Помоги проекту - поделись книгой:
Помимо этого он открыл, что Юпитер не идеально круглый, а шире на экваторе.
Гюйгенс также первым создал действующие часы с маятником, использовав открытый Галилеем принцип маятника. Благодаря этому астрономы смогли проводить свои наблюдения, зная их точное время. Значит, два астронома, находящиеся в разных местах, могли знать, когда они проводили свои наблюдения одновременно. Это оказалось чрезвычайно полезно для развития науки. Для астронома хорошие часы важны почти в той же степени, как и хороший телескоп.
Учеником Гюйгенса стал датчанин Оле Рёмер. Он показал, как телескоп можно устанавливать на земле при помощи колеса, которое позволяло его поворачивать. Используя маятниковые часы Гюйгенса для точного определения времени, телескоп можно было направлять в таком направлении, что нужные спутники или планеты оказывались в поле зрения автоматически. Огромные воздушные телескопы моментально вышли из моды. Рёмер измерил движение спутников Юпитера и разработал формулы, по которым можно было предсказать, когда они пройдут позади Юпитера. Естественно, каждый из четырех спутников двигался по-своему.
Однако, определив эти перемещения, Рёмер обнаружил, что, когда Земля находится с Юпитером по одну сторону от Солнца, каждый спутник уходил за Юпитер чуть раньше, чем следовало. А когда Земля и Юпитер оказывались по разные стороны от Солнца, спутники уходили за Юпитер чуть позже. В обоих случаях «ошибка» для всех спутников была одинаковой, и Рёмеру не удавалось создать такие способы расчета, которые бы эту погрешность устранили.
В 1675 г. Рёмер решил, что эти погрешности должны были обусловливаться тем, что для движения света необходимо время. Когда Земля и Юпитер находились но разные стороны от Солнца, свету требовалось дополнительное время (оно оказалось равным 16 минутам) для того, чтобы пересечь орбиту Земли. Спутники не заходили слишком рано или слишком поздно. Дело было только в том, что свет, который сообщал об этом, долетал до глаз астронома чуть раньше или чуть позже.
Используя диаметр орбиты Земли и отрезок времени, на который задерживалось затмение спутников Юпитера, Рёмер смог объявить полученную им величину скорости света. Он получил число, которое очень близко к тому, которым принято пользоваться сейчас. В то время определение этого числа могло показаться не слишком важным, однако скорость света оказалась ключом к современной физике. Следовательно, Рёмеру удалось добиться большего, чем он рассчитывал.
Сейчас самое точное современное значение составляет примерно 300 000 километров в секунду. Это огромная скорость. Свет от Земли достигнет до Луны за 1 1/4 секунды, а до Солнца — за 8 минут. Однако до ближайшей звезды свет будет идти уже больше 4 лет.
Еще одним астрономом, изучавшим Юпитер с помощью телескопа, был итальянец Джованни Доменико Кассини. Его работы принесли ему известность, и Людовик XIV, король Франции, пригласил его в Париж. В Италии Кассини определил время оборота Марса и Юпитера вокруг своей оси и обнаружил тени, которые отбрасывали на Юпитер его спутники; во Франции он сосредоточил свое внимание на Сатурне.
В 1675 г. — в тот год, когда Рёмер определил скорость света, — Кассини заметил, что кольца Сатурна двойные. Там оказалась темная линия, которая разделяла их на широкую внутреннюю часть и более узкую наружную. Ее до сих пор называют делением Кассини. До этого, в 1671-м и 1672 гг., Кассини открыл два спутника Сатурна и позднее, в 1684-м, еще два.
Он попытался назвать их Людовиками в честь Людовика XIV, точно так же, как Галилей пытался с помощью своих спутников оказать честь Медичи. И эта попытка польстить правителю не удалась. Открытые Кассини спутники сейчас известны как Тефия, Диона, Рея и Япет. Все это — имена титанов, которых греческие мифы связывали с Сатурном (Кроном). Ни один из этих четырех спутников не достигает величины Титана или Галилеевых лун Юпитера. Самый крупный из них имеет диаметр чуть больше 1800 километров. Однако они все равно остаются довольно крупными объектами по сравнению с теми, которые были открыты позднее.
Кассини также занимался определением параллакса Марса и в результате этого получил более точные расстояния до этой планеты и других тел Солнечной системы.
Как бы то ни было, все это было теми деталями, которые должны были увеличить сокровищницу человеческих знаний в результате использования телескопа. Однако теперь к ней добавилось нечто совершенно новое и удивительное: это сделал гений человека, который родился в Рождество того же года, в котором умер Галилео Галилей. Человеком этим был Исаак Ньютон.
Глава 6
ЧТО УДЕРЖИВАЕТ МИРЫ НА МЕСТЕ
ПОЧЕМУ ЛУНА НЕ ПАДАЕТ?
Дело было в 1666 г., когда Исааку Ньютону было двадцать три года. Он учился в Кембридже, но в районе Лондона началась ужасная чума, так что Ньютон жил в доме матери, в сельской местности. Сидя на крыльце и задумчиво глядя в сад, он увидел, как с ветки дерева сорвалось яблоко и полетело на землю.
В этом не было ничего странного. Всем было известно, что предметы падают на землю. Аристотель даже утверждал, что это свойственно земным вещам: они стараются оказаться как можно ближе к центру Земли.
Но тогда взгляд Ньютона скользнул к небесам, где сиял бледный полумесяц, почти терявшийся в свете солнца. Почему же Луна не падает?
Аристотель ответил бы на это утверждением, что Луна не земная, поэтому исходно не имеет тенденции падать. Или же он мог бы сказать (и Птолемей или даже Коперник с ним согласились бы), что Луна закреплена на небесной сфере и не может упасть, даже если бы у нее была такая тенденция.
Однако прошло уже больше пятидесяти лет с тех пор, как Кеплер доказал, что никаких небесных сфер не существует. Тогда что же удерживает Луну наверху? Ньютон не первым задумался над этим. Галилей и Кеплер оба размышляли над тем, какие силы могут удерживать планеты на их орбитах. Ведь планеты вращались вокруг Солнца, а второй закон Кеплера показывал, что планета двигается тем быстрее, чем ближе она к Солнцу. Действительно, казалось, что планеты должна удерживать какая-то сила, принадлежащая самому Солнцу, которая становится тем сильнее, чем ближе они подходят к нему.
Кеплер считал, что в Солнце сконцентрировала какая-то магнетическая сила, которая и удерживает планеты на их орбитах. Поскольку эта сила иногда является притяжением, а иногда — отталкиванием, то орбита искажается до эллипса за счет толчков в противоположные стороны. Это объяснение было не слишком убедительным, но, по крайней мере, Кеплер был на нужном пути. И вот теперь Ньютон попытался создать такую систему, которая была бы совершенно убедительной.
Если человек быстро вращает ведро с водой у себя над головой, вращение создает силу, которая давит на воду в направлении, противоположном центру вращения. Вода прижимается к дну ведра и не выливается даже в тот момент, когда ведро переворачивается вверх дном, оказываясь у вас над головой. Сила, действующая от центра, называется центробежной.
Вращаясь вокруг Земли, Луна создает центробежную силу, которая отталкивает ее от Земли. Эта сила будет противодействовать силе притяжения Земли (той самой, которая действовала на яблоко). Совместно эти силы могут уравновешиваться, и Луна останется на своей орбите навечно.
Во-первых, какова сила притяжения Земли на расстоянии до Луны? (Поскольку именно сила земного притяжения дает предметам вес, то ее называют гравитацией, от латинского слова «вес».)
Ньютон мог получить размер силы притяжения на поверхности Земли, зная скорость, с которой предметы — такие, как яблоки, — надают на землю. Эта сила может исходить из центра Земли, поскольку, похоже, именно туда и направляется яблоко. (Если вы выкопаете яму, то яблоко упадет на ее дно и будет падать настолько глубоко, насколько вы пожелаете углубиться.)
Но что, если вы поднимете яблоко высоко в воздух, так что оно окажется намного дальше от центра Земли, чем когда находилось у ее поверхности? Если сила притяжения будет по-прежнему действовать на яблоко, то, видимо, потому, что эта сила распространяется наружу от центра Земли, как надуваемый воздушный шарик.
Но поверхность увеличивающегося, воздушного шарика увеличивается по мере того, как шар становится больше. Более того, поверхность увеличивается как квадрат диаметра. Если диаметр шара удвоен, то площадь увеличится в 2 х 2, или в 4 раза. Если бы диаметр увеличился в 5 раз, то площадь увеличилась бы в 5 х 5, или в 25 раз.
Если бы сила тяжести распространялась над поверхностью Земли, как воздушный шар, то она распространялась бы на поверхность, которая возрастала бы как квадрат расстояния от центра Земли. При этом сила бы рассредоточивалась и становилась все более слабой.
На поверхности Земли предмет находился на определенном расстоянии от центра и сила тяжести имела определенную величину. Если бы этот предмет был поднят в космос до тех пор, пока он не окажется вдвое дальше от центра Земли, чем когда он находился на поверхности, то сила тяжести распределится по 2 х 2 раза большей поверхности и станет в 2 х 2, или в 4 раза слабее. Или, если вы предпочитаете, она будет в 1/4 Раза сильнее, чем на поверхности. Если бы предмет был поднят на расстояние, в 10 раз превышающее расстояние от центра Земли до ее поверхности, то сила тяжести уменьшилась бы до 1/100 первоначальной силы.
Для расстояний до центра Земли и от центра Земли до Луны Ньютон использовал самые точные цифры, которые были на тот момент доступны. И теперь он смог рассчитать, какой будет сила земного притяжения вблизи Луны.
Затем он вычислил, насколько быстро Луна должна была бы двигаться на орбите, чтобы уравновесить силу притяжения Земли. Однако его цифры показали, что Луне пришлось бы двигаться быстрее, чем она двигалась на самом деле.
В чем была ошибка? Ньютон усомнился в том, что он был прав, предположив, что Земля притягивает предметы только к своему центру. В конце концов, различные части Земли могли притягивать Луну в чуть разных направлениях. Ньютон не знал, как именно можно было бы учесть такую возможность, и потому отказался от этой мысли.
НОВЫЙ ТЕЛЕСКОП
Однако слава Ньютона быстро росла. Его первое важное открытие в области физики было сделано тогда, когда он позволил лучу солнечного света попасть в затемненное помещение, пройти сквозь треугольный кусок стекла, называемый призмой, и упасть на белый экран. Когда это было сделано, то оказалось, что при прохождении через призму траектория луча искривилась, и на экране появилась не белая точка. Вместо этого там возникла линия с привычной радугой: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Поскольку цвета как призраки появлялись из света, казавшегося бесцветным, то радужную линию назвали «спектр» от латинского слова, означающего «призрак».
Если один из этих цветов пропускался через еще одну призму, то луч снова отклонялся от прямой линии, но дальнейшего расщепления цветов не происходило. А гели всей радуге позволено было попасть ил перевернутую призму, которая снова искривляла свет, соединяя его, то снова образовывалась белая точка. Таким образом, Ньютон первым показал, что белый свет можно разложить на много цветов, которые затем снова можно составить в белый свет.
Ньютон использовал свои открытия в области света для усовершенствования телескопа. Тип телескопа, изобретенный Галилеем, позволял свету проходить через линзу, которая загибала его к точке, называемой фокусом. Чем больше света можно было собрать и загнуть к фокусу, тем большее увеличение давал телескоп. Количество собранного света зависело от ширины линзы. Чем шире была линза, тем толще ее приходилось делать. Однако когда свет проходил сквозь все более толстое стекло, некоторая часть драгоценного света поглощалась стеклом, а это приводило к ухудшению изображения.
Было и более серьезное возражение. Свет, проходивший сквозь линзу, изгибался, искривлялся или, если использовать правильный термин, преломлялся. Телескопы такого типа назывались рефракторными (от латинского слова, означающего «поворачивать назад»). Свет, проходивший через такие линзы, как и свет, проходивший через призму Ньютона, отчасти разбивался на отдельные цвета. В результате этого небесные тела, видимые в телескоп, были окружены узкими ореолами цвета, и это тоже мешало их видеть.
Это появление цвета называлось «хроматической аберрацией» (эти латинские слова можно перевести как «цвета разбредаются»). Астрономам, работавшим после Галилея, приходилось создавать очень длинные и неуклюжие телескопы, пытаясь получить большое увеличение с как можно меньшей хроматической аберрацией.
