Читать книгу "Когда у Земли было две Луны. Планеты-каннибалы, ледяные гиганты, грязевые кометы и другие светила ночного неба - Эрик Асфог"

Крупнейшие научные достижения рождаются из внимания к мельчайшим несоответствиям. Кеплера беспокоило, что круговые орбиты не совсем соответствуют результатам наблюдения. К концу XIX в. стало ясно, что у орбиты Меркурия слишком большая прецессия. Эта орбита имеет большой эксцентриситет[68], и точка перигелия (в которой планета ближе всего к Солнцу) каждый меркурианский год немного меняет свое расположение. Орбита прецессирует, и планета вычерчивает сложный узор, словно спирограф[69]. Прецессия по большей части связана с влиянием других планет, но тут что-то не сходилось; должно было иметься еще какое-то значительное возмущение, которое не учитывается законом Ньютона. Может, существует некий материальный «эфир» – вещество, заполняющее все космическое пространство и тормозящее Меркурий? Нет, в таком случае Меркурий упал бы на Солнце по спирали. Может, на орбиту Меркурия влияет еще не открытая планета Вулкан? Нет, Вулкан давно бы обнаружили.

И тут появляется физик Альберт Эйнштейн, чья сформулированная в 1916 г. теория тяготения, известная как общая теория относительности, предсказала прецессию орбиты Меркурия, объяснив наблюдаемое несоответствие. Астрономы обрадовались и перешли к обсуждению следующего несоответствия. Но для физиков мир навсегда изменился, а к Вселенной добавилось еще одно измерение. Общая теория относительности не отменяет закон Ньютона, но дает ему геометрическое обоснование: изменение кривизны пространства-времени. Гравитация – это не сила, а градиент потенциального поля. Для большинства же из нас это различие не существенно: закон всемирного тяготения Ньютона достаточно точен, чтобы описывать и обычное движение планет и спутников, и меня в моем гамаке, и даже ракеты, способные достигать дальнего космоса.

* * *

Люди, столь же одаренные, как Ньютон, встречались в каждом поколении начиная с каменного века. Ископаемые останки показывают, что черепная коробка человека за миллион лет увеличилась в размерах вдвое, но мы, возможно, никогда не узнаем, в чем было дело. Люди использовали этот увеличившийся мозг, чтобы производить каменные орудия со все возрастающим мастерством: они становились более ровными, делались из лучших материалов, получали более выраженные режущие кромки и разные варианты исполнения. Инструменты лучшего качества позволили добывать более калорийную пищу, необходимую для работы такого более энергозатратного мозга. Изготовление любого инструмента – это труднейшая задача, как и каждая охота или каждая миграция на новые территории. Люди выучили свойства горных пород, а также траектории Луны, звезд и того, что мы теперь знаем как планеты.

Просвещение стало периодом общего пробуждения, когда лучшие умы человечества смогли заблистать по-настоящему. Как писал Ньютон в письме к Роберту Гуку, мы «стоим на плечах гигантов». Наука стала возможной благодаря появлению глобально взаимосвязанной культуры, которая позволила ей двигаться вперед, следя за каждым новым и подробным наблюдением близких или далеких явлений – колодца в Асуане, скал в горах Тайханшань, Магеллановых Облаков. Кроме того, ученые эпохи Просвещения рождались в мире, готовом принимать новое, относительно свободном от доктринальных оков[70], организованном вокруг системы проверки, обсуждения и передачи коллективного знания и освоившем методики формального рассуждения (особенно математического), которые позволят им взвесить планеты и измерить заряд электрона.

Гигантский спутник Сатурна Титан открыли в 1655 г., когда Ньютону исполнилось 12 лет. Движение галилеевых спутников Юпитера было описано за полвека до этого, то есть мальчик рос, зная о количественных характеристиках обращения спутников вокруг планет и обращения планет вокруг Солнца. Он заметил, что спутники следуют законам, аналогичным законам Кеплера: чем ближе их орбита к планете, тем короче период обращения, если, конечно, принять во внимание, что Юпитер и Сатурн менее массивны, чем Солнце, и, следовательно, притягивают свои спутники слабее. Материя является причиной гравитации – в этом заключается теория Ньютона. И материя претерпевает ускорение под действием гравитации, отчего спутники обращаются вокруг планет.

Приложив свой закон всемирного тяготения к периодам планет и спутников, Ньютон вычислил относительные массы Юпитера, Сатурна, Земли, Луны и Солнца. Третий закон Кеплера гласит, что период обращения пропорционален радиусу орбиты в степени 3/2 (по более отдаленным орбитам тело движется гораздо дольше), деленному на квадратный корень из общей массы[71]. Измерьте период и расстояние от светила до орбиты, и получите из этого уравнения массу планеты. (Вы можете проверить это по таблице в начале книги.)

Далее из масс планет и спутников, а также из их размеров Ньютон вычислил их плотности, таким образом охарактеризовав материалы, из которого они состоят. Поскольку галилеевы спутники обращаются вокруг Юпитера значительно быстрее, чем Титан вокруг Сатурна, принимая во внимание радиус орбиты, Ньютон смог оценить, что Юпитер в полтора раза плотнее Сатурна и, таким образом, состоит из более тяжелого или более сжатого вещества. Также он взвесил Землю, доказав, что она в 3,5 раза плотнее Юпитера и, по всей видимости, состоит из горных пород и металлов. Далее он попытался определить массу Луны, оценивая силу ее притяжения, выражающуюся в океанских приливах на поверхности Земли, но эти расчеты оказались слишком сложными, чтобы с ними можно было справиться на тот момент. Итак, за несколько вдохновенных лет он доказал, что планеты значительно отличаются одна от другой по составу – загадка, которую мы все еще пытаемся разгадать.

Геофизика, другая половина науки о планетах, отстала от Кеплера и Ньютона на целый век. Долгое время мы больше знали о механизмах работы пустынного космоса и траекториях блуждающих звезд, чем о Земле под нашими ногами. Это произошло потому, что небо видно всегда, тогда как основная часть Земли скрыта от глаз. Самые глубокие океанские впадины составляют только 0,2 % от радиуса планеты – это даже не царапина на кожуре яблока. Мы очень мало знаем о составе и структуре того, что находится внутри.