Сказка о Джоне Адамсе и Урбене Леверье, поймавших Нептун на математический крючок
Ник. Горькавый.
Молодой студент Кембриджа Джон Адамс очень любил рыться на полках книжных магазинов, где каждый том хранит в себе и тайну, и знание, а книжная обложка — дверь в другой мир: открываешь её и окунаешься в новое захватывающее приключение…
(Научные сказки Ник. Горькавого см. «Наука и жизнь» №№ 11, 2010 г., № 12, 2010 г., № 1, 2011 г., № 2, 2011 г., № 3, 2011 г. и № 4, 2011 г., № 5, 2011 г., № 6, 2011 г., № 9 , 11, 2011 г., № 6, 7, 2012 г.)
Принцесса пришла в комнату, когда дети уже лежали в своих постелях в ожидании очередной истории. Дзинтара уселась в кресло и открыла книгу. Кресло было просторным, и принцесса уютно устроилась в нём с ногами.
— Молодой студент Кембриджа Джон Адамс, — начала она, — очень любил рыться на полках книжных магазинов, где каждый том хранит в себе и тайну, и знание, а книжная обложка — дверь в другой мир: открываешь её и окунаешься в новое захватывающее приключение…
На одной из полок студент наткнулся на брошюру, написанную главным — королевским — астрономом Англии Джорджем Эйри. Адамс пролистал её и узнал об интригующей космической загадке планеты Уран. Её открыл астроном Гершель с помощью своего телескопа. (См. «Наука и жизнь» № 7, 2012 г.) Уран оказался строптивой планетой: она плохо подчинялась ньютоновскому закону гравитации. По сравнению с вычисленным положением, Уран то забегал вперёд, то резко отставал. Мнения учёных разделились. Одни заявили, что Ньютон вывел неточный закон. Другие сочли, что в орбите Урана «неправильно» учтена гравитация Юпитера и Сатурна.
Адамс доверял доказательствам Ньютона и знал, что крупнейшие математики и механики — Эйлер, Даламбер, Лагранж, Лаплас и Гаусс — развили ньютоновскую теорию движения планет до очень высокого уровня, и она прекрасно работала для всех планет, за исключением Урана. Молодой человек снова уткнулся в книгу…
Французский астроном Алексис Бувар, исследовавший странное поведение Урана, выдвинул гипотезу, что на его движение оказывает влияние неизвестная внешняя планета. Но где её искать? Учёные обсуждали возможность теоретического вычисления положения невидимой планеты. Джордж Эйри, который возглавлял Гринвичскую обсерваторию, скептически относился к подобным идеям и рассматривал эту гипотезу как совершенно нереальную. Его мнение охладило многие горячие головы.
Конечно, Адамс купил книгу Эйри. И хотя он был загружен учёбой до предела, часто думал о неведомой планете. Она так захватила воображение молодого человека, что он твёрдо решил сам определить координаты планеты, которая возмущает движение Урана. По мнению Адамса, планета-невидимка должна была располагаться дальше Урана и двигаться по орбите медленнее, чем он. Когда Уран догоняет невидимку, он испытывает сильное притяжение к ней. Для земного наблюдателя в это время Уран движется быстрее обычного. Потом он обгоняет более медленную соседку, и она начинает тянуть его назад. Тут Уран «тормозится», нарушая кеплеровские законы движения космических тел по орбите.
Блестяще окончив летом 1843 года Кембриджский университет, 24-летний Адамс уехал на каникулы к родителям и получил, наконец, возможность приступить к расчётам координат невидимой планеты. К октябрю он уже нашёл первое решение, в котором основные проблемы теории движения Урана объяснялись наличием внешней планеты, располагавшейся в два раза дальше него (это значение орбиты невидимой планеты Адамс выбрал, следуя правилу Тициуса—Боде. См. «Наука и жизнь» № 7, 2012 г.).
Адамс был скромным и робким молодым человеком. Он никому не сообщил о полученных результатах, считая их предварительными, и принялся уточнять данные — в частности, уменьшать радиус орбиты планеты-невидимки, чтобы достичь лучшего совпадения с наблюдениями. Два года Адамс упорно работал и к сентябрю 1845 года получил пятое по счёту, наи-более точное решение для параметров невидимой планеты, включая её небесные координаты. Его-то молодой человек и показал двум знаменитым астрономам — директору Гринвичской обсерватории Джорджу Эйри и директору Кембриджской обсерватории Джеймсу Чэллису (1803—1882).
