Глеб Анфилов - Бегство от удивлений

• Название: Бегство от удивлений
• Автор: Глеб Анфилов
• Издательство: "Детская литература"
• Жанр: Физика
• Год: 1974

Книга рассказывает о рождении и развитии механики как науки, искавшей и ищущей ответы на самые простые и глубокие вопросы об устройстве природы.

---

Масса Солнца теперь выясняется автоматически: 2·1027тонн. Обратите внимание, на этот раз нам не понадобилась масса Земли. Достаточно было знать ускорение ее падения на Солнце. Любое тело, находящееся на земной орбите, будет падать к Солнцу с тем же ускорением — 0,6 см/сек2. Так в астрономическом масштабе продолжает действовать постоянство ускорения свободного падения для тел каких угодно масс. Явление, которое мы подметили на сосульках, падающих с карниза!

Ангелы-бездельники

От Солнца переходим к планетам.

Было время, когда неглупые люди всерьез полагали, что планеты все время подталкиваются ангелами, потому-де они и движутся. На каждую по ангелу.

Как следует из ньютоновских законов, ангелы эти — бездельники. Планеты великолепно обходятся без них: по инерции летят прямо, а влекомые солнечным тяготением, падают на светило. В результате сложения этих двух движений планеты сворачивают с прямого пути и движутся по эллипсам — так называют в геометрии фигуры, похожие на овал.

Сумма расстояний точек эллипса от двух точек, лежащих внутри фигуры и называемых фокусами, постоянна (это геометрическое определение).

В одном из фокусов всегда находится Солнце. Это знал еще Кеплер. Если же фокусы совпадают, получается круг. Многие планеты (в их числе наша Земля) движутся по почти точным кругам.

Ньютон разработал тонкий математический метод для вычисления планетных путей и решил с его помощью массу трудных задач.

Удалось найти зависимость периодов обращения двух разных планет (длительность «годов») от близости планет к Солнцу. Кубы наибольших расстояний планет, на которых они оказываются в своем движении вокруг Солнца, пропорциональны квадратам их «лет». И эта особенность, гениально угаданная Кеплером, нашла подтверждение в строго обоснованной теории Ньютона, который, однако, внес уточнение — зависимость от масс планет.

В разных местах эллипса движение неодинаковое: с приближением к Солнцу оно ускоряется, с удалением от Солнца — замедляется. Как меняется скорость, подметил тот же Кеплер (радиус, проведенный от планеты к Солнцу, в равные промежутки времени «выметает» одинаковые площади). А Ньютон дал доказательство.

В конце концов удалось составить подробнейшее «небесное расписание» движения планет. И — ни одного ангела! Или, как заметил один физик, должность ангела занимает само Солнце.

Всеобщее послушание

Расписание исполнялось с отменной точностью. Планеты следовали по орбитам с предсказанной скоростью, их уверенно находили в предсказанных местах неба. В назначенные часы, минуты и секунды происходили восходы, заходы, противостояния, затмения Солнца и Луны. Солнечная система голосовала за механику Ньютона, за всемирное тяготение.

Единственное исключение — одна малая особенность в движении Меркурия, не уложившаяся в предсказания ньютоновской небесной механики. Об этом пойдет речь далеко впереди.

А как обстояло дело за пределами Солнечной системы? Послушны ли Ньютону звезды?

Да, послушны. Этот ответ был получен наукой уже после смерти великого физика, когда развилась звездная астрономия.

Особенно красноречивы многолетние наблюдения так называемых двойных звезд, тех, что находятся по соседству и медленно кружатся одна вокруг другой. Есть убедительный документ, свидетельствующий о том, что этот звездный вальс точно следует ньютоновскому закону — фотографии взаимного расположения звездной пары Сириус А — Сириус В, сделанные на протяжении одного почти полного оборота этой пары — с 1862 до 1904 года. Чертеж орбиты Сириуса В — это типичный эллипс. И звезда путешествует по нему именно так, как назначено ньютоновской небесной механикой: чем дальше от Сириуса А, тем медленнее движется Сириус В. Возле фокуса он за шесть лет успевает пробежать такое же расстояние, какое вдали от фокуса преодолевает за шестнадцать. Это как раз и требует теория тяготения!

Шагнем дальше в ширь Вселенной. Слушаются ли Ньютона целые звездные города?

