Айзек Азимов - Царство Солнца. От Птолемея до Эйнштейна
Ну, можно ли еще что-то рассказать о нашей Солнечной системе? Да, осталась еще одна история. Не об объекте нашей Солнечной системе, а о том, чего в системе нет, о планете, которой не было.
Глава 10
ЗА НЬЮТОНОМ
ПЛАНЕТА, КОТОРОЙ НЕ БЫЛО
Дело в том, что, несмотря на все победы ньютоновского закона всемирного тяготения, существовало одно планетное движение, которого он объяснить не мог.
В начале главы 7 я упомянул о том, что Эйлер использовал силы гравитации для того, чтобы объяснить, почему положение перигея Луны медленно вращается вокруг Земли. Гравитация должна была также объяснить и то, что положение перигелия планеты вращается вокруг Солнца, а также скорость этого вращения.
Так случилось, что Меркурий имеет орбиту с большим эксцентриситетом и самый быстро движущийся перигелий. В афелии, когда Меркурий отстоит от Солнца дальше всего, до него 78,3 миллиона километров. В перигелии, когда он ближе всего к Солнцу, расстояние сокращается до 51,3 миллиона километров. Местоположение перигелия в пространстве постоянно смещается, и это смещение вперед можно объяснить за счет гравитационного воздействия ближайших планет, таких, как Венера и Земля.
Однако так можно было объяснить далеко не все движение! Как астрономы ни старались, всегда оставалось еще какое-то смещение вперед, которое объяснить не получалось.
В 1845 г. Леверье (которому вскоре предстояло открыть Нептун) обнаружил это, пытаясь составить таблицы для вычисления движения Меркурия. Он рассчитал, что за 100 лет перигелий сместился вперед на 40 секунд больше, чем ему следовало бы. Это не такое уж большое расхождение. Чтобы было понятно, насколько оно невелико, скажу: ширина Солнца или Луны, видимых с Земли, составляет полных 1800 секунд. Следовательно, потребовалось бы не меньше 4500 лет, чтобы перигелий Меркурия отошел от рассчитанного положения на видимую ширину Солнца или Луны.
Однако астрономы привыкли получать очень важные результаты путем объяснения подобных небольших несовпадений. Когда Кеплер попытался подогнать круговые орбиты к позициям Марса, определенным Тихо Браге, ему это почти удалось. Его подгонка никогда не давала расхождения более 500 секунд. Однако 500 секунд оказалось достаточно, чтобы он попробовал вместо этого воспользоваться эллиптическими орбитами. Перемещение Урана отличалось от теории менее чем на 100 секунд, и этого оказалось достаточно, чтобы открыть Нептун. Ловелл даже попытался вычислить положение Плутона по отклонениям, составлявшим менее 2 секунд.
Конечно же можно и нужно было делать что-то с этими 40 секундами в столетие, которые были лишними в движении Меркурия.
Леверье, который к этому времени справился с одним несовпадением, открыв новую планету, приготовился решить эту задачу таким же образом. В конце концов, за Меркурием могла оказаться неизвестная планета — так же, как она оказалась за Ураном. Вероятно, она окажется еще меньше Меркурия и будет находиться настолько близко к Солнцу, что обнаружить ее окажется крайне сложно: ведь планета всегда будет теряться в свете Солнца.
Однако если она действительно там находится, то ее гравитация могла бы объяснить эти 40 секунд за век. Леверье решил, что для этого нужна была бы планета с диаметром приблизительно в 1800 километров, которая бы вращалась на расстоянии 34 миллионов километров от Солнца. Для этой планеты даже предложили название — Вулкан, по имени римского бога огня. Хорошее название, поскольку на таком расстоянии от Солнца планета была бы раскалена докрасна.
Астрономы (особенно астрономы-любители, жаждавшие славы, которую им принесло бы открытие планеты) тут же начали охоту. Наилучшей возможностью обнаружить эту планету были бы наблюдения за окрестностями Солнца во время полного затмения. Еще одной хорошей возможностью было бы наблюдение за самим Солнцем, чтобы увидеть темное тело, которое пересекло бы его диск при прохождении — тело, которое не было бы Меркурием, Венерой или солнечным пятном.
И действительно — в течение следующих десяти —двадцати лет поступило несколько объявлений об открытии Вулкана. По правде говоря, во время затмения 1878 г. сообщалось не об одной, а о двух планетах дальше орбиты Меркурия. Однако все эти сообщения оказались ложными. Другим астрономам не удавалось найти подтверждения этим сведениям.
