Разведка далеких планет

Но отвлечемся на минуту от астрономии и посмотрим, как физика могла принять участие в истории поиска Вулкана.

Меркурий и Эйнштейн

В конце XIX в. многие физические теории оказались в состоянии кризиса. Повышение точности лабораторных экспериментов и астрономических наблюдений привело к обнаружению тонких отличий природных явлений от теоретических прогнозов. Как известно, этот кризис в физике закончился лишь после создания в первые десятилетия XX в. трех грандиозных интеллектуальных построений: квантовой механики, т. е. механики микромира, специальной (а точнее, частной) теории относительности, т. е. механики больших скоростей, а также общей теории относительности – новой теории гравитации. На этих «трех китах» стоит современная наука и в значительной мере современная техника. С законами Ньютона и основами теории относительности нас знакомят в школе, но о том, что было в промежутке между триумфами двух физических картин мира: сначала ньютоновской, а затем эйнштейновской, – не знает почти никто.

А между тем высказывались весьма нетривиальные идеи. Пытаясь объяснить все наблюдаемые явления в рамках ньютоновской механики, некоторые ученые полагали, что сила гравитации изменяется не в точности обратно пропорционально квадрату расстояния между телами (1/R ²), а чуть-чуть иначе: например, с показателем степени, равным 2,00000016. Этого «чуть-чуть» хватало, чтобы объяснить странное движение Меркурия. Но эстетическое чувство не позволяло физикам принять закон гравитации в такой форме:

К тому же выяснилось, что при подобном допущении начинаются «неприятности» с остальными планетами.

Другие ученые предполагали, что сила гравитационного притяжения зависит не только от расстояния между телами, но и от их скорости. Третьи рассматривали притяжение как результат колебаний некой упругой среды – эфира. Четвертые – среди них был и русский инженер Ярковский, с которым мы еще встретимся в этой главе, – представляли тяготение как давление потоков эфирных частиц. К началу XX в. было создано несколько весьма элегантных теорий тяготения, так что Альберту Эйнштейну было с кем конкурировать. Например, молодой швейцарский физик Вальтер Ритц, кстати, однокурсник Эйнштейна по цюрихскому Политеху, создал оригинальную теорию гравитации, похожую на электродинамику и дававшую почти те же результаты, что и общая теория относительности. К сожалению, Ритц имел слабое здоровье и умер в 1909 г. в возрасте 31 года. Развития его теория не получила, но только в 1960-е гг. она была сдана в архивы науки как не оправдавшаяся.

В конце 1915 г. Эйнштейн опубликовал свою теорию гравитации, дав на ее основе исчерпывающее объяснение странного движения Меркурия, которое в точности соответствовало наблюдениям. Он предсказал также еще два новых эффекта: во-первых, лучи света должны отклоняться в поле тяготения массивных тел, например Солнца, а во-вторых, линии в спектрах компактных звезд, например белых карликов, должны испытывать красное смещение. Оба прогноза вскоре оправдались. Это убедило многих, что и с особенностями движения Меркурия больше никаких проблем нет: теория относительности всё объяснила без привлечения гипотезы о таинственной планете Вулкан.

Однако скептики всегда были и будут: оппозиция теории Эйнштейна существовала в течение многих лет, да и поныне не исчезла. А в прошлом веке альтернативных теорий было множество, и большинство из них апеллировали к астрономическим фактам. Например, астроном Гроссман в 1921 г. ставил вопрос о строгости работ Ньюкома. Он считал, что действительное смещение перигелия Меркурия заключено в пределах от 29″ до 38″, что слишком мало для теории Эйнштейна. Другие ученые, соглашаясь с результатами Ньюкома, пытались объяснить их вне рамок релятивистской теории. Например, профессор астрономии Колумбийского университета Чарльз Лейн Пур верил в эффективность гипотезы Зелигера: «Эйнштейн и его последователи приводили в доказательство своей гипотезы пример движения планет. Однако факты этого не подтверждают – его гипотезы и формулы не являются ни достаточными, ни необходимыми для объяснения расхождений в этих движениях. Они недостаточны, поскольку объясняют лишь единственное из многих наблюдаемых расхождений – перигелий Меркурия; они не необходимы, ибо все эти расхождения, включая и перигелий Меркурия, можно без труда объяснить влиянием – в соответствии с законом Ньютона – материи, сосредоточенной, как известно, в непосредственной окрестности Солнца и планет» [3].

