Страница:
Однако проблема оказалась глубже - дело было не в конкретном законе взаимодействия небесных тел, а в отсутствии достаточно общих законов движения. Не хватало понятийного и математического аппарата, связывающего воедино все достижения того времени.
Гигантскую работу по созданию такого аппарата теоретической механики удалось выполнить Исааку Ньютону (1642-1727). Начало его жизни совпало с бурным периодом английской истории - казнью Карла I, диктатурой Кромвеля и реставрацией Стюартов. В 1661 году Ньютон поступил в знаменитый Тринити-колледж Кембриджского университета, чтобы пройти славный и, в общем-то, спокойный путь от сына простого фермера до президента Лондонского Королевского общества и директора королевского Монетного Двора. Жесткие ветры времени почти не коснулись его семьи, но, несомненно, создали особую атмосферу, его взрастившую.
В какой-то степени на пользу Ньютону пошла даже разразившаяся в 1665 году в Лондоне эпидемия чумы, заставившая молодого магистра удалиться в деревню и с головой уйти в опыты и размышления. Видимо, в этот период у него начали формироваться новые идеи по поводу небесной механики и оптики. Во всяком случае, возвратившись в Кембридж, он продемонстрировал превосходный телескоп-рефлектор, а немного позднее, в 1671 году,- новый зеркальный телескоп. Последнее изобретение и послужило поводом для его приема в члены Лондонского Королевского общества. Успешно работая в области оптики и в математике, Ньютон шаг за шагом создает главный труд своей жизни - "Математические начала натуральной философии". Книга увидела свет и то благодаря активному напору друзей - лишь в 1687 году*.
ТЕЛЕСКОПЫ. СХЕМЫ ЛИНЗОВОГО РЕФРАКТОРА И ЗЕРКАЛЬНОГО РЕФЛЕКТОРА
*Упорное нежелание Ньютона публиковать предварительные результаты привело в это уже довольно интенсивное время к ряду неприятных осложнений в его отношениях с Гюйгенсом и Гуком, претендовавшими на приоритет в открытии закона тяготения.
Развернув общую теорию механического движения по образцу Евклидовых "Начал", Ньютон дал четкую формулировку закона всемирного тяготения (F = Gm1m2/r2) и доказал, что такая сила обуславливает движение материальной точки по одному из трех типов кривых - эллипсу, параболе или гиперболе. Это позволяет не только объяснить кеплеровские законы движения планет, но и включить в описание способные уходить за пределы видимости кометы, казавшиеся каким-то случайным фактором в картине ночного неба.
Первой наглядной демонстрацией предсказательной силы ньютоновской теории послужила работа его друга Эдмунда Галлея (1656-1742), замечательного английского астронома. Галлей, видимо, раньше всех ознакомился с результатами Ньютона - он издавал "Начала" на свои средства. Наблюдая в 1682 году комету, Галлей смело отождествил ее с кометами, появлявшимися в 1456, 1531, 1607 годах. Он считал, что это полноправный член Солнечной системы, обладающий очень сильно вытянутой орбитой с периодом около 76 лет (комета Галлея и на самом деле уходит за орбиту Нептуна). В этом плане комета Галлея - крупнейшее открытие нового типа объектов после галилеевских спутников Юпитера. На умы современников сильно подействовало то, что в отличие от других тел Солнечной системы - планет и их лун, движущихся почти по круговым орбитам,- эллипсоидальный характер траектории кометы выбивался за всякие эпициклы и эксцентры. В 1705 году в своем "Очерке кометной астрономии" Галлей на основе расчетов по ньютоновской теории предсказал, что комета вернется в 1758 году, и она действительно вернулась* - вечный памятник могуществу теоретического знания.
* Правда, несколько позднее - 12 марта 1759 года, что было объяснено более точным учетом возмущений в движении кометы Галлея со стороны Юпитера и Сатурна.
Увлекшись ретроастрономией - анализом старых наблюдений, Галлей не остановился на кометах. Он стал первым астрономом, удачно покусившимся на святая святых - неизменность звездной сферы. Анализируя старые каталоги, Галлей нашел, что три ярких звезды - Сириус, Альдебаран и Арктур - изменили свое положение в созвездиях, то есть являются подвижными телами.
Наряду с этими важнейшими конкретными открытиями происходили и общемировоззренческие сдвиги.
Сам Ньютон, воодушевленный идеями английского деизма, довел в своих работах деистическую концепцию едва ли не до логического конца. Факты вмешательства божественного начала он видел только там, где научный анализ оказывался бессильным. Например, он понимал, что закон всемирного тяготения объясняет лишь форму орбит небесных тел, но одного его недостаточно для объяснения светимости звезд.
Пораженный открывшейся перед ним гармонией, Ньютон писал:
"Эта прекраснейшая система Солнца, планет и комет могла возникнуть только по мысли и воле разумного и могущественного Существа. И если неподвижные звезды являются центрами других таких же систем, то и они, будучи созданы той же мудрой мыслью, должны все подчиняться воле Одного"*.
* Характернейшим образом отразил эту идею и впрочем всю ситуацию английского компромисса религии и науки ученик Ньютона профессор Рожер Котес в предисловии ко 2-му изданию "Начал": "Надо быть слепым, чтобы из прекраснейшего и мудрейшего строения мира не усмотреть величайшей мудрости и благости всемогущего Творца, надо быть безумцем, чтобы этого не признавать. Поэтому превосходнейшее сочинение Ньютона представляет вернейшую защиту против нападок безбожников, и нигде не найти лучшего оружия против нечестивой шайки, как в этом колчане".
Завершая экскурс в ньютоновскую эпоху, стоит задержать внимание еще на одном обстоятельстве. Как и многие крупнейшие ученые, Ньютон сам творил методологию науки. Огромный успех его механики, математики и оптики на долгое время создал исключительный авторитет его лозунгу "Гипотез не изобретаю". В отличие от Декарта Ньютон допускал в качестве схемы объяснения не любую мысленную конструкцию, согласующуюся с опытом, но только ту, которая как бы из опыта выводится. Тем самым он неявно предполагал, что каждая экспериментальная ситуация может лишь единственным образом описываться в теории. В 3-й книге своих "Начал" ("О системе мира") он даже формулирует особые "правила философствования" (1. "Не должно принимать в природе иных причин сверх тех, которые истинны и достаточны для объяснения явлений" и т. д.).
