Триумф великого закона

Комета Галлея. Еще раньше, чем удалось полностью описать все особенности неравномерного движения строптивой Луны, великий закон всемирного тяготения уже праздновал свою первую победу. Ее принесли кометы.

Изучая особенности движения комет в мировом пространстве, Кеплер полагал, что они перемещаются в нем по прямым линиям. В 1664 г. Борелли пришел к выводу, что кометы движутся по параболическим орбитам. В «Началах» Ньютон обосновал тезис, согласно которому орбиты комет являются коническими сечениями. В частности, это может быть эллипс с большим эксцентриситетом. Ньютон предложил также метод вычисления параметров орбит комет.

В 1705 г. были опубликованы «Очерки кометной астрономии» Галлея, где излагались результаты вычислений 24 орбит комет. Галлей обратил внимание на то, что орбиты трех комет, наблюдавшихся в 1531, 1607 и 1682 гг., очень близки друг к другу. Он предположил, что это одна и та же комета, обращающаяся вокруг Солнца по сильно удлиненному эллипсу с периодом около 75—76 лет, и предсказал ее повторное возвращение к Солнцу в 1758 г. Проследив весь путь кометы за 76 лет, Клеро сообщил Парижской Академии наук, что из-за притяжения Юпитера и Сатурна комета «затратила на последнее обращение на 618 дней больше, чем на предыдущее» и что ее прохождение через перигелий состоится в апреле 1759 г. Клеро тогда же, в ноябре 1758 г., писал: «...Это замедление далеко от того, чтобы повредить теории всемирного тяготения, а необходимо вытекает из него...». И в самом деле, в конце 1758 г. комета была обнаружена и в марте следующего года прошла около Солнца. Как отмечает А. Паннекук, «это предсказание и предвычисление возвращения кометы Галлея стало общеизвестным и справедливо рассматривается как триумф теории тяготения Ньютона».

Об этом же французский ученый, выдающийся популяризатор астрономии Камилл Фламмарион в своей книге «Звездное небо» написал такие проникновенные строки: «Астроном Галлей в 1705 г. рассчитал путь большой кометы 1682 г., назначив ей возвращение в 1759 г... он следил в мысли за этим странствующим в глубинах неба светилом, на расстояниях сотен миллионов миль за пределами видимого мира,... одни считали его безумцем, другие называли нечестивцем и богохульником; сам же он покорялся всеобщей судьбе — старел, дряхлел и в свою очередь сошел в тьму могилы... Наконец, и сама его могила была забыта, ...когда в один ясный вечер на горизонте, еще в страшной глубине неба заметили вдруг какое-то дивное сияние... Это была комета Галлея, которая слышала его голос в безднах небес и которая появилась теперь на его зов! Это была астрономическая Истина, воссиявшая теперь над забытой могилой своего пророка и провозвестника!»...

Уран и его проблемы. 13 марта 1784 г. английский ученый Вильям Гершель (1738—1822) открыл новую планету: «Занимаясь исследованием слабых звезд вблизи H Близнецов, я приметил одну, показавшуюся мне заметно боль-шей других; пораженный ее необычным видом, я... заподозрил в ней комету». Дальнейшие наблюдения и вычисления показали, что это была планета, обращающаяся вокруг Солнца в 19 раз дальше, чем Земля, и вдвое дальше, нежели Сатурн. Она получила имя Уран. Ее орбиту рассчитал петербургский академик А.И. Лексель (1740—1784), имя предложил немецкий астроном Иоганн Боде (1747—1826). Так неожиданно границы Солнечной системы отодвинулись далеко за орбиту Сатурна...

