altissimum planetam tergeminum observavi («Отдаленнейшую из планет наблюдал тройную»). Сатурн был наименее яркой планетой и самой далекой из всех, которые можно видеть невооруженным глазом. Более откровенным, нежели с Кеплером, Галилей был с великим герцогом Тосканским Козимо И. Он не испытывал терпение сановника шифрованными посланиями, а ясно рассказал об увиденном:

«Я... открыл еще другое необычайнейшее чудо: [...] звезда Сатурна не является одной только, но состоит из трех, которые как бы касаются друг друга [...], причем средняя из них примерно в три раза больше, чем две боковые; и они расположены в форме оливы».

Галилей надеялся, что облик этих трех небесных тел будет меняться с течением времени, так как спутники должны двигаться по своей орбите вокруг Сатурна. Но, к его великому удивлению, боковые тела оставались неподвижными. В одном из последующих писем Кеплеру Галилей назвал их «покорными служителями этого старика [Сатурна], которые следят за каждым его шагом и никогда не отдаляются от него». Кеплер предложил другое объяснение этому удивительному открытию. Это могли быть не спутники, а три части единой планеты: «Я не считаю Сатурн стариком, а сферы, которые его сопровождают, его служителями; что же касается этой трехчастной формы, я приписываю ее Гериону». (Герион был гигантским чудовищем, состоящим из трех тел, мифологическим противником Геракла в одном из его 12 подвигов.)

Поскольку расположение частей этой системы не менялось, Галилей занялся исследованием пятен на Солнце. Можно сказать, что Сатурн воспользовался тем, что ученый отвлекся, и осуществил свою первую «мутацию». Когда через некоторое время Галилей вновь обратил свое внимание на эту планету, то был чрезвычайно удивлен:

«В этом году [1612], около солнечного равноденствия, я опять наблюдал три тела Сатурна. После того как я потерял его из вида более чем на два месяца, будучи убежденным в его постоянстве, я опять решил понаблюдать за ним несколько дней тому назад.

На сей раз я увидел его в одиночестве, без поддержки его второстепенных планет, и более того, он был абсолютно круглым и ясно очерченным, как Юпитер. Что можно сказать об этом необычном превращении? Что две эти меньшие звезды исчезли, как это бывает с пятнами на Солнце? Сатурн съел своих детей?»

В XVII веке среди астрономов распространился любопытный способ, которым они обеспечивали свое первенство какого-либо открытия, если оно считалось еще не готовым для публикации. Открытие записывалось в одной фразе, а затем ее буквы переставлялись так, что смысл было невозможно понять. В таком виде фразу вставляли в письмо авторитетным коллегам. Если открытие не подтверждалось, головоломка так и оставалась без разгадки. Если же догадка оказывалась верной, автор открывал решение и обнародовал дату первого письма, важную для установления первенства. Галилей был виртуозом подобных словесных игр и обычно писал анаграммы, то есть и исходная фраза, и шифр имели смысл. Например, в сентябре 1610 года он написал Кеплеру письмо со словами: Наес immatura a me iam frustra legentur о.у. («Эти незрелые буквы зря я читал: о, у»), что означало: Cynthiae fi guras aemulatur mater amorum («Мать любви подражает видам Цинтии*). Под Цинтией Галилей имел в виду богиню Луны, родившуюся на горе Цинто. Матерью любви была Венера. Смысл фразы состоял в том, что у Венеры были такие же фазы, как и у Луны. Гюйгенс восхищался Галилеем, но сам не слишком увлекался такими играми. Чтобы зашифровать открытие Титана, Христиан просто взял цитату из Овидия и добавил к ней недостающие буквы.

У Кеплера был настоящий талант неправильно интерпретировать загадки Галилея. Мы уже упомянули, как однажды ученый решил, что Галилей наблюдал два спутника Марса (впрочем, у этой планеты действительно оказалось именно два спутника, Фобос и Деймос, которые были открыты два столетия спустя, в 1877 году). А анаграмму Галилея, в которой тот зашифровал сведения о Венере, Кеплер прочел как Macula rufa in Jove est gyratur mathem, etc., то есть: «На Юпитере есть красное пятно, которое движется матем (этически)»». Правда, Кеплер добавил несколько недостающих букв и убрал лишние. В этот раз его ответ также был неправильным, но, тем не менее, ошибка Кеплера сама по себе ошибкой не являлась: в 1665 году на Юпитере действительно было замечено Большое Красное Пятно.

Страница из труда Гюйгенса Systems Saturnlum («Система Сатурна»), в котором он изложил решение анаграммы о кольце планеты.

Когда новость о капризном поведении Сатурна дошла до научного сообщества, тут же появились бесчисленные теории, пытавшиеся дать ему объяснение. Согласно первым гипотезам, ответ заключался в особом строении спутников, поскольку они были самым знакомым для астрономов типом небесных тел. Но если речь шла о спутниках, по какой причине они месяцами оставались неподвижными, а потом вдруг пропадали? Летом 1616 года Галилей вновь направил телескоп на эту далекую планету, желая проверить, как проходит метаморфоза от трех тел к одному. И ему открылась совершенно неожиданная картина.

Теперь у Сатурна было две рукоятки по бокам, как если бы он был кубком, поднятым к небесам. По рисунку, на котором ученый изобразил наблюдаемую картину, можно предположить, что он разгадал ее тайну, нарисовав кольцо. Но детальное описание, сделанное для кардинала Федерико Борромео, показывает, что это было не так:

«[Оба спутника Сатурна] больше не представляют собой две идеальные сферы, как раньше, но два очень крупных тела, и не являются круглыми, как показано на прилагаемом рисунке, но похожи на два полуэллипса с двумя маленькими темными треугольниками посередине, которые касаются центральной сферы Сатурна, каковая, как и всегда, предстает идеально округлой».