Эти правила очень практичны, если знать заранее, что есть истинная причина и чего именно достаточно для объяснения явлений... На самом деле реальная работа теоретика всегда требовала изобретения гипотез, и Ньютон был искуснейшим их изобретателем, что особенно хорошо видно в его оптике. В каждой области науки существуют десятки ярких примеров, когда к описанию одного и того же явления подходят с разными моделями. Однозначность описания появляется на сравнительно поздних стадиях - при построении общей теории, синтезирующей отдельные частные модели. Видимо, Ньютон полагал, что механика нуждается в чем-то таком - общем.
Его правила заметно повлияли на будущий подход к построению физики. Направленные в первую очередь на борьбу с последователями Декарта (картезианцами)*, они в какой-то степени отражали неудовлетворенность Ньютона физическим содержанием закона всемирного тяготения - фактическим отсутствием такого содержания. Трудно было понять, каким образом малейшее изменение относительного расстояния между планетами, разделенными миллионами километров, мгновенно сказывается на поведении обеих планет. Причем сказывается без всякого посредника - представление о гравитационном поле как особом виде материи развилось позднее. И отвергая Декартовы вихри, Ньютон оставался с чисто математической формой...
* Прямой критике картезианской модели вихрей посвящено немало места во 2-й книге "Начал". Ньютон четко демонстрирует, что из теории Декарта следует не 3-й закон Кеплера, а нечто совсем иное (a12/a22=T1/T2). Но Ньютону важно показать не только недостатки конкретной модели Солнечной системы, но и порочность всей картезианской методологии. Его твердая деистическая позиция не допускает свободы в моделировании единого космического закона, раз и навсегда установленного Творцом, и он уверен, что такой закон может иметь одну и только одну форму, отражающую истинный замысел Всевышнего. В этом, по-моему, суть деизма, взлелеянного в лоне ранних конституционных монархий, питавших иллюзию абсолютной юрисдикции неких безусловно справедливых законов, трактуемых единственным образом любым членом общества. Вероятно, именно у Ньютона религиозный синтез античной натурфилософии, монотеизма и эллинистической космической юрисдикции достигает апогея.
Некоторые последователи Ньютона возвели его разумный рационализм и неудовлетворенность в трактовке гравитации едва ли не в ранг философии науки. Механика стала для них чем-то вроде абсолютного образца в трактовке всех деталей картины Вселенной. Механицизм превращался в своеобразное мировоззрение. Вопросы, на которые не сумел ответить Ньютон, подчас объявлялись бессмысленными.
Но время берет свое - впоследствии обе тенденции, картезианская и ньютонианская, слились в стройном здании теоретической физики 19 века.
НОВОЕ И НЕВЕДОМОЕ
Основные результаты Эдмунда Галлея - открытие кометы как нового элемента Солнечной системы и собственного движения звезд - в какой-то степени предопределили главные линии развития астрономии 18-19 веков.
Во-первых, выделилось особое направление поиск - новых объектов в Солнечной системе. Астрономы стремились не только отыскать их, но точнейшим образом определить их движение для дополнительной проверки ньютоновской теории. С другой стороны, интерес исследователей все больше обращался к звездам, чья природа пока казалась загадочной.
Вспыхнувшая сразу вслед за Галлеем охота за кометами необычайно стимулировала наблюдения нестандартных событий.
Историю открытия принципиально новых объектов стоит начать с опубликованной в 1733 году работы Жан-Жака Дорту де Мэрана. В своем "Физическом и историческом трактате о северном сиянии" он смело связал красивейшее явление северного неба с влиянием солнечной активности, а не со свечением вулканических испарений, как это делалось до него. Мэран полагал, что солнечная атмосфера - та корона, которая наблюдается во время солнечных затмений,- может в отдельных случаях простираться на огромные расстояния и достигать Земли, вступая в сильное взаимодействие с земной атмосферой. Иными словами, родилась гипотеза о существовании особого элемента Солнечной системы - того, что сейчас называют солнечным ветром, причем этот элемент должен заметно влиять на состояние околопланетного пространства. Разумеется, в доспутниковую эру не было возможности проверить гипотезу Мэрана прямым экспериментом, но качественно она вполне оправдалась. После ньютоновской теории приливов, обусловленных гравитационным влиянием Луны и Солнца, это была, пожалуй, первая неастрологическая идея о воздействии небесных тел на земные события. В мае 1761 года русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов (1711 -1765), человек необычайной одаренности и широты увлечений - от физики до литературы, наблюдал необычное явление. Край Солнца как бы пузырился или размывался при прохождении через него Венеры вокруг диска планеты возникал тончайший светящийся ободок. Этот эффект был правильно истолкован Ломоносовым в его брошюре "Явление Венеры на Солнце, наблюденное в Санкт-Петербургской Академии наук". Размывание солнечного диска он связал с наличием у ближайшей соседки Земли мощной атмосферы "таковою (лишь бы не большею), какова обливается около нашего шара земного". Так - по сути, впервые со времен Галилея - удалось дополнительно доказать схожесть Земли и других планет. Старые сугубо умозрительные гипотезы об атмосферах небесных тел получили столь сильное подтверждение, что фантасты и популяризаторы науки 18-19 веков стали считать чуть ли не само собой разумеющимся, что всякая планета имеет подходящий для человека воздушный океан.
Принципиально новый тип небесного тела - астероид, или малую планету, обнаружил в первый день 19 столетия итальянский астроном Джузеппе Пиацци (1746-1826). Орбита первого астероида, названного Церерой, была заключена между орбитами Марса и Юпитера. В течение нескольких следующих лет немецкий астроном Генрих Вильгельм Ольберс (1758-1840) снова зарегистрировал Цереру и обнаружил два других астероида - Палладу и Весту. Вскоре между орбитами Марса и Юпитера были найдены и другие планетки. Это позволило Ольберсу предложить гипотезу о существовании в очень давние времена особой планеты Фаэтона, которая по неизвестным причинам взорвалась, и ее осколки образовали астероидный пояс. Эту идею до сих пор трудно обосновать или окончательно опровергнуть, но она, бесспорно, стимулировала интерес к законам эволюции Солнечной системы и отдельных планет.
