ЗИМНЯЯ СЕССИЯ / ксе / Концепции современного естествознания

Под это определение не подпадал Плутон, поскольку к тому времени уже выяснилось, что в пространстве за орбито˝й Нептуна движется огромное количество небесных тел, большинство из которых, правда, очень маленькие, но некоторые сопоставимы по размерам с Плутоном. Таким образом, нельзя˝ утверждать, что Плутон доминирует на своей орбите. По этой˝ причине его вычеркнули из списка больших планет, количе- ство которых с 1930 года было девять, а теперь, таким образом, стало восемь. Плутон был переведен в разряд так называемых карликовых планет.

Большие планеты сейчас делятся на две подгруппы – планеты земного типа (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун). Они довольно сильно различаются по своему химическому соста˝- ву. Две самые большие планеты – Юпитер и Сатурн – состоят почти исключительно из водорода и гелия, т. е. самых легких химических элементов. Атмосфера Урана и Нептуна состоит преимущественно из метана и аммиака, под атмосфе-˝ рой – жидкий океан из тех же самых веществ, еще ниже – ледяная метановая и аммиачная мантия, внутри которой зак-˝ лючено каменное ядро. Все планеты-гиганты лишены твердой поверхности – атмосферные газы у них под давлением посте-˝ пенно переходят в жидкость, а та – в твердое тело. В составе˝ планет земной группы преобладают тяжелые химические элементы.

Планеты очень различаются также по количеству естественных спутников. У Меркурия и Венеры их или нет, или они пока не обнаружены; у Земли – один, у Марса – два; у Юпитера и Сатурна – примерно по шестьдесят у каждого; у Урана – около тридцати, у Нептуна – дюжина (все данные 2012 года). У Плутона спутник не намного меньше самого Плутона, так что астрономы предпочитают называть их союз двойной планетой. У больших планет, кроме того, имеются кольца, но только то, которое окружает Сатурн, легко заметн˝о даже в сравнительно маломощные телескопы.

Солнце, Меркурий, Венера и Плутон очень медленно вращаются вокруг своей оси (соответственно 25, 6, 243 и 58 земных суток). У остальных планет осевое вращение гораздо более быстрое и не превышает 25 земных часов.

До Ньютона в общем и целом считалось, что надлунная область мироздания – область правильных, строго математи- ческих движений – либо круговых (так думали со времен древних эллинов до Коперника включительно), либо эллипти˝-

71

ческих (Кеплер). Ньютон же объявил главной силой, скрепляющей мироздание, тяготение: все тела взаимно притягива-˝ ются. А если при этом они еще и вращаются, то вращаются не вокруг тела с наибольшей массой, а вокруг общей точки тяжести (центра масс). Расчет движения двух точечных масс сделал сам Ньютон. А вот задача с тремя телами (не говоря уже о большем их количестве) оказалась настолько сложной˝, что и по сей день не решена точно, или, как это называют, не решена аналитически. Приближенные же решения соответствующих дифференциальных уравнений используются с середины XIX века. Урбен Леверье тогда впервые построил систему расчета движения внутренних планет – Меркурия, Венеры, Земли и Марса, основываясь исключительно на гипотезе всемирного тяготения Ньютона. Затем в конце столе-˝ тия ее уточнил Саймон Ньюком (США, 1835–1909), и его выкладками пользовались вплоть до времен, когда в безвоздушное пространство были запущены первые искусственные спутники. Систему расчета движений внешних планет (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон) на период 1653–2060 гг. разработали в середине ХХ века Дж. Эккерт, Д. Брауэр и Дж. Клеменс (США).