Два рисунка Сатурна работы Галилея(вверху) и Эустакио Дивини.

Впоследствии Галилей прибегал к разным терминам, чтобы описать увиденное, в частности он называл эти формы «митрами», но всегда говорил о паре «придатков». Последующие наблюдения, проводимые с помощью более сильных телескопов, казалось, давали очевидный ответ. Рассмотрим, например, гравюру, сделанную итальянским изготовителем телескопов Эустакио Дивини в 1649 году, когда кольцо Сатурна было видно лучше всего. По этим рисункам видно, что, интерпретируя информацию, полученную от органов чувств, мозг не ведет себя как беспристрастный судья — важнейшую роль играют наши ожидания и предубеждения.

Сатурн славится самым длинным орбитальным периодом — примерно 29 с половиной лет. После того как Галилей привлек к этой планете всеобщее внимание, в течение нескольких десятилетий астрономы увеличили количество наблюдений. Это позволило подтвердить прежние данные, но привело и к появлению ложных следов, так как используемые линзы сильно отличались по качеству, для них не существовало никакого единого стандарта, и результат наблюдений зависел от умений мастера и субъективного восприятия наблюдателя. Галилей и сам отмечал, что там, где один телескоп показывал слегка овальную фигуру, другой инструмент, с большим разрешением, выявлял три сферы. Некоторые далеко не совершенные изображения Сатурна одобрялись авторитетными астрономами, и оспорить их истинность после этого было непросто.

Результаты трех наблюдений Сатурна. Два верхних сделаны астрономом Фонтана в 1638 и в 1645 годах, нижний — Гассенди в 1634 году.

В течение первых десятилетий XVII века астрономы не видели кольца вокруг Сатурна не только из-за низкого разрешения телескопов, но и потому, что никто из них не ожидал увидеть в небе подобную фигуру. Сегодня мы знаем, что экватор Сатурна опоясан диском, следовательно, глядя на размытое изображение или на простой набросок, мы можем восполнить пробелы и «увидеть» кольцо, как этого и ожидаем.

Даже если Сатурн действительно имеет три воплощения — как одно тело, как три отдельных тела и как одно центральное тело с двумя рукоятками по бокам, — никто не мог представить совокупность масс, которая последовательно принимала эти три облика. В 1658 году, за год до того, как Гюйгенс опубликовал свой труд Systema Satumium, ученый и архитектор Кристофер Рен с некоторой растерянностью описывал положение дел:

«Лишь Сатурн отдаляется от нормы остальных небесных тел и являет нам настолько противоречивые фазы, что мы до сих пор не знаем, является ли он единой сферой, контактирующей с двумя более мелкими, или сферой с двумя большими впадинами, или с двумя пятнами, или походит на некий сосуд с двумя ручками по боками, или же, наконец, имеет какую-либо другую форму».

Гюйгенс уже открыл обычный спутник у этой необычной планеты. Сможет ли он решить и парадокс о ее многочисленных обликах? В ноябре 1665 года ученый уехал из Парижа обратно в Гаагу и сразу же возобновил свои астрономические наблюдения. К несчастью, в тот момент «ручки» уже почти исчезли, и вскоре Сатурн показал Христиану свой самый загадочный облик — сферу. Тем не менее в письме, датированном 8 февраля 1656 года, ученый утверждал, что нашел причину изменений планеты. Таким образом, он разгадал тайну Сатурна вслепую, в период, когда кольца не было видно. Поскольку ни один телескоп не мог показать его, Гюйгенсу пришлось воспользоваться зрением разума.

В середине марта 1656 года была отправлена в печать статья De Satumi luna observatio nova («Новые наблюдения спутника Сатурна»), в названии которой уже заявлялось об открытии Титана. В этой небольшой работе на двух страницах Гюйгенс предсказывал, что «ручки» планеты должны появиться вновь в апреле того же года. Он также заявлял, что решил парадокс трех обликов Сатурна, и предлагал другим ученым выдвинуть свои предположения, которые могли бы опровергнуть его. Гюйгенс спрятал разгадку в анаграмме: aaaaaaacccccdeeee eghiiiiiiillllmmnnnnnnnnnooooppqrrstttttu u u u и, «чтобы, если кто-то найдет такое же решение, как мое, он успел его обнародовать и чтобы нельзя было сказать, что он воспользовался моими мыслями или что я воспользовался его».

Этот вызов, вместе с ошеломляющей новостью об открытии Титана, возродил интерес к задаче, которую не смог решить даже Галилей.

До сих пор Сатурн водит астрономов за нос, или, лучше сказать, насмехается над ними из ненависти или хитрости.

Иоганн Георг Лохер, студент Иезуитской академии Ингольштадта

Несмотря на весь энтузиазм, никто из астрономов так и не дошел до правильного ответа. Как в старых детективных романах, после того как были высказаны неверные объяснения, слово должен был взять Гюйгенс. Но поскольку ученый был занят созданием первых часов с маятником, он заставил себя упрашивать до лета 1659 года, когда наконец опубликовал свою Systema Satumium. В этой работе он излагал решение анаграммы: Annulo cingitur, tenui, piano, nusquam cohaerente, ad eclipticam inclinato («Кольцом окружен тонким, плоским, нигде не прикасающимся, к эклиптике наклоненным»). Эклиптика — это полезная координата для астрономов, определяющая положение земной орбиты.

