Карлос Касадо - Вселенная работает как часы. Лаплас. Небесная механика.

• Название: Вселенная работает как часы. Лаплас. Небесная механика.
• Автор: Карлос Касадо
• Издательство: Де Агостини
• Жанр: Физика
• Год: 2015

Пьер-Симон де Лаплас существенно повлиял на развитие науки и техники в течение XIX века. Он спроектировал научные учреждения новой послереволюционной Франции, и именно его подпись стоит под декретом, который сделал обязательным использование десятичной метрической системы. Этот ученый придал физике Ньютона прочный математический каркас и систематизировал разрозненные результаты зарождающейся дисциплины о теории вероятностей. Моделирование самых различных аспектов действительности убедило Лапласа в том, что все в нашей жизни предопределено: спонтанность и свободная воля, — утверждал он, — всего лишь иллюзия.

---

ГЛАВА 4

Происхождение Солнечной системы

«Изложение системы мира» было опубликовано в 1796 году. В этом произведении Лаплас представил широкой публике различные аспекты своего видения величественной картины мира: устойчивая Вселенная, управляемая законом всемирного тяготения Ньютона. Он пытался объяснить появление Солнечной системы, не апеллируя к понятию Бога. Его теория, с тех пор развитая и дополненная, используется и сегодня при объяснении образования звезд.

Часто говорят, что Лаплас начал писать две книги, о которых мы поговорим в этой главе («Изложение системы мира» и «Небесная механика»), во время своего уединения в Мелёне. Но более вероятно, что первый труд ученый написал при подготовке лекций в Нормальной школе. Эта популяризаторская книга была идеальным дополнением к его десяти урокам, учитывая, что у него не было времени изложить вопросы небесной механики, которой он был так увлечен. Опубликованная в 1796 году работа сразу же стала настольной книгой и много раз переиздавалась (четыре раза только при жизни автора: в 1799,1808,1813 и 1824 годах), она была переведена на немецкий язык в 1797 году, на английский — в 1809-м и даже на русский и китайский.

Целью этого труда было представить образованной общественности, но необязательно специалистам, достижения в области небесной механики. Лаплас изложил основные результаты, вообще не используя формул и графиков. Структура работы была подчинена главной идее: исследовать систему мира, то есть известную Вселенную и Солнечную систему, опираясь исключительно на закон всемирного тяготения Ньютона. Название труда сразу же заставляет вспомнить о книге III «Начал» Ньютона, которая носит название «О системе мира». Лапласу удалось совершить синтез и сформировать систему, в которой ни одно событие не было случайным. Его книга стала плодом популяризаторского разума века Просвещения. Она является ключом, отпирающим двери в увлекательный мир астрономии и механики Ньютона, как они выглядели в эпоху Просвещения.

НОВЫЕ И СВЕРХНОВЫЕ ЗВЕЗДЫ, УВИДЕННЫЕ ЛАПЛАСОМ

С давних времен человек наблюдает на небесах звезды, сияние которых ощутимо меняется за короткий период времени. Приведем лишь один пример: в 1054 году китайские астрономы зафиксировали вспышку звезды, которая была видна даже днем в течение нескольких недель. Самой знаменитой новой звездой, или сверхновой, безусловно, является та, которую заметил Тихо Браге в 1572 году. В«Изложении системы мира» Лаплас пишет:

Реконструкция вспышки сверхновой, которую наблюдал Тихо Браге в 1572 году.

«Иногда были видны звезды, появляющиеся почти внезапно и после периода яркого блеска исчезающие. Такой была знаменитая звезда, наблюдавшаяся в 1572 году в созвездии Кассиопеи. За короткое время она достигла яркости, превышающей яркость самых прекрасных звезд и даже Юпитера.

Затем ее свет ослабел, и через 16 месяцев после ее открытия она исчезла, не изменив своего положения на небе».

Представив общий план книги, Лаплас открыл нам фантастические картины. Если в течение прекрасной ночи, когда горизонт открыт, внимательно наблюдать за небесным спектаклем, мы заметим, что в каждое мгновение там происходят изменения. Посреди бесконечного множества сияющих точек, которыми усеян небесный свод и которые сохраняют более или менее постоянное взаимное расположение, можно увидеть несколько звезд, движущихся в поясе небесной сферы, названном зодиакальным. Это планеты (или, с греческого, «движущиеся звезды», «странники»). К планетам, видимым невооруженным глазом (Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн), нужно добавить небесное тело, открытое благодаря телескопу (Уран). В начале XIX века список небесных тел, благодаря мощным линзам, пополнили планетоиды и астероиды.

Лаплас исходил из видимых траекторий планет, чтобы объяснить принципы их движения. Он подчеркивал, что исключительно благодаря теории системы мира человеческий разум смог подняться по крутой лестнице и возвыситься над чувственным обманом, преодолеть путь от геоцентризма к гелиоцентризму. Он напомнил о том, что существуют чрезвычайные небесные явления, такие как появление комет, которые движутся во всех направлениях, не учитывая плоскости эклиптики или направления траекторий планет. Ученый также заявил, что белое свечение Млечного Пути, поясом охватившее небесный свод, — это огромная туманность. Таким образом, Лаплас описал в книге все небесные объекты, от самых маленьких до гигантских.

