История публикации Лапласом его гипотезы о происхождении Солнечной системы

По существу только Солнечная система была изучена в своих основных чертах и поэтому лишь ее возникновение решился рассматривать Лаплас, опираясь на известные факты и более всего пораженный ее упорядоченностью, говорившей, что она не дело случая. Вопреки распространенному и ошибочному мнению Лаплас вовсе не пренебрегал своей гипотезой, просто он поместил ее в конце своего изложения системы мира, потому что хотел четко отделить то, что было добыто строгой теорией и точными расчетами, от того, что было у него лишь предположением.

При изложении гипотезы Лапласа часто допускались искажения, вызванные отчасти тем, что Лаплас хотя и с большим вниманием относился к ней, но ее изложение неодинаково во всех изданиях его «системы мира», а при его жизни их вышло пять. (Во время подготовки шестого издания Лаплас умер.)¹

Ввиду сказанного, сличение разных текстов его гипотезы по разным изданиям позволяет проследить развитие идей Лапласа, его реакцию на новые открытия и переоценку им некоторых своих умозаключений. Некоторые существенные изменения, вносимые Лапласом от издания к изданию, однако, долгое время оставались незамеченными².

В действительности в двух первых изданиях примечаний не было, а космогоническая гипотеза содержится в конце последней главы пятой книги. В третьем издании (1808 г.) изложение гипотезы находится в том же месте, но расширено (хотя в конце своего труда Лаплас уже дает ряд примечаний на другие темы). В четвертом издании (1813 г.) гипотеза изложена еще подробнее, но также в основном тексте. Только в пятом издании (1824 г.) Лаплас выделил космогоническую гипотезу в отдельное примечание VII. Этот перенос дал повод подозревать автора в недоверии к своей гипотезе. Но Лаплас во всех изданиях говорил о том, что он излагает свою гипотезу «с сомнением, которое должно вызывать все, что не является результатом наблюдения и вычисления» (цит. по изд. 1982 г., с. 311). Перенося свою гипотезу в примечание, Лаплас перед этим вставил слова: «...я изложу одну гипотезу, которая, как мне кажется, весьма правдоподобно вытекает из упомянутых выше явлений...» (там же). С течением времени он не только не стал сомневаться в верности своей гипотезы, но аргументировал ее дополнительно в изданиях (1813, 1824, 1826 гг.), добавив: «Таким образом, странные явления малого эксцентриситета орбит планет и спутников, малого наклона этих орбит к плоскости солнечного экватора, одинаковость направлений вращения и обращения всех этих тел и Солнца вытекают из предлагаемой нами гипотезы и придают ей большую вероятность...» (цит. по рус. изд. 1982 г., с. 327—328).

В шестом издании Лаплас добавил еще: «Так как согласно этой гипотезе, все тела, обращающиеся вокруг планеты, были образованы зонами, которые последовательно покидала ее атмосфера, ее вращение становилось быстрее, а время ее оборота уменьшалось, становясь меньше, чем у этих тел, подобно тому, как это имеет место у Солнца по сравнению с планетами. Все это подтверждается наблюдениями» (там же, с. 328), и он ссылается на новые наблюдения В. Гершеля.

Вместе с ростом убежденности Лапласа в соответствии его гипотезы истинной истории Солнечной системы, он тем не менее так и не заметил высказывавшегося уже тогда одного из главных возражений: вращение Солнца недостаточно быстро для того, чтобы вещество планет отделялось от него.

