Очерки о Вселенной
Шрифт:
Возьмем, например, открытие «быстро летящей» звезды. Такое открытие может быть сделано (а может и не быть сделано!) в процессе систематических исследований видимого перемещения звезд по небу. Здесь есть два пути: один из них - составлять в результате многолетних наблюдений на телескопе каталог звездных координат с максимальной точностью. Часами в ясные безлунные ночи отмечать (с точностью до сотых долей секунды) момент прохождения звезды через вертикальную нить, видимую в поле зрения телескопа, а затем забираться в темноте на лесенку, чтобы отсчитать в несколько микроскопов по градуированному кругу угол между направлением телескопа и горизонтом. Несколько микроскопов нужны для исключения ошибок, вносимых не идеально точным изготовлением круга, разделенного на градусы и их доли, и крохотной неточностью делительной машины. А для фиксации момента делается отметка на непрерывно движущейся телеграфной ленте, на которой точнейшие часы, стоящие в подвале, электрически записывают секунды в виде черточек. Нужный нам момент определяется измерением под микроскопом точного положения отметки на ленте. Но ведь существует и ошибка в показаниях часов, и она постепенно меняется! Вот эту ошибку постоянно надо определять из наблюдений звезд.
Наконец каталог координат тысяч звезд составлен. Теперь надо сравнить его с каталогом, составленным столь же точно десятки лет назад, чтобы найти звезды с заметно изменившимися координатами - «летящие». Этот каталог составляли люди, которых, может быть, уже нет в живых. Они еще не могли использовать свой каталог для данной цели. Таким образом, астрономия в немалой мере живет прошлым и работает для будущего.
Более легкий путь: можно сравнивать не каталоги, а фотографии одних и тех же участков неба, полученные на одном большом телескопе. Но и здесь промежуток времени между снимками должен составлять десятки лет.
Всякое открытие опирается в большей или меньшей степени на труды других людей, на их успехи, на их неудачи, на их мысли. В наше время, чтобы сделать открытие, надо много учиться, много знать. В области наблюдений нужна обычно современная астрономическая техника, а в области теории - глубокое знание физики и математики.
О науке написано много популярных книг. В них коротко и как можно проще стараются рассказать о сложных, иногда трудно понимаемых вещах, и потому некоторым читателям кажется, что научный результат получается так же легко и просто, как о нем написано, стоит лишь порассуждать за чайным столом. Такое же впечатление могут произвести популярные рассказы о том, что по поводу некоторых недостаточно изученных вопросов один ученый думает так, другой иначе, третий - еще по-своему. Хотя такое различие мнений и бывает, они все научны. Но нельзя думать, что любой человек может высказать свое мнение и оно будет столь же цейно.
Надо внимательно разобраться, что в науке является установленным фактом и что является предположением. Например, законы движения небесных тел - это надежно установленные законы, позволяющие точно вычислять заранее положение и скорость каждого тела. Эти законы проверены множеством людей в разных странах на протяжении трех веков. Сейчас лучшей их проверкой является то, что по этим законам рассчитывают скорости запуска космических ракет и попадают ими в далекие, движущиеся планеты, в строго заданное место Луны.
К сожалению, наряду с миллионами людей, правильно понимающими развитие науки, есть еще сотни читателей, не понимаюп^их этого.
Как правило, авторы таких безграмотных рукописей никогда не соглашаются с указанием ошибок и пересылают их от одного несчастного специалиста, вынужденного отвечать, к другому, а сами испытывают только разочарование...
Часть 1. Мир твердого вещества
С твердым веществом мы у себя на Земле знакомы больше всего, но в мировом пространстве оно встречается в гораздо меньшем количестве, чем газ. Однако твердое вещество сложнее по своей структуре, и жизнь требует под собой «твердой почвы».
Твердую кору имеют планеты (возможно, что не все и не всегда), твердыми являются маленькие ядра огромных газовых комет и мелкие небесные тела (вплоть до пылинок), носящиеся в мировом пространстве.
Перейдем же к знакомству с ними.
