Пекка Теерикор - Эволюция Вселенной и происхождение жизни
Нужно отметить, что ракеты летают на основании Третьего закона Ньютона о действии и противодействии. Через два века после Ньютона теоретические основы космонавтики разработал российский учитель математики и мечтатель Константин Циолковский, который говорил: «Планета есть колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели» (рис. 10.3).
Рис. 10.3. Константин Циолковский (1857–1935) был отцом космонавтики, четко понимавшим, что Третий закон Ньютона о действии и противодействии позволяет путешествовать в космосе. Справа представлена его схема ракеты.
Природа гравитации.«Начала» Ньютона общественность приняла не сразу. Во-первых, потому что это была математическая работа, трудная для чтения. Как говорят, Ньютон хотел настолько усложнить текст, чтобы его конкурент Гук не смог ничего понять. Но и у других читателей возникали сомнения. Гюйгенс в 1690 году писал: «В теории Ньютона есть одна проблема: судя по движению планет и комет сквозь космическое пространство, в нем может содержаться лишь очень разреженное вещество. Но тогда возникает трудность с объяснением распространения гравитации или света, по крайней мере, так, как я это представлял». Гюйгенс придерживался взглядов Декарта (см. главу 7). Он также докучал Ньютону тем, что тот не может объяснить, как сила передается между космическими телами. Описать эту силу Ньютон мог только математически.
Во втором издании «Начал» (1713) Ньютон написал свои знаменитые слова об отказе от предположений, также содержащие краткую формулировку его научного метода: «Причину же этих свойств тяготения я до сих пор не мог вывести из явлений, гипотез же я не измышляю. А всё, что не выводится из явлений, должно называться гипотезою; гипотезам же — метафизическим или физическим, основанным на скрытых свойствах или механическим, — не место в экспериментальной философии. В такой философии частные утверждения выводятся из явлений, а затем логически обобщаются».
В своей переписке с Ричардом Бентли по космологическим вопросам (мы обсудим это в главах 23 и 28) Ньютон в 1693 году писал: «Тяготение должно быть вызвано неким агентом, действующим постоянно по определенным законам; но материален этот агент или нематериален, я предоставляю судить моим читателям». Такое объяснение удовлетворяло не всех. Например, Фонтенель во Франции XVIII века возражал: «Тяготение и вакуум, которые Декарт, как казалось, навсегда изгнал из физики, сейчас довольно настойчиво возвращены обратно сэром Исааком Ньютоном, хотя и в несколько измененном виде. Но я не считаю это возможным». По тем же причинам Гюйгенсу трудно было принять идеи Ньютона о природе света. Если свет имеет волновую природу, такого же типа, как звуковые волны, то должна существовать всепроникающая среда для его распространения. Ньютон отказался от концепции среды: он представлял свет как частицы, летящие в пустоте.
В 1669 году Ньютон заменил Исаака Барроу на посту профессора математики в Кембридже. В 1689 году его как представителя университета избрали в парламент. Если верить анекдоту, то задумчивый профессор всего лишь раз выступил перед парламентом: он сказал, что из открытого окна дует, и сел на место…
Интерес Ньютона к науке уменьшался. В 1696 году его назначили смотрителем Королевского монетного двора — вторая должность в иерархии Монетного двора. А самый высокий пост директора Монетного двора он занял через 3 года. Это была очень высокая должность: вся денежная система Британской империи оказалась под его контролем. Он с энтузиазмом взялся за новое дело и добился успехов. В 1705 году он был возведен в рыцарское достоинство, будучи уже президентом авторитетного Королевского общества. На этом посту он оставался последние десятилетия своей жизни, но научная работа его уже не интересовала. В конце жизни сэр Исаак объяснял свои успехи так: «Если я видел дальше других, то потому что стоял на плечах гигантов». Еще одно трогательное выражение Ньютона звучит так:
«Не знаю, как меня воспринимает мир, но самому себе я кажусь мальчиком, играющим на морском берегу и развлекающимся тем, что время от времени отыскивает камешек более ровный или ракушку более красивую, чем другие, в то время как великий океан истины расстилается передо мной неисследованным».
Вооруженные математическими методами и законами природы, открытыми Ньютоном, мы вернемся к Солнечной системе для проверки основ новой науки механики. Мы покинули ее в XVII веке, когда уже были известны ее масштабы и шесть планет.