«...Можно предположить, — писал Лаплас, — что планеты сформировались последовательно на своих границах, путем конденсации зон паров, которые она [туманность — Б. В.-В.] должна была, охлаждаясь, оставлять в плоскости своего экватора... Солнечная атмосфера не может простираться бесконечно. Ее граница лежит там, где центробежная сила, вызванная ее вращательным движением, уравновешивается ее весом; а по мере того как охлаждение сжимает атмосферу и конденсирует на поверхности светила молекулы, близкие к ней, вращательное движение увеличивается, так как при приближении этих молекул к центру Солнца «силу закона площадей сумма площадей, описанных радиусом-вектором каждой молекулы Солнца и его атмосферы и спроектированных на плоскость его экватора, должна быть постоянной; вращение должно быть более быстрым, когда эти молекулы приближаются к центру Солнца. Так как центробежная сила, обусловленная этим движением, становится больше, точка, в которой она уравновешивается силой тяжести, приближается к центру. Поэтому, если сделать вполне естественное предположение, — продолжает Лаплас, — что атмосфера в некоторую эпоху распространялась до своего предела, охладившись, она должна была оставить молекулы, расположенные на этом пределе и на следующих пределах, образованных возрастанием вращения Солнца. Такие оставленные молекулы продолжали обращаться вокруг этого светила, поскольку их центробежная сила была уравновешена их тяготением. Но так как это равенство не имело места по отношению к молекулам атмосферы, находившимся вне плоскости солнечного экватора, они приближались под влиянием своего тяготения к атмосфере по мере ее конденсации и не переставали ей принадлежать до тех пор, пока, благодаря этому движению, не приближались к экватору.

Рассмотрим теперь зоны паров, последовательно оставленные атмосферой. Эти зоны, по всей вероятности, должны были образовать при своей конденсации и в силу взаимного притяжения их молекул концентрические кольца из паров, обращающихся вокруг Солнца. Взаимное трение молекул каждого кольца должно было ускорять одни из них и замедлять другие до тех пор, пока все они не приобретут одинаковое угловое движение. Таким образом, истинные [линейные] скорости молекул, более отдаленных от центра светила, были больше...

Если бы все молекулы кольца, состоявшего из паров, продолжали конденсироваться, не разъединяясь, они со временем образовали бы жидкое или твердое кольцо. Но для этого требуется большая равномерность в распределении и охлаждении всех частей кольца, что должно было сделать это явление исключительно редким. Так, Солнечная система дает нам только один такой пример, а именно кольца Сатурна. Почти всегда каждое кольцо пара должно было разорваться на несколько отдельных масс... Но если бы одна из них оказалась достаточно мощной, чтобы... собрать все остальные.., кольцо из паров превратилось бы в одну-единственную сфероидальную массу пара, обращающуюся вокруг Солнца и вращающуюся в ту же сторону» (с. 326—327). (Далее Лаплас говорит о способности кольца распадаться и на несколько планет и образовать, например, четыре малые планеты, открытые к тому времени между Марсом и Юпитером.) И поскольку протопланета в каждом кольце из пара, как писал Лаплас, «очень похожа на Солнце в состоянии туманности», то аналогично могли образоваться и спутники, обращающиеся вокруг центра своей планеты «...в сторону ее вращательного движения и вращающиеся вокруг себя в ту же сторону.

Правильное распределение массы колец Сатурна вокруг его центра и в плоскости его экватора естественно вытекает из этой гипотезы, а без нее становится необъяснимым. Эти кольца, как мне представляется, — заключал Лаплас, — являются постоянно существующим доказательством первоначальной протяженности атмосферы Сатурна и ее последовательного сжатия» (с. 327).

Автор настоящей книги полагает, что важнейшей чертой космогонической гипотезы Лапласа являются концентрические газовые кольца, возникшие при вращении первичной туманности, и что мысль о них была навеяна Лапласу наблюдением подобного кольца у Сатурна. Поэтому ему, может быть, следовало сознаться в том, что его гипотеза опиралась на существование колец Сатурна, а не приводить их существование как подтверждение его гипотезы о концентрических кольцах!

Быть может, не будь кольцо Сатурна (вернее, его концентрические кольца) обнаружено более чем за сто лет до Лапласа, его космогоническая гипотеза стала бы, вероятно, совсем иной, менее удачной, или не возникла бы совсем... Подобную мысль автор не встречал в космогонической литературе, и она пришла ему в голову лишь сейчас, при чтении подлинного текста Лапласа.