Уже в ходе первых наблюдений в марте 1655 года Гюйгенс обнаружил важнейшую улику. Хотя «ручки» были едва видны, они не становились более короткими, хотя и утончались. Это навело ученого на мысль, что разница между тремя телами или ручками не объяснялась движением вокруг Сатурна какой-либо массы. Большая часть его аргументов основывалась на параллелизме между системами Луна — Земля и Титан — Сатурн. Земля вращается вокруг своей оси за один день, а Луна вокруг Земли — за 29 дней. Гюйгенс обратил внимание на эту разницу во времени и решил, что период обращения Сатурна вокруг своей оси тоже должен быть гораздо короче периода его спутника. Если Титан обращался вокруг планеты за 16 дней, то сама она должна была вращаться вокруг своей оси всего за 13 часов.

Первым принял вызов, брошенный Гюйгенсом в *Новых наблюдениях спутника Сатурна»(De Saturni luna observatio nova), знаменитый польский астроном Ян Гевелий. Он предположил, что Сатурн имеет яйцевидную форму, которая по бокам расширяется в виде растущей и убывающей луны. В совокупности вся эта конструкция, если смотреть на нее сбоку, имеет округлый контур. Когда она вращалась, как показано на рисунке, то облик отдельной сферы легко сменялся телом с «ручками»». Но как же быть с тремя отдельными телами, которые наблюдал Галилей? По мнению Гевелия, их можно отбросить как простой оптический обман: «Следовательно, мы заключаем, что, хотя сферы, прилегающие к Сатурну, кажутся нам круглыми, они таковыми не являются». Это заявление звучало неубедительно для того, кто проводил ночные часы, пристально рассматривая планету и, как ни тер себе глаза, по-прежнему видел древних служителей Сатурна, имеющих такую же форму, как и их господин.

Другие теории, например выдвинутая немецким иезуитом Кристофом Шейнером, хоть и объясняли появление трех сфер или одной-единственной, предлагали очень натянутую аргументацию о том, что касалось «ручек». Одна из самых изобретательных версий принадлежит французскому математику Жилю де Робервалю. Он объяснял необыкновенную изменчивость Сатурна его более легкой материей, чем та, из которой обычно состоят планеты и их спутники. По его мнению, от экватора Сатурна поднимались клубы пара, которые постепенно становились все более плотными и, следовательно, более заметными. Когда такое плотное облако формировалось вокруг экватора, издалека планета напоминала эллипс. Когда облако рассеивалось, то оно как бы рисовало контур «ручек». Но ближе всех к истине оказался английский архитектор Кристофер Рен. Он предположил, что планету на экваторе окружал очень тонкий эллипсообразный венец.

Любая материя, расположенная между Сатурном и Титаном, должна вращаться по орбите за некое промежуточное время. Масса, сопровождающая Сатурн, независимо от своей формы должна была двигаться вокруг планеты с периодичностью, меньшей 16 дней. Однако у планеты уходило гораздо больше времени, чтобы завершить цикл известных на тот момент трансформаций, — около 14 лет. Гюйгенс решил, что если каждую ночь Сатурн вертелся, как юла, у него на глазах, но при этом с «ручками» не происходило никаких изменений, то их масса должна вращаться симметрично вокруг оси. Поворот ассиметричного тела, такого как человеческая рука, выявить легко. А вот по контурам сферы или цилиндра с абсолютно ровной поверхностью нельзя понять, вращаются ли они.

Из всех фигур, вращающихся симметрично, больше всего размытому изображению «ручек» соответствовало кольцо. Но нужно было решить еще один вопрос. Если у кольца уходило всего несколько часов на то, чтобы обернуться вокруг оси, двигаясь симметрично, и при помощи телескопов с Земли нельзя было заметить это вращение, от чего же тогда зависели преобразования, происходившие каждые 14 лет? Ответ таился в градусе наклона кольца.

Плоскость кольца Сатурна образует угол 26,73° с плоскостью его орбиты (см. рисунок 1) — почти такой же, как угол между экватором Земли и ее орбитой (23,44°). Учитывая, что линзы в телескопах были разного качества и имели разное разрешение, большинство фигур, которые видели астрономы, объяснялось простым наклоном кольца.

РИС. 1

Оставалось объяснить, в каком порядке сменялись эти фигуры вплоть до исчезновения кольца. Удобнее всего это было сделать, находясь на Солнце — с него открывается лучшая перспектива. С него мы увидели бы, что орбитальное вращение Сатурна похоже на вращение Земли. Хотя Сатурн и описывает более широкую дугу, оси вращения обеих планет наклонены под постоянным углом на всей их траектории.

РИС. 2

Из-за этого гипотетический житель Солнца увидит, что иногда Северный полюс при движении планеты выходит вперед, иногда заходит назад, а иногда вообще оказывается сбоку (см. рисунок 2). По этой же причине на Земле меняются времена года. Благодаря наклону оси и на Сатурне бывает зима, весна, лето и осень. В зависимости от наклонов оси жители Солнца увидели бы кольцо снизу в позиции С и сверху в позиции А. В позициях В и D кольцо, будучи очень тонким, становилось бы невидимым. Учитывая огромное расстояние, отделяющее Сатурн от Солнца и Земли, с этих планет кольцо и Сатурн видны практически как единое целое. В общем, можно считать, что картина, видная с Солнца, видна и с Земли, хотя и с некоторыми оговорками. Во-первых, как мы уже знаем, ось вращения Земли также наклонена. Поскольку она почти параллельна Сатурну, его наклон будет казаться гораздо меньшим. Во-вторых, плоскость орбиты Земли не совпадает с плоскостью орбиты Сатурна: иногда она оказывается сверху, иногда располагается ниже (см. рисунок 3).