Так обогащались представления о Солнечной системе, но самое впечатляющее открытие этого времени, завершившееся триумфом ньютоновской теории, было опять-таки связано с кометным бумом.
13 марта 1781 года 42-летний астроном-любитель Вильям Гершель открыл, как ему показалось, новую комету, наблюдая звезды между созвездиями Тельца и Близнецов.
Фридрих Вильгельм Гершель (1738-1822), сын ганноверского военного музыканта, сам композитор и музыкант, приехал в Англию 18-летним юношей. Здесь он, преобразовавшись в Вильяма, длительное время зарабатывал на жизнь музыкальными уроками. Постепенно он увлекся астрономией, и к 33 годам осознал, что только этот предмет по-настоящему для него интересен. Свой первый телескоп Гершель достроил в 1773 году и через год приступил к систематическим наблюдениям. К моменту упомянутого открытия он все еще оставался любителем, хотя и проявил незаурядное упорство в конструировании телескопов и наблюдениях.
26 апреля 1781 года Вильям Гершель представил в Лондонское Королевское общество "Сообщение о комете" и, возможно, стал бы очередным счастливцем из немалой тогда когорты кометчиков, если бы не странное поведение предмета его мартовского открытия. Объект не увеличивал яркость, то есть не желал приближаться к Солнцу. Уже в мае французский астроном Жан Сарон установил, что новое небесное тело находится за орбитой Сатурна, а несколько позже петербургский академик, ученик Л. Эйлера, Андрей Иванович Лексель (1740-1784) показал, что оно вообще ведет себя как планета, обращаясь вокруг Солнца с периодом около 84 лет.
Так произошло открытие седьмой большой планеты - Урана. Впрочем, мудрый Гершель первоначально предложил назвать ее Георгом в честь здравствующего короля. Это предложение не прошло - оно противоречило тысячелетней традиции называть планеты именами античных богов, но сыграло свою положительную роль в судьбе Гершеля. В том же 1781 году он стал членом Лондонского Королевского общества, а через год благодарный Георг III назначил его своим придворным астрономом с годовым жалованием в 200 фунтов. Это позволило Гершелю целиком погрузиться в любимую работу.
С именем Вильяма Гершеля справедливо связывается целая эпоха в астрономии, а его достижения и объем работы сопоставимы среди предшественников, пожалуй, только с деятельностью Гиппарха и Тихо Браге.
Хотя открытие Урана стало в глазах современников ярчайшей вехой его жизни, главное его достижение заключается в ином - в колоссальном подъеме уровня систематичности наблюдений и в изменении их ориентации.
Гершель обратился к звездам. Именно звездные системы интересовали его в первую очередь.
В 1783 году он показал, что обнаруженное Галлеем изменение положения звезд частично обусловлено движением Солнечной системы в сторону созвездия Геркулеса*. Это нанесло сильнейший удар по гелиоцентрической картине Вселенной - Солнце становилось рядовой звездой, мчащейся среди других светил.
* Более обширные современные данные показывают, что апекс (точка, куда со скоростью около 20 км/с стремится Солнце) расположен в созвездии Лиры, неподалеку от созвездия Геркулеса.
Еще через 20 лет Гершель обнаружил особый тип космического населения двойные звезды*. Эти объекты сыграли важнейшую роль в определении масштабов Вселенной.
* Видимо, первое указание на существование двойных звезд было получено итальянским астрономом Джованни Батиста Риччоли (1598-1671), составителем энциклопедического "Нового Альмагеста", подытожившего астрономические достижения того времени.
Вообще же, фантастическим подвигом выглядит сухой факт - Гершель открыл и описал более 2500 звездных скоплений и туманностей!
Туманности, более или менее размазанные светящиеся пятнышки, представляли собой известную к тому времени космическую загадку. Дело не в редкости - как туманность выглядит и древнейший небесный объект Млечный путь*, расщепленный Галилеем на отдельные звезды. Но многие туманности не поддавались такому расщеплению даже с помощью самых сильных телескопов.
*Это красивый древнеримский образ (via lactea). Греки называли его "молочным кругом" (galaktikos kyklos), откуда и пошел термин "галактики".
В практическом плане туманности заинтересовали астрономов опять-таки в связи с кометным бумом 18 столетия. Первый каталог аббата Николы Луи де Лакайля (1755 год), как и более известный, включающий 103 объекта, каталог французских астрономов Шарля Мессье и Пьера Мешена (1784 год), появились в качестве руководства для желающих выделить кометы среди иных светящихся пятнышек.
Систематическая работа Вильяма Гершеля, а впоследствии его сына и достойного продолжателя Джона Фредерика Уильяма Гершеля (1792-1871), автора знаменитого CG-каталога на 5079 звездных скоплений и туманностей*, привлекла внимание к этим объектам и вообще к проблеме островного строения Вселенной.
* Джону Гершелю, ставшему впоследствии президентом Лондонского Королевского общества, принадлежит заслуга и в систематизации двойных звезд - в своих 11 каталогах он описал 3000 этих объектов. Он впервые стал вести постоянные наблюдения в Южном полушарии. Его творческая увлеченность фотоделом способствовала внедрению фотографических методов в астрономию.
Что же нового давали гершелевские результаты для общей картины космических структур?
Прежде всего, двойные звезды оказались первыми системами небесных тел, движущихся под действием сил тяготения сугубо вне Солнечной системы. Это позволило распространить закон, выявленный для взаимодействия Солнца и планет, на межзвездные расстояния, то есть проверять его совсем в иных масштабах.
Во-вторых, и это не менее важно, открытие двойных звезд подорвало сложившийся предрассудок* об одинаковости истинной яркости всех звезд и ее примерному равенству яркости Солнца. Гершель ясно наблюдал звезды компоненты двойной системы, расположенные на практически одинаковых от нас расстояниях, но с весьма разной яркостью.
*Как и всякий предрассудок, он возник из отсутствия проверки иных возможностей - лишь как простейшая гипотеза.