Ну и какой, по вашему мнению, была реакция пожилых маститых учёных на столь сенсационное сообщение никому не известного выпускника колледжа?
— Пф! — фыркнула Галатея.
Дзинтара кивнула:
— Верно — предельно скептическая. Чэллис позже признался, что постановка вопроса о проведении наблюдений только на основании теоретических выводов представлялась новой и необычной. Короче говоря, директор Кембриджской обсерватории, получив письмо от Адамса, вовсе не бросился к своему прекрасному телескопу с диаметром зеркала в тридцать сантиметров и не навёл его на указанный молодым человеком участок неба. Директор Гринвичской обсерватории поступил точно так же.
Адамс глубоко уважал Эйри и поэтому поехал к нему лично, чтобы рассказать о результатах, но не застал учёного дома и передал через слугу визитку, а также письмо с кратким изложением своей работы. Когда через некоторое время Адамс вернулся к резиденции Эйри, величественный дворецкий не впустил молодого человека в дом, заявив, что королевский астроном обедает и тревожить его нельзя.
Надо ли говорить, что после долгого обеда Эйри, получивший от Адамса письмо с координатами новой планеты, тоже не бросился к телескопу, чтобы проверить идеи какого-то молокососа? Да этот парень мог наделать кучу ошибок в своих вычислениях!
Консерватизм и скептицизм Эйри были просто выдающимися. Он относился к числу тех немногих астрономов, которые всё ещё сомневались в теории Ньютона!
— Почти двести лет прошло после опубликования теории Ньютона, а Эйри сомневался?! — не поверил своим ушам Андрей.
— Не найдя понимания у ведущих астрономов, молодой учёный не стал публиковать своё решение в научном журнале и начал работать над очередным, более точным, уже шестым по счёту расчётом координат планеты-невидимки.
Великие астрономы Эйри и Чэллис и думать забыли о молодом учёном. Но ненадолго — потому что вскоре началось второе действие этой драматичной истории.
В июне 1846 года во Франции вышла подробная статья французского математика, занимавшегося небесной механикой, — Урбена Леверье, который, независимо от Адамса, провёл математические расчёты и тоже определил координаты невидимой планеты, влияющей на движение Урана!
Прочитав статью Леверье, английский королевский астроном Эйри понял, что сел в глубокую лужу. Он тут же встретился с Чэллисом, чей кем-бриджский телескоп был гораздо лучше гринвичского, и предложил ему начать поиски новой планеты; ведь если планету откроют французы, то лужа станет просто громадной!
Чэллису не хотелось начинать новую программу наблюдений. Эйри настаивал и написал ему ещё два письма, предлагая план действий. В конце месяца поиск новой заурановой планеты всё же начался.
План наблюдений, который составили Эйри и Чэллис, ясно показывал: хотя статья Леверье и подтвердила принципиальную правоту молодого Адамса, в его конкретные цифры они верили очень мало, несмотря на то что тот дал наиболее вероятное положение планеты на небе. Вместо того чтобы начать наблюдение вокруг этой точки, Эйри и Чэллис выделили на звёздном небе участок вдоль эклиптики и собрались дважды перебрать тысячи звёзд, чтобы найти планету по её смещению среди неподвижных звёзд.
Джон Адамс, первым рассчитавший траекторию невидимой планеты, оценил также её размер и яркость и отметил, что в отличие от звезды она должна иметь заметный диск. Эйри и Чэллис не поверили и этому. Чэллис не искал объекты с диском, а захватывал при наблюдении гораздо более слабые и точечные звёзды, увеличивая список просматриваемых объектов во много раз.
За два месяца директор Кембридж-ской обсерватории «перебрал» три тысячи звёзд — и все они оказались на месте! Учёный уже готов был заявить, что планеты, предсказанной юнцом, не существует, но в конце сентября он прочитал очередную статью теоретика Леверье. Тот прямо советовал тугодумам-наблюдателям искать новую планету по диску. Ворча, Чэллис начал поиск новым способом — просто высматривая диск среди звёзд. И вскоре — всего лишь после трёх часов наблюдений — заметил объект с небольшим диском и сообщил об увиденном своему ассистенту. Чтобы проверить, планета ли это, нужно было всего лишь надеть на телескоп окуляр с бóльшим разрешением. Но в эту ночь Чэллис не стал монтировать новый окуляр, а в следующую решил вообще не ходить на наблюдения, так как Луна переместилась и стала, по его мнению, засвечивать нужный участок неба. А вдруг планета была ещё видна? Может, стоило проверить? Но Чэллис предпочёл лечь спать.