И, как отмечают в книге «Поиски и открытия планет» Е.А. Гребеников и Ю.А. Рябов (а эта книга читается как превосходный детективный роман), «история Урана с первых же дней его открытия и до середины XIX века — это цепь научных неприятностей, недоразумений и замечательных достижений» (2-е изд. — М.: Наука, 1984. — С. 38). Например, оказалось, что планету задолго до ее формального открытия уже наблюдали: 23 декабря 1690 г. — первый директор Гринвичской обсерватории Джон Флемстид (1646—1719), он же «зафиксировал» эту «звезду» в апреле 1712 г. и марте — апреле 1715 г. В журналах наблюдений 1750—1771 гг. двенадцать раз Уран был отмечен французским астрономом Пьером Лемонье (1715—1799), по одному разу — Брадлеем (в 1753 г.) и Майером (в 1756 г.). Позже эти результаты были использованы для расчета его орбиты.

Рис. 51. Разность между наблюденной lH и вычисленной средними долготами Урана по 30 наблюдениям 1690—1840 гг.

Оказалось, что в своем движении вокруг Солнца Уран отклоняется от «теоретически предписанного ему пути» (рис. 51), причем «не помогал» и учет возможных возмущений его движения со стороны других планет, прежде всего — Юпитера и Сатурна. Поэтому, начиная с 1832 г., было выдвинуто несколько гипотез: Уран, дескать, в своем движении испытывает сопротивление газопылевой среды, заполняющей межпланетное пространство; или же — у него имеется еще не открытый спутник, который и вызывает наблюдаемые отклонения; далее — планета в недалеком прошлом «пережила» сближение с кометой. Ну и, конечно же, снова был поставлен вопрос: а справедлив ли на столь больших расстояниях закон всемирного тяготения? После тщательного анализа всех возможных вариантов французский астроном Алексис Бувар (1767—1843), приложивший исключительно много усилий для построения теории движения Урана, пришел к вполне определенному выводу: все странности в поведении планеты Уран объясняются тем, что на ее движение оказывает влияние еще одна, до сих пор не открытая и неизвестная планета! Бувар вполне был уверен в том, что положение неизвестной планеты можно рассчитать, а потом «организовать поиски в близкой окрестности».

Но вот что на это ответил директор (с 1836 по 1881 гг.) Гринвичской обсерватории Джордж Биддел Эри (1801—1892): «...я без колебаний высказываю мнение, что сейчас нет ни малейшей надежды выяснить природу внешнего воздействия. Если же такое есть, то я очень сомневаюсь в возможности определить положение планеты, оказывающей это действие. Я уверен, что этого нельзя сделать, пока природа нерегулярностей не будет хорошо определена после нескольких последовательных оборотов Урана». Словом, так как период обращения Урана 84 года, то Эри советовал подождать лет 250... Это было сказано в 1834 г., а три года спустя Эри пишет племяннику Бувара: «Если это эффект какого-то невидимого тела, то будет почти невозможным когда-либо найти его положение».

Тем не менее, в середине 30-х годов XIX в. многие астрономы всерьез говорили о не открытой еще планете. В «Популярной астрономии» (1841 г.) директор Дерптской (Тартуской) обсерватории Иоганн Мэдлер (1794—1874) писал: «Мы приходим к выводу о существовании планеты, действующей на Уран... Мы можем даже выразить надежду, что в некотором будущем математический анализ реализует свой наибольший триумф — открытие, сделанное глазами разума там, куда непосредственно взор человека не в состоянии проникнуть».

В те годы появились даже конкретные указания, где должна быть эта «заурановая» планета: «примерно на двойном расстоянии от Солнца по сравнению с Ураном, а... ее период обращения должен составлять... около 243 лет». И здесь необходимо сделать небольшое отступление.

Правило Тициуса — Боде. В 1772 г. немецкий астроном Иоганн Даниель Тициус (1729—1796) обнаружил, а Боде широко популяризировал, что размеры планетных орбит можно представить в виде следующего числового ряда: 4, 4+3= 7, 4+3×2= 10, 4+3×4= 16, 4+3×16= 52, 4+3×32= 100, 4+3×64= 196. Это правило, или закон, Тициуса—Боде обычно записывается в виде

а_n = 0,3·2ⁿ + 0,4, (3.1)

тогда расстояния а_n выражаются в астрономических единицах, как это видно из табл. 3.