Теория Ньютона относительно преломления света оказалась ошибочной (даже гении не безупречны), так что он считал невозможным создание таких линз, которые не давали бы хроматической аберрации. Поэтому он решил создать телескоп, в котором вместо изогнутых линз использовались бы изогнутые зеркала. Такие телескопы, собиравшие и фокусировавшие свет за счет отражения, а не преломления, назывались телескопами-рефлекторами.
Рефлекторы давали несколько преимуществ по сравнению с рефракторами. Во- первых, тщательно полировать нужно было только отражающую поверхность зеркала, а в линзе тщательной полировке подвергались обе ее поверхности. Это давало возможность создавать зеркала, которые были больше линз. Во-вторых, свет не проходил сквозь стекло зеркала, а отражался от слоя металла на его поверхности, так что свет не терялся за счет поглощения, как в рефракторах. В-третьих, в телескопах-рефлекторах не было хроматической аберрации. В-четвертых, они могли быть более короткими и менее неуклюжими, чем рефракторные телескопы с тем же увеличением.
Ньютон придумал и создал первый телескоп-рефлектор в 1668 г. Он был чуть больше фута в длину, но давал увеличение в 35 раз, став предшественником большинства крупных телескопов современности, включая огромный 200-дюймовый (5 метров) телескоп-рефлектор в обсерватории Маунт-Паломар в Калифорнии.
Все это настолько прославило молодого Ньютона, что в 1670 г. он стал профессором математики в Кембридже и читал лекции по поведению света.
В 1758 г., через тридцать один год после смерти Ньютона, английский оптик Джон Цоллонд доказал полную ошибочность его теоретических доводов, доказывавших, что в линзах невозможно избежать хроматической аберрации. Он создал линзы с использованием двух различных видов стекла двух разных форм. Каждый вид стекла по-своему разбивал белый свет на цвета радуги. Два эффекта нейтрализовали друг друга, гак что при их соединении хроматическая аберрация отсутствовала.
Такие линзы называются ахроматическими (от греческого слова, обозначающего «бесцветный»). Теперь такие линзы стало возможно использовать для создания крупных рефракторов. Самый крупный телескоп-рефрактор наших дней с линзой в 102 сантиметра стоит в Йерксской обсерватории в Висконсине.
Тем не менее, хотя теория Ньютона оказалась ошибочной, мы можем этому только радоваться, поскольку эта ошибка привела его к столь полезному открытию.
Радуге Ньютона суждено было оказать еще одно очень важное воздействие на астрономию. В 1814 г. немецкий оптик Йозеф фон Фраунгофер сообщил, что при определенном положении призмы солнечный спектр пересекают многочисленные темные линии (видимо, Ньютон их просто не заметил). В честь того, кто их открыл, эти линии называют Фраунгоферовыми линиями.
Позднее астрономы и физики, изучавшие эти линии, обнаружили, что каждую образовывает один определенный элемент, и никакой другой, хотя один элемент мог образовывать много различных линий. Элемент — это ; один из сотни с небольшим основных типов материи, из которых состоит вся Вселенная. Прибор, называемый спектроскопом («наблюдателем за спектрами»), был создан для определения точного положения этих линий.
Поскольку эти линии были, так сказать, следами элементов, спектроскопы можно было использовать для анализа минералов. Их можно было использовать (и использовали) для обнаружения ряда новых элементов, которых прежде не знали.
И что важнее всего, спектроскоп стал одним из наиболее важных инструментов астронома. С его помощью стало возможно определить, какие именно элементы присутствуют в Солнце и в далеких звездах, узнать, является ли звезда по-настоящему двойной, приближается ли она к нам или удаляется от нас, какие магнитные процессы идут на ее поверхности.
Однако эта книга посвящена главным образом Солнечной системе, а не звездам, так что я больше не стану говорить о спектроскопе. Тем не менее интересно, сколь многое произошло из радуги Ньютона!
Если бы даже Ньютон больше ничего не сделал, он был бы находкой для астрономии, а ведь ему принадлежит еще очень много открытий!
ПОЧЕМУ ЛУНА НЕ ПАДАЕТ
Например, еще до того, как были сделаны открытия относительно света, Ньютон проявил себя блестящим математиком. В 1665 г. он разработал то, что называется теорией биномов, которая помогает изучать свойства определенных алгебраических выражений.