Все эти явления, к которым надо добавить низкое разрешение телескопов, и объясняют мутации Сатурна. В конце своей Systema Satumium Гюйгенс поместил рисунок, иллюстрирующий его гипотезу (см. стр. 67). Близорукий человек, разглядывая рисунки без очков, сможет увидеть на них недостающие облики планеты: три тела, «ручки» Галилея, приплюснутое яйцо.

РИС.З

Несмотря на то что Гюйгенс раскрыл тайну многоликого Сатурна посредством логических рассуждений, свой успех он приписал техническому преимуществу своих телескопов:

«В этом исследовании мы просим, чтобы было признано, ибо мы первыми увидели в наши телескопы спутник Сатурна, и увидели ясно, чтобы наши телескопы считались превосходящими те, что, хотя и могут показать Сатурн в любой день, не были способны найти звезду [Титан]; и чтобы по той же причине результаты наших исследований по форме этой планеты считались более достоверными во всех тех случаях, что облик планеты, наблюдаемый нами, отличается от остальных».

Рисунок модели Кристофа Шейнера из его Tractatus de Tubo Optico (вверху) и набросок модели Кристофера Рена, взятый из его De Corpora Saturni.

Гравюра, посвященная Гюйгенсу.

Схема Гюйгенса, описывающая полный цикл вращения Сатурна.

С Земли его кольцо иногда наблюдается сверху, иногда снизу. Между этими двумя периодами оно встает ребром, и тогда кажется, что оно исчезает.

Это требование было совершенно несправедливым как минимум по двум причинам. Во-первых, астрономы заметили Титан, когда Гюйгенс был еще ребенком, хотя и не поняли, что это небесное тело — спутник Сатурна. Следовательно, его удивительное открытие не было основано на мощности используемых инструментов. Во-вторых, по иронии судьбы, Гюйгенс разгадал тайну Сатурна в тот момент, когда кольца не были видны, то есть телескоп здесь совершенно ни при чем.

Тогда почему же ученый так им гордился? Гипотеза о наличии кольца основывалась на результатах астрономических наблюдений за последние 40 лет. Гюйгенсу пришлось отбросить многие из них — те, которые он справедливо считал ошибочными из-за плохого качества линз, хотя они были опубликованы более известными и опытными астрономами, чем он сам. И он решил завоевать авторитет, так ему необходимый, утвердив превосходство своего телескопа, которое подтверждалось и открытием Титана. Однако стратегия не принесла желаемого результата. Сомнения по поводу существования кольца основывались не на научных доводах, а на самолюбии. Критические замечания в основном звучали со стороны астрономов и ремесленников, репутация и заработки которых зависели от качества их инструментов. Это были, в частности, Дивини, считавшийся лучшим производителем телескопов в Европе, и Ян Гевелий. Дивини поставил под вопрос наблюдения Гюйгенса, приписав их оптическим дефектам. Он даже заметил, что голландскому ученому следовало бы приобрести один из его инструментов. Гевелий же был просто в ярости: «Видимо, Гюйгенс считает, что я и все остальные неспособны отличить сферу от эллипса, и что то [что я увидел] было плодом моего воображения... или что мне это приснилось? Да нет же, клянусь Геркулесом!»

Гюйгенс открыл правильную геометрическую форму кольца, но не его структуру. Он был уверен, что кольцо представляло собой твердый диск, непрерывный и довольно толстый. В противном случае как оно могло отбрасывать тень на поверхность планеты? До конца своих дней ученый считал, что диск имел почти 4000 км в толщину. Когда его спросили, каким образом ребро такого большого кольца могло исчезать, будучи освещено прямыми лучами Солнца, Гюйгенс ответил, что оно состояло из материала, не отражающего свет. Причину этой невидимости открыл Кристофер Рен: диск был настолько тонким, «что его толщины не хватало для того, чтобы увидеть его с Земли, а потому корону [кольцо] можно было принять за поверхность планеты».

Большие телескопы не являются изобретением XX века. Чем меньше изгиб сферической линзы, тем слабее проявляется эффект хроматической аберрации. Как мы уже видели, чем меньше изгиб, тем меньше отклоняются лучи света и тем больше фокусное расстояние линзы. Однако большое фокусное расстояние требовало от производителей телескопа как можно дальше разнести объектив и окуляр. Так началась гонка, связанная с созданием все более длинных телескопов.

Однако прочность и маневренность труб представляли некоторые ограничения. Установленные всего на одну опору, телескопы изгибались, ломались, а также смещались при ветре. Гюйгенс разрубил гордиев узел, просто убрав из конструкции трубу. На рисунке мы видим один из его воздушных телескопов, в которых объектив и окуляр вставлены в два коротких металлических цилиндра, соединенных натянутой веревкой. С ее помощью можно регулировать и высоту столба, на котором располагается объектив. Опора, поддерживающая линзу сверху, не двигается за счет противовеса. Ночью Гюйгенс пользовался лампой, чтобы определить положение объектива, ориентируясь по отражению света в стекле.

Рисунок одного из воздушных телескопов Гюйгенса.

