Лаплас
Шрифт:
Некоторое представление о трудностях, с которыми были сопряжены эти экспедиции, дают следующие примеры.
Верона, посланный в Индию для первого наблюдения, умер по дороге, не доехав до места назначения. Война, расстроив правильные пути сообщения, помешала Лежантилю и Мазону добраться до Индии вовремя. Лежантиль опоздал и высадился на сушу, когда явление уже закончилось. Путешествия были так трудны, что, по рассказу Лапласа, Лежантиль остался в Индии готовиться к наблюдениям следующего прохождения Венеры, до которого оставалось восемь лет. Желанный день настал, погода радовала наблюдателя, но в самый момент начала прохождения случайное облачко закрыло Солнце, и плоды многолетней подготовки пропали даром. Пропавшего без вести ученого считали во Франции уже мертвецом и справили по нем
Лаплас подошел к проблеме с совершенно неожиданного конца и определил расстояние от Земли до Солнца без всяких экспедиций, не выходя из своего кабинета.
Знаток лунного движения, он понял, что обычные наблюдения над движением Луны определяют величину возмущений, которым оно подвержено. Небесная механика дает теоретическую связь этих возмущений, главной причиной которых является Солнце, с расстоянием Луны от этого светила. Таким образом, расстояние системы Земля—Луна от Солнца, от которого зависит величина возмущений, может быть вычислено теоретически. Лаплас его и вычислил. Его результат был не хуже, чем результаты, полученные ценой дорогих экспедиций и многолетней кропотливой обработки наблюдений.
Впоследствии, пользуясь открытием новых небесных тел, [4] подходящих к Земле ближе, чем Венера, астрономы нашли и другие точные способы определения расстояния до Солнца.
Усовершенствование метода Лапласа в XIX и XX веках обеспечивает ему почетное место среди чисто наблюдательных методов, тем более, что нарастание возмущений с течением времени повышает точность, которую дает его способ.
Форма и вращение Земли
4
Речь идет о некоторых так называемых малых планетах, вращающихся вокруг Солнца между орбитами Марса и Юпитера и пересекающих орбиту Марса. Такие малые планеты иногда приближаются к Земле гораздо ближе, чем Венера.
Другой результат, еще ближе касающийся Земли – вопрос о ее форме – Лаплас также сумел получить, исходя из наблюдений Луны.
Предсказанный Ньютоном факт сжатия Земли у полюсов был подтвержден точными геодезическими измерениями французских астрономов. Для этой цели измерения приходится делать в самых разнообразных местах земного шара, у экватора и у полюсов, опять-таки при помощи специальных экспедиций. Результаты длительных и трудных наблюдений в поле подлежат после этого еще многолетней обработке. Без знаний точной фигуры Земли нельзя построить точную географическую карту, столь нужную для транспорта, промышленности и в военном деле.
Лаплас и тут нашел теоретическое решение задачи, затратив несравненно меньше времени и труда, чем геодезисты. Он рассудил, что планета притягивает другие тела как материальная точка, помещенная в центре этой планеты, лишь в том случае, если она состоит из шаровых концентрических слоев однородной плотности. Если Земля сжата у полюсов, то вдоль ее экватора должен существовать избыток вещества, как бы твердый пояс, окружающий планету. Ближайшая к Луне часть этого пояса должна притягивать нашего спутника сильнее, чем более далекая, и притяжение Луны Землей нельзя заменить притяжением материальной точкой, так как расстояние от Земли до Луны не слишком велико в сравнении с размерами этого экваториального пояса. В результате в теоретические формулы, представляющие движение Луны, должны войти члены, зависящие от величины земного сжатия. Сжатие Земли Лаплас вычислил из этих формул, сравнивая свою теорию с наблюдениями. Луны, произведенными в одном месте. Найденная им величина сжатия 1/306 очень близка к величине 1/297, принимаемой для Земли в настоящее время.
По величине сжатия Земли, зная скорость ее вращения вокруг оси, можно вычислить упругость земных недр и можно догадываться о ее внутреннем строении.