И до нашего времени планету внутри орбиты Меркурия обнаружить не удалось. Конечно, теперь нам известно и о малой планете Икар, которая подходит к Солнцу в перигелии на 30 миллионов километров, но она такая крошечная, что не могла бы оказать заметного влияния на Меркурий.
Конечно, можно было бы предположить, что невозможность обнаружить Вулкан еще не говорит о том, что его там нет. Однако астрономы довольно скоро удостоверились в том, что его нет. Используя гравитационную математику, можно показать, что если бы Вулкан существовал (как это утверждал Леверье), то он вызывал бы возмущения в движении Венеры и Земли, которых просто нет.
Дополнительному движению перигелия Меркурия пытались найти и другие объяснения. Например, кольцо метеоров вокруг Солнца или особое движение Солнца. Но ничего не получалось. Все, что действовало бы на перигелий Меркурия, должно было действовать и на Венеру с Землей. А так это нечто (чем бы оно ни было) влияло только на Меркурий, хотя закон всемирного тяготения утверждал, что такое невозможно.
К 1900 г. единственным объяснением стало то, что ньютоновский закон всемирного тяготения все-таки не работает безупречно.
ИСКРИВЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВА
Но 1900 г. стал годом научной революции, еще более значительной, чем та, что произошла в 1600-х гг. во времена Коперника и Галилея. Ученые обнаружили, что атомы, считавшиеся самыми маленькими частицами, можно разбить на гораздо более мелкие элементы. Разрабатывались странные понятия в области энергии. Оказывалось, что энергия существует в виде маленьких порций, называемых квантами, точно так же, как материя состоит из атомов.
И что важнее всего, два американских физика, Альберт Майкельсон и Э.У. Морли, в 1887 г. попытались измерить скорость света, когда свет двигался в разных направлениях. С помощью очень чуткого прибора, называемого интерферометром, эти двое измерили скорость света, когда он двигался в направлении движения Земли и поперек этого направления. Они надеялись, что по разнице в этих скоростях смогут определить скорость, с которой движется Земля.
Видите ли, все были согласны с тем, что Земля движется вокруг Солнца с определенной скоростью, 32 километра в секунду. Однако и само Солнце не стоит на месте. Все звезды движутся, хотя они расположены настолько далеко, что изменения их положения нельзя различить невооруженным глазом, пока не пройдет несколько веков (вот почему их всегда и считали «неподвижными звездами»).
Солнце тоже движется, вращаясь вокруг некоторой точки в Млечном Пути и тратя на один оборот миллионы лет. Эта центральная точка Млечного Пути тоже движется.
Тогда встает вопрос: есть ли во Вселенной что-то, что не двигалось бы, оставалось бы абсолютно неподвижным? Если это так, то скорость Земли можно было бы сравнить с ним.
В 1887 г. считалось, что вся Вселенная заполнена веществом, называемым «эфир». Именно эфир переносил световые волны, магнитные силы и тому подобное. Более того, предполагалось, что он совершенно неподвижен. Майкельсон и Морли надеялись, что, обнаружив различие в скорости света, когда она складывается с видимой скоростью Земли и направлена перпендикулярно к ее движению, они измерят «истинное» движение.
К изумлению Майкельсона и Морли, скорость света оказалась одинаковой, вне зависимости от направления. Они повторили этот эксперимент, как это сделали и другие люди, но результат всегда оставался таким. Скорость света (в вакууме) не менялась, независимо от движения объекта, который испускал свет.
Это истолковали так, что эфира не существует и во Вселенной нет ничего, что можно было бы считать неподвижным. Однако наличие Вселенной, в которой все движется и ничто не находится «в состоянии покоя», с которым можно сравнивать все движение, опрокидывало некие основополагающие понятия, которые ученые имели со времени Ньютона.
В 1905 г. двадцатишестилетний немецкий математик но имени Альберт Эйнштейн, работавший в тот момент в патентном ведомстве в Швейцарии, опубликовал статью, в которой выдвинул то, что называют специальной теорией относительности. В ней он попытался разработать систему вселенной, где свет в вакууме всегда двигался с одинаковой скоростью. Оказалось, что такая вселенная должна сильно отличаться от той, которую знали ученые.