Следуя примеру Галилея, которого Гюйгенс беспредельно уважал, он посвятил свою Systema Satumium выдающемуся члену семьи Медичи — Леопольду, сыну Козимо II. Он ожидал чего угодно, но только не того, что герцог оставит этот жест без ответа — а именно это и случилось. Леопольд невольно оскорбил ученого не потому, что был плохо воспитан, а из-за того, что Гюйгенс поставил его в затруднительное положение. Satumium, как и «Звездный вестник», написанный раньше Галилеем, относился к жанру гелиоцентрического трактата, который не очень-то жаловали в Ватикане. Двор Леопольда располагался во Флоренции — городе, куда более близком к Риму, чем особняк Гюйгенса в Гааге. Хотя Церковь и не заняла никакой официальной позиции по поводу открытия кольца Сатурна, влиятельный иезуит Оноре Фабри предложил альтернативное решение вопроса в рамках геоцентрической теории. Он мог рассчитывать на поддержку Эустакио Дивини, обиженного на Гюйгенса за то, что тот отрицал совершенство его телескопов. Вместе они написали трактат, в котором труд голландского ученого был полностью переработан. Назывался он Brevis annotatio in Systerna Satumium («Краткая аннотация к «Системе Сатурна») и был также посвящен Леопольду Медичи. Как и следовало ожидать, теория Фабри носила консервативный характер, исходя из нее спутников было несколько. В ее первой версии у Сатурна было четыре спутника: два маленьких и не светящихся, два среднего размера и отражающих свет. Они вращались не вокруг планеты, а вокруг двух точек, расположенных за ней. Чтобы объяснить обнародованные результаты наблюдений, авторы прибегали к таким изощренным операциям с орбитами, какие Птолемею и не снились. Гюйгенс выдвинул несколько возражений, в ответ на это Фабри добавил еще два спутника.

Таким образом, Леопольд оказался под перекрестным огнем. В книге Фабри выдвигалась изощренная, но тем не менее геоцентрическая теория, а ее автор был уважаемым членом Церкви. Труд же Гюйгенса подтверждал строгую и любопытную теорию Коперника, но поскольку родиной автора были Нидерланды, он был окружен подозрительным ореолом кальвинизма. Гюйгенс опирался лишь на свои наблюдения и рассуждения, а его оппоненты применяли несколько техник убеждения, в частности одним из аргументов было то, что их теория не противоречит Священному Писанию и учению Церкви.

Звучали в тексте Фабри и прозрачные намеки на процесс над Галилеем. Герцог решил выйти из тупика, прибегнув к услугам собственной научной организации — Академии дель Чименто, одному из первых научных обществ Европы, которое сам Леопольд и основал. Разбираться в запутанном деле выпало экспертам.

Выполняя приказ Леопольда и отдавая дань уважения названию академии (cimento на латыни означает «опыт», «эксперимент». — Примеч. перев.), ее члены созвали комиссию, которая должна была рассмотреть оба варианта. Сначала были сделаны макеты моделей Гюйгенса и Фабри, которые стали изучаться с больших расстояний при помощи телескопов разного разрешения. Чтобы избежать влияния собственных убеждений на чистоту эксперимента, для описания наблюдаемых фигур были приглашены люди, не состоящие в комиссии. Модель Фабри правильно отразила только два облика Сатурна — в виде одного и трех тел, остальные формы по этой модели не соответствовали ничему, что наблюдалось в небе. Что касается модели Гюйгенса, она натолкнулась лишь на одно препятствие: сколько бы край кольца ни поливали поглощающими веществами, оно никак не исчезало, когда его освещали «Солнцем».

Исчез диск только тогда, когда его вырезали очень тонким и поставили ребром. Простая механическая модель подтверждала, таким образом, правоту Рена. Однако именно потому, что в ходе эксперимента победу одержал Гюйгенс, Академия дель Чименто так и не обнародовала свои выводы.

Тот, кто, как и Коперник, думает, что наша планета Земля вращается вокруг Солнца и освещается им, как и другие, не сможет избежать того, чтобы иногда не фантазировать [...], что и остальные планеты имеют свое собственное устройство и могут быть населены, прямо как наша Земля.

Христиан Гюйгенс

Внеся небольшие изменения в свою модель, Гюйгенс предсказал последующие изменения Сатурна с точностью, не имеющей аналогов. Даже Фабри не мог отрицать очевидное. Перед тем как отказаться от своей теории, он даже любезно заметил, что, прочитав Systema Satumium, уже не мог не видеть кольцо всякий раз, глядя на Сатурн. Труд Гюйгенса расширил человеческие представления, и наш разум наконец-то смог различить на небосводе кольцо. Дивини оказался менее гибким и не признавал существования кольца до тех пор, пока не увидел его собственными глазами при помощи телескопа, сконструированного его братом.

Поскольку объектив проецирует изображение внутрь телескопа, этим изображением можно манипулировать до того, как его увеличит окуляр. Гюйгенс использовал это обстоятельство, чтобы внести в конструкцию инструмента два важных улучшения. Галилей в свое время уже понял, что, прикрыв кружком бумаги край объектива (где скапливаются все дефекты ручной обработки линз и артефакты сферической аберрации), можно получить менее яркое, но более четкое изображение. Оптимальные размеры кружка он определил опытным путем, а Гюйгенс сделал то же самое, используя математический подход. При этом голландец обнаружил, что лучше помещать кружок не на сам диск, а на изображение, им порожденное. Таким образом частично исправлялась и хроматическая аберрация.

В начале 1640-х годов астроном-любитель Уильям Гаскойн с удивлением увидел в свой микроскоп загадочную сеть, пересекающую поле его зрения. Он видел ее абсолютно четко, но, поднимая взгляд от окуляра, не мог эту сеть найти. Оказалось, что на поверхности, куда объектив проецировал изображение, сплел свою сеть паук. Окуляр увеличил и саму сеть, и ее изображение, сливая их воедино. Вдохновленный этой счастливой случайностью, Гаскойн решил заменить паутину устройством с двумя вертикальными полосами, разделенными градуированным расстоянием (см. рисунок), с помощью которого он мог бы измерять изображения, полученные с помощью телескопа. Так был изобретен микрометр. Гюйгенс тоже думал о похожем устройстве, но пришел к нему без помощи паука: ученому достаточно было глубоких знаний по диоптрике. Микрометр превратил телескоп в измерительный прибор. Если до этого астрономы могли высказывать только субъективные мнения о размерах небесных тел, и эти мнения очень сильно варьировались, то микрометр стал точкой отсчета. Уильям Гаскойн погиб в битве при Марстон-Муре во время Гражданской войны в Англии, так и не успев обнародовать свое открытие, поэтому именно после описания Гюйгенса, приведенного в его Systems Saturnium, микрометр получил распространение в астрономической практике.

