Разведка далеких планет
Шрифт:
Такой была ситуация 100 лет назад. К этому можно лишь добавить, что естественных спутников у Венеры до сих пор не обнаружено, но ее масса теперь известна очень точно благодаря наблюдению за искусственными спутниками этой планеты, созданными советскими и американскими инженерами в 1975–1990 гг.
А в XIX в., используя имеющиеся данные о массах планет, лучшие из небесных механиков продолжают уточнять теорию движения Меркурия. В 1882–1895 гг. детальное исследование провел известный американский астроном Саймон Ньюком (1835–1909). Он нашел, что перигелий Меркурия за столетие поворачивается на 278'' под влиянием Венеры, на 154'' под действием Юпитера, на 90'' под влиянием Земли и еще на 10'' из-за совместного влияния всех остальных известных в ту пору планет. В итоге получаются 532 «теоретические» секунды. А наблюдения дают 575''!
Чтобы выйти из кризисной ситуации, как мы уже знаем, было два пути: либо разработать новую теорию тяготения, отличную от ньютоновой, либо обнаружить неизвестное тело, которое уводит Меркурий с предсказанной для него траектории. Ученые пошли разными путями: одни пытались модифицировать теорию гравитации, другие – обнаружить неизвестное тело. На первом пути, после множества неудачных попыток, был достигнут замечательный успех – создана общая теория относительности Эйнштейна, современная теория тяготения. Но и на втором пути оказалось много интересных идей и находок, о которых неспециалистам почти ничего не известно.
Для тех исследователей, кто хотел сохранить в неизменном виде теорию Ньютона, оставалось, как это обычно бывает, тоже два пути: найти возмутителя движения Меркурия либо вне его орбиты, либо внутри нее. Поскольку вне орбиты Меркурия движутся и другие планеты, присутствие «возмутителя спокойствия» проявилось бы в их поведении. Значит, искать его следовало внутри. И вновь перед исследователями открылись два пути: либо что-то не так с притяжением к Солнцу, либо кроме Солнца в пределах орбиты Меркурия есть неизвестные объекты. Именно это последнее предположение использовал сам Леверье, допустив существование в своей математической модели «интрамеркуриальных» планет. К ним мы еще вернемся, а пока зададимся вопросом: что может быть «не так» с притяжением Солнца?
А может быть только одно: если наше светило – не идеальный шар, то его притяжение будет меняться по довольно сложному закону, а вовсе не обратно пропорционально квадрату расстояния, как указывает простой «школьный» закон Ньютона. А с чего бы Солнцу быть шаром? Ведь оно вращается, значит, должно быть немного сплюснуто у полюсов. Разумеется, астрономы давно поняли это и не раз пытались измерить степень сплюснутости Солнца. Первые аккуратные измерения были проведены еще в XIX в., но результата не дали: солнечный лимб не удалось отличить от идеальной окружности.
Как известно, поверхность Солнца вращается с периодом 25 суток. Если и недра нашего светила вращаются так же, то Солнце должно быть сплюснуто вдоль оси вращения менее чем на одну десятитысячную долю своего диаметра. Для земного наблюдателя это около 0,1''– величина, почти не поддающаяся измерению на неспокойном дневном небе, размывающем изображение края солнечного диска не менее чем на 3''. Однако известный американский физик-экспериментатор Роберт Дикке с коллегами в конце 1960-х гг. построил специальный прибор и смог, как он считал, измерить сжатие Солнца. Но далеко не все астрофизики согласились с его выводами. Например, Г. Хилл с сотрудниками в 1974 г. также измерил видимое сжатие Солнца и показал, что если оно и существует, то его значение в несколько раз меньше найденного Дикке. Работа в этом направлении продолжается. На очереди – измерения из космоса. Так что можно сказать, что этот путь ученые еще не прошли до конца.
А на втором пути, где велись поиски неизвестных объектов внутри орбиты Меркурия, еще в XIX в. рождались самые замысловатые идеи.
Рис. 4.21. Фигуру Солнца до сих пор не удалось отличить от идеального шара. Но Солнце не может быть шаром, поскольку оно вращается!