Уильям Гершель впервые подошел к открытию нашей Галактики. Систематический подсчет звезд по различным направлениям позволил ему выработать своеобразную модель сплющенного дискообразного сгустка звезд, в центре которого находится Солнце. Это выглядело определенным витком коперниковской гелиоцентрической идеологии, но, разумеется, качественно новым витком, хотя бы потому, что Солнце уже не считалось неподвижным центром мира. Подобно тому, как древние полагали естественным движение Солнца вокруг Земли, астрономам на рубеже 18-19 веков трудно было отделаться от впечатления, что Млечный путь более или менее равномерно окутывает Солнечную систему и ее окрестности. Впрочем, эта точка зрения подкреплялась объективными трудностями наблюдения центральной области Галактики, закрытой от нас пылевыми облаками. Темные туманности, то есть участки пространства, где из-за огромных облаков космической пыли не просматриваются звезды, были восприняты Гершелем с удивлением - он образно называл их "дырами в небе". Его внимание было приковано к форме шаровых звездных скоплений, но их концентрации в направлении созвездия Стрельца он не придал должного значения. Это выпало на долю его сына, который впервые указал на концентрацию шаровых скоплений как на важный фактор строения Галактики.
И все-таки Уильям Гершель сделал важный шаг в конструировании галактической модели. Его работам непосредственно предшествовала картина в пифагорейском духе, нарисованная в 1750 году английским астрономом Томасом Райтом (1711-1786) в "Оригинальной теории, или Новой гипотезе Вселенной". Райт полагал, что Млечный Путь представляет собой что-то вроде плоского кольца или сферической оболочки (он дал оба варианта), в центре которых находится некий духовный первоисточник - "Глаз Господа". Существенно в этой гипотезе не ее обоснование, а идея множественности миров такого рода. Модель Райта относится к модели Гершеля примерно так же, как пифагорейская огнецентрическая картина к схеме Аристарха.
Уильям Гершель стал одним из первых астрономов, смутно почувствовавших, что за разнообразием звездного населения кроется какая-то генетическая связь звездных объектов.
Главное дело его жизни было подхвачено сыном, а впоследствии значительно развито голландским астрономом Якобусом Корнелисом Каптейном (1851-1922). Уточнив подсчеты звезд и тщательно классифицировав их величины, Каптейн пришел к заметно большим размерам Галактики. И к началу 20 века модель Гершеля-Каптейна - Галактика как дискообразное сверхскопление звезд с Солнцем в центре - стала практически общепринятой.
Итак, деятельность Уильяма Гершеля переопределила ориентацию астрономии, углубив и конкретизировав последовательную программу Галлея.
Открытие Урана послужило сильнейшим толчком для развития математических методов небесной механики и поиска новых объектов.
Открытие двойных звезд, обладающих переменным блеском, привлекло внимание ко всем вообще переменным явлениям звездного мира - не к звездам как статическим телам, а к происходящим там процессам. Именно благодаря этому интересу в течение последующих десятилетий астрономы сумели построить хорошую модель Галактики и подтвердить гипотезу Райта о множественности звездных миров. Глубокий интерес Гершеля к туманностям сработал в этом же направлении, одновременно стимулировав четкую постановку космогонической проблемы. Все эти линии развития мы и рассмотрим в следующих разделах.
ОТКРЫТИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ - 3 АКТ
Обнаруженный Вильямом Гершелем Уран оказался своеобразной копилкой сюрпризов.
Прежде всего, выяснилось, что задолго до Гершеля эту планету наблюдали другие астрономы, причем регистрировали ее не менее 19 раз. Первым это сделал Джон Флемстид в самом конце 1690 года. В течение последующих 25 лет он повторял этот результат еще четырежды. В 1750-1771 гг. целых 12 наблюдений Урана провел французский астроном Пьер Лемонье (1715-1799), уже современник Гершеля. В общем, видели ее многие, но до поры до времени никому не пришло в голову выделить ее среди слабых звезд.
Но это полбеды - новые явления нередко исчезают из поля восприятия. Главное то, что Уран очень быстро продемонстрировал необычное поведение. Строгое вычисление его орбиты в рамках ньютоновской теории тяготения, даже с учетом поправок на влияние гигантов - Юпитера и Сатурна, не привело к успеху. Уран ускользал с предназначенной ему траектории. В 20-х годах 19 века астрономы пришли к выводу, что такая модель не описывает наблюдаемых положений новой планеты.
Естественно, появились гипотезы, подчас весьма причудливые, но лишь две из них оказались жизнеспособны и некоторое время конкурировали друг с другом. Реальный выбор свелся к тому, что либо закон тяготения неверен, например, сила убывает не как квадрат расстояния, а более сложным образом, либо существует какая-то новая планета, сбивающая Уран с пути. Первый вариант весьма авторитетно поддерживался директором Гринвичской обсерватории Джорджем Бидделом Эри (1801 -1892). Однако столь радикальное решение привлекало немногих - модификация закона Ньютона вела к перестройке всей теории движения планет, а для этого нужны были более веские экспериментальные и теоретические причины.
Реальное решение проблемы Урана было найдено в рамках второго подхода. Тут и развернулась отчасти забавная и отчасти драматическая история открытия Нептуна, история, описанию которой посвящены целые книги.
Вкратце она выглядит так. К 1820 году французский астроном Алексис Бювар (1767-1843) четко показал, что все старые (догершелевские) и последующие наблюдения не согласуются с теорией движения Урана. И даже поправки на влияние Юпитера и Сатурна, модель движения которых он только что завершил, не спасают дела. Видимо, Бювар первым и высказал гипотезу о влиянии на Уран какого-то неизвестного тела. Однако сам он первоначально больше склонялся к версии катастрофического воздействия - то есть кратковременного влияния некой кометы, столкнувшейся с Ураном или очень сильно сблизившейся с ним как раз в промежутке между ранними и поздними наблюдениями Лемонье.
Но результаты последующего десятилетия показали, что непоседливая планета продолжает все дальше уходить от предписанной орбиты. Значит, дело не в катастрофе, а в каком-то систематическом влиянии. Так сложилась конкретная гипотеза о трансурановой планете, фактически общепринятая к концу 30-х годов. Поиск трансурановой планеты несколько затягивался многие полагали, что расчет ее орбиты по очень неполным данным преждевременен и нужны тщательные наблюдения на протяжении одного-двух полных оборотов Урана. Эта точка зрения подкреплялась и сомнениями в точности старых данных Флемстида и других астрономов, посеянными Бюваром.