Systema Saturnium можно считать достойным продолжением «Звездного вестника» Галилея. Несмотря на свое название, книга не ограничивается описанием Сатурна. Гюйгенс также первым заметил рябь на поверхности Марса. Проследив за смещением Большого Сирта, широкой области из вулканических скал, он понял, что планета вращается вокруг некой оси, и смог установить продолжительность марсианского дня. Ученый также произвел несколько новых наблюдений Юпитера и Туманности Ориона, в которой различил три звезды из числа формирующих ее центральный район, Трапецию. Он описывал туманность как «щель в небе, через которую можно заглянуть дальше, в более светлую область». В Systema Satumium содержатся также удивительно точные оценки размеров Солнечной системы.

РИС. 4

Масштабные астрономические исследования Коперника и Кеплера позволили создать довольно точные карты Солнца и шести известных на тот момент планет — Меркурия, Венеры, Земли, Марса, Юпитера и Сатурна. Пропорции карты, которую создали ученые, были правильными, но определить ее масштаб они не смогли. Все расстояния выражались в зависимости от одной неизвестной — дистанции между Солнцем и Землей, которую, по мнению Гюйгенса, астрономам не удалось вычислить удовлетворительным образом:

«...оценки расстояния между Землей и Солнцем очень различаются, и это неудивительно, ведь до сих пор не придуман приемлемый способ измерить это расстояние. Они стараются определить его с помощью затмений или фаз Луны, но все эти усилия напрасны».

Как же быть в таком случае? Гюйгенс подошел к вопросу с другой стороны. С помощью микрометра он определил угловой диаметр планет. Эта величина соответствует углу равнобедренного треугольника, сторонами которого являются расстояния от наблюдателя до крайних точек планеты. Третьей стороной служит ее диаметр — словно расстояние между концами воображаемых щипцов, в которых наблюдатель зажал небесное тело (см. рисунок 4).

Гюйгенс начал свои вычисления с Сатурна и определил, что его диаметр равен 68". Взяв карту Солнечной системы, не имеющую масштаба, он доказал, что самое короткое расстояние между Сатурном и Землей равнялось восьми средним расстояниям, отделяющим нас от Солнца. Из этого ученый вывел, что если мы снимем Сатурн с его орбиты и поместим планету рядом с Солнцем, то она будет в восемь раз крупнее обычного. Изменение положения увеличило бы в восемь раз и полученный им угловой диаметр: 68" х 8 = 544" = 9'4". С Земли угловой диаметр Солнца равен 30'30". При помощи двух этих значений углов — одного истинного (касается Солнца) и мнимого (касается перемещенного Сатурна), — которые можно было бы измерить для звезды и для планеты, размещенных на одном и том же расстоянии, ученый смог сравнить их размеры:

Помня о том, что для маленьких углов и для тел, расположенных на одном и том же расстоянии от наблюдателя, отношение их линейных диаметров равно отношению их угловых диаметров, Гюйгенс заключил, что диаметр Сатурна равен 11/37 диаметра Солнца. В этих подсчетах он учитывал и кольцо; без него эта дробь уменьшилась до 5/37. Ту же операцию он проделал для определения размеров Венеры, Марса и Юпитера.

В Systems Saturnium Гюйгенс представил относительные размеры Солнца и планет в виде оригинальной диаграммы.

Получить значения для Меркурия помешали плохие условия наблюдения. Представленная Гюйгенсом последовательность вступала в противоречие с укоренившимся мнением, что объем планет рос по мере их удаления от Солнца, то есть Венера должна быть больше Меркурия, Земля — больше Венеры и так далее. Однако речь шла об относительных значениях, выраженных в зависимости от диаметра Солнца, величина которого так и оставалась неизвестной. Ученым все еще не хватало точки отсчета для определения масштаба Солнечной системы. Однако Гюйгенс зашел слишком далеко, чтобы просто остановиться. И для продолжения работы ученому пришлось прибегнуть к довольно странному рассуждению:

«Чтобы, насколько это возможно, сохранить гармонию всей системы, кажется, что, в конце концов, будет более разумно допустить, что, поскольку Земля занимает промежуточное положение между Марсом и Венерой, в том, что касается расстояния до Солнца, она будет иметь и промежуточные размеры. Мы сказали, что диаметр Марса равен 1/166 по отношению к диаметру Солнца, а диаметр Венеры — 1 /84. Следовательно, если мы примем за диаметр Земли среднее значение между этими двумя, то получим, что он равен 1/111 по отношению к диаметру Солнца».

Гюйгенс определил размеры планет относительно Солнца. При помощи уравнения D_Солнце = 111 · D_Земля, которое связывало диаметр нашей звезды с Землей, он смог сделать их абсолютными. Чтобы понять, почему это выражение содержало ключ к такой же операции с расстояниями, применим угловой диаметр (см. стр. 74) к наблюдателю, смотрящему на Солнце с Земли. На рисунке мы видим, что расстояние от Земли до Солнца TS связывается посредством простого тригонометрического равенства с α и с D_Солнце.

