Теоретические возражения против гипотезы Лапласа

Открытия объектов и движений, которые никто не мог предвидеть, — не укор Лапласу, по он, внесший в физические явления теоретическую их трактовку, непонятным образом не учел их в своей гипотезе, тем более, что он ее не раз пересматривал.

Простейший подсчет показывает, что плотность первичной «солнечной атмосферы» Лапласа, т. е. протопланетной туманности, расслоившейся на кольца, затем сжавшиеся в газовые шары, — почти все в один шар в каждом кольце — была в 2,5×10⁸ раз меньше плотности воздуха у земной поверхности. Поэтому никакое сцепление частичек или протяжение их друг другом не было возможно. (Впрочем, критикующие историки космогонии не знали, что газовые туманности, существующие в космосе, имеют (как выяснилось в 30-е годы) плотности порядка 1 атома в см³, т. е. 10^-24 г/см³. И при этой исчезающе малой плотности они существуют как обособленные массы, перемещающиеся как нечто целое и даже вращающиеся. Разумеется, в этом играет роль то, что их массы в десятки и тысячи раз превосходят солнечную. Может иметь значение и низкая температура газа.)

Низкая плотность колец в гипотезе Лапласа была недостаточна для их сгущения в шар и для того, чтобы этот шар уплотнился в планету со средней плотностью не меньше, чем плотность воды и даже в несколько раз большей (например, у Земли средняя плотность — 5,5 г/см³).

В 1916 г. Джинс в Англии доказал, что если бы лапласовское кольцо и образовалось, то, как говорили точные расчеты Джинса, в соответствии с теорией газодинамики оно не стянулось бы ни в одну планету, пи далее во множество более мелких промежуточных масс или в облако пыли, а осталось бы газовым кольцом, постепенно рассеивающимся в пространстве. Этот вывод Джинса был тяжелым ударом но гипотезе Лапласа.

Каким было бы вращение тел, возникших из колец? Допустим даже, что кольца в туманности образовались. Конечно, Лаплас был прав, считая, что они не могли быть однородными по плотности. Пусть даже наибольший сгусток в кольце стянул к себе все вещество кольца в одну массу. Каким было бы тогда его осевое вращение? Лаплас рассуждал, что наружные части кольца, будучи дальше от центра образующейся из него планеты, имели бы большую орбитальную скорость, чем частицы более близкие к Солнцу, и, обгоняя их, внешние части, двигаясь быстрее в сторону первоначального вращения самой туманности, придали бы возникшей планете вращение в сторону ее обращения. Но в действительности, вследствие разреженности кольца, вращение его как твердого тела невозможно, и независимые друг от друга частицы кольца будут обращаться вокруг общего центра туманности по законам Кеплера: внутренние быстрее, чем внешние, более далекие от центра. В результате и вращение сгустка будущей планеты или спутника в целом получится обратным, а не прямым (как у большего спутника Нептуна). Итак, в вопросе о направлении вращения вокруг оси действительность противоречит ожиданиям Лапласа — так писали и пишут.

На наш взгляд, правильнее было бы говорить, что Лаплас ошибочно представлял процесс сгущения газа в кольца, а сгустков в них — в твердые тела, что вело к новым противоречиям.

Роковым для гипотезы Лапласа является положение с распределением момента количества движения в Солнечной системе. По гипотезе Лапласа кольца, превращающиеся в планеты, отделяются от периферии первичной атмосферы Солнца вследствие центробежной силы, но Солнце вращается слишком медленно, чтобы такой отрыв мог осуществляться на любом этапе этого процесса.

Так, один из крохотных спутников Марса — Фобос (неизвестный еще во времена Лапласа), который, как уже говорилось, вращается быстрее, чем сама планета вращается вокруг своей оси, не мог оторваться с кольцом, из которого он возник, если сам Марс вращался так же медленно, как сейчас. Самым резким примером несогласованности гипотезы Лапласа с действительностью является система Земля — Луна. По Лапласу, Луна образовалась из кольца, отделившегося от Земли в прошлом на таком же расстоянии, на котором она находится сейчас, равном 60 радиусам земного шара, т. е. Земля вместе с Луной, перед ее отделением, представляла собой шар с радиусом, по меньшей мере в 60 раз превышавшим современный радиус Земли, и вращалась с периодом, равным теперешнему периоду обращения Луны (27,3 теперешних суток).

По законам механики, которые должны были быть известны Лапласу, момент количества движения в системе тел должен сохраниться в этой системе до настоящего времени. Но, как показывает расчет, в настоящее время он во много раз меньше предполагаемого в начальную эпоху. Для сохранения момента количества движения Земля вращается гораздо медленнее, чем того требует гипотеза.

Такое же противоречие было получено при сопоставлении суммарного момента количества движения, возникающего за счет обращения всех планет, с одной стороны, и за счет осевого вращения Солнца — с другой. Первый оказывается в 200 раз больше, чем могло бы быть, если бы на заре истории Солнечной системы солнечная атмосфера простиралась до границ планетной системы. Здесь мы встречаемся с наиболее трудной проблемой космогонии.

В итоге, подтвердить основные положения гипотезы Лапласа, хотя бы частично, и разработать их математически на основании одной лишь механики не удалось. Заметим, кстати, что сам Лаплас более, чем кто-либо, мог облечь свою гипотезу в математическую форму и этим придать ей большую солидность. Однако гениальный математик и механик, сделавший немало и для экспериментальной, и для теоретической физики, упорно не желал математизировать свои рассуждения. Многие последующие комментаторы приписывали это будто бы несерьезному отношению Лапласа к своей гипотезе — цепи догадок, не обоснованных так монументально, как другие его работы в области небесной механики. Казалось бы, это было справедливо, и в то же время не один его биограф замечал, что Лаплас следил за развитием астрономии, вносил в свою гипотезу от издания к изданию дополнения и исправления. Он с ней не расставался. Вероятно, он понимал — как еще более обоснованно понимаем теперь и мы, поскольку опираемся на диалектико-материалистическую философию, — что гипотеза есть форма развития науки. Гипотезы требуют проверки и дают этим мощный толчок науке. И гипотеза Лапласа, как мы увидим ниже, действительно дала новый толчок многим разветвлениям науки и тем самым в какой-то мере уже приблизила человечество к решению одной из наиболее трудных загадок природы: происхождения Земли. Лаплас в еще большей степени, чем Бюффон, показал, что решение частного вопроса о прошлом, настоящем и будущем Земли не может быть получено без изучения подобных ей образований и тех больших систем, в которые она входит как часть. Понимание места Земли во Вселенной требует изучения всей Солнечной системы, а понимание последней требует познания других солнц, т. е. звезд, их скоплений далее — познания Галактики и системы галактик, и, наконец, Метагалактики. И чем шире будет наш горизонт, тем менее непонятным станет то, что находится у нас под ногами.