Гигантскую работу по созданию такого аппарата теоретической механики удалось выполнить Исааку Ньютону (1642-1727). Начало его жизни совпало с бурным периодом английской истории - казнью Карла I, диктатурой Кромвеля и реставрацией Стюартов. В 1661 году Ньютон поступил в знаменитый Тринити-колледж Кембриджского университета, чтобы пройти славный и, в общем-то, спокойный путь от сына простого фермера до президента Лондонского Королевского общества и директора королевского Монетного Двора. Жесткие ветры времени почти не коснулись его семьи, но, несомненно, создали особую атмосферу, его взрастившую.
В какой-то степени на пользу Ньютону пошла даже разразившаяся в 1665 году в Лондоне эпидемия чумы, заставившая молодого магистра удалиться в деревню и с головой уйти в опыты и размышления. Видимо, в этот период у него начали формироваться новые идеи по поводу небесной механики и оптики. Во всяком случае, возвратившись в Кембридж, он продемонстрировал превосходный телескоп-рефлектор, а немного позднее, в 1671 году,- новый зеркальный телескоп. Последнее изобретение и послужило поводом для его приема в члены Лондонского Королевского общества. Успешно работая в области оптики и в математике, Ньютон шаг за шагом создает главный труд своей жизни - "Математические начала натуральной философии". Книга увидела свет и то благодаря активному напору друзей - лишь в 1687 году*.
ТЕЛЕСКОПЫ. СХЕМЫ ЛИНЗОВОГО РЕФРАКТОРА И ЗЕРКАЛЬНОГО РЕФЛЕКТОРА
*Упорное нежелание Ньютона публиковать предварительные результаты привело в это уже довольно интенсивное время к ряду неприятных осложнений в его отношениях с Гюйгенсом и Гуком, претендовавшими на приоритет в открытии закона тяготения.
Развернув общую теорию механического движения по образцу Евклидовых "Начал", Ньютон дал четкую формулировку закона всемирного тяготения (F = Gm1m2/r2) и доказал, что такая сила обуславливает движение материальной точки по одному из трех типов кривых - эллипсу, параболе или гиперболе. Это позволяет не только объяснить кеплеровские законы движения планет, но и включить в описание способные уходить за пределы видимости кометы, казавшиеся каким-то случайным фактором в картине ночного неба.
Первой наглядной демонстрацией предсказательной силы ньютоновской теории послужила работа его друга Эдмунда Галлея (1656-1742), замечательного английского астронома. Галлей, видимо, раньше всех ознакомился с результатами Ньютона - он издавал "Начала" на свои средства. Наблюдая в 1682 году комету, Галлей смело отождествил ее с кометами, появлявшимися в 1456, 1531, 1607 годах. Он считал, что это полноправный член Солнечной системы, обладающий очень сильно вытянутой орбитой с периодом около 76 лет (комета Галлея и на самом деле уходит за орбиту Нептуна). В этом плане комета Галлея - крупнейшее открытие нового типа объектов после галилеевских спутников Юпитера. На умы современников сильно подействовало то, что в отличие от других тел Солнечной системы - планет и их лун, движущихся почти по круговым орбитам,- эллипсоидальный характер траектории кометы выбивался за всякие эпициклы и эксцентры. В 1705 году в своем "Очерке кометной астрономии" Галлей на основе расчетов по ньютоновской теории предсказал, что комета вернется в 1758 году, и она действительно вернулась* - вечный памятник могуществу теоретического знания.
* Правда, несколько позднее - 12 марта 1759 года, что было объяснено более точным учетом возмущений в движении кометы Галлея со стороны Юпитера и Сатурна.
Увлекшись ретроастрономией - анализом старых наблюдений, Галлей не остановился на кометах. Он стал первым астрономом, удачно покусившимся на святая святых - неизменность звездной сферы. Анализируя старые каталоги, Галлей нашел, что три ярких звезды - Сириус, Альдебаран и Арктур - изменили свое положение в созвездиях, то есть являются подвижными телами.
Наряду с этими важнейшими конкретными открытиями происходили и общемировоззренческие сдвиги.
Сам Ньютон, воодушевленный идеями английского деизма, довел в своих работах деистическую концепцию едва ли не до логического конца. Факты вмешательства божественного начала он видел только там, где научный анализ оказывался бессильным. Например, он понимал, что закон всемирного тяготения объясняет лишь форму орбит небесных тел, но одного его недостаточно для объяснения светимости звезд.
Пораженный открывшейся перед ним гармонией, Ньютон писал:
"Эта прекраснейшая система Солнца, планет и комет могла возникнуть только по мысли и воле разумного и могущественного Существа. И если неподвижные звезды являются центрами других таких же систем, то и они, будучи созданы той же мудрой мыслью, должны все подчиняться воле Одного"*.
* Характернейшим образом отразил эту идею и впрочем всю ситуацию английского компромисса религии и науки ученик Ньютона профессор Рожер Котес в предисловии ко 2-му изданию "Начал": "Надо быть слепым, чтобы из прекраснейшего и мудрейшего строения мира не усмотреть величайшей мудрости и благости всемогущего Творца, надо быть безумцем, чтобы этого не признавать. Поэтому превосходнейшее сочинение Ньютона представляет вернейшую защиту против нападок безбожников, и нигде не найти лучшего оружия против нечестивой шайки, как в этом колчане".
Завершая экскурс в ньютоновскую эпоху, стоит задержать внимание еще на одном обстоятельстве. Как и многие крупнейшие ученые, Ньютон сам творил методологию науки. Огромный успех его механики, математики и оптики на долгое время создал исключительный авторитет его лозунгу "Гипотез не изобретаю". В отличие от Декарта Ньютон допускал в качестве схемы объяснения не любую мысленную конструкцию, согласующуюся с опытом, но только ту, которая как бы из опыта выводится. Тем самым он неявно предполагал, что каждая экспериментальная ситуация может лишь единственным образом описываться в теории. В 3-й книге своих "Начал" ("О системе мира") он даже формулирует особые "правила философствования" (1. "Не должно принимать в природе иных причин сверх тех, которые истинны и достаточны для объяснения явлений" и т. д.).