Введя значение α = 30'30": TS = 113 · D_Солнце и апеллируя к небесной гармонии, Гюйгенсу удалось установить, что D_Солнце = 111 · D_Земля. Поэтому:

TS =113 · D_Солнце = 113 · 111 · D_Земля = 12543 · D_Земля,

Поскольку радиус Земли был определен достаточно точно, последнее уравнение дает нам искомый параметр масштаба для создания карты Солнечной системы Кеплера и Коперника — расстояние между Солнцем и Землей.

D_Вен = 1/84 D_Солнце · D_Марс = 1/166 D_Солнце · Среднее(1/84+1/166)/2 ≈ 1/111 D_{Солнце.}

Следовательно, D_Земля = 1/111 D_Солнце.

Стремясь сохранить гармонию всей системы, Гюйгенс отклонялся от научной строгости и все больше уходил в область неясных гипотез. Ученый сам признавал, что его доводы с определенного момента опирались на весьма «шаткое основание». Он определил, что диаметр Солнца в 111 раз больше диаметра Земли. И это был прекрасный результат, учитывая, что, согласно современным расчетам, верное число равно 109. Во времена Гюйгенса уже можно было более или менее приемлемо измерить диаметр Земли. Полученное значение позволило ученому перевести все расстояния и размеры из относительных величин в абсолютные и определить масштаб Солнечной системы. Надо сказать, что с расчетами ученому помогла и фортуна: некоторые его ошибки уравновесили друг друга и, таким образом, исчезли. Хроматическая аберрация размывает очертания небесных тел, увеличивая их угловой диаметр. Это увеличение компенсируется тем, что Земле были приписаны меньшие размеры по сравнению с истинными, так как на самом деле она больше Марса и Венеры. В любом случае, точность полученного результата не может не поражать.

Как и другие отцы-основатели современной науки, Гюйгенс имел свою навязчивую идею родом из Средневековья. Кеплер представлял Солнечную систему в виде своеобразной матрешки, состоящей из геометрических фигур, а орбиты планет последовательно помещались в сферу или одно из пяти Платоновых тел. Ньютон обдумывал такую странную задачу, как расчет пропорций храма Соломона. Гюйгенс же в Systema Satumium выводит нумерологическую зависимость на основе числа 6, учитывая, что 6 = 3 х 2 х 1; 6 = 3 + 2 + 1. Ученый предсказывал, что больше не будет открыто ни одного спутника, поскольку их число должно быть таким же совершенным, как и число их старших братьев, планет. Известных планет было шесть, значит, и спутников должно быть шесть. У Земли свой спутник был, у Юпитера, как открыл Галилей, их было четыре, Гюйгенс закрыл этот список, разглядев Титан. Однако позже Кассини нарушил эту гармонию чисел, найдя на небе еще один спутник, опять же у Сатурна, — Япет.

Главным возражением против теории твердого диска, которую защищал Гюйгенс, является его стабильность. Сила притяжения уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния между массами (коэффициент пропорциональности — 1 /r₂, где r — расстояние). Представим себе планету Р, перед которой выстроились две одинаковые сферы, а и b отделенные друг от друга некоторым расстоянием (см. рисунок 5). В этом случае r₂ будет больше, чем r₁ поэтому притяжение между Р и а будет больше, чем между Р и b и обе массы будут иметь тенденцию отдаляться друг от друга.

РИС. 5

РИС. 6

Если бы эти две сферы были частью массы единого тела, асимметрия воздействия деформировала бы его. К тому же из- за обратной зависимости силы притяжения от квадрата расстояния (1 /r₂) разница напряжения растет по мере приближения любого тела к планете. Интенсивность воздействия особенно чувствительна к изменениям расстояния при небольших значениях r, как видно на рисунке 6.

На кривой лежат значения 1 /r₂. Слева, рядом с началом координат, значения коэффициента больше и они сильно отличаются между соседними точками. Между конечными точками сферы а 1/r₂ переходит от 4 к 1. Разница составляет целых 3 единицы. Справа, далеко от начала координат, коэффициент принимает меньшие значения. Между конечными точками b, которые находятся на одинаковом расстоянии от концов я, 1 /r₂ переходит от значения 0,0178 к 0,0156. В этом случае разница не больше 0,0022 единицы.

Таким образом, даже если бы а и b были одинакового размера, на их крайние точки воздействовали бы силы разной интенсивности: в левой части графика, при меньшем г (когда сфера находится очень близко от планеты), эти силы были бы значительны и еле заметны — в правой части (когда сфера далеко). Следовательно, сфера едва почувствует присутствие Р, пока будет далеко, и будет испытывать разрушительное напряжение, если подойдет слишком близко. Мы можем рассмотреть этот процесс последовательно, по мере того как эластичная сфера приближается к планете Р. При этом она будет испытывать все большее воздействие. Сначала сфера превратится в яйцо, которое постепенно будет сплющиваться, становиться все более плоским, пока центростремительные силы не будут нивелированы, и сфера не разрушится.

Расстояние, на котором происходит разрушение тела из-за воздействия на него разнонаправленных сил притяжения, называется пределом Роша. Основное сопротивление деформации оказывают электромагнитные силы, которые притягивают друг к другу частицы, составляющие массу тела (химическое взаимодействие). Их работа тем эффективнее, чем меньший объем имеет тело. Таким образом, космонавт или коммуникационные спутники, вращающиеся вокруг Земли, находятся внутри предела Роша, но благодаря своим маленьким размерам защищены от разрушения. Сила притяжения возводит вокруг планет барьер, который разрушает тела определенного размера в непосредственной близости от них. Радиус орбиты больших спутников, таких как Луна, всегда превосходит предел Роша. Среди всех планет Солнечной системы звание главного разрушителя получил Юпитер — все кометы, подошедшие к планете слишком близко, исчезли.