Таблица 3

Исходя из этого правила, Боде и предположил, что между Марсом и Юпитером существует неизвестная планета, среднее расстояние которой от Солнца равно 2,8 а. е. По инициативе австрийского астронома Франца Цаха (1754—1832) в 1796 г. на астрономической конференции в г. Готе было даже решено начать систематические поиски этой планеты. Открыл же новый объект 1 января 1801 г. совершенно случайно итальянский астроном Джузеппе Пиацци (1746—1826), составляя новый звездный каталог. Это была первая из малых планет, или астероидов. Пиацци назвал ее Церерой по имени богини плодородия и земледелия, покровительницы Сицилии. Орбиту Цереры рассчитал немецкий математик и астроном Карл Фридрих Гаусс (1777—1855), благодаря чему она была опять найдена на небе, после того как скрывалась от наблюдателей в лучах Солнца. Обнаружил ее в 1802 г. немецкий астроном Генрих Вильгельм Ольберс (1758—1840), в том же году он открыл вторую малую планету — Палладу, а в 1807 г. четвертую — Весту. Третья, Юнона, была открыта несколько раньше немецким астрономом Карлом Людвигом Гардингом (1765—1834). В 1900 г. малых планет уже было известно около 450.

На кончике пера... Именно исходя из правила Тициуса — Боде и предполагали, что новая, «заурановая» планета «находится примерно на двойном расстоянии от Солнца по сравнению с Ураном». Уже упоминавшийся английский астроном Адамс в 1841 г. записывает себе в дневник: «Принял решение... приступить к исследованию неправильностей в движении Урана, ...что приведет, вероятно, к открытию планеты». Два года спустя Адамс, став победителем математического конкурса, получил степень бакалавра в колледже при Кембриджском университете и был включен в ученый совет колледжа. В начале лета 1843 г. он уже получает первые результаты. Всего же до сентября 1845 г. Адамс рассмотрел шесть вариантов задачи, но по своей скромности их не опубликовал. Лишь в частном порядке он сообщил их Эри и директору Кембриджской обсерватории Джеймсу Челлису (1803—1882). В то время, однако, ни тот, ни другой поисками новой планеты не занялись...

Между тем в ноябре 1845 г. французский астроном Урбен Жан Жозеф Леверье (1811—1877) сделал доклад на заседании Парижской Академии наук о проблеме Урана. Доклад был опубликован, через семь месяцев была опубликована его же вторая статья. Лишь после этого Эри обращается к Челлису с просьбой начать поиск планеты (в Кембридже был 30-сантиметровый телескоп, тогда как в Гринвиче всего 17-сантиметровый). Челлис приступил к работе лишь 29 июля. Он решил отмечать все звезды до 11-й величины, поле зрения его окуляра составляло всего 9′...

31 августа 1846 г. Леверье представляет третью статью и, так как парижские астрономы не торопятся проводить поиск, он обращается 18 сентября с письмом к немецкому астроному (такому же молодому, как и сам Леверье) Иоганну Готфриду Галле (1812—1910): «...Я хотел бы найти настойчивого наблюдателя, который согласился бы уделить некоторое время наблюдениям в той области неба, где может находиться неизвестная планета». Получив письмо, Галле уговорил директора обсерватории Иоганна Франца Энке (1791—1865) провести незапланированные наблюдения. Вместе со студентом Генрихом Луи д'Аррестом Галле на протяжении нескольких часов безуспешно искал среди звезд «объект с видимым диском 3″», о котором писал Леверье. И лишь после того как д'Аррест предложил воспользоваться картой звездного атласа, изданной Берлинской Академией наук в конце 1845 г., они нашли искомую планету на расстоянии всего лишь 52′ от указанного Леверье места. Потом было установлено, что Адамс дал координаты новой планеты с погрешностью немногим меньше 2°. Удивительно близкими были и расчеты ее орбиты, сделанные обоими учеными (рис. 52).