Изложив закон всемирного тяготения, ученый предупредил читателя: «Мы увидим, что этот великий закон природы представляет все небесные явления вплоть до самых малых подробностей». Он не прибегал к математическим формулировкам и графикам, объясняя, что планеты реагируют не только на постоянное притяжение Солнца, но и на силу притяжения соседних звезд. Эти конкурирующие воздействия вызывают небольшие возмущения в движении небесных тел, однако влияние Солнца доминирует. В этой отлично сыгранной симфонии можно уловить несколько фальшивых нот, но Лаплас взял на себя обязательство доказать (мы это увидели в главе 2), что этот диссонанс не представляет опасности для устойчивости системы мира.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ: ГИПОТЕЗА О ГАЗОВОЙ ТУМАННОСТИ

Первое издание 1796 года Лаплас завершил короткой главой под названием «Размышления о системе мира и о будущих успехах астрономии», в которой сделал предположения о происхождении Солнечной системы. В последующих изданиях он переместил эти предположения в примечания (Примечание VII и последнее), следуя примеру Ньютона, который перенес многие из своих предположений в приложение к «Оптике». В 1813 году, в третьем издании, это примечание превратилось в полноценную теорию о происхождении Солнечной системы, представленную по всем правилам. На нескольких страницах Лаплас отважился обратиться к космологии. В то время чисто рациональные объяснения происхождения мира встречались нечасто, поэтому можно себе представить, какой эффект произвела эта гипотеза, исходившая от величайшего специалиста в небесной механике. В 1796 году Лаплас даже не мог и предположить, насколько знаменитой и успешной станет его простая гипотеза. Его «мировой миф» — употребляя слова Декарта — пошел дальше Ньютона; речь шла о понимании структуры Вселенной исходя из ее происхождения и развития.

Его космогоническая гипотеза известна как гипотеза Канта — Лапласа, и в этот раз Лапласа нельзя обвинить в плагиате. В 1755 году философ Иммануил Кант опубликовал свою работу «Всеобщая естественная история и теория неба», где пытался объяснить происхождение известного мира, постулируя существование первоначальной туманности, — гипотеза, близкая к гипотезе Лапласа. Но эта работа Канта стала известна во Франции лишь в 1801 году, да и распространялась она крайне плохо из-за банкротства издателя. Поэтому нельзя сказать, что французский математик позаимствовал идеи прусского философа.

Весьма вероятно, что Лаплас долго обдумывал натуралистическую гипотезу Жоржа Луи Леклерка, графа де Бюффона (1707-1788), представленную в его «Естественной истории», тома которой публиковались начиная с 1749 года. Этот французский ученый, одним из первых пересмотревший библейскую хронологию, предложил гипотезу, объясняющую современную конфигурацию Солнечной системы: в очень далеком прошлом комета, пролетавшая слишком близко к Солнцу, вырвала из него фрагменты материи, которые начали двигаться вокруг светила и, охлаждаясь, сформировали планеты и их спутники. Лапласу была хорошо известна гипотеза де Бюффона, но он никогда не слышал, чтобы говорили о гипотезе Канта.

Гипотеза Лапласа стремилась объяснить подтвержденный наблюдениями факт, который Ньютон так и не смог обосновать сторонникам Декарта: все планеты и известные спутники вращаются по своим орбитам, которые лежат практически в одной плоскости; также эти орбиты имеют очень небольшой эксцентриситет (планеты практически двигаются по кругу) и этим отличаются от орбит комет (очень вытянутых, иногда ретроградных и с наклонением, которое резко отличается от плоскости движения планет и спутников). Лаплас считал, что этот факт должен иметь четкую причину. Наконец, поскольку все небесные тела, за исключением комет, имеют некоторые общие характеристики, очень вероятно, что их объединяет и общее происхождение. Однако катастрофическая теория де Бюффона, по мнению Лапласа, была неполной. Конечно, она объясняла, почему планеты двигаются в одном направлении и в одной плоскости, но не помогала понять, почему орбиты имеют такой малый эксцентриситет.

Лаплас предположил, что Солнце изначально было намного больше, а его атмосфера распространялась до границ Солнечной системы, образуя своего рода туманность. В этот период Солнце было похоже на туманности, наблюдаемые в телескоп. Остывая, молекулы, расположенные на границах солнечной атмосферы, образовали вокруг звезды круговые пояса, которые, сгущаясь, приняли сферическую форму, чтобы превратиться в известные нам планеты. Таким образом, все планеты и их спутники вращаются в одном направлении (которое было присуще вращению солнечной атмосферы) и расположены в одной плоскости. Сгущаясь, атмосфера ускоряет свое вращение. Таким образом, наиболее удаленные от Солнца планеты вращаются медленнее, чем более близкие. При ускорении вращения увеличивается центробежная сила, которая превышает силу тяготения, удерживающую молекулы на месте (см. рисунок). Согласно этой гипотезе вокруг Солнца вращались многочисленные туманные кольца, из которых и были образованы планеты. Кометы же, напротив, являются небесными телами, не входящими в Солнечную систему.