Кстати говоря, Лапласу уже были известны периоды вращения Сатурна и его ближайшего кольца (0,427 и 0,438 наших суток, соответственно, по измерениям В. Гершеля). Последний на 0,011 суток длиннее, чем период вращения самого шара планеты. Эта незначительная разность и должна была существовать, как писал Лаплас: «так как часть атмосферы Сатурна, которую уменьшение температуры сконденсировало на поверхности этой планеты после образования кольца, будучи незначительной и переместившейся с небольшой высоты, смогла лишь ненамного увеличить скорость вращения планеты» (с. 328).

Здесь уместнее, чем дальше, остановиться на кольцах и спутниках планеты. В течение трех веков (!) было известно о существовании кольца только у одной планеты (Сатурна), уже в наши дни кольца были обнаружены и у Юпитера — гиганта, большего чем Сатурн, и у следующей за Сатурном планеты — Урана. Но существование этих колец предвидел С.К. Всехсвятский. У Юпитера С.К. Всехсвятский ожидал существование кольца, исходя из своей мало кем разделявшейся гипотезы о возникновении комет в результате вулканических выбросов из планет-гигантов или их больших спутников. Всехсвятский с 1960 г. полагал, что кольцо Сатурна есть результат накопления мелких частиц, выброшенных с планеты со скоростью, достаточной лишь для движения по круговой орбите вокруг своей планеты, но недостаточной для выхода их на орбиты типа кометных. Изучая новые и старые зарисовки и фотографии Юпитера, Всехсвятский обнаружил иногда присутствующие на них слабые полоски, которые он считал свидетельством существования у Юпитера разреженных, едва видимых колец. Едва ли кто-либо ему верил.

Но вот в 1977 г. с летающей в стратосфере обсерватории с 90-сантиметровым телескопом фотоэлектрически регистрировалось «покрытие» слабой звездочки диском планеты Уран. По изменению яркости звездочки, когда она будет светить сквозь атмосферу Урана, и продолжительности ее покрытия рассчитывали получить не искажаемые нашей атмосферой точные данные о размере тела планеты, высоте и плотности ее атмосферы. И тут неожиданно запись обнаружила эффект существования у Урана сначала одного, затем нескольких колец, параллельных ее экватору — звездочка гаснет постепенно, но раньше, чем это можно было приписать атмосфере, а тем более телу самой планеты. Это затмение звезды Ураном в то же время другие ученые также регистрировали с поверхности Земли и отметили те же эффекты. В результате бесспорно была обнаружена целая система узких и разреженных колец. Их суммарная ширина менее 170 км, а у Сатурна более 57000 км. Подтвердилось наличие колец и у Юпитера, утверждавшееся Всехсвятским. Чтобы не уйти далеко от нашей темы, мы не будем останавливаться на интереснейшем подробном сравнении колец трех планет-гигантов, проявивших свои загадочные еще особенности, и на попытках их объяснить. Наоборот, мы подчеркнем, что у Нептуна — планеты почти такого же размера и массы, как Уран, вопреки ожиданиям, никаких колец пока не обнаружили. Так природа удивляет нас то одним неожиданным открытием, то другим, ему противоположным.

Отметим только то, что экваториальные кольца обнаружены у трех из четырех планет-гигантов, и все вместе Лаплас мог бы привести в подтверждение своей гипотезы образования планет из колец вокруг первичной туманности.

В наше время (п задолго до пего) происхождение планет по сценарию, разработанному Лапласом, признано невозможным, хотя кольца открыты у трех планет-гигантов. Как они возникли? Мы не знаем. Мысль о том, что это пепел, пары и газы, камешки вулканических извержений, которые могли бы создать и кометы при еще большей скорости выброса, поддерживается немногими, хотя на близком к Юпитеру его спутнике Ио (одном из четырех наибольших) с пролетавших мимо космических аппаратов зарегистрировали несколько действующих вулканов. Выделяют они по преимуществу сернистые газы и потоки серы. Почему кольца разных планет столь разнообразны, мы не знаем. Почему их нет у Нептуна, который очень мало отличается от Урана, имеющего несколько спутников? Почему их нет у небольших планет земной группы? Заметим, что Кант предполагал, что у Земли было кольцо из воды, которое якобы рухнуло, вызвав «Всемирный потоп»...

