Эрик Асфог - Когда у Земли было две Луны. Планеты-каннибалы, ледяные гиганты, грязевые кометы и другие светила ночного неба

Геологические события от архея до раннего протерозоя остаются такими же неясными, как стертые рисунки на песке. Для них почти нет хронометрических методов, которые могли бы служить надежными часами [79]. Но то, что их история не была записана, не означает, что эти миллиарды лет были скучными. Напротив, происходило очень многое: формировались континенты, началось движение тектонических плит, эволюционировала жизнь, сталкивались кометы и астероиды. Мы просто пока не можем датировать эти события. Все, что происходило тогда, миллиарды лет назад, оказалось поглощено конвейером тектоники плит и субдукции с уцелевшими тут и там фрагментами, собрать которые в мозаику – безнадежная задача. Поскольку во время катархея Земля подвергалась безжалостным бомбардировкам, кое-что из самого древнего земного вещества попало и на Луну, где мы можем его поискать.

Подобно деталям руин древней столицы, рухнувшие монументальные идеи подбираются следующими поколениями и составляются в более устойчивые теории. Идеи никогда не отбрасываются окончательно, для них находятся новые задачи, они приспосабливаются к чему-то, что может работать лучше. Так происходит движение вперед. Обширную коллекцию логических элементов, соотношений и фактов, таких как тепловые модели Кельвина или приливная модель Дарвина, можно сравнить с колоннами, капителями и замковыми камнями, которые пошли на строительство теории: вы используете их снова и снова. Теория, которая связывает их воедино, может развалиться, но составляющие ее элементы останутся верными.

Некоторые монументальные идеи не являются ни правильными, ни неправильными, потому что мы не понимаем, как их оценить. Одна из таких идей, для оценки которых нам не хватает широты обзора, – это темная материя. Другая, менее глобальная, – это идея о геометрической закономерности расположения планет. Кажется, она имеет под собой реальную основу, но, возможно, дело обстоит не совсем так; не исключено, что у нее есть какая-то физическая подоплека, но кто знает, кто знает…

В «Тайне мироздания» Кеплер писал, что орбиты планет находятся на концентрических сферах, вписанных в правильные многогранники, и причиной этого могла быть только воля Бога. В XVIII в. популярность обрела другая математическая прогрессия, которая имеет более прочное физическое основание; мы называем ее правилом Тициуса – Боде [80]. Если взять ряд чисел 0, 3, 6, 12, 24, 48, 96, где каждое следующее (за исключением первых двух) удваивает предыдущее, прибавить к ним по 4 и поделить на 10, то полученные результаты достаточно точно соответствуют радиусам орбит известных планет. По этому правилу расстояния между Солнцем и планетами от Меркурия до Сатурна должны быть 0,4, 0,7, 1,0, 1,6, 2,8, 5,2 и 10,0 а.е. В действительности они равны 0,4, 0,7, 1,0, 1,5, 5,2 и 9,5.

Если вы очень хотите найти какую-то закономерность, вы ее найдете – в этом люди мастера. Более того, отыскивая эти закономерности, мы склонны не обращать внимания на пробелы. Например, чуть выше вы могли не заметить, что предсказанной правилом Тициуса – Боде планеты, отстоящей от Солнца на 2,8 а.е., не существует. В этом смысле «Тайна мироздания» работает лучше: по сфере на каждую планету. Совершенное в 1781 г. открытие Урана, первой новой планеты со времен античности, стало одновременно впечатляющим событием и поворотным моментом. Уран оказался гораздо больше Земли, а радиус его орбиты, оцененный в 19,2 а.е., был близок к предсказанному значению 19,6 а.е. Правило Тициуса – Боде было подтверждено, но не доказано. Для него по-прежнему не существовало физического объяснения, и с ним имелась еще одна проблема: ряд чисел бесконечен. Наконец, астрономам не хватало планеты на расстоянии в 2,8 а.е. Охота началась.

Члены одного из более формальных объединений астрономов назвали себя «Небесной полицией» (Der Himmels Polizei). Возглавлял его венгерский барон Франц фон Цах. Они разделили небо на 24 квадрата и скрупулезно обыскивали каждый из них; другие не менее амбициозные группы занимались тем же самым. Но честь совершить открытие выпала священнику, отцу Джузеппе Пиацци, который вовсе не собирался искать какую-то отсутствующую планету, но прилежно трудился над новым звездным каталогом для Палермской обсерватории.

1 января 1801 г. Пиацци сделал в своем рабочем журнале запись об открытии «чего-то получше кометы» – блуждающей звезды, возможно планеты. Он намеревался сохранить это открытие в тайне до тех пор, пока не сможет подтвердить его дальнейшими наблюдениями, но коллеги прознали о случившемся, и Пиацци пришлось поспешить, чтобы первым сообщить о собственном достижении. К февралю он уже оценил радиус орбиты новой планеты – примерно 2,8 а.е.! Но после этого Пиацци потерял находку из виду: она переместилась на дневное небо, поскольку Земля обращается вокруг Солнца быстрее. Нескольких проведенных им наблюдений не хватало для надежного предсказания, где и когда следует искать новую планету. В эпоху до изобретения астрофотографии в качестве доказательства открытия у него были только рабочие заметки.

Это вылилось в настоящий астрономический кризис: предсказанная правилом Тициуса – Боде недостающая планета потерялась! Наступило время, когда она должна была вернуться на ночное небо, но никто не мог ее найти, поэтому возникли сомнения в самом ее существовании. Происходящее стало вызовом для Карла Фридриха Гаусса, юного гения 20 с небольшим лет, который решил проблему за несколько недель, разработав метод наименьших квадратов для предсказания будущих данных по результатам уже проведенных наблюдений. (Этот случай стал не первым и не последним, когда нужды астрономии стали причиной значительных математических достижений; более свежий пример – повреждения аппарата «Галилео», которые потребовали изобретения графического формата jpeg.)

Метод наименьших квадратов лежит в основе современного анализа данных и даже искусственного интеллекта. Предположим, что у нас есть математическая модель – в данном случае законы Кеплера, – предсказывающая, где Церера окажется в какой-то момент. Если вы точно знаете, где Церера была в прошлом, тогда законы Кеплера точно сообщат, где она найдется в будущем. Но в действительности у вас есть только несколько измерений того, где она была, и эти измерения содержат погрешности. Каким будет ваше лучшее эмпирическое предположение? Гаусс вычислил орбиту Цереры, сведя к минимуму сумму квадратов отклонений (как следует из названия его метода) между предсказанными данными и результатами наблюдений. Он указал астрономам, где искать, и Цереру, как вскоре был назван этот астероид, снова нашли.

После всех этих перипетий новая планета оказалась гораздо меньше Луны [81]. Вскоре на том же расстоянии от Солнца, предсказанном правилом Тициуса – Боде, обнаружились другие объекты, ни один из которых не был больше Цереры. Гаусс обозвал их «парой комков грязи, которые мы зовем планетами». Главный пояс астероидов, как его в итоге назвали, является расположенной между Марсом и Юпитером областью скопления малых небесных тел, которые позднее были объявлены остатками некой разрушенной планеты. (Какой-то из вариантов этой идеи может в итоге оказаться верным, хотя, как мы увидим далее, в этой истории замешаны перемещения Юпитера и Сатурна, происхождение Марса и исчезновение сотен существовавших первоначально астероидов размером с Цереру.)