РИС. 7

Если силы притяжения особенно велики, деформации подвергнутся и мелкие тела. Черная дыра может вызвать настолько неравное напряжение между ногами и головой человека, что способна убить его (это явление неформально называется «спагеттификацией»).

Кольца Сатурна состоят из множества кусочков льда и пыли, которые вращаются вокруг планеты на разных скоростях, очерчивая тысячи окружностей. Из-за гравитационного притяжения больших спутников на кольцах возникают трещины и щели, из-за чего они похожи на старую музыкальную пластинку. Буквами А, В, С и D (см. рисунок 7) обозначены четыре основные полосы, видимые с Земли. Алфавитный порядок отражает хронологию их открытия, а также их расположение — от внешнего края к внутреннему.

Космические корабли открыли еще три, более отдаленные полосы — F, G и Е. Чтобы составить представление о размере всей системы, надо вспомнить, что радиус внешней части кольца А чуть больше двух радиусов Сатурна. Радиус полосы Е составляет примерно восемь радиусов планеты.

Рен был прав: эти кольца чрезвычайно тонкие, толщиной едва ли в километр, хотя по своим размерам они поглотили бы орбиту Луны. Если представить, что диаметр четырех главных колец равен диаметру обычного компакт-диска, то их толщина не превысила бы толщину клеточной мембраны. Вне зависимости от происхождения этих образований (появились ли они от спутника, распавшегося на мелкие фрагменты, от нескольких комет, пойманных притяжением, или образовались из первоначальной материи Солнечной системы, породившей остальные планеты), основная причина их существования состоит в пределе Роша, поскольку самый плотный участок диска находится внутри него. Рисунок 8 наглядно иллюстрирует эту ситуацию. Расстояния измеряются от центра Сатурна, каждая единица — это радиус планеты.

Гипотеза, согласно которой кольцо на самом деле состоит из мелких частей, почти так же стара, как гипотеза Гюйгенса. Через год после издания Systema Satumium ее высказал поэт Жан Шаплен. В 1845 году молодой студент математического факультета Кембриджа Джон Куч Адамс, проанализировав некоторые отклонения орбиты Урана, пришел к выводу, что их причиной были гравитационные пертурбации, вызванные воздействием неизвестной планеты. Королевский астроном и директор Гринвичской обсерватории Джордж Эйри проигнорировал гипотезу Адамса, считая ее плохо обоснованной, и отказался направить телескопы на координаты, которые указал молодой коллега. Из-за этого досадного недоразумения честь открытия Нептуна принадлежит французскому математику Урбену Леверье, проявившему большую расторопность.

РИС. 8

В честь Адамса, к предсказанию которому отнеслись с таким пренебрежением, Кембриджский университет учредил премию в честь ученого. В 1856 году было предложено выяснить, является ли кольцо Сатурна твердым, жидким или же состоит из «многочисленных отдельных фрагментов материи». Единственным, кому оказался по силам этот вызов, был молодой Джеймс Клерк Максвелл. Революцию в термодинамике и в области электромагнитных волн он произвел несколько лет спустя, но уже начинал демонстрировать свои способности. Максвелл подверг кольцо настоящей математической атаке, используя дифференциальное исчисление — гораздо более изощренное оружие по сравнению с тем, которым располагали ученые XVII века. Максвелл открыл, что твердое кольцо было бы стабильно только в том случае, если бы 9/2 его массы были сконцентрированы в одной точке. Но наблюдения этому противоречили. Максвелл писал:

«...единственная система колец, которая может существовать, состоит из неопределенного числа отдельных частиц, которые вращаются вокруг планеты на разных скоростях в зависимости от расстояния, на котором они располагаются. Эти частицы могут образовывать ряд узких колец или передвигаться и пересекаться без порядка и согласия. В первом случае разрушение этой системы будет происходить очень медленно; во втором оно будет более быстрым, но у частиц может проявиться тенденция образовывать узкие кольца, что замедлит процесс».

Эйри, прочитав работу Максвелла, отозвался о ней следующим образом: «Насколько мне известно, это одно из самых выдающихся применений математики в физике». В этом труде, названном «Об устойчивости движения колец Сатурна», чувствуется дух Гюйгенса. Он обнаружил кольцо, не используя телескоп, благодаря зрению своего разума, а Максвелл с помощью такого же зрения увидел движение его фрагментов, причем подобной точности удалось добиться только 40 лет спустя, с изобретением спектрального анализа.

Немногие ученые смогли бы пройти путь, который привел Гюйгенса от его первоначального интереса к преломлению к открытию Титана и колец Сатурна. Ученый расширил представление о диоптрике благодаря математическому изучению линз; он улучшил телескоп, изобретя окуляр, который носит его имя, диафрагму и микрометр, созданные на основе законов геометрии. Также Гюйгенс научился шлифовать линзы, спроектировал и сконструировал станок, чтобы упростить эту работу, и собрал телескоп, который, хоть и не был самым лучшим в мире, но не уступал изделиям самых искусных мастеров того времени. С помощью этого инструмента он открыл новый спутник. Сатурн открыто показывал астрономам свое кольцо во всем его блеске, но ни один ученый не смог понять, что именно он наблюдает. Гюйгенсу же удалось прийти к верному выводу путем логических умозаключений. Вдобавок ко всему он рассчитал период вращения Марса и впервые указал масштабы Солнечной системы.

Такими удивительными способностями в области математики, астрономии и ручного труда невозможно не восхищаться. Когда Гюйгенс впервые начал исследовать свет, он предстал перед ним как совокупность прямых линий.

Но по мере того как Гюйгенс углублялся в изучение природы явления, свет открывал ему другие свои стороны, такие же изменчивые и противоречивые, как облики Сатурна. Ученого ждали новые удивительные тайны.