Например, в 1846 г. голландский метеоролог Христофор Бюйс-Балло (1817–1890) обнаружил периодические изменения температуры Земли и предположил, что они связаны с наличием вокруг Солнца полупрозрачного кольца, подобного кольцу Сатурна: когда плотные части кольца затмевают для нас Солнце, Земля охлаждается. Вещество этого кольца могло бы, по мнению Бюйс-Балло, влиять своим притяжением и на движение Меркурия. Хотя в середине XIX в. к гипотезе Бюйс-Балло коллеги отнеслись прохладно (поскольку его «метеорологические» аргументы о периодических колебаниях температуры Земли оказались неубедительны), сама идея о разреженном веществе вокруг Солнца впоследствии всплывала еще не раз. Собственно, в существовании этого вещества сомнений не было: при полных затмениях Солнца оно наблюдалось в виде солнечной короны, а также создавало эффект зодиакального света, очевидно, рассеянного околосолнечными пылинками. Вопрос состоял в количестве этого вещества: достаточно ли велика его масса для влияния на Меркурий? На том, что его достаточно, еще в 1906 г. настаивал немецкий астроном Хуго Зелигер (1849–1924).
Американский математик и астроном Дэниел Кирквуд (1814–1895) много лет изучал движение астероидов в пространстве между Марсом и Юпитером. Он обнаружил любопытные закономерности в расположении их орбит, которые натолкнули его на мысль, что орбиты некоторых астероидов могли бы располагаться также и в пространстве между Меркурием и Солнцем. При достаточном количестве такие астероиды заметно влияли бы на движение Меркурия.
«Отец Нептуна» Урбен Леверье также не сидел без дела. Обнаружив неувязку в движении Меркурия, он решил, что ему вторично улыбнулась удача. Как и в случае с Нептуном, он стал вычислять параметры неизвестной планеты, которая могла бы находиться внутри орбиты Меркурия и возмущать его движение. В 1859 г. Леверье опубликовал прогноз, что в Солнечной системе существует неизвестная планета, находящаяся вдвое ближе к Солнцу, чем Меркурий, и по массе сравнимая с ним.
Рис. 4.22. Жак Бабине.
Однако название для этой гипотетической планеты придумал другой француз – известный физик и немного астроном Жак Бабине (1794–1872). Еще в 1846 г. он предложил назвать ближайшую к Солнцу планету Вулканом. Бабине вообще был склонен к такого рода предложениям: в 1848 г., когда стало ясно, что параметры орбиты Нептуна не полностью согласуются с предсказаниями Леверье и Адамса, он высказал мысль о существовании занептуновой планеты и назвал ее Гиперионом. Спустя век такая планета действительно была открыта, но названа Плутоном. Так что у Бабине оставался всего один шанс стать «крестным отцом» новой планеты: Вулкан еще ждал своего открытия. Но уверенность в его существовании в те годы была так велика, что, например, в книге «Recreations in Astronomy» (by Henry White Warren. New York, Harper & brothers, 1879) дана справка: «VULCAN – distance from the sun 13,000,000 miles, orbital revolution about 20 days». Поскольку Вулкан был богом огня и покровителем кузнечного ремесла, знак этой ненайденной планеты изображал молот.
Но отвлечемся на минуту от астрономии и посмотрим, как физика могла принять участие в истории поиска Вулкана.
Меркурий и Эйнштейн
В конце XIX в. многие физические теории оказались в состоянии кризиса. Повышение точности лабораторных экспериментов и астрономических наблюдений привело к обнаружению тонких отличий природных явлений от теоретических прогнозов. Как известно, этот кризис в физике закончился лишь после создания в первые десятилетия XX в. трех грандиозных интеллектуальных построений: квантовой механики, т. е. механики микромира, специальной (а точнее, частной) теории относительности, т. е. механики больших скоростей, а также общей теории относительности – новой теории гравитации. На этих «трех китах» стоит современная наука и в значительной мере современная техника. С законами Ньютона и основами теории относительности нас знакомят в школе, но о том, что было в промежутке между триумфами двух физических картин мира: сначала ньютоновской, а затем эйнштейновской, – не знает почти никто.
А между тем высказывались весьма нетривиальные идеи. Пытаясь объяснить все наблюдаемые явления в рамках ньютоновской механики, некоторые ученые полагали, что сила гравитации изменяется не в точности обратно пропорционально квадрату расстояния между телами (1/R2), а чуть-чуть иначе: например, с показателем степени, равным 2,00000016. Этого «чуть-чуть» хватало, чтобы объяснить странное движение Меркурия. Но эстетическое чувство не позволяло физикам принять закон гравитации в такой форме: