Музыка сфер. Астрономия и математика
Шрифт:
С возникновением астрономической фотографии ситуация изменилась, в 1900 году было известно уже 436 астероидов, и Церера лишилась статуса планеты. Сегодня мы знаем, что пояс астероидов, расположенный между орбитами Марса и Юпитера, содержит примерно 400 тысяч астероидов общей массой 4 % от массы Луны. Это не остатки какой-то планеты, разрушенной катаклизмом, как считалось ранее, а фрагменты недосформированного небесного тела.
В 1846 году был открыт Нептун, который находился на расстоянии 30 а.е. от Солнца, в то время как по правилу Тициуса-Боде расстояние должно было составлять 38,8 а.е. Таким образом, спустя более ста лет это правило стало считаться не более чем математической диковинкой, хотя именно оно было одним из главных стимулов развития астрономии с конца XVIII
Нептун: планета, открытая на бумаге
Гершель сконструировал лучший телескоп своего времени и принялся наблюдать за небосводом с таким упорством, что открытие Урана было лишь вопросом времени. Произошло это в 1781 году. Открытие Нептуна, в отличие от Урана, стало результатом не наблюдений, а математических расчётов.
Крупнейший телескоп Уильяма Гершеля имел апертуру в 1,2 м. Его постройка длилась около 2 лет и завершилась в 1789 году.
После открытия Гершеля орбита Урана была подробно изучена. Появились таблицы, указывающие, где должна была находиться эта планета в определённые дни. Однако со временем астрономы заметили, что Уран отклоняется от вычисленной орбиты. Интерес научного сообщества к этой загадке был столь велик, что в 1842 году Гёттингенская академия наук учредила премию тому, кто решит её.
История открытия Нептуна напоминает телесериал. Два математика, авторитетный француз Урбен Жан Жозеф Леверье и молодой, никому в то время не известный англичанин Джон Куч Адамс, проанализировали небольшие отклонения Урана от расчётной орбиты и совершенно независимо друг от друга выдвинули одну и ту же гипотезу: отклонение Урана было следствием притяжения неизвестной планеты, расположенной ещё дальше от Солнца. И Леверье, и Адамс указали примерно одно и то же место, где эта планета может находиться.
Литография Урбена Жана Жозефа Леверье (слева) и портрет юного Джона Куча Адамса.
Сегодня обоим учёным приписывают открытие последней планеты Солнечной системы.
В октябре 1843 года Адамс нашёл математическое решение задачи и попросил королевского астронома Джорджа Бидделя Эйри предоставить ему самые подробные данные о движении Урана, чтобы произвести расчёты максимально точно.
В сентябре 1843 года Адамс отправил Эйри результаты своих расчётов, однако тот ими не заинтересовался и предложил Адамсу обратиться к Джеймсу Чэллису, главе Кембриджской обсерватории, чтобы тот сам обнаружил новую планету.
В конце концов Чэллис начал поиски и действительно увидел Нептун, однако не зафиксировал на нём внимание, потому что прежде всего наблюдал за изменением траектории Урана.
В сентябре 1846 года свои расчёты закончил и Леверье. Он обратился к астроному Иоганну Готтфриду Галле из Берлинской обсерватории, в распоряжении которого находились лучшие телескопы того времени. Леверье попросил Галле провести наблюдения за участком неба, в котором предположительно находится новая планета. Галле немедленно принялся за работу, и спустя пять дней, 23 сентября, планета была обнаружена совсем рядом с расчётной точкой.
К ещё большему разочарованию Адамса, в следующем, 1847 году, Леверье получил премию Британского королевского астрономического общества за проведение расчётов, которые привели к открытию Нептуна. К счастью, в следующем году справедливость восторжествовала, и аналогичная премия была присуждена Адамсу.
Сегодня честь открытия в равной степени принадлежит обоим учёным. Позднее
Можно утверждать, что Нептун был открыт благодаря математике. Сделанные на бумаге расчёты указали, куда следует направить телескоп, и наблюдения подтвердили правильность этих расчётов. Открытие стало настоящим триумфом, однако повторить его ещё раз математикам не удалось.
Глава 2. А где находимся мы?
Кажется, что с начала времён человек в некотором роде чувствовал себя центром Вселенной. С развитием современной астрономии мы смогли увидеть огромную часть космоса и почувствовали, что наша планета — лишь крохотная частица, одна из планет, вращающихся вокруг небольшой звезды на окраине галактики. Одной из многих миллиардов галактик.
Геоцентризм и гелиоцентризм: преодоление конфликта
В попытках познать космос люди начали создавать различные модели Вселенной.
В примитивных космологиях древнейших цивилизаций Земля считается центром всего мира. Эта концепция соответствует нашей интуиции и в то же время достаточно проста. Можно сказать, что она вполне разумна, однако с её помощью не стоит и пытаться объяснить движение звёзд.
Согласно Платону, Земля представляла собой сферу, расположенную в центре Вселенной. Звёзды и планеты вращались вокруг Земли по окружностям в следующем порядке (от внутренних к внешним): Луна, Солнце, Венера, Меркурий, Марс, Юпитер, Сатурн и звёзды. Аристотель описал более сложную систему: сферическая Земля располагалась в центре Вселенной, а все небесные тела были закреплены на 56 концентрических сферах вокруг неё, при этом каждой планете соответствовало несколько сфер.
Учитывая, что в то время были невозможны точные астрономические наблюдения, неудивительно, что все предпочли геоцентрическую модель. В результате вращения Земли нам кажется, что небесная сфера и звёзды на ней движутся. Формы созвездий, названия которых мы позаимствовали у древних греков, в течение года не менялись. Из-за больших расстояний до звёзд параллакс был совершенно не заметен.
Главная проблема возникает при объяснении движения планет. Их считали блуждающими звёздами, которые перемещались по небосводу, порой описывая траектории в форме петель, двигаясь вперёд и назад относительно других звёзд. Концентрические модели того времени не позволяли объяснить и другие наблюдаемые явления, например изменение яркости небесных тел. Многие народы считали подобные небесные тела воплощениями божеств.
На этих наложенных друг на друга фотографиях, где изображён Марс на фоне звёздного неба, чётко видно его ретроградное, или возвратное движение.
Система Птолемея и эпициклы
Во II веке н. э. Клавдий Птолемей представил космологическую модель, которую использовали астрономы исламского и христианского мира на протяжении следующей тысячи лет. В своём шедевре «Альмагест» Птолемей свёл воедино труды древнегреческих астрономов прошлого и предложил своё объяснение странному движению планет. Движение каждой планеты описывалось взаимодействием различных сфер. Первая из них называлась деферентом. На ней не было никаких небесных тел, а центр деферента обычно совпадал с Землёй. Другая сфера, по которой двигалась планета, называлась эпициклом. Её центр находился в произвольной точке деферента. В результате совокупного движения обеих сфер планета удалялась от Земли и приближалась к ней, скорость её движения уменьшалась, после чего планета двигалась в обратном направлении — происходило так называемое ретроградное движение планет.