В своих ранних работах Пур отдавал предпочтение «материальному» объяснению аномалий в движении планет. Затем он пришел к мысли о возможности объяснить каждую из них специально подобранным распределением вещества. В своей книге «Относительность против гравитации» (1922 г.) он даже пытался объяснить отклонение лучей света звезд их преломлением в окружающем Солнце веществе.

До сих пор продолжается придирчивая проверка общей теории относительности Эйнштейна, и гипотезы о Вулкане и прочих «возмутителях» Меркурия пока лежат на полке у теоретиков: кто знает, не понадобятся ли они вновь. Взять хотя бы проблему с формой Солнца… Свои расчеты Эйнштейн проделал, считая Солнце идеальным шаром. Но если полученное Дикке значение сплюснутости Солнца верно, то теория Эйнштейна уже не так хорошо согласуется с наблюдаемым движением Меркурия. Над этой проблемой физики работают до сих пор.

А теперь вернемся к астрономам и их телескопам.

Ищем Вулкан!

Оказывается, мысль о существовании планеты между Солнцем и Меркурием носилась в воздухе еще до того, как Леверье обнаружил необъяснимое смещение перигелия Меркурия.

Первый, кто заявил, что он открыл планету рядом с Солнцем (причем не одну, а сразу несколько!), был немецкий математик и астроном, член ордена иезуитов, профессор Христоф Шейнер (1575–1650), преподававший тогда в Ингольштадте. В 1611 г., независимо от Галилея и Иоганна Фабриция, Шейнер открыл пятна на Солнце, но, в отличие от коллег, вначале считал их небольшими планетами, обращающимися на незначительном удалении от поверхности Солнца. Не совсем понятно, как мог опытный исследователь впасть в такое заблуждение. Позже Шейнер детально проследит за движением пятен, определит по ним период вращения Солнца и наклон его оси к эклиптике; он первым обнаружит солнечные факелы, изготовит телескоп новой системы (по схеме Кеплера), откроет механизм аккомодации глаза (изменение кривизны хрусталика). Но история с его «планетами» внутри орбиты Меркурия для меня остается загадкой. Не исключено, что причиной странного заявления Шейнера стало давление на него со стороны руководства ордена. «Начальство предупредило Шейнера, чтобы он не доверял своим наблюдениям, потому что о них ничего не говорилось у Аристотеля. Таким образом, Шейнеру пришлось опубликовать свою работу анонимно, и для того, чтобы не вступать в конфликт с Аристотелем, он заявил, что пятна – это вращающиеся вокруг Солнца маленькие темные тела», – пишет голландский астроном Антони Паннекук в своей «Истории астрономии» (М.: Наука, 1966, с. 248).

Критикуя публикации Шейнера, Галилей даже написал книгу «История и доказательства существования солнечных пятен» (1613 г.), в которой резко нападал на учение Аристотеля в целом. К несчастью, спор Галилея с Шейнером относительно природы солнечных пятен перешел в личную ссору из-за прав на их открытие – ссору, сделавшую Шейнера злейшим врагом Галилея и, быть может, немало способствовавшую развитию враждебного отношения к нему со стороны иезуитов. Несомненное первенство Галилея в области новых научных идей, неуважение, выраженное им по отношению к установленным традицией авторитетам, и едкие насмешки, которыми он осыпал своих оппонентов, создали ему массу врагов в научных и философских кругах, особенно среди многочисленных приверженцев Аристотеля, хотя, как Галилей им неустанно напоминал, их методы мышления и выводы были бы, вероятно, отвергнуты великим греческим философом, будь он жив [4].