Эти правила очень практичны, если знать заранее, что есть истинная причина и чего именно достаточно для объяснения явлений... На самом деле реальная работа теоретика всегда требовала изобретения гипотез, и Ньютон был искуснейшим их изобретателем, что особенно хорошо видно в его оптике. В каждой области науки существуют десятки ярких примеров, когда к описанию одного и того же явления подходят с разными моделями. Однозначность описания появляется на сравнительно поздних стадиях - при построении общей теории, синтезирующей отдельные частные модели. Видимо, Ньютон полагал, что механика нуждается в чем-то таком - общем.
Его правила заметно повлияли на будущий подход к построению физики. Направленные в первую очередь на борьбу с последователями Декарта (картезианцами)*, они в какой-то степени отражали неудовлетворенность Ньютона физическим содержанием закона всемирного тяготения - фактическим отсутствием такого содержания. Трудно было понять, каким образом малейшее изменение относительного расстояния между планетами, разделенными миллионами километров, мгновенно сказывается на поведении обеих планет. Причем сказывается без всякого посредника - представление о гравитационном поле как особом виде материи развилось позднее. И отвергая Декартовы вихри, Ньютон оставался с чисто математической формой...
* Прямой критике картезианской модели вихрей посвящено немало места во 2-й книге "Начал". Ньютон четко демонстрирует, что из теории Декарта следует не 3-й закон Кеплера, а нечто совсем иное (a12/a22=T1/T2). Но Ньютону важно показать не только недостатки конкретной модели Солнечной системы, но и порочность всей картезианской методологии. Его твердая деистическая позиция не допускает свободы в моделировании единого космического закона, раз и навсегда установленного Творцом, и он уверен, что такой закон может иметь одну и только одну форму, отражающую истинный замысел Всевышнего. В этом, по-моему, суть деизма, взлелеянного в лоне ранних конституционных монархий, питавших иллюзию абсолютной юрисдикции неких безусловно справедливых законов, трактуемых единственным образом любым членом общества. Вероятно, именно у Ньютона религиозный синтез античной натурфилософии, монотеизма и эллинистической космической юрисдикции достигает апогея.
Некоторые последователи Ньютона возвели его разумный рационализм и неудовлетворенность в трактовке гравитации едва ли не в ранг философии науки. Механика стала для них чем-то вроде абсолютного образца в трактовке всех деталей картины Вселенной. Механицизм превращался в своеобразное мировоззрение. Вопросы, на которые не сумел ответить Ньютон, подчас объявлялись бессмысленными.
Но время берет свое - впоследствии обе тенденции, картезианская и ньютонианская, слились в стройном здании теоретической физики 19 века.
НОВОЕ И НЕВЕДОМОЕ
Основные результаты Эдмунда Галлея - открытие кометы как нового элемента Солнечной системы и собственного движения звезд - в какой-то степени предопределили главные линии развития астрономии 18-19 веков.
Во-первых, выделилось особое направление поиск - новых объектов в Солнечной системе. Астрономы стремились не только отыскать их, но точнейшим образом определить их движение для дополнительной проверки ньютоновской теории. С другой стороны, интерес исследователей все больше обращался к звездам, чья природа пока казалась загадочной.
Вспыхнувшая сразу вслед за Галлеем охота за кометами необычайно стимулировала наблюдения нестандартных событий.
Историю открытия принципиально новых объектов стоит начать с опубликованной в 1733 году работы Жан-Жака Дорту де Мэрана. В своем "Физическом и историческом трактате о северном сиянии" он смело связал красивейшее явление северного неба с влиянием солнечной активности, а не со свечением вулканических испарений, как это делалось до него. Мэран полагал, что солнечная атмосфера - та корона, которая наблюдается во время солнечных затмений,- может в отдельных случаях простираться на огромные расстояния и достигать Земли, вступая в сильное взаимодействие с земной атмосферой. Иными словами, родилась гипотеза о существовании особого элемента Солнечной системы - того, что сейчас называют солнечным ветром, причем этот элемент должен заметно влиять на состояние околопланетного пространства. Разумеется, в доспутниковую эру не было возможности проверить гипотезу Мэрана прямым экспериментом, но качественно она вполне оправдалась. После ньютоновской теории приливов, обусловленных гравитационным влиянием Луны и Солнца, это была, пожалуй, первая неастрологическая идея о воздействии небесных тел на земные события. В мае 1761 года русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов (1711 -1765), человек необычайной одаренности и широты увлечений - от физики до литературы, наблюдал необычное явление. Край Солнца как бы пузырился или размывался при прохождении через него Венеры вокруг диска планеты возникал тончайший светящийся ободок. Этот эффект был правильно истолкован Ломоносовым в его брошюре "Явление Венеры на Солнце, наблюденное в Санкт-Петербургской Академии наук". Размывание солнечного диска он связал с наличием у ближайшей соседки Земли мощной атмосферы "таковою (лишь бы не большею), какова обливается около нашего шара земного". Так - по сути, впервые со времен Галилея - удалось дополнительно доказать схожесть Земли и других планет. Старые сугубо умозрительные гипотезы об атмосферах небесных тел получили столь сильное подтверждение, что фантасты и популяризаторы науки 18-19 веков стали считать чуть ли не само собой разумеющимся, что всякая планета имеет подходящий для человека воздушный океан.
Принципиально новый тип небесного тела - астероид, или малую планету, обнаружил в первый день 19 столетия итальянский астроном Джузеппе Пиацци (1746-1826). Орбита первого астероида, названного Церерой, была заключена между орбитами Марса и Юпитера. В течение нескольких следующих лет немецкий астроном Генрих Вильгельм Ольберс (1758-1840) снова зарегистрировал Цереру и обнаружил два других астероида - Палладу и Весту. Вскоре между орбитами Марса и Юпитера были найдены и другие планетки. Это позволило Ольберсу предложить гипотезу о существовании в очень давние времена особой планеты Фаэтона, которая по неизвестным причинам взорвалась, и ее осколки образовали астероидный пояс. Эту идею до сих пор трудно обосновать или окончательно опровергнуть, но она, бесспорно, стимулировала интерес к законам эволюции Солнечной системы и отдельных планет.
