Тупики и поиски выхода в рамках механической планетной космогонии

Небулярные гипотезы Фая и Лигонде

В течение почти всего XIX в. о происхождении Солнечной системы говорилось: «По Лапласу Солнечная система могла произойти так», и в широкой аудитории приводили его гипотезу в первоначальном виде, иногда добавляя, что более точное и правильное объяснение некоторых частностей будет дано в процессе дальнейшего развития науки, что было неоспоримо.

Чаще других при этом задавался вопрос: а откуда взялось само вращение Солнца и туманности? С попытками ответить на него и были связаны первые существенные видоизменения, внесенные в космогонию Лапласа, начиная с 80-х годов XIX в. и до его конца. Другим, особенно важным для астрономов вопросом была проблема возникновения прямых и обратных вращений планет. Наиболее оригинальной, производившей сильное впечатление была идея вихрей внутри облака некоей первозданной материи, наподобие вихрей-смерчей в земной атмосфере. Недаром эту гипотезу выдвинул крупный метеоролог и астроном, французский ученый Э. Фай (1884 г.). Планеты и Солнце, по этой гипотезе, сформировались в одном из таких вихрей, причем сначала, во внешних частях, — планеты, а затем (позднее!) в самом центре всосанная туда космическим смерчем материя сгустилась в Солнце. Позже всего возникли внешние планеты Уран и Нептун. Таким образом Фай объяснял прямое вращение внутренних планет (ввиду вращения вихря как твердого тела) и обратное — у некоторых внешних планет и спутников (возникших из частиц, обращавшихся вокруг Солнца уже по законам Кеплера). Явная искусственность этой схемы, неучет приливных эффектов (что вызвало резкую критику со стороны Дж. Дарвина) заставили отказаться от этой гипотезы.

Намного более известной стала другая гипотеза — французского астронома дю Лигонде, который прямо пытался возродить ошибочную идею Канта о возникновении вращения протопланетной туманности из хаотических движений частиц. От обеих гипотез в космогонии вновь повеяло кантовскими идеями холодного первоначального состояния протопланетного облака и его метеоритного состава (в гипотезе Лигонде), идеями, роль которых в дальнейшем возрастала.

С начала XX в. космогонические гипотезы возникали одна за другой. Быстрая смена научной почвы, новые успехи астрономии и других наук порождали и смену гипотез. Вместе с тем появились попытки классифицировать гипотезы. Их делили на «горячие» и «холодные» в зависимости от предполагаемого состояния первичного протопланетного вещества, а также, соответственно, на газовые, пылевые и газопылевые. Многие гипотезы классифицируются в таком смысле с трудом, и сама попытка классифицировать их является, на наш взгляд, бесплодной, бесцельной. Можно только отметить, что долгое время все ученые, вслед за Лапласом, считали космогонию Солнечной системы проблемой теоретической механики и лишь к концу первой половины XX в. стало укрепляться осознание того, что солнечная космогония — сложная проблема, требующая участия многих наук.

Перед специалистами, занявшимися дальнейшим анализом и развитием знаменитой гипотезы Лапласа, между тем все более явственно вырисовывались впереди, по «курсу» дальнейшего уточнения этой механической космогонической модели два непреодолимых для нее препятствия — ее Сцилла и Харибда. Это прежде всего была проблема парадоксального распределения момента количества движения (mvr), львиной долей которого как бы незаконно владеют планеты при их ничтожной суммарной относительной массе, что противоречило принципам механики¹. Другая коварная скала выступила на поверхность несколько позднее в виде осознанного и доказанного, наконец, факта, что горячий газ в первичной туманности, даже разбившись на кольца, не может сгуститься в планеты а рассеется ... Это привело в дальнейшем к отказу от всех «небулярных» гипотез, опиравшихся на идею горячего начала планет в виде сгустков раскаленного газа. В свое время эта идея прямо вытекала из доказанного факта раскаленного состояния земных недр.

Катастрофические гипотезы Брауна, Аррениуса, Чемберлина и Мультона

Но уже первого препятствия было достаточно, чтобы космогонисты резко сменили курс. Некий Карл Браун вновь использовал закручивающий эффект «косого удара»

(как у Бюффона), но не кометы о Солнце, а массивного сгущения в протопланетном облаке, ударившего в центральное сгущение (протосолнце) и закрутившее сначала внешние слои его «атмосферы», а затем и центральные части. Новым было предположение, что «вторичные сгущения» — будущие планеты — сначала двигались в сопротивляющейся среде туманности, что объясняло возникновение прямого (а не обратного, как, по существу, получалось в гипотезе Лапласа) вращения именно у всех внутренних планет (в этих областях оказывалась действенной, хотя и незначительная, разница сопротивления среды с внутренней по отношению к Солнцу и с внешней сторон планеты). Именно оригинальная идея учета сопротивляющейся среды только и сохранилась от этой гипотезы. Большая часть первой половины XX в. прошла в космогонии под знаком возрождения и в попытках развития идей катастрофической космогонии в духе Бюффона. Рождение планетной системы стало рассматриваться как результат катастрофического по своим последствиям для уже готового Солнца столкновения его, но не с кометой (ничтожность массы которых становилась ясной), а с другой звездой. Последняя выбивала (или вырывала) из Солнца сгусток, «струю» раскаленного вещества, из которого, при его остывании, и формировались планеты. Это снимало проблему mvr (появлялся внешний источник дополнительного момента количества движения, сообщаемый планетам). Но вместе с тем Солнечная система оказывалась редчайшим, если не уникальным явлением в природе... ввиду ничтожной вероятности события — столкновения (или даже, как это приняли позднее, хотя бы тесного сближения) двух звезд в пустынях Космоса. Последнее с самого начала невыгодно отличало эти гипотезы от лапласовой картины закономерно возникающих планетных систем, чем укреплялась почва и для идеи множественности обитаемых миров...

