David Laserna - Гюйгенс Волновая теория света. В погоне за лучом

Даже если Сатурн действительно имеет три воплощения — как одно тело, как три отдельных тела и как одно центральное тело с двумя рукоятками по бокам, — никто не мог представить совокупность масс, которая последовательно принимала эти три облика. В 1658 году, за год до того, как Гюйгенс опубликовал свой труд Systema Satumium, ученый и архитектор Кристофер Рен с некоторой растерянностью описывал положение дел:

«Лишь Сатурн отдаляется от нормы остальных небесных тел и являет нам настолько противоречивые фазы, что мы до сих пор не знаем, является ли он единой сферой, контактирующей с двумя более мелкими, или сферой с двумя большими впадинами, или с двумя пятнами, или походит на некий сосуд с двумя ручками по боками, или же, наконец, имеет какую-либо другую форму».

Гюйгенс уже открыл обычный спутник у этой необычной планеты. Сможет ли он решить и парадокс о ее многочисленных обликах? В ноябре 1665 года ученый уехал из Парижа обратно в Гаагу и сразу же возобновил свои астрономические наблюдения. К несчастью, в тот момент «ручки» уже почти исчезли, и вскоре Сатурн показал Христиану свой самый загадочный облик — сферу. Тем не менее в письме, датированном 8 февраля 1656 года, ученый утверждал, что нашел причину изменений планеты. Таким образом, он разгадал тайну Сатурна вслепую, в период, когда кольца не было видно. Поскольку ни один телескоп не мог показать его, Гюйгенсу пришлось воспользоваться зрением разума.

В середине марта 1656 года была отправлена в печать статья De Satumi luna observatio nova («Новые наблюдения спутника Сатурна»), в названии которой уже заявлялось об открытии Титана. В этой небольшой работе на двух страницах Гюйгенс предсказывал, что «ручки» планеты должны появиться вновь в апреле того же года. Он также заявлял, что решил парадокс трех обликов Сатурна, и предлагал другим ученым выдвинуть свои предположения, которые могли бы опровергнуть его. Гюйгенс спрятал разгадку в анаграмме: aaaaaaacccccdeeee eghiiiiiiillllmmnnnnnnnnnooooppqrrstttttu u u u и, «чтобы, если кто-то найдет такое же решение, как мое, он успел его обнародовать и чтобы нельзя было сказать, что он воспользовался моими мыслями или что я воспользовался его».

Этот вызов, вместе с ошеломляющей новостью об открытии Титана, возродил интерес к задаче, которую не смог решить даже Галилей.

До сих пор Сатурн водит астрономов за нос, или, лучше сказать, насмехается над ними из ненависти или хитрости.

Иоганн Георг Лохер, студент Иезуитской академии Ингольштадта

Несмотря на весь энтузиазм, никто из астрономов так и не дошел до правильного ответа. Как в старых детективных романах, после того как были высказаны неверные объяснения, слово должен был взять Гюйгенс. Но поскольку ученый был занят созданием первых часов с маятником, он заставил себя упрашивать до лета 1659 года, когда наконец опубликовал свою Systema Satumium. В этой работе он излагал решение анаграммы: Annulo cingitur, tenui, piano, nusquam cohaerente, ad eclipticam inclinato («Кольцом окружен тонким, плоским, нигде не прикасающимся, к эклиптике наклоненным»). Эклиптика — это полезная координата для астрономов, определяющая положение земной орбиты.

Уже в ходе первых наблюдений в марте 1655 года Гюйгенс обнаружил важнейшую улику. Хотя «ручки» были едва видны, они не становились более короткими, хотя и утончались. Это навело ученого на мысль, что разница между тремя телами или ручками не объяснялась движением вокруг Сатурна какой-либо массы. Большая часть его аргументов основывалась на параллелизме между системами Луна — Земля и Титан — Сатурн. Земля вращается вокруг своей оси за один день, а Луна вокруг Земли — за 29 дней. Гюйгенс обратил внимание на эту разницу во времени и решил, что период обращения Сатурна вокруг своей оси тоже должен быть гораздо короче периода его спутника. Если Титан обращался вокруг планеты за 16 дней, то сама она должна была вращаться вокруг своей оси всего за 13 часов.

Первым принял вызов, брошенный Гюйгенсом в *Новых наблюдениях спутника Сатурна»(De Saturni luna observatio nova), знаменитый польский астроном Ян Гевелий. Он предположил, что Сатурн имеет яйцевидную форму, которая по бокам расширяется в виде растущей и убывающей луны. В совокупности вся эта конструкция, если смотреть на нее сбоку, имеет округлый контур. Когда она вращалась, как показано на рисунке, то облик отдельной сферы легко сменялся телом с «ручками»». Но как же быть с тремя отдельными телами, которые наблюдал Галилей? По мнению Гевелия, их можно отбросить как простой оптический обман: «Следовательно, мы заключаем, что, хотя сферы, прилегающие к Сатурну, кажутся нам круглыми, они таковыми не являются». Это заявление звучало неубедительно для того, кто проводил ночные часы, пристально рассматривая планету и, как ни тер себе глаза, по-прежнему видел древних служителей Сатурна, имеющих такую же форму, как и их господин.

Другие теории, например выдвинутая немецким иезуитом Кристофом Шейнером, хоть и объясняли появление трех сфер или одной-единственной, предлагали очень натянутую аргументацию о том, что касалось «ручек». Одна из самых изобретательных версий принадлежит французскому математику Жилю де Робервалю. Он объяснял необыкновенную изменчивость Сатурна его более легкой материей, чем та, из которой обычно состоят планеты и их спутники. По его мнению, от экватора Сатурна поднимались клубы пара, которые постепенно становились все более плотными и, следовательно, более заметными. Когда такое плотное облако формировалось вокруг экватора, издалека планета напоминала эллипс. Когда облако рассеивалось, то оно как бы рисовало контур «ручек». Но ближе всех к истине оказался английский архитектор Кристофер Рен. Он предположил, что планету на экваторе окружал очень тонкий эллипсообразный венец.

Любая материя, расположенная между Сатурном и Титаном, должна вращаться по орбите за некое промежуточное время. Масса, сопровождающая Сатурн, независимо от своей формы должна была двигаться вокруг планеты с периодичностью, меньшей 16 дней. Однако у планеты уходило гораздо больше времени, чтобы завершить цикл известных на тот момент трансформаций, — около 14 лет. Гюйгенс решил, что если каждую ночь Сатурн вертелся, как юла, у него на глазах, но при этом с «ручками» не происходило никаких изменений, то их масса должна вращаться симметрично вокруг оси. Поворот ассиметричного тела, такого как человеческая рука, выявить легко. А вот по контурам сферы или цилиндра с абсолютно ровной поверхностью нельзя понять, вращаются ли они.