С 1961 года расстояние до планет начали измерять путем их облучения с Земли. Излучение, отразившись от небесного˝ тела, возвращалось обратно и улавливалось чувствительны˝ми приборами. Зная скорость его распространения, можно было найти пройденное им расстояние. Тогда обнаружилось, что разница между расчетными данными, полученными на основе ньютоновской физики, и измерениями составляет часто сотн˝и, в отдельных случаях даже тысячи километров. По этой при- чине от ньютоновской теории тяготения отказались в польз˝у эйнштейновской, и начали создавать так называемую единую˝ релятивистскую теорию движения планет. Ее сложность пора˝- жает воображение. Так, для того, чтобы учесть движение и взаимное влияние восьми планет и Луны, нужно решить систему дифференциальных уравнений 54-го порядка! Приближенные методы решения позволяют предсказывать положения планет в пространстве на 20–30 лет вперед с точностью до нескольких метров. И от измеренных значений расчет˝- ные будут отличаться всего на несколько километров. Выяс-˝ нилось также, что на основе ньютоновской физики предсказания на сроки до 20 лет сильно проигрывают в точности краткосрочным, причем все выглядит так, словно планеты движутся медленнее, чем должны. Они как бы опаздывают. В

72

настоящее время это достаточно успешно объясняют искрив˝- лением пространства и времени в поле тяготения Солнца.

До сих пор не ясно, есть ли живые существа на других планетах и их естественных спутниках, ведь многие из них окружены воздушной оболочкой, покрыты океанами и достаточно прогреты. Но здесь, конечно, нужно учитывать всякие тонкости. Например, воздушная оболочка Венеры, состоящая почти исключительно из углекислоты, создает давление на ее поверхности в сто раз превышающее давление на уровне моря˝ на Земле; а температура там доходит до 500 градусов Цельсия. В таких условиях даже приборы, сделанные из металлов и особых сплавов, работают недолго. Следовательно, вероят˝- ность встретить на Венере что-нибудь родственное земным животным невелика. У больших планет, как уже сообщалось, вообще нет твердой поверхности в привычном нам виде: там воздушная оболочка плавно переходит в жидкое ядро. Поэто-˝ му предполагается, что и животные там могут быть только летающие и плавающие (что, впрочем, почти одно и то же). Нельзя также исключать возможность жизни на Солнце.

Так или иначе, пока никаких следов жизни, похожей на земную, нигде не найдено.

Малые планеты (астероиды). В 1766 году Иоганн Тициус

(Германия, 1729–1796) нашел закономерность расстояний планет от Солнца. В простейшем виде она звучит так: размеры орбит соседних планет имеют соотношение 1,75 ± 0,20. Это означает, что орбита Венеры примерно в 1,75 раза больше орбиты Меркурия, орбита Земли примерно во столько же раз больше орбиты Венеры и т. д. В более точном виде закономерность выглядит следующим образом: величина большой полуоси орбиты, выраженная в астрономических единицах (т. е. расстояниях от Земли до Солнца), составляет

ri = 0,4 + 0,3×2n

При этом для Меркурия n = –¥; для Венеры n = 0; для Земли n = 1;

для Марса n = 2; для Юпитера n = 4; для Сатурна n = 5.

Когда Вильям Гершель открыл Уран, правило получило дополнительное подтверждение: оказалось, что орбита ново˝й

73

планеты соответствует n = 6. Но оставалось загадкой, почему для n = 3 нет никакого небесного тела. Напрашивалось предположение: между Марсом и Юпитером планета все-таки существует, только до сих пор не обнаружена. И в 1796 году на одном совещании астрономов было решено начать ее поиски.

В 1801 году Джузеппе Пиацци (Италия, 1746–1826) слу- чайно заметил в созвездии Тельца новую звездочку, быстро перемещавшуюся, наподобие планеты или кометы. Потом он потерял ее из виду и несколько дней не находил, поскольку по имевшимся точкам наблюдения не мог восстановить полную картину движения. Эту задачу вскоре решил Карл Гаусс.

Расчет орбиты данного небесного тела показал, что оно движется именно там, где по предсказаниям Тициуса должна была быть планета. Затем примерно в том же поясе (расстояние «Земля – Солнце», умноженное на 2,8) стали обнаруживаться новые светила – в 1802, 1804, 1807 годах. Первые четыре получили названия Церера, Паллада, Юнона и Веста. К 1890 году подобных звезд насчитывалось уже свыше трехсот, к лету 2011 году их было открыто 280 тысяч. И есть оценки, что их общее количество – примерно 1,5–2 миллиона.

