Разведка далеких планет

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/R ²), 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:

К тому же выяснилось, что при подобном допущении начинаются «неприятности» с остальными планетами.

Другие ученые предполагали, что сила гравитационного притяжения зависит не только от расстояния между телами, но и от их скорости. Третьи рассматривали притяжение как результат колебаний некой упругой среды – эфира. Четвертые – среди них был и русский инженер Ярковский, с которым мы еще встретимся в этой главе, – представляли тяготение как давление потоков эфирных частиц. К началу XX в. было создано несколько весьма элегантных теорий тяготения, так что Альберту Эйнштейну было с кем конкурировать. Например, молодой швейцарский физик Вальтер Ритц, кстати, однокурсник Эйнштейна по цюрихскому Политеху, создал оригинальную теорию гравитации, похожую на электродинамику и дававшую почти те же результаты, что и общая теория относительности. К сожалению, Ритц имел слабое здоровье и умер в 1909 г. в возрасте 31 года. Развития его теория не получила, но только в 1960-е гг. она была сдана в архивы науки как не оправдавшаяся.

В конце 1915 г. Эйнштейн опубликовал свою теорию гравитации, дав на ее основе исчерпывающее объяснение странного движения Меркурия, которое в точности соответствовало наблюдениям. Он предсказал также еще два новых эффекта: во-первых, лучи света должны отклоняться в поле тяготения массивных тел, например Солнца, а во-вторых, линии в спектрах компактных звезд, например белых карликов, должны испытывать красное смещение. Оба прогноза вскоре оправдались. Это убедило многих, что и с особенностями движения Меркурия больше никаких проблем нет: теория относительности всё объяснила без привлечения гипотезы о таинственной планете Вулкан.

Однако скептики всегда были и будут: оппозиция теории Эйнштейна существовала в течение многих лет, да и поныне не исчезла. А в прошлом веке альтернативных теорий было множество, и большинство из них апеллировали к астрономическим фактам. Например, астроном Гроссман в 1921 г. ставил вопрос о строгости работ Ньюкома. Он считал, что действительное смещение перигелия Меркурия заключено в пределах от 29'' до 38'', что слишком мало для теории Эйнштейна. Другие ученые, соглашаясь с результатами Ньюкома, пытались объяснить их вне рамок релятивистской теории. Например, профессор астрономии Колумбийского университета Чарльз Лейн Пур верил в эффективность гипотезы Зелигера: «Эйнштейн и его последователи приводили в доказательство своей гипотезы пример движения планет. Однако факты этого не подтверждают – его гипотезы и формулы не являются ни достаточными, ни необходимыми для объяснения расхождений в этих движениях. Они недостаточны, поскольку объясняют лишь единственное из многих наблюдаемых расхождений – перигелий Меркурия; они не необходимы, ибо все эти расхождения, включая и перигелий Меркурия, можно без труда объяснить влиянием – в соответствии с законом Ньютона – материи, сосредоточенной, как известно, в непосредственной окрестности Солнца и планет» [3] .

3

Роузвер H. Т. Перигелий Меркурия. От Леверье до Эйнштейна. М.: Мир, 1985, с. 116.

В своих ранних работах Пур отдавал предпочтение «материальному» объяснению аномалий в движении планет. Затем он пришел к мысли о возможности объяснить каждую из них специально подобранным распределением вещества. В своей книге «Относительность против гравитации» (1922 г.) он даже пытался объяснить отклонение лучей света звезд их преломлением в окружающем Солнце веществе.

До сих пор продолжается придирчивая проверка общей теории относительности Эйнштейна, и гипотезы о Вулкане и прочих «возмутителях» Меркурия пока лежат на полке у теоретиков: кто знает, не понадобятся ли они вновь. Взять хотя бы проблему с формой Солнца… Свои расчеты Эйнштейн проделал, считая Солнце идеальным шаром. Но если полученное Дикке значение сплюснутости Солнца верно, то теория Эйнштейна уже не так хорошо согласуется с наблюдаемым движением Меркурия. Над этой проблемой физики работают до сих пор.