Утром первого октября он встал, с аппетитом позавтракал, читая свежую лондонскую газету «Таймс». И тут его аппетит напрочь пропал: он увидел сообщение о том, что новую планету уже открыли в Европе! В Европе — но не во Франции. Франция, как оказалось, стóит Англии. Когда француз Леверье опубликовал работу с предсказанием координат новой планеты, сколько французских наблюдателей бросились проверять указанный участок неба?
— Ни одного, — догадалась Галатея.
— Правильно! Справедливости ради нужно сказать, что молодые астрономы Парижской и Вашингтонской обсерваторий рвались к телескопам, но их почтенные руководители, проявив интернациональное единодушие, быстро указали молодым их место — каждый сверчок знай свой шесток.
В отличие от робкого и неопытного Адамса, Леверье был матёр, горяч и нетерпелив. Не найдя отклика у французских наблюдателей, он обратился к зарубежным астрономам, предлагая им заняться поисками новой планеты. Он даже написал письмо с этим предложением королевскому астроному Эйри в Англию.
— Неправильный ход! — заметил Андрей.
— Верно. Ввиду «близкого отъезда в Европу» Эйри отклонил предложение Леверье, который готов был прислать детальные данные для наблюдений. Королевский астроном попросту искал способ отделаться от него. На самом деле, хотя до поездки оставалось всего полтора месяца, он уже начал поиски планеты по данным Адамса, но из патриотических убеждений не хотел принять помощь от француза.
Леверье понял, что со стариками, сидящими во главе обсерваторий, никакой каши не сваришь. И сделал умный ход. Он вспомнил, что в Берлинской обсерватории работает молодой астроном Иоганн Галле, приславший ему год назад свою диссертацию. Леверье написал Галле письмо, где сначала похвалил его труд, а потом изложил главное — просьбу о поиске новой планеты. Леверье привёл в письме её координаты и оценку размера диска.
Иоганн Галле получил письмо днём 23 сентября и тут же загорелся этой идеей.
— Наконец-то! — облегчённо перевёл дух Андрей.
— Если бы Леверье написал директору Берлинской обсерватории — пожилому и заслуженному Иоганну Энке (1791—1865), то из этого снова ничего бы не вышло. Энке был против новых наблюдений вне утверждённого плана.
В ту же ночь Галле сел за 23-сантиметровый телескоп. Ему вызвался помогать молодой студент Генрих д´Арре, который тоже увлёкся поиском новой планеты. Галле стал просматривать звёзды в указанной Леверье области, но диска нигде не обнаружил — увеличивающей силы окуляра телескопа не хватало.
Что было делать? Студенту пришла в голову замечательная мысль — воспользоваться только что напечатанным очень детальным берлинским атласом звёзд. Он предложил сравнить картину неба с каталогом, чтобы проверить, не затесалась ли среди неподвижных звёзд лишняя, подвижная, то есть планета. Сказано — сделано. Галле смотрел в телескоп и называл координаты видимых светил, а д´Арре искал их в каталоге. Уже в полночь Галле назвал координаты довольно яркой звезды, но д´Арре не нашёл её в каталоге!
Эврика!
Всего за несколько часов Галле и д´Арре нашли предсказанную Леверье планету! Её наблюдаемое положение не совпадало с вычисленным всего на один градус! Случилось это 23 сентября 1846 года.
Генрих немедленно побежал будить директора. Неслыханная дерзость! Но даже старые лошадки вскидываются, когда слышат такие новости. Энке поспешил к телескопу, и уже втроём они наблюдали новое светило до утра. Чтобы исключить ошибку, они продолжили наблюдение в следующую ночь. Более сильный окуляр показал, что у планеты есть заметный диск и что сместилась она за ночь как раз на предсказанную Леверье величину. Какое же исключительное наслаждение испытали за эти две ночи наблюдений три астронома, став участниками и свидетелями изменения картины мира!
Утром 25 сентября Галле написал письмо Леверье с победным известием. Почтовые лошади, подгоняемые запылённым курьером, быстро доставили сообщение из Берлина в Париж. Получив его, Леверье, без сомнения, испытал самый звёздный момент жизни.