Довольно быстро выяснилось, что все эти тела небольшие – не превышают тысячи километров в диаметре. Поэтому их часто называют малыми планеты. Вильям Гершель, впро- чем, дал им более запоминающееся наименование – астероиды, что в переводе с греческого означает «звездоподобные»˝.

Уже в 1804 году Генрих Ольберс (Германия, 1758–1840) выдвинул гипотезу, согласно которой астероиды – обломки большой планеты, которая взорвалась в незапамятные време˝- на. В середине ХХ века русский астроном Сергей Орлов назвал эту гипотетичекую планету «Фаэтон».

Гипотеза, надо заметить, до сих пор пользуется немалым успехом, хотя оснований для веры в существование подобной˝ планеты, как считают астрономы, немного. В 70–80-е годы ХХ века А. Чибисов (Россия), опираясь на имеющиеся знания небесной механики, попытался проследить движение астеро˝и- дов в прошлое, чтобы либо найти точку, в которой взорвался пресловутый Фаэтон, либо показать, что такой точки не было˝. Его вывод гласил: в настоящее время определить область, гд˝е Фаэтон рассыпался на куски, невозможно; нельзя, следовательно, и рассчитать его орбиту, когда он предположительн˝о был единым целым. Затем Г. Султанов (Россия) попробовал решить сходную задачу: как должны были распределиться в

74

пространстве осколки разорвавшейся планеты, если допустить, что такого рода событие действительно имело место? И снова полученные данные говорили против гипотезы Ольбер˝- са. Оставалась правда возможность того, что за миллиарды лет соседние большие планеты так перепутали астероидные˝ орбиты, что восстановить исходное положение теперь уже нельзя.

Â70-å годы ХХ века обнаружилась еще одна любопытная подробность: малые планеты обладают разной отражающей способностью, причем чем ближе они к Солнцу, тем светлее, чем дальше – тем темнее. Как взрыв предполагаемого Фаэтона смог таким образом упорядочить их, не слишком понятно для большинства астрономов. Кроме того, ни Ольберс, ни его последователи не объяснили причину взрыва. Сам Ольберс вообще ничего не сказал по этому поводу.

Указанные недостатки привели к тому, что в среде физиков и астрономов данная гипотеза перестала рассматриват˝ься как хорошая. Для объяснения существования малых планет теперь обычно используется гипотеза, которую еще в середи˝не

ÕÕвека предложил Отто Шмидт (Россия, 1891–1956). В ее рамках предполагается, что Фаэтона никогда не было, а его образованию помешал Юпитер. Когда наша планетная система только зарождалась, зародыш Юпитера был, естественно, самым большим (не считая Солнца), и с некоторых пор он начал своим тяготением раскачивать и разбрасывать окруж˝а- ющие зародыши. Приобретая большие скорости, они уже не могли объединяться – дробление стало преобладать над сли˝- янием. Поэтому Фаэтон не смог образоваться; и поэтому, возможно, Марс оказался очень маленькой планетой. Какаято часть вещества вообще была выброшена за пределы нашей планетной системы – может быть, до нескольких сот масс Земли.

Âсередине ХХ века появились предположения, согласно которым в нашей планетной системе есть еще один пояс астероидов – на самых окраинах, где-то за орбитой Нептуна. Впервые эту гипотезу начали разрабатывать ирландский ас˝т- роном Кеннет Эджворт и нидерландский Джерард Койпер. Эджворт исходил из того, что вещество на окраинах зародышевого облака, из которого образовались Солнце и планеты,˝ было слишком рассеянным и не смогло слипнуться в большие тела. Койпер же считал, что второй пояс астероидов существовал на ранних стадиях развития нашей системы и что сейчас его нет. В 1992–1993 годах американский астроном

75

Давид Джуитт и его помощница Джейн Лу (американка вьетнамского происхождения) открыли первые два небесных тела˝, относящиеся к новой подсистеме. Через двадцать лет их было известно уже около тысячи. Пояс предположительно простирается от орбиты Нептуна до расстояний 50–60 астрономи- ческих единиц и значительно превосходит по общей массе тот, что расположен между Марсом и Юпитером. В честь исследователей, которые впервые заговорили о возможност˝и его существования, он обычно называется либо «пояс Эджворта – Койпера», либо «пояс Койпера».

