Астрономия XIX века
В XIX веке благодаря прогрессу как в области математических расчетов, так и в инженерном деле астрономия значительно шагнула вперед. Далее я кратко опишу некоторые из важнейших ее достижений.
Начнем со второй половины XVIII века, чтобы дополнить рассказ о вкладе Лапласа в космологию. В упомянутой ранее работе «Изложение системы мира» Лаплас представил модель формирования Солнечной системы, которая объясняла ряд фактов, ранее озадачивавших астрономов. В частности, проблему того, почему все планеты вращаются вокруг Солнца в одном и том же направлении и примерно в одной плоскости. Шведский философ Эммануил Сведенборг (1688–1772) предложил ту же модель еще в 1734 году, а Иммануил Кант доработал идею Сведенборга в 1755 году. Лаплас же дал ей математическое обоснование. Эта модель, названная небулярной гипотезой, предполагает, что Солнечная система образовалась из вращающегося сферического облака раскаленного газа. По мере остывания это облако уменьшалось в объеме и от его наружного края стали последовательно отделяться кольца. Эти кольца остывали и сжимались, образуя планеты, а центральное ядро превратилось в Солнце.
В XIX веке большинство ученых принимало модель Лапласа, однако в XX веке от нее отказались, так как в ее рамках нельзя было объяснить тот факт, что 99% вращательного момента Солнечной системы приходится на планеты. Тем не менее идея о вращающемся газовом шаре по существу верна. Современные астрономы наблюдают вокруг молодых звезд и протозвезд (объектов, из которых формируются звезды) диски из рассеянной материи. Считается, что планеты формируются в этих дисках в результате уплотнения материи в сгустки под воздействием гравитационных сил. Однако эта теория не объясняет образования газовых гигантов, таких как Юпитер и Сатурн.
В 1801 году французский астроном и популяризатор науки Жозеф Жером Лефрансуа де Лаланд (1732–1807) издал каталог, содержащий более 47 тыс. звезд. К тому времени он уже был знаменитостью, и, возможно, настал подходящий момент, чтобы передохнуть от потока научных подробностей и поговорить о его личности, поскольку это был довольно интересный человек. Вот описание его внешности:
«Он был очень уродлив и гордился этим. Голова в форме баклажана и всклокоченная копна волос, следовавшая за ним подобно хвосту кометы, делали его любимцем портретистов и карикатуристов. Он утверждал, что его рост составляет пять футов, однако при всей точности, с которой он вычислял космические расстояния, его оценка собственного роста на Земле, похоже, была преувеличена. Он любил женщин, в особенности женщин яркого ума, поддерживая их на словах и на деле»{84}.
Лаланд также опубликовал «Словарь атеистов», в котором писал: «Дело ученых — распространять свет науки, чтобы однажды они смогли обуздать этих чудовищных правителей, поливающих землю кровью, иными словами, поджигателей войны. А поскольку религия породила столь многих из них, нам стоит надеяться, что и ей тоже придет конец». Забавно его замечание, что он стал атеистом в отместку Богу за то, что тот сделал его таким уродцем{85}.
Вначале Наполеон разрешил Лаланду включить в словарь статью о себе. Но затем император осознал, что нуждается в поддержке церкви, и попытался натравить на астронома цензуру в лице Института Франции. Однако Лаланд отказался прекратить бравировать своими атеистическими взглядами. Даже в период диктатуры Франция могла гордиться высокой степенью интеллектуальной свободы.
Но вернемся к науке. В 1802 году английский физик и химик Уильям Волластон (1766–1828) наблюдал темные линии в солнечном спектре. Они получили название линий Фраунгофера в честь немецкого физика Йозефа фон Фраунгофера (1787–1826), который исследовал их в 1814 году. Спустя почти полвека немецкий физик Густав Кирхгоф (1824–1887) и немецкий химик Роберт Бунзен (1811–1899) провели параллель между линиями Фраунгофера и светлыми линиями, наблюдаемыми в эмиссионных спектрах различных элементов при их нагревании.
Так появился метод спектрального анализа, в дальнейшем превратившийся в важнейший инструмент, с помощью которого астрономы научились определять химический состав звезд и межзвездной среды. Гелий, второй элемент таблицы Менделеева, был назван так потому, что, прежде чем он был найден на Земле, его впервые обнаружили по линиям поглощения в солнечном спектре.
Механизм возникновения линейчатых спектров был открыт только в 1913 году, когда Нильс Бор рассчитал спектр атома водорода, воспользовавшись новой квантовой теорией (см. главу 5). На самом деле линейчатые спектры были масштабной аномалией, необъяснимой в рамках волновой теории света, что в итоге привело к развитию квантовой механики.
Между тем с началом спектрального анализа звезд универсальный характер законов физики подтвердился. Ньютон совершил первый огромный шаг в этом направлении, когда вывел свой закон всемирного тяготения. Прежде считалось, что на Земле действует один свод законов, а в небесах — совершенно другой. Однако Ньютон предположил, что яблоко падает с дерева, а Луна вращается вокруг Земли под воздействием одной и той же силы. Когда ученые обнаружили, что спектральные линии звезд аналогичны спектральным линиям горячих газов, получаемым в лабораториях на Земле, это стало подтверждением универсальности законов физики. На протяжении всей Вселенной физика неизменна.
