Ньютон. Закон всемирного тяготения. Самая притягательная сила природы

Однако теорию гравитации ожидали гораздо более сложные испытания, так как каждое открытое тело в Солнечной системе означало новый вызов: следовало доказать, что наблюдаемая траектория совпадает с теоретической. В течение полутора веков после публикации «Математических начал» было обнаружено немало небесных тел. Среди них – планета Уран, открытая Уильямом Гершелем в марте 1781-го, и пояс астероидов между Марсом и Юпитером. Расчетные орбиты этих тел соответствовали наблюдаемым. Каждое совпадение вело к новым успехам, а сама теория завоевывала все большее доверие. Однако наиболее потрясающее ее достижение состояло в том, что исключительно с помощью теоретических выкладок и математических уравнений гравитации удалось предсказать и обнаружить новую планету дальше Урана.

Открытию Нептуна предшествовала угроза провала: по мере того как шли годы после открытия Урана, планета демонстрировала четкую тенденцию к отклонению от орбиты, которую ей приписывали законы Ньютона. Приблизительно в 1790 году с некоторой точностью был намечен путь, по которому должен был следовать Уран, учитывая силу, с которой его притягивало Солнце, и воздействие других планет, в основном Юпитера и Сатурна. В связи с отдаленностью от Солнца Уран имеет очень маленькую угловую скорость – ему нужно более 84 лет, чтобы совершить один оборот; его медленное перемещение и стало причиной того, что только в 1800 году было замечено: Уран отклоняется от орбиты. В расчеты вносились уточнения, которые Уран снова нарушал. В начале 1830-х годов отклонение Урана стало настолько угрожающим, что ученые пришли к выводу: либо он не подчиняется закону тяготения, либо существует нечто, препятствующее выполнению закона. Кто-то выдвинул предположение, что этой помехой может быть планета, расположенная дальше Урана, которая влияет на его орбиту; другие считали, что если бы эта планета существовала, ее уже давно локализовали бы при помощи математических расчетов. Словом, появилась задача определить размер и местоположение объекта, способного воздействовать таким образом на орбиту Урана. Независимо друг от друга необходимые расчеты сделали два астронома: француз Урбен Леверье (1811-1877) и англичанин Джон Адамс (1819-1892). Несмотря на несовершенство астрономических обсерваторий, где они проводили свои исследования, оба попали в цель, и, благодаря настойчивости Леверье, работавшего над проблемой в Берлинской обсерватории, сентябрьской ночью 1846 года была открыта планета, из-за которой смещается орбита Урана. Новая планета получила название Нептун.

ЛУННЫЕ ТАБЛИЦЫ МАЙЕРА

Если изучение движения Луны представляло собой проблему, то новая небесная механика, возникшая после открытия Ньютоном закона всемирного тяготения, обещала наконец ее решить. Однако необходимые математические методы еще были в состоянии разработки. Первые теоретические результаты появились в середине XVIII века благодаря швейцарскому математику Леонарду Эйлеру, который свел движения Солнца, Земли и Луны к серии изящных уравнений.

Немногим позже в Гёттингене немецкий астроном Тобиас Майер (на иллюстрации) объединил результаты своих наблюдений и наблюдений Джеймса Брэдли – последователя Галлея на посту королевского астронома – с теоретическими выводами, чтобы составить первые таблицы положений Луны и Солнца, необходимые для навигации. Таблицы в 1755 году были представлены Адмиралтейству Англии и получили премию, предложенную за решение задачи по определению долготы в море. Двумя годами позже таблицы Майера были опробованы английским капитаном Джоном Кэмпбеллом в море, на борту «Эссекса»: они позволили определить долготу в море с точностью в полградуса.

ЭЙНШТЕЙН ОСПАРИВАЕТ НЬЮТОНА

Открытие Нептуна стало очередным подтверждением закона гравитации Ньютона. И хотя в Солнечной системе были и другие отклонения, в середине XIX века многие считали, что все их можно объяснить с помощью теории Ньютона.

Самое важное из этих отклонений было связано с перигелием Меркурия – самой ближней к Солнцу точкой на его орбите, которая каждый год немного перемещалась вокруг Солнца, вызывая смещение целой орбиты. Проблема, как объявил Леверье, состояла в том, что это смещение происходило быстрее, чем требует теория гравитации.

И наконец, этот «непорядок» мог бы означать, что хотя теория гравитации Ньютона объясняет устройство Солнечной системы, на самом деле в ней есть ошибки. Пространство Ньютона – это своего рода вместилище планет и звезд, которые двигаются в соответствии с законом гравитации. По Ньютону, пространство абсолютно, и тела, существующие в нем, не могут его изменить, как не могут сделать этого по отношению ко времени, которое также абсолютно и течет везде в одинаковом безвозвратном ритме. Однако окружающая нас Вселенная сложнее, чем представлял Ньютон.

Теория относительности Альберта Эйнштейна (1905) предложила идею неразрывно связанных времени и пространства. Время, масса, скорость относительны, и эти признаки меняются, если мы будем двигаться со скоростями, сравнимыми со скоростью света.

С другой стороны, общая теория относительности (1915) говорит нам, что пространство меняется под воздействием того, что в нем находится, что небесные тела изгибают его в зависимости от своей массы; например Солнце воздействует на пространство сильнее, чем Земля или Луна. Во время своей поездки в Соединенные Штаты в 1921 году сам Эйнштейн так объяснил свою идею толпе журналистов, которые попросили кратко рассказать, что такое общая теория относительности:

«Если вы не примете мой ответ слишком всерьез, а посчитаете его наполовину шуткой, я могу вам сказать, что раньше люди верили в то, что если все материальные тела в один момент исчезнут из Вселенной, время и пространство в ней останутся. Согласно моей теории относительности, напротив, время и пространство исчезнут, как только исчезнут тела».

Общая теория относительности идеально объясняет, что происходит с Меркурием. Если тело в Солнечной системе движется не слишком быстро и на достаточном отдалении от крупной массы, законы Ньютона описывают его движение с великолепной точностью, а если и существует определенная погрешность, то она не фиксируется нашими измерительными приборами. Но Меркурий, приближаясь к своему перигелию, двигается слишком быстро, гораздо быстрее, чем другие планеты, и находится очень близко к Солнцу, поэтому его орбита выявляет ограничения закона тяготения Ньютона. Мы знаем, что Эйнштейн был более озабочен тем, чтобы объяснить явления, а не исправлять недочеты существующих физических теорий, будь то теория гравитации или движения эфира, хотя он и считал, что его идеи могут объяснить то, что идеи Ньютона объяснить не могли.

Эйнштейн испытал огромную радость, поняв, что его теория объясняла изменения орбиты Меркурия: «Я три дня был вне себя от радости». По словам Абрахама Пайса, одного из биографов Эйнштейна, его успех с перигелием Меркурия стал «самым сильным эмоциональным потрясением в научной жизни Эйнштейна, а может, и во всей его жизни. Природа заговорила с ним, и он знал это. „Я чувствовал, как меня переполняет радость". После ученый сказал другу, что его открытие вызвало у него сильную дрожь по всему телу. Или еще более глубокое переживание, которым он поделился с другим своим другом: когда Эйнштейн увидел, что его расчеты совпадают с астрономическими наблюдениями, которые нужно было объяснить, ему показалось, что что-то надорвалось внутри».

Я занят работой над релятивистской теорией гравитации, при помощи которой надеюсь понять вековое необъяснимое изменение в движении перигелия Меркурия.