Глава 11 Небесная механика
Новая область математики, которую Ньютон назвал флюксиями, позволила астрономам вычислять орбиты небесных тел и привела к расцвету физики в следующем веке. Нам эта новая математика более знакома в форме обозначений, независимо разработанных Готфридом Вильгельмом Лейбницем (1646–1716). Позже успех Ньютона обобщил Жозеф Лун Лагранж в своей «Аналитической механике» (1788), изложив в математической форме разработанный им метод решения различных задач механики. Лагранж очень гордился тем, что в своей знаменитой книге он обошелся без единого рисунка, но читать эту книгу было нелегко. Лагранж считал, что все можно выразить с помощью формул и алгебраических выражений (рис. 11.1).
Рис. 11.1. Жозеф Луи Лагранж (1736–1813), великий математик, благодаря которому механика Ньютона получила дальнейшее развитие.
Открытие Урана.На протяжении почти всей письменной истории было известно, что только семь особых объектов — Солнце, Луна и пять планет движутся среди неподвижных звезд вдоль одной и той же полосы созвездий. Их число бережно сохранялось в разных культурах. Все семь объектов были названы именами богов и богинь и даже использовались как названия дней недели. Интересно, что почти до конца XVIII века, когда их физическая природа была уже разгадана, возможность существования еще не открытых планет в нашей Солнечной системе серьезно не рассматривалась.
Все изменилось, когда Вильям Гершель (1738–1822) обнаружил в 1781 году новый, медленно движущийся небесный объект, который он вначале принял за комету. Но вскоре финский астроном Андерс Йохан Лексель (1740–1784), работавший в Санкт-Петербурге, а за ним и Пьер Симон де Лаплас, вычислили орбиту нового объекта и обнаружили, что она круговая, и стало очевидно, что это планета. Для нее было предложено два названия: Гершель предложил назвать ее «Георгиевой звездой» (Georgium Sidus, в честь правившего тогда короля Англии Георга III), но за планетой закрепилось другое название — «Уран». Таким образом, была открыта не только новая планета, но и родилось представление о существовании неизвестных объектов за орбитой Сатурна. За свое важнейшее открытие Гершель получил постоянное жалование от британской короны. Мы вернемся к другим достижениям Гершеля в главе 20.
Сестра Гершеля Каролина была его верным помощником во всех делах, начиная от шлифовки линз и кончая проведением наблюдений. Она сама была астрономом и открыла по меньшей мере восемь комет, несколько туманностей и звездных скоплений. В 1828 году она была удостоена золотой медали Лондонского Королевского общества за публикацию каталога звездных скоплений и туманностей, наблюдавшихся ее братом. Этот и другие опубликованные ею каталоги стали основой для современных каталогов. После открытия Урана английское правительство назначило и ей денежное содержание, так что, возможно, она стала первой женщиной в Англии, занявшей столь высокое положение.
Гонка за открытием Нептуна.Важной астрономической проблемой XVIII века было вычисление орбит тел в том случае, когда друг на друга влияют более двух тел. Например, на движение Луны вокруг Земли, кроме притяжения между Луной и Землей, влияет и притяжение со стороны Солнца, действующее на них обеих. При этом оно вызывает не только обращение системы Земля-Луна вокруг Солнца, но и делает орбиту Луны вокруг Земли не идеальным эллипсом. Точно так же планеты возмущают эллиптическое движение друг друга вокруг Солнца.
Знаменитым стал случай с орбитой Урана, вычисленной в 1820-х годах очень точно. Английский астроном Мэри Сомервиль (1780–1872) предрекала, что возмущения орбит можно будет использовать для открытия новых объектов. Наблюдения Урана показали, что он не движется по ранее вычисленной орбите: в 1830 году он уклонился от вычисленного пути на 20", к 1840 году это отклонение достигло 1,5', а к 1845 году — уже 2'. Поскольку при вычислениях орбиты Урана учитывались возмущения со стороны всех известных планет, был сделан вывод, что существует неизвестная планета, которая тоже влияет на его движение.
В 1843 году студент Кембриджского университета Джон Кауч Адамс (1819–1892) приступил к вычислениям положения неизвестной планеты, которая могла бы вызвать наблюдаемые отклонения Урана. Вычисления оказались сложными; чтобы упростить их, Адамс предположил, что неизвестное массивное тело обращается вокруг Солнца за Ураном, на расстоянии, определенном по закону Тициуса-Боде. Этот «закон» был назван в честь Иоганна Тициуса фон Виттенберга, указавшего в примечании к работе 1766 года, что расстояния планет от Солнца подчиняются простому правилу. Через шесть лет директор Берлинской обсерватории Иоганн Боде, увидел примечание и добавил его в очередное издание своей книги (см. врезку 11.1). К октябрю 1845 года Адамс вычислил текущее орбитальное положение неизвестной планеты и сообщил своему профессору астрономии Чаллису. Тот показал координаты Королевскому астроному Эри, но Эри не счел вычисления студента достаточно обоснованными, и наблюдательный поиск неизвестной планеты не предпринял.