Рис. 52. Отрезок орбиты и положения на ней планеты Нептун (сплошная линия) и теоретически вычисленные орбиты Леверье (пунктир) и Адамса (штриховая линия)

Так, «на кончике пера», была открыта еще одна планета Солнечной системы, знаменуя триумф великого закона всемирного тяготения... Сам же Леверье предложил именовать новую планету Нептуном.

Позже оказалось, что Челлис три раза видел новую планету: 4 и 12 августа, а также 29 сентября, но... карты у него не было, а убедиться в том, что наблюдаемый объект имеет диск, он не сумел.

Более того, уже в феврале 1847 г. было установлено, что планету Нептун наблюдали французский астроном Жозеф Лаланд (1732—1807) в мае 1795 г. и... Галилео Галилей в декабре 1612 г. и январе 1613 г. (недалеко от Юпитера как звездочку 8-й величины, но ведь звезда тогда его не заинтересовала...).

За Нептуном — Плутон! После открытия Нептуна Леверье стал уточнять теорию движения Урана с учетом воздействия Нептуна (оказавшегося гораздо ближе, чем предполагалось!) и строить теорию движения Нептуна. К 1875 г. стало ясно, что полного согласия наблюдений и теории нет как для одной, так и для другой планеты. И снова возникло подозрение, что виной этому еще одна планета, которую предстоит открыть. За дело взялся американский астроном Персиваль Ловелл (1855—1916). Первое решение задачи о «планете Икс» он получил в 1905 г., через три года — второе, а в 1915 г. «Сообщением о транснептуновой планете» Ловелл подвел итог своим многолетним исследованиям. На построенной им в 1894 г. в штате Аризона обсерватории он в 1915 г. и начал поиск планеты Икс, фотографируя с интервалом в несколько дней отдельные участки неба и сравнивая между собой положения звезд, надеясь найти движущийся объект. После смерти Ловелла эту его работу никто не продолжил. А между тем, как оказалось позже, в определении долготы планеты он ошибся всего на 6,6°...

Поиски новой планеты возобновились в конце 1919 г. по инициативе американского астронома Вильяма Пикеринга (1858—1938), который провел самостоятельный расчет элементов орбиты планеты и (опять-таки это стало известно позже) ошибся в определении ее долготы всего на 1,1°. На обсерватории Маунт Вилсон были сфотографированы соответствующие участки неба, но... планета найдена не была. А потом оказалось, что ее на этих пластинках можно было обнаружить, но ведь искали объект в узкой полосе вблизи эклиптики (в полосе ±2° от нее). Планета же была на расстоянии в 4° от эклиптики...

Открыл планету, которой было дано название Плутон, Клайд Уильям Томбо (род. 1906 г.) в феврале, но первое сообщение об этом появилось 13 марта 1930 г. В процессе поиска, продолжавшегося 13 месяцев, Томбо на 33-сантиметровом телескопе терпеливо и упорно фотографировал отдельные участки неба и сравнивал между собой пластинки, охватывавшие поле размером 13°×13°. На каждой из них было от 100 000 до 400 000 звезд. А так как Томбо не доверял расчетам ни Ловелла, ни Пикеринга, то пришлось сделать много лишней работы. Ведь Плутон оказался совсем недалеко от предсказанного Пикерингом места вблизи звезды δ Близнецов...

Но... требуется ОТО! Раньше чем заняться проблемой Урана, Леверье в 1840 г. по поручению директора Парижской обсерватории астронома и физика Доминика Франсуа Араго (1786—1853) взялся за разработку теории движения Меркурия. В 1859 г. Леверье на основе 397 проведенных в Парижской обсерватории меридианных наблюдений Меркурия и данных о 14 его прохождениях по диску Солнца предложил свою теорию движения этой планеты. На светлом фоне этого исключительно строгого исследования было одно темное пятнышко: небольшой избыток в величине движения перигелия. Всего за сто лет перигелий смещался на 566″, из них на 281″ «за счет» Венеры, на 84″ за счет Земли, за счет Марса — менее 3″, Юпитера — почти 153″, Сатурна — 7″. В сумме это давало 527″; куда же девать остальные 39″?