На этом новом пути, уводившем планетную космогонию далеко от модели Лапласа, выступали со своими гипотезами крупные физики, геологи, астрофизики, астрономы. Наиболее значительными по своему научному влиянию и известности были гипотеза С. Аррениуса, знаменитого шведского химика, гипотеза Мультона и Чемберлина (соответственно астронома и геолога, США) и гипотеза выдающегося английского физика-теоретика и астрофизика Дж. Джинса, дольше других, в течение десятилетий, властвовавшая над умами благодаря своей математической и физической обоснованности, благодаря высокому научному авторитету (как это было и с гипотезой Лапласа) ее автора. И все же полностью оторваться от основных идей Лапласа не удавалось долгое время. Гипнотизирующей — и, видимо, неспроста — долго оставалась идея важного промежуточного этапа: расслоение протопланетного облака на плоскую систему кольцеобразных структур. Ведь это сразу указывало на причину правильного распределения планет по расстояниям от Солнца, малых наклонов орбит, единообразного вращения хотя бы групп планет... По крайней мере в первых двух новых гипотезах эта идея осталась. По Аррениусу, планетная система формировалась из вещества двух струй, возникших якобы в результате столкновения почти в лоб двух звезд. Струи выбивались в противоположных направлениях в одной плоскости и закручивались в спирали вокруг общего центра, который мог наблюдаться со стороны как вспышка новой звезды (мысль была навеяна только что вспыхнувшей тогда Новой Персея 1901 г.). Невидимость звезд до вспышки объяснялась наличием у них остывшей твердой коры, которая и разрушалась при соударении. Почти нулевая вероятность такой почти лобовой встречи двух звезд быстро свела гипотезу со сцены.

Учтя промахи предыдущей гипотезы, Мультон и Чемберлин (в 1900 г.) заменили удар сильным приливным воздействием одной звезды на другую (на Солнце) при близком прохождении мимо друг друга. Такое сближение — также крайне редкое событие, но несравненно более вероятное по сравнению с прямым ударом.

Близко проходящая звезда может способствовать усиленным приливам на нашем Солнце. От этого, по мнению авторов гипотезы, два диаметрально противоположных приливных горба, возникшие на Солнце, могут создать две струи вытекающих из него газов, образующие две ветви спирали, какие в гипотезе Аррениуса вызывало непосредственное столкновение двух звезд.

Гипотеза была выдвинута еще до установления природы спиральных туманностей и в значительной мере опиралась на популярную тогда у многих идею, что спиральные туманности — это зарождающиеся в виде вращающегося туманного сгустка звезды. Поэтому Мультон, например, вычислял, каким образом спирали, возникшие катастрофически, будут сливаться в диск и из него, как это было и в гипотезе Лапласа, будут возникать кольца, разбивающиеся на планеты.

Таким образом, вновь перед нами лапласова идея, обретавшая новую жизнь уже в катастрофической космогонии. Разумеется, все эти расчеты потеряли всякий смысл, когда выяснилось, что спиральные туманности — грандиозные системы из сотен миллиардов звезд, наподобие нашей Галактики... Впрочем, в гипотезе Мультона и Чемберлина рассматривалась и просто эволюция приливных струй, закручивающихся спиралями вокруг своей звезды. Но в отношении преобразования вещества газовой горячей струи в планеты авторы выдвинули совершенно новую оригинальную идею, оказавшуюся чрезвычайно плодотворной и намного пережившую саму гипотезу в целом. Она используется и в современной космогонии.

По Мультону и Чемберлину спиральные струи газа, сначала быстро охладившись, сконденсировались в целый рой мелких частиц вроде снега, названных ими «планетезималями» (от «планетезим» — маленькая планета, зародыш планеты). И лишь потом эти холодные планетезимали, сталкиваясь, слипались в тела промежуточных размеров, а последние, обрастая новым веществом, стали планетами. Поэтому гипотеза их и называется планетезимальной. В процессе роста слипшиеся комки получали удары от остававшихся планетезималей, и эти удары превращали их орбиты из спиральных и эллиптических в почти круговые. Вращение свое вокруг оси они получали в результате неодинакового действия этих ударов на переднее и заднее (по отношению к направлению движения) полушарие.

Примечания

1. Хотя масса планет в 750 раз меньше массы Солнца, в их орбитальном движении заключено 98% общего момента количества движения всей Солнечной системы.