Функции Бесселя хорошо знакомы студентам, изучающим физику, математику и технические дисциплины. Хотя это понятие впервые ввел физик Даниил Бернулли (1700–1782), названы они были в честь астронома Фридриха Вильгельма Бесселя (1784–1846). По образованию Бессель был бухгалтером и работал в судоходной компании. Интерес к навигации привел Бесселя в астрономию, ив 1810 году в возрасте 25 лет он стал директором Кёнигсбергской обсерватории в Пруссии.
Бессель первым использовал параллакс для измерения расстояния до звезды. В 1838 году он сообщил, что 61-я Лебедя расположена на расстоянии 10,4 светового года от Земли (1 световой год равен 9,46?1012 км). По современной оценке это расстояние составляет 11,4 светового года. Позже в том же году Фридрих Вильгельм фон Струве (1793–1864) и Томас Хендерсон измерили соответственно параллакс Беги (расстояние 25 световых лет) и Альфы Центавра (расстояние 4,4 светового года).
На рис. 4.1 показано, как применять параллакс. Наблюдения звезды проводят дважды с перерывом шесть месяцев. Расстояние до звезды рассчитывается (с малоугловым приближением, которое обеспечивает достаточную точность вычислений) по формуле d = 2r/B, где r — радиус земной орбиты, в — разность между двумя углами обзора в радианах.
Рис. 4.1. Как использовать параллакс для измерения расстояния от Земли до звезды или другого астрономического объекта. Звезда А в определенный момент находится в точке В, а 6 месяцев спустя — в точке С. Если радиус земной орбиты равен r (расстояние до Солнца), а измеряемый параллакс равен ?, то расстояние от Земли до звезды d = 2r/ ?. Угол ? в реальности намного меньше изображенного здесь, поэтому для расчетов можно использовать малоугловое приближение. Авторская иллюстрация
Таким образом люди начали вычислять огромные расстояния, разделяющие Землю и звезды. Ближайшая к нам множественная звездная система — Альфа Центавра. Разумеется, не считая Солнца, которое находится на расстоянии 147 млн. км, или 1,55?10-5 светового года (8,17 световой минуты) от Земли. Во времена, когда это расстояние было измерено впервые, наиболее удаленной от Солнца планетой считался Уран. Хотя Уран наблюдали еще в далекой древности, из-за того что он очень тусклый, его не считали планетой до 1781 года, когда Гершель убедительно это доказал. Расстояние от Урана до Солнца в наиболее удаленной точке орбиты равно 3 млрд. км, или 0,000317 светового года (2,78 светового часа).
Поговорим о следующей планете — Нептуне. Галилей наблюдал Нептун дважды, в 1612 и 1613 годах, однако считал его неподвижной звездой, хотя, согласно последним данным, не исключено, что он замечал движение звезд. В начале XIX века французский астроном Алекс Бувард (1766–1843) измерил отклонения орбиты Урана от траектории, описанной в таблицах, впоследствии ставших стандартными. Он предположил, что отклонение орбиты вызвано влиянием восьмой планеты Солнечной системы, находящейся дальше Урана. Британский астроном Джон Куч Адамс (1819–1892), используя различные источники данных, представил несколько оценок вероятного местоположения новой планеты.
Независимо от него аналогичные расчеты проводил французский математик Урбен Жан Жозеф Леверье (1811–1877), который представил Французской академии окончательные результаты 31 августа 1846 года. Два дня спустя Адамс отправил результаты своих расчетов в Гринвичскую королевскую обсерваторию. Леверье же отправил свой прогноз в Берлинскую обсерваторию 18 сентября. Именно там 23 сентября 1846 года с отклонением 1° от положения, рассчитанного Леверье, была обнаружена планета. Позже ее отождествили с Нептуном. Астрономы Гринвичской обсерватории чересчур замешкались, и Адамс остался ни с чем. Он любезно признал первенство Леверье в открытии новой планеты.
Нептун в наиболее удаленной точке своей орбиты находится на расстоянии 4,5 млрд. км (0,000476 светового года, или 4,17 светового часа) от Солнца.
Следующий серьезный успех астрономии XIX века связан с именем английского астронома Уильяма Хаггинса (1824–1910), проводившего масштабные исследования спектров звезд с целью определения их химического состава. Он доказал, что звезды состоят из тех же химических элементов, которые встречаются на Земле. Он также обнаружил углеводороды в составе комет. Но главное, в 1868 году Хаггинс стал первым, кто измерил лучевую скорость звезды (проекцию вектора скорости на луч зрения, то есть на прямую линию, соединяющую звезду с наблюдателем), предположив, что наблюдаемое смещение спектральных линий происходит из-за эффекта Доплера.