Глава 1. Главные члены солнечной семьи
Далекие земли - спутники Солнца
Земля - спутник Солнца в мировом пространстве, вечно кружащийся около этого источника тепла и света, делающего возможной жизнь на Земле. Вокруг Солнца кружатся и другие спутники - планеты Солнечной системы; на каждую из них солнечного тепла и света приходится больше или меньше, в зависимости от ее расстояния от Солнца, а расположены они в следующем порядке: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. Мы к Солнцу в сорок раз ближе, чем Плутон, и в 2 1/2 раза дальше, чем Меркурий. Почти в каждой книжке по астрономии есть описание наглядной модели Солнечной системы, где Солнце и планеты изображаются разными фруктами всевозможных размеров, а орбиты, т. е. пути планет вокруг центрального светила, - кругами разной величины. Нет нужды описывать всю такую модель снова. Главное ее назначение - показать сравнительные размеры планет и Солнца и помочь представить себе огромность расстояний между планетами в сравнении с их размерами. Ограничимся напоминанием, что если 149 600 000 км, представляющих (округленно) расстояние Земли от Солнца, и составляющих астрономическую единицу расстояний, изобразить в нашей модели длиной одного метра, то Солнце будет изображаться вишней, Земля изобразится пылинкой, меньше десятой доли миллиметра, наибольшая из планет Юпитер - булавочной головкой, а наименьшие из планет Меркурий и Марс - пылинками, вдвое-втрое меньшими по диаметру, чем пылинка-модель Земли. Их даже не будет видно глазом. Кроме главных членов Солнечной системы, перечисленных выше, в солнечную семью входят спутники планет, в том числе Луна, сопровождающая земной шар и любезно его освещающая по ночам. Входит в нее и множество малых планет - астероидов, мелких и крупных комет, о которых речь будет впереди. Но еще меньше, чем астероиды, метеориты. Это камни всевозможной величины, преимущественно мелкие, носящиеся в мировом пространстве. Ежегодно некоторые из них падают на Землю.
В этой главе мы расскажем немного о больших планетах, но зато дальше мы расскажем много о малых планетах.
Бег планет вокруг Солнца и спутников вокруг своих планет близок к равномерному движению по кругу, но немного отличается от него, как нашел еще три столетия назад Кеплер, уточнивший великое открытие гениалыфго польского ученого Коперника.
Законы Кеплера
Кеплер открыл три закона движения планет, которые это движение вполне определяют. Он указал в первом законе, что планеты обегают Солнце по эллипсам, у которых один из двух фокусов непременно совпадает с Солнцем (Как известно, эллипсом называется кривая, сумма расстояний до любой точки которой от двух заданных точек (их называют фокусами эллипса) одна и та же)). Во втором законе Кеплер говорит, что при движении планеты отрезок прямой, соединяющей планету с Солнцем, в единицу времени всегда описывает одну и ту же площадь. Третьим законом Кеплер установил, что квадраты времен обращения планет Р пропорциональны кубам их средних расстояний от Солнца а, т. е.
P21/P22=a31/a32
где значки 1 и 2 относятся к двум любым планетам.
Рис. 28. Порядок расстояний планет от Солнца и их сравнительные размеры. Размеры планет по сравнению с расстояниями и между ними увеличены в 10 000 раз. Маленькими кружками схематически показаны спутники планет
Все эти три закона - следствие всемирного тяготения, как показал Ньютон. Они справедливы и для движения спутников вокруг своих планет и для движения любого тела под действием притяжения к другому. Только в некоторых случаях движение может происходить не по эллипсам, а по другим, уже незамкнутым кривым - параболе или гиперболе (см. рис. 30). Они также имеют фокусы, и главное тело всегда будет в фокусе такой орбиты. Если тело движется не по замкнутой орбите, то тогда, конечно, о периоде обращения нельзя говорить и третий закон Кеплера для таких орбит не имеет смысла. В случае же движения по эллипсу, как показал Ньютон, третий закон правильнее писать так:
P21(M1+m1)/P22(M2+m2)=a31/a32
Его можно применить к любым двум массам M1 и М2, из которых первая имеет спутник с массой m1, обращающийся вокруг нее с периодом Р1 на среднем расстоянии a1, a вторая масса М2 имеет свой спутник массы m2 с периодом обращения Р2 на среднем расстоянии а2. По этой формуле можно сравнить, например, движение Луны около Земли с движением Земли около Солнца или с движением спутника Нептуна около своей планеты. Если массы спутников ничтожно малы в сравнении с массами своих центральных тел, то ими в формуле можно пренебречь. Тогда, применяя ее, например, к двум планетам - спутникам Солнца, мы можем сократить массу Солнца в числителе и в знаменателе, и формула получит тот вид, в каком ее и дал сам Кеплер. Его формула - приближенная, но она достаточно точна для планет Солнечной системы, так как масса их всех, вместе взятых, в 750 раз меньше массы Солнца. Уточнение же, приданное ей Ньютоном, необычайно важно тем, что позволяет определять массы небесных тел, введенные им в формулу третьего закона Кеплера.
Притяжение планет друг другом невелико по сравнению с их притяжением к Солнцу, но оно вызывает отклонения в движении, несколько меняет вид и положение орбит. Эти отклонения называются возмущениями. На много лет вперед величину возмущений можно вычислить, зная массы взаимодействующих тел и их орбиты в некоторый момент.
Движение планеты легко себе представить, если знать форму и положение ее орбиты в пространстве, а также положение планеты на орбите в какой-нибудь момент. Величин; характеризующих эти данные, шесть, они называются элементами орбиты. Но для нас достаточно будет познакомиться только с четырьмя из этих элементов.