Карликовые планеты. После изменения представлений о том, что должно называться большой планетой, Плутон стал рассматриваться как небесное тело, принадлежащее к недав˝но открытой группе транснептуновых астероидов. Но оказалос˝ь, что среди последних есть немало планет, по размерам вполн˝е сопоставимых с Плутоном. Вместе с ним их выделили в особый разряд – карликовые планеты. Вот наиболее значительные из них (в скобках указан год открытия) – Квавар (2002), Эрида (2003), Седна (2003), Орк (2004), Макемаке (2005), Хаумеа (2005), Объект 2007 OR10 (2007). Все они находятся от Солнца на расстояниях от 30 до 100 астрономических единиц и обращаются вокруг него за 250–550 лет; обычно имеют сильно вытянутые орбиты и диаметр от 800 до 2400 тысяч километров. При этом Эрида, возможно, даже чуть больше Плутона.

Кометы. Кометы, по сути, тоже являются ничем иным как малыми планетами. Они были известны с незапамятных времен, но почти до конца XVI века в Европе обычно считалось, что это какие-то воздушные явления, т. е. нечто из подлунной˝ области мироздания, поскольку в надлунной области, как почти все были уверены, качественные изменения не происходят, а значит, там не может возникнуть ничего нового и ничто старое тоже не может перестать существовать. Кометы˝ же на небе то появлялись, то исчезали… Затем сопоставлени˝е положений комет, видимых из разных точек на поверхности Земли, показало, что они все же дальше Луны.

Как уже говорилось, Эдмунд Галлей (Британия, 1656– 1742), сравнивая показатели движения самых разных комет, обнаружил, что хвостатые светила 1531, 1607 и 1682 года имеют почти одну и ту же орбиту, а следовательно, представляют собой, скорее всего, не три разных, а одно и то же небесное тело, которое периодически возвращается к Солнц˝у. Тогда следующее возвращение должно было состояться в

76

1758 году. Предсказание Галлея подтвердилось, и, таким образом, сомнения в том, что кометы суть тела, тоже вращающиеся вокруг Солнца, отпали.

Однако по сравнению с большими планетами у них есть

èсвои особенности. Орбиты комет чрезвычайно сильно вытя-˝ нуты, а их плоскости расположены под самыми разными углами к плоскости эклиптики.

Âнаши дни было установлено, что голова кометы представляет собой сравнительно небольшую по планетным меркам (всего несколько километров) глыбу льда (замершие углекислота, вода, метан, аммиак) с вкраплениями твердых частиц. По мере приближения к Солнцу лед растапливается

èиспаряется, испарения не могут удержаться слабым тяготе˝- нием кометного ядра и рассеиваются в пространстве. Их мы

èнаблюдаем в виде хвоста. Длина его иногда достигает 2– 3 сотен миллионов километров!

Âсередине ХХ века нидерландский астроном Ян Оорт выдвинул предположение, которое гласило, что на расстояни˝и примерно в 50 тысяч астрономических единиц находится большое скопление кометных ядер – в количестве около 100 миллиардов. Потом к этому добавили, что где-то там же есть еще одна планета (ей дали имя Немезида), которая периодически входит в это скопление и лишает его устойчиво-˝ сти. Своим тяготением она разбрасывает кометные ядра во все стороны, и какая-то часть их, естественно, летит в напра˝в- лении Солнца. В такие эпохи на большие планеты обрушивается настоящий кометный дождь, способный до неузнаваемости изменить их прежний облик, например, уничтожить всех живых существ на Земле.