Так обогащались представления о Солнечной системе, но самое впечатляющее открытие этого времени, завершившееся триумфом ньютоновской теории, было опять-таки связано с кометным бумом.
13 марта 1781 года 42-летний астроном-любитель Вильям Гершель открыл, как ему показалось, новую комету, наблюдая звезды между созвездиями Тельца и Близнецов.
Фридрих Вильгельм Гершель (1738-1822), сын ганноверского военного музыканта, сам композитор и музыкант, приехал в Англию 18-летним юношей. Здесь он, преобразовавшись в Вильяма, длительное время зарабатывал на жизнь музыкальными уроками. Постепенно он увлекся астрономией, и к 33 годам осознал, что только этот предмет по-настоящему для него интересен. Свой первый телескоп Гершель достроил в 1773 году и через год приступил к систематическим наблюдениям. К моменту упомянутого открытия он все еще оставался любителем, хотя и проявил незаурядное упорство в конструировании телескопов и наблюдениях.
26 апреля 1781 года Вильям Гершель представил в Лондонское Королевское общество "Сообщение о комете" и, возможно, стал бы очередным счастливцем из немалой тогда когорты кометчиков, если бы не странное поведение предмета его мартовского открытия. Объект не увеличивал яркость, то есть не желал приближаться к Солнцу. Уже в мае французский астроном Жан Сарон установил, что новое небесное тело находится за орбитой Сатурна, а несколько позже петербургский академик, ученик Л. Эйлера, Андрей Иванович Лексель (1740-1784) показал, что оно вообще ведет себя как планета, обращаясь вокруг Солнца с периодом около 84 лет.
Так произошло открытие седьмой большой планеты - Урана. Впрочем, мудрый Гершель первоначально предложил назвать ее Георгом в честь здравствующего короля. Это предложение не прошло - оно противоречило тысячелетней традиции называть планеты именами античных богов, но сыграло свою положительную роль в судьбе Гершеля. В том же 1781 году он стал членом Лондонского Королевского общества, а через год благодарный Георг III назначил его своим придворным астрономом с годовым жалованием в 200 фунтов. Это позволило Гершелю целиком погрузиться в любимую работу.
С именем Вильяма Гершеля справедливо связывается целая эпоха в астрономии, а его достижения и объем работы сопоставимы среди предшественников, пожалуй, только с деятельностью Гиппарха и Тихо Браге.
Хотя открытие Урана стало в глазах современников ярчайшей вехой его жизни, главное его достижение заключается в ином - в колоссальном подъеме уровня систематичности наблюдений и в изменении их ориентации.
Гершель обратился к звездам. Именно звездные системы интересовали его в первую очередь.
В 1783 году он показал, что обнаруженное Галлеем изменение положения звезд частично обусловлено движением Солнечной системы в сторону созвездия Геркулеса*. Это нанесло сильнейший удар по гелиоцентрической картине Вселенной - Солнце становилось рядовой звездой, мчащейся среди других светил.
* Более обширные современные данные показывают, что апекс (точка, куда со скоростью около 20 км/с стремится Солнце) расположен в созвездии Лиры, неподалеку от созвездия Геркулеса.
Еще через 20 лет Гершель обнаружил особый тип космического населения двойные звезды*. Эти объекты сыграли важнейшую роль в определении масштабов Вселенной.
* Видимо, первое указание на существование двойных звезд было получено итальянским астрономом Джованни Батиста Риччоли (1598-1671), составителем энциклопедического "Нового Альмагеста", подытожившего астрономические достижения того времени.
Вообще же, фантастическим подвигом выглядит сухой факт - Гершель открыл и описал более 2500 звездных скоплений и туманностей!
Туманности, более или менее размазанные светящиеся пятнышки, представляли собой известную к тому времени космическую загадку. Дело не в редкости - как туманность выглядит и древнейший небесный объект Млечный путь*, расщепленный Галилеем на отдельные звезды. Но многие туманности не поддавались такому расщеплению даже с помощью самых сильных телескопов.
*Это красивый древнеримский образ (via lactea). Греки называли его "молочным кругом" (galaktikos kyklos), откуда и пошел термин "галактики".
В практическом плане туманности заинтересовали астрономов опять-таки в связи с кометным бумом 18 столетия. Первый каталог аббата Николы Луи де Лакайля (1755 год), как и более известный, включающий 103 объекта, каталог французских астрономов Шарля Мессье и Пьера Мешена (1784 год), появились в качестве руководства для желающих выделить кометы среди иных светящихся пятнышек.
Систематическая работа Вильяма Гершеля, а впоследствии его сына и достойного продолжателя Джона Фредерика Уильяма Гершеля (1792-1871), автора знаменитого CG-каталога на 5079 звездных скоплений и туманностей*, привлекла внимание к этим объектам и вообще к проблеме островного строения Вселенной.
* Джону Гершелю, ставшему впоследствии президентом Лондонского Королевского общества, принадлежит заслуга и в систематизации двойных звезд - в своих 11 каталогах он описал 3000 этих объектов. Он впервые стал вести постоянные наблюдения в Южном полушарии. Его творческая увлеченность фотоделом способствовала внедрению фотографических методов в астрономию.
Что же нового давали гершелевские результаты для общей картины космических структур?
Прежде всего, двойные звезды оказались первыми системами небесных тел, движущихся под действием сил тяготения сугубо вне Солнечной системы. Это позволило распространить закон, выявленный для взаимодействия Солнца и планет, на межзвездные расстояния, то есть проверять его совсем в иных масштабах.
Во-вторых, и это не менее важно, открытие двойных звезд подорвало сложившийся предрассудок* об одинаковости истинной яркости всех звезд и ее примерному равенству яркости Солнца. Гершель ясно наблюдал звезды компоненты двойной системы, расположенные на практически одинаковых от нас расстояниях, но с весьма разной яркостью.
*Как и всякий предрассудок, он возник из отсутствия проверки иных возможностей - лишь как простейшая гипотеза.