Клеро впервые вывел замечательную теорему (носящую его имя), позволяющую определить сжатие Земли из известного распределения силы тяжести на ее поверхности, независимо от распределения плотностей внутри Земли. Для определения самой силы тяжести астрономические экспедиции определяли период колебания маятников, зависящий, как известно, от величины этой силы тяжести. На полюсах она должна быть больше, на экваторе меньше. Практическое использование метода Клеро, контролирующее собственный результат, полученный другим методом, впервые было сделано Лапласом. Вообще фигурой Земли Лаплас занимался очень много. Он изучал в связи с этим фигуру равновесия вращающейся жидкой массы, развивая исследования Ньютона, Мак Лорена, Клеро и Даламбера. В связи с этим Лаплас ввел в науку чрезвычайно плодотворное понятие о так называемом потенциале (или силовой функции), немедленно использованное Лежандром и другими учеными.
Выяснилось, что степень сжатия Земли меньше, чем должно быть в случае однородного жидкого тела, вращающегося со скоростью Земли. Отсюда следовало, что внутри Земля плотнее, чем у поверхности. Закон нарастания плотности по мере погружения в Землю Лаплас мог вычислить на основании своей теории и сравнения ее с уже известным сжатием Земли. Так было найдено, что удельный вес вещества, составляющего недра Земли, равен 11-ти, т. е. больше удельного веса железа.
Вместе с тем Лаплас гораздо подробнее, чем Даламбер, рассмотрел явления прецессии и нутации, заставляющие земную ось странствовать в мировом пространстве. Явление прецессии тесно связано с формой, которую имеет Земля, Лаплас учел упущенные Даламбером и Эйлером физические факторы – наличие океанов и атмосферы. Он доказал, что океаны и атмосферу, несмотря на их подвижность, в данном случае можно рассматривать как твердые Тела, слитые со всей Землей в одно целое.
Не влияют ли внутренние причины – вулканические извержения и землетрясения – на равномерность звездных суток, т. е. на время вращения Земли вокруг своей оси, которое является в сущности основной единицей для нашего измерения времени? Этот вопрос был впервые затронут Лапласом. Результат оказался вполне успокоительным: эти причины не могут изменять продолжительность суток.
Наконец, Лаплас поинтересовался тем, не может ли ось Земли менять свое положение внутри самого тела планеты. В результате этого со временем изменились бы географические широты местностей, отчего в лучшем случае пришлось бы постоянно переделывать географические карты. В худшем случае это повело бы к изменению климатических областей. Земной полюс, попав в Европу, сковал бы ее в своих ледяных об'ятиях, холодная необитаемая Антарктика могла бы стать жаркой экваториальной страной. В XVIII веке не было надежных наблюдательных данных, чтобы ответить на этот вопрос.
Лаплас рассмотрел проблему теоретически и убедился, что нет никакой причины, которая могла бы вызвать такие большие последствия. Ось Земли, как и продолжительность суток, Должны быть неизменны при всех мыслимых перемещениях масс у поверхности Земли или в ее глубине.
Недавно наблюдения обнаружили систематическое колебание широт, для изучения которого советское правительство содержит одну из международных «широтных станций» (в Китабе, около Самарканда). Найденные перемещения полюса по земной поверхности происходят приблизительно по спирали и не выходят из пределов круга радиусом около десятка метров, с периодом несколько больше года. Эти незначительные колебания земной оси не противоречат выводам Лапласа и не являются серьезной угрозой для изменения климатов.
Фигура Луны, сопровождающей нас в беге Земли вокруг Солнца, должна быть еще сложнее, чем фигура Земли. Лаплас занимался и ею, в частности вопросом, который всегда так интересует школьников: почему Луна повернута к Земле одной и той же стороной? Работа Лагранжа недостаточно осветила это явление, и Лаплас нашел, что Луна должна быть слегка вытянута по направлению к Земле. Эта особенность вызывает во вращении Луны вокруг оси возмущения, обусловленные Землей и не позволяющие Луне покачнуться так, чтобы стала видна большая часть той отвернутой от нас ее половины, про которую Уэльс и другие писатели-фантасты написали увлекательные романы.