По современным данным внешняя граница пояса Койпера удалена от Солнца примерно на 10 миллиардов километров, а внутренняя граница облака Оорта (так назвали скопление˝ кометных ядер) начинается на расстоянии примерно в 100 миллиардов километров. В 2010 году были сообщения о том, что первые признаки существования Немезиды обнаружены. Предположительно это планета или тлеющая звезда, в несколько раз превосходящая по массе Юпитер.

Солнце. Анаксагор из Клазомен еще в V веке до н. э. высказал мысль, что Солнце – это кусок железа, который вследствие быстрого движения в воздухе раскалился от трения и светит. Но точка зрения Анаксагора не получила большого распространения. С IV века до н. э. по XVII век господствовало защищаемое еще Аристотелем мнение, что небесные˝

77

светила, в том числе Солнце, суть эфирные сгустки. Эфир по природе светлый, поэтому Солнце и звезды испускают сияние. В XVIII веке, после возникновения нового понимания сущности горения, появилась мысль, что Солнце светит за счет того, что на его поверхности бушуют непрерывные пожары. Это означало, что там есть горючие вещества и газы, поддерживающие горение. Однако в середине XIX века шотландский физик Джон Вотерстон подсчитал, что для обеспе- чения такой светимости любое топливо на звезде выгорит за˝ несколько тысяч лет. Тогда он присоединился к мнению Юлиуса фон Майера, предположившего в 1848 году, что Солнце разогревается от непрерывного падения метеорито˝в на его поверхность.

Â1854 году Герман фон Гельмгольц выдвинул догадку, что причина солнечного излучения – непрерывное сжатие наше˝го дневного светила. Действительно, когда тела сжимаются, они обычно разогреваются. Расчеты, проделанные Вильямом Томсоном, говорили о том, что время жизни Солнца в таком случае должно быть довольно коротким – не более 40 миллионов лет. Правда, самого Томсона эта величина не смущала˝,

èон защищал точку зрения фон Гельмгольца до конца XIX века.

После открытия радиоактивности физики начали искать источник солнечного излучения в ядерных превращениях. Радиоактивный распад тяжелых элементов здесь явно не годился, поскольку по спектру Солнца установили, что оно состоит в основном из водорода с небольшой примесью гелия˝, углерода и кислорода. Прочих веществ в нем было совсем мало. И в 1915 году американский химик Вильям Харкинс (1873–1951) впервые предположил, что в недрах светила идет не распад, а соединение: четыре ядра атома водорода сливаются в одно ядро гелия, масса которого чуть меньше совокуп˝-

ной массы водородных ядер. Эта небольшая разница и переходит в излучение в соответствии с формулой E0 = mc2.

Â1920 году Харкинс и Резерфорд почти одновременно предсказали существование некой незаряженной частицы, благодаря которой протоны в атомных ядрах не разлетаются˝ в разные стороны под действие отталкивания. Частицу назва˝- ли «нейтрон» (Джеймс Чедвик открыл ее в 1932 году).

Затем в 20-е годы Артур Эддингтон (Британия, 1882– 1944) показал, в чем причина относительной устойчивости звезд и Солнца. Звезды – это газовые шары со сравнительно низкой средней плотностью. Сжатию газа препятствует его

78

высокое давление, которое в свою очередь есть следствие т˝ого, что газ чрезвычайно раскален.

Â1939 году немецкие физики Ганс Б¸те (1906–2005) и Карл фон Вайцзеккер (1912–2007) показали, как именно четыре водородных ядра могут сливаться в ядро гелия, что обеспечивает наблюдаемое мощное излучение Солнца и звезд.

