Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

Кстати, факт, что самые высокие приливы возникают при таком расположении Луны и Солнца в пространстве, что Луна либо полностью освещена, либо не освещена вовсе, подсказывает, что и Солнце тоже играет роль в этом процессе. И Пифей это понимал. Участие Солнца также подтверждает то, что более высокие приливы приходятся на весну и осень — два особенных периода в годовом путешествии Земли вокруг Солнца.

Знание ключевых характеристик приливов и отливов — это, несомненно, важный шаг на пути к пониманию причин этого явления. Тем не менее в течение почти двух тысячелетий после Пифея никто даже не приблизился к тому, чтобы разгадать их тайну.

В начале VIII века английский монах и хронист Беда Достопочтенный заметил, что высокие приливы начинались в разных портах, расположенных вдоль побережья Британии, в разное время. Его идея состояла в том, что ландшафт, наряду с Солнцем и Луной, также задаёт определённые характеристики приливов. Это наблюдение подтверждалось отсутствием сильных приливов в окружённом сушей Средиземном море, а также гигантскими приливными волнами в эстуарии Северна.

О силе, которая вызывает приливы, Беда знал не больше своих современников. Он предположил, что Луна сдувает море на берег, а когда она перемещается, её дыхание оказывается слабее, и море возвращается в свои берега. «[Океан] как будто против его воли выталкивают на сушу вздохи Луны, а когда её силы истощаются, он принимает свою обычную форму».

Первую попытку объяснить приливы с научной точки зрения сделал арабский физик и астроном Закария аль-Казвини, живший в XIII веке. По его мнению, приливы возникают из-за того, что Луна и Солнце нагревают океанские воды и те расширяются от точки нагрева. Пускай эта версия и кажется достаточно правдоподобной, она не объясняет, почему именно Луна, а не Солнце играет главную роль в управлении приливами. Приливы, вызываемые Луной, почти в два раза больше тех, которые вызывает Солнце.

В 1609 году Иоганн Кеплер (скорее всего, под влиянием недавнего открытия Уильямом Гилбертом магнитного поля Земли) предположил, что приливы вызывает сила магнитного притяжения, с которой светила действуют на моря. Галилей, хоть и был большим поклонником Кеплера, посчитал это предположение «по-детски глупым». Для него сама мысль о том, что астрономические тела могут воздействовать на Землю на расстоянии, казалась полным оккультизмом. Сам Галилей считал, что приливы вызывает совместное влияние вращения Земли вокруг своей оси и её движения по орбите вокруг Солнца. Из-за таких движений, по его мнению, океаны движутся взад-вперёд.

На самом деле ни у кого из них не было ни малейшего шанса понять, что в действительности вызывает приливы, потому что у них не было для этого необходимого математического инструментария. Не было — пока не появился Ньютон.

Ньютон в одиночку создал систему мира, объединяющую Землю и небеса в единую теоретическую структуру, и открыл закон всемирного тяготения. Он понимал, что этот закон действует на все тела, даже на те, которые находятся вне Солнечной системы. Ньютон внимательно изучил все типы такого воздействия и описал их в своём шедевре — «Началах». Главное место среди подобных воздействий он отвёл приливам.

При расчёте силы притяжения, с которой Земля влияет на Луну, Ньютон рассматривал всю массу планеты сконцентрированной в одной точке в её центре. Он даже смог доказать это, используя новомодную математику интегрального исчисления. Но такой подход был всего лишь удобным приближением. Разумеется, в реальности Земля гораздо больше точки. Соответственно, какие-то части планеты находятся ближе к Луне, а какие-то — дальше от неё. Приближённая к Луне часть Земли испытывает большее притяжение, чем другие. Ньютон понял, что у этой разницы в значении гравитационного воздействия должны быть серьёзные последствия. В первую очередь они должны затрагивать океаны, потому что вода, в отличие от твёрдой породы, движется свободно.

Представьте себе точку в океане, которая находится прямо напротив Луны. Притяжение Луны сильнее воздействует на воду на поверхности, чем на воду у дна, ведь дно более удалено от Луны. Ньютон понял, что эта разница в притяжении заставляет верхние слои воды двигаться относительно нижних по направлению к Луне.

Но и это ещё не всё. Теперь представьте себе точку в океане на обратной стороне Земли. Здесь притяжение Луны будет сильнее ощущаться на дне, чем на поверхности, ведь оно ближе к Луне. Такая разница в притяжении заставляет нижние слои воды сдвинуться относительно верхних.

Таким образом, в соответствии с предположениями Ньютона, Луна создаёт в земных морях не один, а два сдвига: в точке, приближённой к ней, и в точке, которая от неё максимально удалена. [58] Приливная сила, воздействию которой подвергаются морские воды, наиболее удалённые от Луны, меньше той, которая воздействует на наиболее близкие к Луне, примерно на (60 / 62) × 2 = 0,94, поскольку такие воды находятся на расстоянии не 60, а 62 земных радиуса от Луны. Соответственно, и приливный горб оказывается немного меньше.

Но Земля не стоит на месте, а вращается вокруг своей оси. Это значит, что каждые 24 часа океаны и моря проходят через эти две точки. Человеку, который в течение суток находится на морском берегу, будет казаться, что вода дважды за день поднялась и опустилась. Итак, Ньютон объяснил то, что никто не мог объяснить до него: почему приливы случаются два раза в сутки. Разгадка заключалась в законе всемирного тяготения, которое ослабевает по мере увеличения расстояния. До Ньютона о нём просто никто не знал.

Здесь есть одна тонкость, о которой Ньютону было известно. Приливы и отливы повторяются не каждые 24, а каждые 25 часов. Это заметил ещё Пифей в 330 году до нашей эры.

Давайте ещё раз подумаем о Луне. Она не просто висит в небе над одной точкой, пока Земля вращается под ней. Вместо этого она обходит Землю по орбите, двигаясь в том же направлении, в котором поворачивается сама планета. Для того чтобы пройти орбиту полностью, Луне требуется 27,3 суток. Это значит, что наша воображаемая точка, находящаяся прямо под Луной, не окажется под ней через 24 часа. За время одного оборота Земли по своей оси Луна сместится на собственной орбите. Чтобы нужная нам точка снова оказалась прямо под Луной, Земля должна пройти ещё 1/27,3 своего полного оборота, что займёт у неё 1/27,3 от 24 часов, то есть около 53 минут. Соответственно, два прилива произойдут не за сутки, а за 24 часа 53 минуты. Это одна из причин, по которой для расчёта точного времени прилива и отлива в определённой точке побережья требуются подробные таблицы.