В 1842 году Кристиан Андреас Доплер (1803–1853) доказал, что длина волны изменяется при перемещении источника излучения относительно наблюдателя (приближении к нему или отдалении от него). Таким образом, если звезда удаляется от нас, видимый свет от нее будет сдвигаться в красную (длинноволновую) сторону спектра, а если приближается — в синюю (коротковолновую). На основе числового значения изменения частоты астроном может рассчитать лучевую скорость. К примеру, красное смещение определяется по формуле z = 1 + ??/?, где ??/? — относительное изменение длины волны. Тогда лучевая скорость будет равна v = zc, где с — скорость света, для v << с. Точная формула, применимая для всех скоростей, намного сложнее и выводится из специальной теории относительности.
Как мы увидим в дальнейшем, открытие сдвига спектральных линий астрономических объектов имело серьезные последствия в XX веке, когда ученые обнаружили, что большинство галактик удаляются от нас, а степень их красного смещения указывает на расстояние до них. В результате удалось определить, что наша Вселенная во много раз больше, чем то расстояние до звезд в пару-тройку световых лет, которое удалось измерить с помощью звездного параллакса.
А пока астрономы XIX века осознавали размеры Вселенной, их современники-физики обдумывали проблемы возраста Солнца и Земли. В 1863 году британский физик Уильям Томсон, лорд Кельвин (1824–1907), оценил возраст Земли, исходя из предположения, что она изначально находилась в расплавленном состоянии, постепенно затвердев по мере остывания. В результате у него получился срок 20 млн. лет. В 1856 году немецкий физик Герман фон Гельмгольц, сформулировавший закон сохранения энергии, занялся анализом возраста Солнца и предположил, что оно черпает энергию из гравитационного сжатия. Таким образом, энергия излучаемого света высвобождается при снижении потенциальной энергии Солнца. Пользуясь подходом Гельмгольца, в 1862 году Кельвин сделал вывод, что Солнце не может быть старше 20 млн. лет. Это были очень приблизительные подсчеты, и тот факт, что Кельвин получил один и тот же результат, используя два разных метода, говорит о том, что он наверняка в чем-то сжульничал. Однако метод расчета возраста Солнца заслуживал большего доверия{86}.
Так или иначе, обе эти оценки представляли большую проблему для теории эволюции путем естественного отбора, выдвинутой совместно Чарльзом Дарвином (1809–1882) и Альфредом Расселом Уоллесом (1823–1913) в 1858 году. Временные масштабы эволюции составляют не менее 100 млн. лет. Это несоответствие беспокоило и самого Дарвина, который считал его самой серьезной угрозой своей теории.
Со своей стороны, геологи поддерживали эволюционную гипотезу, оценивая возраст Земли примерно в 2 млрд. лет. Эти разногласия были разрешены только в начале XX века с открытием реакции термоядерного синтеза, благодаря которой Солнце будет светить еще 5 млрд. лет или даже больше. Возраст Земли в настоящее время определен довольно точно с помощью метода радиоизотопного датирования, он составляет 4,54 млрд. лет с возможной погрешностью 1%.
Тем временем наблюдательная астрономия продолжала развиваться. В 1888 году американский астроном Джеймс Килер (1857–1900) использовал гигантский 36-дюймовый телескоп-рефрактор (телескоп на основе линзы), установленный в Ликской обсерватории на горе Гамильтон, штат Калифорния, для наблюдения промежутков между кольцами Сатурна.
На меньшем склоне Килер установил 36-дюймовый телескоп-рефлектор. В то время ньютоновские зеркальные телескопы только начали появляться в горных обсерваториях. Следствием этого стал значительный рост возможностей, в особенности в области спектроскопии, которая с устранением сферической аберрации, характерной для телескопов на основе линзы, шагнула далеко вперед.
Однако Килеру недолго довелось поработать с этим инструментом. Из-за разногласий со строгим директором Ликской обсерватории, выпускником Военной академии США, в 1891 году Килер перевелся в обсерваторию «Аллегени». Там, несмотря на менее качественное оборудование и затянутое заводским дымом небо Питтсбурга, ему удалось совершить важное открытие, которое принесло ученому международную известность. Килер при помощи спектрального анализа подтвердил теорию Джеймса Клерка Максвелла (1831–1879) о том, что кольца Сатурна состоят из мелких объектов, вращающихся вокруг планеты с разной угловой скоростью.
В 1898 году Килер вернулся в Ликскую обсерваторию, чтобы занять место предыдущего непопулярного директора. Там он отремонтировал еще один 36-дюймовый телескоп, так называемый телескоп Кросли, подарок британского политика Эдварда Кросли, считавшийся рухлядью. Однако Килеру удалось его наладить. Когда телескоп пришел в рабочее состояние, Килер стал делать с его помощью прекрасные снимки спиральных туманностей. Это стало ключом еще к одной двери в изучении космоса. Но Килер, к сожалению, не смог войти в эту дверь, поскольку умер в 1900 году, незадолго до своего 43-летия{87}.