Уильям Гершель впервые подошел к открытию нашей Галактики. Систематический подсчет звезд по различным направлениям позволил ему выработать своеобразную модель сплющенного дискообразного сгустка звезд, в центре которого находится Солнце. Это выглядело определенным витком коперниковской гелиоцентрической идеологии, но, разумеется, качественно новым витком, хотя бы потому, что Солнце уже не считалось неподвижным центром мира. Подобно тому, как древние полагали естественным движение Солнца вокруг Земли, астрономам на рубеже 18-19 веков трудно было отделаться от впечатления, что Млечный путь более или менее равномерно окутывает Солнечную систему и ее окрестности. Впрочем, эта точка зрения подкреплялась объективными трудностями наблюдения центральной области Галактики, закрытой от нас пылевыми облаками. Темные туманности, то есть участки пространства, где из-за огромных облаков космической пыли не просматриваются звезды, были восприняты Гершелем с удивлением - он образно называл их "дырами в небе". Его внимание было приковано к форме шаровых звездных скоплений, но их концентрации в направлении созвездия Стрельца он не придал должного значения. Это выпало на долю его сына, который впервые указал на концентрацию шаровых скоплений как на важный фактор строения Галактики.
И все-таки Уильям Гершель сделал важный шаг в конструировании галактической модели. Его работам непосредственно предшествовала картина в пифагорейском духе, нарисованная в 1750 году английским астрономом Томасом Райтом (1711-1786) в "Оригинальной теории, или Новой гипотезе Вселенной". Райт полагал, что Млечный Путь представляет собой что-то вроде плоского кольца или сферической оболочки (он дал оба варианта), в центре которых находится некий духовный первоисточник - "Глаз Господа". Существенно в этой гипотезе не ее обоснование, а идея множественности миров такого рода. Модель Райта относится к модели Гершеля примерно так же, как пифагорейская огнецентрическая картина к схеме Аристарха.
Уильям Гершель стал одним из первых астрономов, смутно почувствовавших, что за разнообразием звездного населения кроется какая-то генетическая связь звездных объектов.
Главное дело его жизни было подхвачено сыном, а впоследствии значительно развито голландским астрономом Якобусом Корнелисом Каптейном (1851-1922). Уточнив подсчеты звезд и тщательно классифицировав их величины, Каптейн пришел к заметно большим размерам Галактики. И к началу 20 века модель Гершеля-Каптейна - Галактика как дискообразное сверхскопление звезд с Солнцем в центре - стала практически общепринятой.
Итак, деятельность Уильяма Гершеля переопределила ориентацию астрономии, углубив и конкретизировав последовательную программу Галлея.
Открытие Урана послужило сильнейшим толчком для развития математических методов небесной механики и поиска новых объектов.
Открытие двойных звезд, обладающих переменным блеском, привлекло внимание ко всем вообще переменным явлениям звездного мира - не к звездам как статическим телам, а к происходящим там процессам. Именно благодаря этому интересу в течение последующих десятилетий астрономы сумели построить хорошую модель Галактики и подтвердить гипотезу Райта о множественности звездных миров. Глубокий интерес Гершеля к туманностям сработал в этом же направлении, одновременно стимулировав четкую постановку космогонической проблемы. Все эти линии развития мы и рассмотрим в следующих разделах.
ОТКРЫТИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ - 3 АКТ
Обнаруженный Вильямом Гершелем Уран оказался своеобразной копилкой сюрпризов.
Прежде всего, выяснилось, что задолго до Гершеля эту планету наблюдали другие астрономы, причем регистрировали ее не менее 19 раз. Первым это сделал Джон Флемстид в самом конце 1690 года. В течение последующих 25 лет он повторял этот результат еще четырежды. В 1750-1771 гг. целых 12 наблюдений Урана провел французский астроном Пьер Лемонье (1715-1799), уже современник Гершеля. В общем, видели ее многие, но до поры до времени никому не пришло в голову выделить ее среди слабых звезд.
Но это полбеды - новые явления нередко исчезают из поля восприятия. Главное то, что Уран очень быстро продемонстрировал необычное поведение. Строгое вычисление его орбиты в рамках ньютоновской теории тяготения, даже с учетом поправок на влияние гигантов - Юпитера и Сатурна, не привело к успеху. Уран ускользал с предназначенной ему траектории. В 20-х годах 19 века астрономы пришли к выводу, что такая модель не описывает наблюдаемых положений новой планеты.
Естественно, появились гипотезы, подчас весьма причудливые, но лишь две из них оказались жизнеспособны и некоторое время конкурировали друг с другом. Реальный выбор свелся к тому, что либо закон тяготения неверен, например, сила убывает не как квадрат расстояния, а более сложным образом, либо существует какая-то новая планета, сбивающая Уран с пути. Первый вариант весьма авторитетно поддерживался директором Гринвичской обсерватории Джорджем Бидделом Эри (1801 -1892). Однако столь радикальное решение привлекало немногих - модификация закона Ньютона вела к перестройке всей теории движения планет, а для этого нужны были более веские экспериментальные и теоретические причины.
Реальное решение проблемы Урана было найдено в рамках второго подхода. Тут и развернулась отчасти забавная и отчасти драматическая история открытия Нептуна, история, описанию которой посвящены целые книги.
Вкратце она выглядит так. К 1820 году французский астроном Алексис Бювар (1767-1843) четко показал, что все старые (догершелевские) и последующие наблюдения не согласуются с теорией движения Урана. И даже поправки на влияние Юпитера и Сатурна, модель движения которых он только что завершил, не спасают дела. Видимо, Бювар первым и высказал гипотезу о влиянии на Уран какого-то неизвестного тела. Однако сам он первоначально больше склонялся к версии катастрофического воздействия - то есть кратковременного влияния некой кометы, столкнувшейся с Ураном или очень сильно сблизившейся с ним как раз в промежутке между ранними и поздними наблюдениями Лемонье.
Но результаты последующего десятилетия показали, что непоседливая планета продолжает все дальше уходить от предписанной орбиты. Значит, дело не в катастрофе, а в каком-то систематическом влиянии. Так сложилась конкретная гипотеза о трансурановой планете, фактически общепринятая к концу 30-х годов. Поиск трансурановой планеты несколько затягивался многие полагали, что расчет ее орбиты по очень неполным данным преждевременен и нужны тщательные наблюдения на протяжении одного-двух полных оборотов Урана. Эта точка зрения подкреплялась и сомнениями в точности старых данных Флемстида и других астрономов, посеянными Бюваром.