Узнав об открытии новой планеты, английские и французские наблюдатели сильно расстроились. В обеих странах разразился политический скандал из-за упущенного национального престижа. Чэллис просмотрел свои записи и с ужасом обнаружил, что за два последних месяца он наблюдал новую планету уже трижды, но не понял этого!
— Почему?! — удивилась Галатея.
— Из-за невнимательности. Он не слишком скрупулёзно сравнивал данные наблюдений разных дней. Злые языки говорили, что жена не вовремя позвала астронома к чаю, из-за чего он не смог открыть новую планету. Кстати, если бы Чэллис 30 сентября исследовал замеченный накануне диск (было доказано, что небо это позволяло), то стал бы, по крайней мере, независимым открывателем новой планеты.
Английские газеты яростно напали на королевского астронома Эйри и на директора Кембриджской обсерватории Чэллиса. Журналисты требовали от них ответа, почему не они открыли новую планету, зная её координаты целый год? Французская пресса тоже не церемонилась с наблюдателями из Парижской обсерватории и задавалась тем же вопросом: почему планету француза Леверье открыли в Германии?!
Эйри и Чэллис написали много статей и мемуаров, объясняя, почему они не обращали внимания на работу Адамса. Эйри даже заявил в свою защиту, что открытие новой планеты не входит в обязанности королевского астронома. Впрочем, математик и астроном Эйри за свою долгую жизнь, продолжавшуюся почти всё девятнадцатое столетие, не раз проявлял удивительный консерватизм и терпел неудачи. В 30-х годах он не поверил инженеру Расселу, открывшему солитон. В 40-х — не поверил Адамсу, предсказавшему существование Нептуна. В 70-х, выступая консультантом при строительстве железнодорожного моста, Эйри недооценил уровень ветрового давления. Штормовым вечером 28 декабря 1879 года мост рухнул вместе с проходившим по нему поездом. Все пассажиры — семьдесят пять человек — погибли, а Эйри вызвали в суд для дачи показаний. В 80-х он предложил новую теорию движения Луны, но уже после публикации обнаружил, что в сложные вычисления в самом начале вкралась ошибка, обесценившая всю теорию. Директор Кембриджской обсерватории Чэллис тоже вошёл в историю, в основном, благодаря своим неудачным поискам планеты-невидимки.
Открытие Нептуна — так назвали планету в честь римского бога морей — стало уроком для многих астрономов-консерваторов и триумфом для ньютоновской механики, которая оказалась исключительно точным и полезным инструментом науки. Адамс получил свою порцию славы — его роль в открытии Нептуна отметили, а работу опубликовали. Он провёл свои вычисления орбиты невидимой планеты раньше Леверье, но независимые расчёты француза оказались точнее — именно они привели к открытию. Леверье мгновенно прославился на весь мир.
Ещё одно важное научное достижение французского учёного — теория движения Меркурия. В 1859 году, будучи уже маститым директором Парижской обсерватории, Леверье открыл аномальную прецессию орбиты Меркурия — её кеплеровский эллипс смещается (дрейфует, как по-моряцки говорят небесные механики) чуть быстрее, чем следует из ньютонов-ской теории.
Леверье глубоко верил в эту теорию и предположил, как и в случае с Ураном, что существует невидимая планета Вулкан, движущаяся вокруг Солнца и влияющая на Меркурий. Но здесь Леверье оказался неправ — никакого Вулкана возле Солнца не нашли, просто астроном обнаружил пределы применимости теории Ньютона.
— Ну, прямо наваждение какое-то! — удивился Андрей, которого, в отличие от младшей сестры, так и не удалось усыпить длинной историей.
Дзинтара улыбнулась и негромко сказала:
— Через шестьдесят лет из этой аномальной прецессии Меркурия родилась теория гравитации Эйнштейна, которая сменила теорию гравитации Ньютона на посту управителя небес. Эпоха небесной механики уступила дорогу эпохе небесной физики, а новое время всегда рождает новые сказки.
***
Эклиптика — большой круг небесной сферы, по которому происходит видимое движение Солнце, или круг, образованный сечением небесной сферы плоскостью орбиты Земли.
Аномальная прецессия Меркурия — аномальное смещение эллипса, по которому движется Меркурий. Теория Ньютона предсказывает определённую скорость поворота эллипса вокруг Солнца — из-за воздействия других планет, но в реальности орбита Меркурия смещается быстрее. Аномальная скорость прецессии получила объяснение лишь в теории Эйнштейна, которая установила искривление пространства возле Солнца.
Читайте в любое время