Существовали две возможности устранить расхождение теории с наблюдениями: 1) предположить, что вокруг Солнца обращается неизвестная еще планета, орбита которой находится внутри орбиты Меркурия, или 2) увеличить массу Венеры. Был еще один «выход» — уточнить закон всемирного тяготения. Все это и было испробовано...

Увеличив массу Венеры на 10%, Леверье получил желаемое схождение теории и наблюдений для Меркурия. Но тут же оказалось, что избыточная масса Венеры приводит к возмущениям в движении Земли, в том числе в наклоне эклиптики, что обязательно было бы замечено. Вариант оказался неприемлемым.

Если же говорить о воздействии на Меркурий «еще неизвестной материи», то фактически можно было рассматривать две возможности: одиночная планета или рой астероидов. Конечно, более заманчивой была первая. Но Леверье, рассудив, что большую планету никто еще не замечал ни при солнечных затмениях, ни в прохождении по диску Солнца, в том же мемуаре писал: «Те, кому эти возражения покажутся слишком серьезными, придут к мысли заменить одиночную планету рядом астероидов, чьи гравитационные возмущения, складываясь, произведут то же влияние на перигелий Меркурия... Гипотеза, к которой мы пришли, вполне мыслима».

Однако почти немедленно появились сообщения о том, будто уже наблюдались прохождения этой неизвестной планеты по диску Солнца. Для нее французский астроном М. Бабине еще в 1846 г. и название предложил: Вулкан. В середине XIX в. очень многие астрономы склонны были поверить в его существование. Оценки приводили к таким параметрам: среднее расстояние от Солнца 0,20 а.е., масса 1/14 массы Земли, в астрономической литературе тогда уже было 21 упоминание о возможных прохождениях планетного тела по диску Солнца...

В 1876 г. Леверье рассчитал орбиту Вулкана и указал моменты его прохождений по диску Солнца. Но, как отмечает Н.Т. Роузвер, за время двадцатилетних старательных поисков мало кто из астрономов сообщил об успешных наблюдениях¹. Пришлось возвращаться к гипотезе о кольце астероидов. Беда, однако, заключалась в том, что для обеспечения требуемого смещения узлов орбиты Меркурия это кольцо должно было бы быть наклонено под углом около 7,5° к орбите планеты. А здесь возникали новые вопросы об устойчивости кольца во времени...

Поэтому в 1894 г. Асаф Холл (1829—1907), американский астроном, открывший в 1877 г. спутники Марса, предложил «уточнить» закон всемирного тяготения, представив его в виде F = (Gm₁m₂)/rⁿ при n = 2,000 000 16. Это, однако, как оказалось в 1897 г., противоречит теории движения Луны. «На сцене» появилась гипотеза немецкого астронома Хуго Зелигера (1849—1924), основанная на факте существования зодиакального света, впервые как будто замеченного еще Кассини. Зелигер предположил, что околосолнечное пространство заполнено разреженным веществом, которое и приводит к рассматриваемому эффекту. Серьезным критиком этой гипотезы был Ньюком, но и он согласился с ней. В 1919 г. после анализа распределения яркости света вблизи Солнца при полном его затмении (яркость спадает гораздо круче, чем этого требовала гипотеза Зелигера) и этот вариант решения задачи о смещении перигелия Меркурия был отброшен. Нужна была общая теория относительности...

Примечания

1. Роузвер Н.Т. Перигелий Меркурия: От Леверье до Эйнштейна. — М.: Мир, 1985. — С. 46.