Происходит это, например, так: сначала два протона соединя˝- ются в ядро крайне неустойчивого гелия, потом один из протонов может превратиться в нейтрон, и неустойчивый гелий станет устойчивым дейтерием; к нему может присоединиться еще один протон – возникает гелий-3; два гелия-3 могут слиться в бериллий-6 (четыре протона и два нейтрона), который, освободившись от двух протонов, превращается в устой˝- чивый гелий-4. Эта гипотеза требовала проверки. Нужно было каким-то образом пронаблюдать если и не само превращение,˝ то хотя бы его следы. Помощь пришла со стороны неизвестной прежде частицы – нейтрино. Когда протон распадается на нейтрон и позитрон, а нейтрон – на протон и электрон, энергия конечных частиц всегда меньше энергии исходной. Отсюда в 1930 году Вольфганг Паули предположил, что в этих реакциях есть еще одно «действующее лицо». Оно-то и уносит остаток энергии. Энрико Ферми дал частице имя, а обнаружили ее впервые в 1955 году. Американский физик Джон Баколл рассчитал, какое количество нейтрино должно испускаться Солнцем. Теперь оставалось только их поймать˝. Но нейтрино чрезвычайно слабо взаимодействуют с обычным˝ веществом и к тому же самопроизвольно переходят из одного˝ вида в другой. Все это задержало подтверждение на много лет. Оно было получено только в 2001 году в нейтринной обсерватории в Садбери (Канада), где частицы задерживала вода, обогащенная дейтерием.

Гипотезы о происхождении. В XVIII веке сразу три исследователя предложили объяснение происхождению нашей планетной системы. Это были Эммануил Сведенборг (Швеция, 1688–1772), Иммануил Кант (Германия, 1724–1804) и наконец Пьер Симон Лаплас (Франция, 1749–1827). Их гипотезы ознаменовали возврат к мнению Анаксагора из Клазомен.

Â1755 году Кант, опираясь на соображения Сведенборга, предположил, что первоначально неупорядоченную неподви˝ж- ную смесь веществ создал бог. Видов вещества бесконечно много, и все они наделены способностью притяжения и оттал˝- кивания. Природа отталкивания подобна природе испарения˝, которое есть, по сути, разлет частиц.

79

Одно мгновение исходная смесь пребывала в неподвижности и беспорядке. Затем под действием сил началось движение. Плотные и тяжелые частицы стянули на себя легкие, – так появились сгустки вещества – зародыши больших небесных тел. Вращательное движение возникло из взаимодействи˝я притяжения и отталкивания, так как последнее отклоняет ча˝- стицы от строго линейного падения на большие тела. Вихри

âоблаках вещества приводят к его расслоению: тяжелые плотные частицы собираются в середине, легкие и разреженные вытесняются на окраины. Поэтому так называемые внутренние планеты (которые ближе к Солнцу) гораздо плотнее внешних. В конечном счете, все вещество осело на зародышах планет и Солнца. Кант разделял мнение своего века о природе солнечного света, полагая, что он вызвано горением в воздушной оболочке Солнца соответствующих веществ.

Все околосолнечные планеты, по Канту, населены разумными существами. Степень их разумности возрастает с удаленностью планеты от Солнца. Ведь, как уже говорилось, плотные и тяжелые частицы сосредоточены благодаря вихрю˝

âсередине нашего малого мира, а легкие и разряженные рассеяны по его краям. Но тяжелое малоподвижно, поэтому все взаимодействия на внутренних планетах идут медленне˝е. Поэтому существа на внешних планетах развиваются быстре˝е.

Кант догадывался, что за Сатурном находится еще одна планета, причем с сильно вытянутой орбитой. Это как будто следовало из того, что данный показатель меньше у внутрен˝- них планет и больше у внешних. А исключение составляют только Меркурий и Марс. Но когда новой планетой признали открытое Гершелем тело (Уран), оказалось, что оно не под- чиняется этой закономерности. Таким образом, можно счи- тать, что предсказание Канта не сбылось…

Â1796 году Лаплас высказал почти такую же точку зрения на происхождение Солнца и околосолнечных тел. Однако, понимая, насколько сложно объяснить переход от беспорядо˝ч- ного движения к упорядоченному вращению (объяснение Канта по этому вопросу маловразумительно), он с самого начала считал облако, из которого образовалась наша плане˝т- ная система, вращающимся. Кроме того, он полагал, что бог для мироздания совсем не требуется, что все происходит само собой по законам движения и соударения частиц, так что если бы мы знали в мельчайших подробностях состояние мира в некоторое мгновение, то могли бы просчитать все его˝ состояния в прошлом и будущем.

80