Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

Закон всемирного тяготения Ньютона помог нам составить карту невидимого мира. Именно этот принцип использовал Леверье, чтобы исследовать рубежи Солнечной системы и вычислить местоположение восьмой планеты, Нептуна. И всё это из-за того, что одна из планет не двигалась по идеально эллиптической орбите.

Уран был открыт Уильямом Гершелем, бывшим музыкантом родом из Германии. В 1757 году 19-летний Уильям и его сестра Каролина переехали в Бат, английский город, основанный римлянами на месте, где бьют термальные источники. [87] Каролина Гершель открыла больше всего планет, чем любая другая женщина-астроном, за исключением своей тёзки — Кэролин Шумейкер, работавшей в конце XX и начале XXI века. Гершель работал церковным органистом, но его страстью была астрономия. В саду у своего дома он построил один из лучших телескопов того времени; 13 марта 1781 года он рассматривал в него звёздное небо и заметил странную размытую звезду. Сначала Гершель решил, что это комета, но в последующие несколько ночей она переместилась в созвездие Близнецов. Учёный понял, что она движется не по удлинённой орбите кометы, а по планетарной орбите, больше напоминающей окружность.

Открытие новой планеты стало международной сенсацией. С момента зарождения науки людям были известны лишь шесть планет. Теперь же их оказалось семь.

Гершель был иммигрантом и хотел признания в своей новой стране. Поэтому он окрестил планету звездой Георга в честь короля Георга III. Это очень разозлило французских астрономов, которые были против именования небесного тела в честь английского короля. Вместо этого они стали называть её Гершелем. Миротворцами в этом споре выступили, как ни удивительно, немцы. Астроном Иоганн Боде предложил дать новой планете имя в честь Урана, отца римского бога Сатурна, и эта идея прижилась. Только представьте себе, как выглядел бы перечень планет в Солнечной системе, если бы этого не произошло: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн… и Георг .

Почти за век до открытия Урана его наблюдал английский астроном Джон Флемстид. В 1690 году он ошибочно занёс Уран в свой каталог как 34-ю звезду в созвездии Тельца. Благодаря записям Флемстида и его коллег, подкреплённым более поздними наблюдениями, к началу XIX века орбита Урана уже была известна учёным настолько хорошо, что её можно было сравнить с предсказанной на основании закона всемирного тяготения Ньютона.

Вот тут-то и начались загадки.

Факт наличия эллиптической орбиты не соответствовал результатам наблюдений. Как только она была рассчитана, Уран тут же начал отклоняться от неё. Шли годы, наблюдений становилось всё больше, а Уран отклонялся всё сильнее.

Лишь немногие сомневались в законе всемирного тяготения Ньютона. Его успех за последние два столетия был таким всеобъемлющим и масштабным, что его считали чем-то вроде Священного Писания. Учёные предположили, что за Ураном может находиться ещё одна планета, чья гравитация и сбивает Уран с правильного эллиптического пути.

В 1841 году Джон Кауч Адамс, математический гений из Корнуолла, Англия, решил вычислить, где именно в Солнечной системе должна находиться новая планета, чтобы она могла оказывать наблюдаемое воздействие на Уран. [88] Sheehan W., Thurber S. John Couch Adams’s Asperger syndrome and the British non-discovery of Neptune // Notes and Records of the Royal Society Journal of the History of Science. — 22 September 2007. — Vol. 61. — Issue 3 ( http://rsnr.royalsocietypublishing.org/content/61/3/285 ). Его расчёты были ужасающе сложными, но уже через четыре года он был готов представить результаты своего труда королевскому астроному Джеймсу Челлису. Тот, однако, не принял Адамса всерьёз. Помимо прочего, доверие к нему подрывала его привычка постоянно уточнять свои расчёты и то и дело менять предсказания относительно местоположения новой планеты.

Адамс не знал, что в то же самое время во Франции Леверье проводил похожие вычисления. Чтобы упростить пугающе сложные расчёты, Леверье сделал несколько обоснованных допущений. Например, он предположил, что новая планета должна находиться далеко от Солнца, иначе астрономы уже заметили бы её. Он также решил, что её масса должна быть сравнима с массой Урана, который по этому показателю примерно в 15 раз превышает Землю. Наконец, Леверье решил, что невидимая планета должна двигаться по орбите вокруг Солнца в той же плоскости, что и другие планеты. [89] Все планеты движутся в одной плоскости, как если бы они лежали на большом прозрачном блюде с Солнцем в центре. Это объясняется тем, как 4,55 миллиарда лет назад сформировалась Солнечная система. Сферическое облако газа и пыли сжалось под воздействием собственной гравитации. Оно вращалось (как вращается весь Млечный Путь и звёзды в нём), а потому между полюсами сжатие было сильнее, чем вдоль окружности, где силе тяготения противостояло стремление материала разлететься в стороны. В результате облако приобрело форму тонкого диска, вращающегося вокруг новорождённого Солнца. Планеты сформировались из кусков космического мусора в этом диске, которые склеивались друг с другом. Вот почему они движутся примерно в одной плоскости и в одном направлении.

Удивительно, но Леверье, как и Адамса, не принимали всерьёз. Директор Парижской обсерватории Франсуа Араго не считал поиски новой планеты первоочередной задачей. Когда Леверье понял, что не добьётся от Араго точных сроков для выполнения своей задачи, он потерял терпение и 18 сентября 1846 года отослал свои расчёты, указывающие на примерное местонахождение планеты, в Берлин. Ещё через пять дней Иоганн Галле, единственный человек, поверивший Леверье, вошёл в историю как первооткрыватель Нептуна.

Как и Уран, Нептун наблюдался и ранее, но его не принимали за планету. Его едва можно разглядеть невооружённым глазом. Существуют некоторые свидетельства того, что уже в декабре 1612 года в Падуе Галилей видел Нептун в свой недавно созданный телескоп, но посчитал его просто звездой.

После обнаружения Нептуна между Англией и Францией разгорелся спор о том, кого именно считать его первооткрывателем. Интересно, что этот спор никак не повлиял на отношения между самими Адамсом и Леверье, хотя последнего многие считали заносчивым и агрессивным человеком. После первой же встречи они стали друзьями — возможно, из уважения к математическим талантам друг друга, а возможно, из-за усилий, которые обоим пришлось приложить, чтобы им поверили. Сегодня открытие Нептуна приписывают Адамсу и Леверье в равной степени.

Обнаружение Урана было настоящей сенсацией. Это была первая планета, открытая в эру телескопов и науки. Расстояние от Урана до Солнца в два раза больше, чем от Солнца до Сатурна, а значит, всего за один день размеры известной человечеству Солнечной системы увеличились вдвое. Открытие Нептуна также было сенсационным, но в несколько другом смысле. Если Уран был замечен астрономами случайно, существование Нептуна, включая его массу, внешний вид и местоположение, было точно предсказано. Наука наделила человека возможностями божества. Закон Ньютона теперь не только объяснял то, что мы видим, но и предсказывал невидимое.