Александр Фомин - 100 знаменитых ученых

Теперь обратимся к научным работам и достижениям ученого. Пьер Лаплас интересовался самым широким кругом математических, физических и астрономических проблем. Но широкую известность он получил благодаря исследованиям в области небесной механики. Интересно, что еще в ранней молодости Лаплас составил для себя программу исследований в этом разделе науки и, будучи человеком не только талантливым, но и целеустремленным, полностью ее выполнил. Уже в 1773 году он опубликовал работу «О принципе всемирного тяготения и о вековых неравенствах планет, которые от него зависят». Тем самым он приступил к работе над научной проблемой, решение которой можно назвать одним из самых крупных его вкладов в науку. Чтобы читателю была более ясна суть этой проблемы, мы сделаем некоторые пояснения.

Точность астрономических наблюдений со времен Кеплера сильно возросла. Уже давно было обнаружено, что реальные орбитальные движения планет не полностью соответствуют законам Кеплера. В частности, Кассини, Галлей и некоторые другие астрономы установили наличие так называемых «вековых ускорений»: скорость движения Юпитера со временем возрастает, а Сатурна – уменьшается. Вековое ускорение было обнаружено и у Луны. На основании этого факта многие ученые даже делали вывод о несостоятельности закона тяготения Ньютона. Правда, еще сам Ньютон справедливо утверждал, что ускорение планет как раз является следствием его закона и происходит из-за того, что тела в сложной системе испытывают тяготение не только к Солнцу, но и к другим объектам Солнечной системы, прежде всего, к крупным планетам. Это объяснение, конечно же, было справедливым. Но здесь возник новый вопрос: является ли Солнечная система стабильной структурой? И Ньютон, и Эйлер считали, что сама по себе она неустойчива, и только волей Божьей время от времени восстанавливается постоянно нарушаемое движение планет.

Интересовался этой научной проблемой и Д’аламбер, а, вслед за ним, и Лаплас. Случилось так, что ученик очень быстро затмил своего учителя и покровителя. Уже к 1773 году Лаплас, проведя сложный математический анализ, установил, что вековые ускорения «средних» движений Юпитера и Сатурна равны нулю, а, следовательно, «добавочное» ускорение этих планет время от времени меняет знак. Также на основании своих расчетов Пьер Симон сделал вывод, что взаимное воздействие планет друг на друга не может привести к нарушению целостности Солнечной системы.

Но на этом проблема вековых ускорений была решена не полностью. Оставалось найти объяснения для изменений в движении Луны. Через десять лет Лаплас вновь вернулся к этому вопросу и на этот раз одержал полную победу. В 1784 году он вновь представил Академии наук работу, посвященную вековым ускорениям. В ней он показал, что ускорения Юпитера и Сатурна вызваны их гравитационным взаимодействием и изменяются периодически (с периодом 929,5 лет). Также он объяснил и вековое ускорение Луны. Оказалось, что оно тоже носит периодический характер, и в основе этого явления лежит изменение эксцентриситета орбиты [49] Эксцентриситет орбиты – параметр, характеризующий форму орбиты, которую можно представить одним из конических сечений (круг, эллипс, парабола, гипербола. Земли, который, в свою очередь, меняется под действием других планет. На основании своей теории движения Луны Лаплас смог также довольно точно вычислить расстояние от Земли до Солнца и величину сжатия Земли у полюсов. В 1787 году ученый опубликовал работу, в которой еще раз коснулся вопроса устойчивости Солнечной системы. В ней он расширил и дополнил свои предыдущие результаты, показав, что основные характеристики движения планет либо остаются неизменными, либо изменяются обратимо и периодически. И хотя впоследствии другие ученые, например Пуанкаре, не раз возвращались к данной проблеме, включая в расчеты все более новые факторы, считается, что именно Лаплас доказал стабильность Солнечной системы.

И в дальнейшем Пьер Лаплас не утратил интереса к небесной механике. Так, в 1789 году он создал первую полную теорию движения спутников Юпитера. Эта работа была важна не только с точки зрения астрономии. Как мы помним, еще Галилей пытался разработать метод определения географической долготы с помощью данных о движении спутников Юпитера. Во времена Лапласа этот метод был единственным. Но таблицы движения спутников устарели. Таким образом, теория Лапласа позволила решить и прикладную проблему: на ее основании были составлены новые, гораздо более точные таблицы движения спутников Юпитера. Ученый проводил исследования и в других областях небесной механики. Он внес свой вклад в изучение фигур небесных тел, разработку методов определения орбит планет и комет, исследовал перемещение полюса Земли, разработал динамическую теорию приливов. Все результаты своих исследований Лаплас собрал в пятитомном труде «Трактат о небесной механике», первые два тома которого были опубликованы в 1798 и 1799 годах, а последний – в 1825 году.

Следует уделить внимание и уже упоминавшейся небулярной гипотезе Лапласа. Согласно ей Солнечная система образовалась из вращающейся горячей газовой туманности, которая окружала молодое Солнце и, постепенно остывая, сжималась под действием сил тяготения. По мере уменьшения размеров туманности скорость ее вращения увеличивалась. Центробежные силы стали сравнимы с силами тяготения, и в результате образовался околосолнечный диск, впоследствии разделившийся на кольца. Из-за силы взаимного притяжения составляющие части кольца, в конце концов, образовали планеты. Гипотеза Лапласа оставалась популярной на протяжении ста лет. В наше время она утратила свою состоятельность, но отдельные ее положения составляют основу современных представлений о происхождении Солнечной системы.

Кроме заслуг в астрономии, Пьеру Лапласу принадлежит целый ряд достижений в других областях науки. С самого начала своей научной деятельности Лаплас публиковал результаты своих математических исследований. Он стал одним из основателей строгой теории вероятности, разработал математическую «теорию ошибок», математически обосновал найденный Гауссом и Лежандром метод наименьших квадратов. В 1812 году Пьер Симон опубликовал результаты своих математических исследований в ставшем классическим труде «Аналитическая теория вероятности».

В 1780 году Лаплас вместе с Лавуазье занялся вопросом сравнения процессов, происходящих в живых и в неживых системах. Используя изобретенный ими ледяной калориметр, ученые в частности показали, что процесс дыхания является одной из форм окисления. Для Лавуазье эти опыты были только частью целой серии работ, которые великий химик провел, изучая процессы горения, окисления и дыхания. Но для Лапласа данная область стала совершенно новой, и изучение процессов дыхания положило начало его физическим исследованиям. Он внес серьезный вклад в изучение капиллярных явлений, развитие теории потенциала, вывел формулу для вычисления скорости распространения звука в воздухе, стал одним из создателей теории движения тел с переменной массой, которая лежит в основе современной теории движений ракет.