Еще более важным было создание нового раздела математики, который он начал создавать начиная с 1666 г. и который назвал «флюксиями»; он сейчас носит название дифференциального и интегрального исчисления. С его помощью стало возможно анализировать величины, которые постоянно менялись. Дифференциальное и интегральное исчисление стало гораздо более мощным инструментом анализа движения небесных тел, нежели греческая геометрия. Современные физики и астрономы были бы без него беспомощны.
Сам Ньютон стал использовать свое исчисление для того, чтобы решить ту задачу, которая один раз уже поставила его в тупик, — что и привело его к самому важному открытию. Это произошло так.
Ньютон был членом лондонского Королевского общества по развитию научных знаний, которое обычно называют просто Королевским обществом. Оно было официально учреждено в 1660 г. хартией Карла II (отсюда и название), хотя в течение многих лет и до того шли неформальные собрания.
Еще одним членом этого общества был Роберт Гук, склочный человек, который постоянно заявлял, что придумал нечто раньше, чем это сделал кто-то еще. Он не был полным мошенником, а был по-настоящему талантлив и иногда действительно придумывал что-то первым. ,
Ньютон хоть и не был таким громким, но тоже был неуживчив. И кроме того, его раздражала манера Гука вечно всех критиковать, так что они с Гуком постоянно ругались.
В 1684 г. Гук вместе с другими членами общества заявил, что сумел понять природу сил, управляющих движением небесных тел. Его подробно расспросили, но ответы не удовлетворили остальных. А в то время была обещана премия тому, кто сможет решить эту задачу.
Среди членов общества, выслушавших Гука, был Эдмунд Галлей, преданный друг и почитатель Ньютона. Он бросился к Ньютону с этой новостью. Галлей спросил Ньютона, как, по его мнению, двигались бы планеты, если бы между телами существовали силы притяжения, которые уменьшались бы как квадрат расстояния.
Ньютон тут же ответил:
— По эллиптическим орбитам.
— Но откуда ты это знаешь?
— Так я это вычислил.
И Ньютон рассказал своему другу историю об озарении, которое пришло к нему восемнадцатью годами раньше, и о том, как его теория почти подтвердилась — но не совсем.
Галлей чрезвычайно взволновался и попросил Ньютона сделать еще одну попытку. Ньютон это сделал. Возможно, им двигало желание разозлить Гука. Если это так, то склочность Гука оказала миру огромную услугу.
Теперь в пользу Ньютона работало два фактора, которых не было в 1666 г. Сейчас у него появилось исчисление. С его помощью Ньютон доказал, что при определенных условиях (которым удовлетворяли небесные тела) сила притяжения от различных участков небесного тела соединялась таким образом, что эта сила действовала так, словно была сконцентрирована в центре этого тела. Тем самым была устранена одна из основных неопределенностей, смущавших Ньютона.
Во-вторых, с 1666 г. были проведены новые и более точные вычисления размера Земли. Для расчетов Ньютону необходимо было знать расстояние от поверхности Земли до ее центра, и в 1666 г. он воспользовался неправильным его значением. Теперь же у него было гораздо более точное число.
На этот раз теория Ньютона полностью соответствовала фактам. В последний момент, когда уже казалось, что все может получиться, ему пришлось прерваться и дать себе время успокоиться — иначе он не смел продолжать.
Но все сошлось. Земля держала Луну с помощью той же самой силы, которая заставляла яблоко падать на землю. Более того — как только это удалось установить, легко можно было показать, что сила Солнца удерживает на орбитах планеты.
Однако это касалось не только планет. За сорок лет до этого, в 1643 г., французский астроном Жиль Персонье Роберваль предположил, что каждое тело во Вселенной притягивает все остальные. Однако он не выдвигал предположений относительно того, насколько большой может оказаться такая сила или как она может изменяться. Теперь Ньютон смог это сделать.
Он пришел к выводу, что каждое тело во Вселенной притягивает все остальные тела с силой, которая усиливается в соответствии с количеством материи, содержащимся в одном из тел, помноженном на количество материи в другом. А еще она уменьшалась пропорционально квадрату расстояния между этими телами. Поскольку Ньютон утверждал, что это применимо к каждому телу во Вселенной, то это правило сейчас называют законом всемирного тяготения.