История учит нас, что человек склонен преувеличивать свои успехи. Велики достижения науки, но они еще не всегда достаточны для правильного решения многих загадок природы.

Проблема строения кольца Сатурна довольно скоро была разрешена. Лаплас знал о большой щели в этом кольце, так называемом делении Кассини, но в остальном считал кольцо сплошным, хотя некоторые уже предполагали, что оно состоит из отдельных частиц, из пыли — так думал Кант, не оставивший без внимания кольцо (и здесь он был ближе к истине, чем Лаплас). Физик Дж. К. Максвелл в 1857 г. доказал, что кольцо должно состоять из множества мелких частей, обращающихся вокруг Сатурна по законам Кеплера. Это подтвердилось в конце XIX в. спектральным определением скорости движения частей колец Д.Э. Килером в США и А.А. Белопольским в России. Скорости их обращения оказались соответствующими закону Кеплера.

Фотографии и другие измерения, сделанные с космических аппаратов, запускавшихся к Сатурну и проходивших вблизи его колец, в «просветах» между ними и даже сквозь более разреженные части колец обнаружили, что колец разной ширины и толщины множество. Однако для нас, находящихся очень далеко, они сливаются в одно. Размеры частиц в разных кольцах и даже внутри одного кольца неодинаковы. При толщине колец около 15 км частицы в них имеют размеры от долей миллиметра до 1 километра.

В заключение надо добавить, что теоретические расчеты Роша, последователя Лапласа, показали в 1848 г., что при одинаковой плотности планеты и спутника последний не может приблизиться к планете на расстояние менее 2,44 ее радиуса (предел Роша), не распавшись на части вследствие возникающих в нем приливных сил. Так как внешний край колец Сатурна по визуальным наблюдениям расположен на расстоянии 2,38 радиуса планеты, Рош пришел к заключению о дискретном строении этих колец.

Но вернемся к гипотезе Лапласа.

Описанная им эволюция вращающегося газового шара привела к тому, что теперь называется ротационной неустойчивостью. В первом издании своей книги Лаплас привел числовое значение предельного сжатия такого шара: отношение длины полярной оси к экваториальной, а в другой, более ранней работе (1776 г.), применив развиваемую им теорию вероятностей, подсчитывал, как мала вероятность того, чтобы порядок движений в Солнечной системе был случайным совпадением (плоскостей и т. п.). Например, вероятность того, что шесть планет и десять известных тогда спутников будут вращаться в одном и том же направлении, составляет около 1/32768. Умножив ее на ничтожную вероятность того, что все они при этом будут размещаться в наблюдаемом малом объеме, получим практически бесконечно малую вероятность случайного устройства такой системы. Андуайе, приведя такой вывод Лапласа и фразу из этой ранней работы об изучении последним всех известных ему гипотез, приходит к выводу, что еще за 20 лет до опубликования своей системы Лаплас начал поиски правдоподобной космогонической гипотезы.

В дальнейшем, по мере открытия новых членов Солнечной системы, Лаплас в последующих изданиях уточнял вероятность вращения планет и спутников в одном и том же направлении. В 1776 г., как мы уже знаем, вероятность случайного происхождения такого вращения (округленно) составила 1/33000, в 1796 г. — 1/537000000 и т. д. до 1/200×10¹² в 1824 г.

Примечания

1. В русском переводе гипотеза Лапласа публиковалась трижды: в 1861 г. (перевод Хотинского), в 1923 г. (в сборнике «Классические космогонические гипотезы», пер. Ю.И. Костицыной) и в 1982 г. — в новом издании «Изложения системы мира». Б.Ю. Левин недавно (1979 г.) установил, что впервые на русском языке гипотеза Лапласа была изложена академиком Ф.И. Шубертом в «Санкт-Петербургском карманном месяцеслове» на 1818 г., но имя Лапласа при этом не упомянуто, хотя упоминался Бюффон.

2. Впервые, насколько известно, этот вопрос был рассмотрен А.И. Еремеевой («Вселенная Гершеля», 1966), Ч. Уитни («Открытие нашей Галактики», 1971, рус. пер. 1975) и Б.Ю. Левиным (1979; см. сноску на с. 152).