В нашей Галактике ученые отыскали изумительно красивые звездные рои — шаровые скопления. Чем ближе к центру скопления, тем больше звезд. Но даже в глубоких недрах его, где на фотографии получается сплошной белый фон, звезды настолько далеки друг от друга, что сталкиваться не могут. Они всегда действуют друг на друга только тяготением. Поэтому скопления и круглы — центральные области притягивают периферийные. Та же причина сделала шарами нашу Землю, Солнце и все планеты.

Даже в галактиках — необозримых скопищах звезд и звездных систем — астрономы находят явные следы мощного тяготения. Оно действует даже в фантастически гигантских скоплениях галактик, пронизывает всю Вселенную.

На кончике гусиного пера

Самый яркий эпизод торжества идей Ньютона относится к первой половине прошлого века.

Тогдашние астрономы никак не могли втиснуть в рамки ньютоновской теории движение Урана, недавно открытой и самой дальней из известных в ту пору планет. Уран двигался, в общем, так, как требовало «расписание», но в тонкостях нашлись непонятные отклонения. Планета немножко выходила из назначенного курса, слегка искривляла эллипс своей орбиты. Чтобы объяснить эти особенности, астрономы учли в расчетах не только солнечное притяжение, но и тяготение соседних с Ураном планет-гигантов Юпитера и Сатурна. Тем не менее все странности поведения Урана не удалось объяснить. Значит, Ньютон не прав? Его механика в чем-то грешит?

Положение сложилось драматическое.

И вот двое ученых — англичанин Адаме и француз Леверье — независимо друг от друга сделали предположение, которое витало в воздухе и напрашивалось само собой: а нет ли за Ураном еще одной планеты — очень далекой, слабо светящейся и потому еще не замеченной?

Опять заскрипели перья, выписывающие уравнения небесной механики.

Теперь их спрашивали: где искать неведомую планету, вызвавшую возмущения в движении Урана? Уравнения дали свой математический ответ: в такие-то моменты времени загадочная планета должна находиться в таких-то местах неба.

Леверье и Адаме послали расчеты в несколько обсерваторий. И когда астрономы-наблюдатели направили телескопы так, как посоветовали их корреспонденты- теоретики, планета действительно нашлась. Маленькая, едва заметная. Ей дали имя Нептун. И отпраздновали знаменательную победу теории тяготения. Это было в 1846 году.

Спустя 84 года при таких же примерно обстоятельствах американцу Томбо удалось открыть самую далекую из наших планет — Плутон.

На кончике авторучки

Совсем недавно, в 1964 году, произошло еще одно удивительное событие. Уравнения небесной механики помогли американскому астроному Ван де Кампу понять причину ничтожных колебаний Летящей звезды Барнарда — одной из ближайших к нам звезд, названной так за свое быстрое движение.

Казалось бы, раз где-то в космосе летит звезда, так уж пусть она летит по инерции прямо — как велено первым законом Ньютона. А она «болтается». Правда, чуть-чуть — за год на десять угловых секунд, самое большее. Но и этого достаточно, чтобы взяться за вычисления.

Подробная расшифровка колебаний привела к замечательному и долгожданному успеху: впервые с полной достоверностью было доказано существование планеты, вращающейся вокруг далекой звезды. Эта планета, действуя своим тяготением на звезду, заставляет ее мчаться не по прямому, а по слегка волнистому пути.

Ван де Камп выведал немало подробностей о невидимом спутнике звезды Барнарда. Он весьма массивен — в полтора раза тяжелее нашего Юпитера (а Юпитер в 318 раз тяжелее Земли). Путь спутника — довольно вытянутый эллипс. Самое большое расстояние его от звезды Барнарда — 660 миллионов километров. Год — в 24 раза дольше нашего.

Анкета, как видите, получилась довольно полная.

И все это сказано про небесное тело, которое никто никогда не видел и, быть может, не увидит. Такова проницательность науки. Той самой науки, которая началась с опытов Галилея, бросавшего ядра и пули с Пизанской башни. Ведь спутник звезды Барнарда тоже «падает», и по тем же законам!

Впрочем, тут особенно ясно, что и звезда падает — это ее падение ведь и выдало таинственного спутника, показало, что она не одинока. Так и должно быть: звезда тянет спутник, который, в свою очередь, тянет звезду. Действие равно противодействию.

Не видя Луны

Есть анекдот. На экзамене профессор спрашивает студента:

Вы видели Луну?

Нет! — поспешно отвечает студент, мечтающий избавить себя от новых вопросов.

Но даже если бы хитрый студент и в самом деле ни разу в жизни не поднял глаз на Луну, все равно он мог бы немало узнать о ней. По той же самой причине, по которой Ван де Камп открыл и описал невидимый спутник звезды Барнарда.