В 1687 г. Ньютон изложил свою теорию в гениальной книге, называемой «Philosophiae Naturalis Principia Mathematical («Математические начала натуральной философии», причем «натуральная философия» — это старый термин для обозначения того, что мы называем естественными науками). Кратко эта книга называется «Начала».
В этой книге Ньютон также сформулировал три закона движения. Они таковы:
1. Тело, находящееся в покое или в движении, будет оставаться в покое или двигаться с постоянной скоростью по прямой линии, если на него не будет действовать какая-то внешняя сила.
2. Изменение движения тела в результате воздействия какой-либо силы увеличивается с увеличением величины силы и уменьшается с увеличением массы тела.
3. Каждому действию соответствует равное и противоположно направленное противодействие.
И СТАЛ СВЕТ
А теперь посмотрим, что это означало для астрономии. Математика гравитации дала единое объяснение всем фактам, которые были открыты касательно движения небесных тел.
Например, поскольку Солнце во много раз больше, чем все остальные тела Солнечной системы, оно имеет самую большую силу притяжения. Вот почему тела вращаются вокруг него, а не вокруг Земли. Луна меньше Земли (ее масса составляет всего 1/80 массы Земли) и находится близко от нее, так что сила притяжения Земли в ее районе была сильной, поэтому Луна вращается вокруг нас.
Математику гравитации можно было использовать для того, чтобы показать, что планеты могут двигаться вокруг Солнца только по определенным кривым, называемым коническими сечениями, причем Солнце будет находиться в одном из фокусов. На самом деле Ньютон показал, что все три закона Кеплера совершенно логично выводятся в том случае, если принята математика гравитации.
Удалось объяснить даже некоторые мелочи, которые прежде были непонятными. Земная ось медленно смещалась по кругу, причем один оборот занимал 26 000 лет. Ньютон показал, что это было вызвано действием притяжения Луны ка экваториальные области Земли (которые выступают примерно на 45 километров в связи с центробежной силой, порожденной вращением Земли вокруг своей оси). Кроме того, морские приливы вызывались силой притяжения Луны.
Ньютоновские законы движения также были полезны. Его первый закон позволял объяснить, что именно заставляет планеты находиться в движении. На Земле мы привыкли к тому, что любой движущийся предмет замедляется и останавливается, если какая-то сила не заставляет его продолжить движение. Естественно, людям казалось, что это относится и к небесным телам. До Ньютона часто считалось, что боги или ангелы отвечают за планеты и заставляют их двигаться.
Ньютон указал на то, что на Земле движущиеся предметы останавливаются из-за сопротивления воздуха или трения. В космосе нет сопротивления воздуха и трения. Ньютон утверждал, что, следовательно, небесные тела продолжают двигаться не потому, что их заставляют двигаться какие-то силы, а потому что нет сил, которые бы их остановили.
Однако у Ньютона были другие проблемы. Когда были написаны «Начала», Гук поднял страшный крик, заявляя, что он первым придумал понятие гравитации. Королевское общество, которое намеревалось издать эту книгу, имело мало денег и не спешило ввязываться в спор Гука и Ньютона.
К счастью, друг Ньютона Галлей был человеком зажиточным и опубликовал книгу за свой счет. Однако в 1692 г., после особенно тяжелой схватки с Гуком, у Ньютона произошел нервный срыв, и ему пришлось провести два года в уединении.
До конца он так и не оправился, однако уже сыграл свою роль. Закон всемирного тяготения объяснил строение Солнечной системы так доступно, что по сравнению с ней все теории и воззрения древних греков на Вселенную стали казаться нелепо сложными приспособлениями.
Теории Ньютона не встретили таких трудностей, как теории Коперника. Ньютона признали сразу же.
По правде говоря, современники очень бурно восхищались Ньютоном. В 1703 г. его избрали президентом Королевского общества и переизбирали каждый год до самой смерти в 1727 г. Исаака Ньютона похоронили в Вестминстерском аббатстве рядом с героями Англии. В то время в Англии находился французский писатель Вольтер, который пришел в восхищение от того, что эта страна хоронит своих математиков с торжественностью, которую другие страны оставляют только для королей.
Однако последним словом о Ньютоне стало стихотворение, написанное Александром Попом в качестве эпитафии. В нем есть знаменитое двустишие, которое звучит так:
Поделиться книгой: