До сих пор не удалось создать гипотезу, которая дала бы приемлемое объяснение образования спутников Солнца — планет, но зато существует вполне приемлемая гипотеза происхождения нашего спутника — Луны. В связи с этим мы имеем ясное представление об истории системы Земля и Луна. Эта гипотеза была построена знаменитым астрономом Джоржем Дарвином (1845—1912), сыном великого Чарльза Дарвина; она основана на изучении явлений приливов.

Приливы в морях и земной коре

Во всех морях, кроме внутренних, ежедневно два раза наступает прилив и столько же раз отлив, т. е. море то «вздувается», то вновь «спадает», оттягивая от берега свои воды. Время, в течение которого происходит это двойное поднятие и опускание морской поверхности, составляет в среднем 24 ч. 50 м., — как раз то время, в течение которого Луна совершает свой суточный полный круг на небе. Это ясно подчеркивает зависимость явлений приливов и отливов от движения нашего спутника. Действительно, Ньютон показал, что приливы н отливы объясняются влиянием притяжения Луны.

Высота прилива (т. е. различие уровня моря при наиболее высоком и следующем за ним наиболее низком состоянии) не остается постоянно одинаковой для одного и того же места. Она также меняется в зависимости от положения Луны относительно Солнца: во время полнолуния высота прилива становится во всяком месте наибольшей. Наконец, время наступления прилива также с ясностью подтверждает, что это явление зависит, главным образом, от Луны: прилив достигает своей наибольшей величины спустя некоторое время после прохождения Луны через высшую точку неба.

Явления приливов и отливов представляют одно из проявлений «всемирного тяготения». По закону всемирного тяготения, притяжение между двумя телами находится в зависимости от расстояния. Все тела, находящиеся на той половине земной поверхности, которая обращена к Луне, притягиваются этой последней сильнее, чем тела, находящиеся на противоположной стороне земной поверхности. На твердые тела Луна действует с той же силой, как и на жидкие, но только на жидких ее приливное действие становится для нас более заметным. Луна, следовательно, сильнее притягивает к себе воды океанов и морей на обращенном к ней полушарии, чем всю Землю в целом, и поэтому «оттягивает» с этой стороны воду от Земли, образуя приливную волну, приливный горб. Появившемуся на одной стороне Земли водяному горбу соответствует образование такого же водяного горба на противоположной стороне Земли. Притяжение тем сильнее, чем тело ближе, так что всю Землю наш спутник притягивает сильнее, чем воду, находящуюся в самой далекой ее точке: в результате вода в этом полушарии в своем «падении» к Луне отстает от твердого тела Земли, отдаляется от нeгo, т. е. поднимается выпуклостью, как будто Луна ее отталкивает, а не притягивает. Иначе говоря, Луна «оттягивает- Землю от воды» на противоположной стороне совершенно так, как она «притягивает воду от Земли» на стороне, расположенной непосредственно под нею.

Благодаря этому океан принимает в разрезе форму эллипса, длинная ось которого расположена но линии соединения центров Земли и Луны. Значит, в каждый данный момент прилив бывает на обеих противоположных сторонах Земли, а в середине, т. е. на границе двух полушарий (одно направлено к Луне, другое от Луны) — отлив.

На рис. 2 приливы в океане для наглядности сильно преувеличены. В действительности высота приливного горба в океане в среднем всего около 75 см. Тот, зачастую очень большой, морской прилив, который наблюдается у берега, значительно усложнен и усилен чисто береговыми, местными явлениями. Поэтому высота его весьма различна в различных местах, даже расположенных совсем близко.

В связи с этим очень важно отметить следующее: знаменитому физику Майкельсону удалось, наблюдая колебания воды в узких длинных трубах, непосредственно измерить силу приливного действия с большой точностью. Сравнивая величину силы с высотой поднятия уровня воды, Майкельсон показал, что эта высота на 30% меньше той, на которую способна поднять воду приливная сила. Куда же деваются эти 30 %?

Оказывается, они уходят на приливы в земной коре. Подымая горбы на поверхности воды, приливные силы вместе с тем немного деформируют и земную кору. В тех местах, где приливы подняли уровень воды, они поднимают и земную кору. Таким образом, то поднятие уровня воды, которое мы наблюдаем, на самом деле является только разностью между поднятием уровней воды и суши. За последние годы, особенно благодаря работам советского ученого, проф. А. Я. Орлова, приливное поднятие земной коры было непосредственно измерено в местностях, весьма далеко лежащих от океанов. Эти измерения вполне подтвердили выводы Майкельсона. Суша поднимается вследствие приливов на 20-25 см.

Сказанное имеет большое значение для понимания приливного действия. Оно показывает, что приливное действие вовсе не требует присутствия воды на Земле: приливы продолжались бы и в том случае, если бы вода почему-либо исчезла с лица Земли.

Солнце также вызывает приливы и отливы, но вследствие необычайно большого расстояния Солнца от Земли его действие, несмотря даже на его громадную массу, невелико по сравнению с действием Луны. В общем явлении прилива на долю Луны приходится 2/3, а на долю Солнца лишь 1/3. Мы говорим "в общем явлении", ибо солнечный прилив отдельно не наблюдается, т. е. он только влияет на величину лунных приливов, как бы налагается на них. При этом во время новолуния и полнолуния наблюдается наибольший прилив, ибо действия Луны и Солнца складываются, а во время первой и последней четверти, напротив, прилив выходит наименьшим, так как из действия Луны вычитается действие Солнца. Заметим, что из сравнения величины лунных и солнечных приливов можно довольно просто вычислить массу нашего спутника.

Приливное трение

Громадная масса воды, приведенная в движение, главным образом, притяжением Луны, постоянно, хотя и незаметно, трется о дно океана (т. е. движение «приливной волны» всегда сопровождается приливным трением). Это трение вызвано тем, что оба «выступа» приливной волны все время стремятся остаться на линии, соединяющей центры Луны и Земли; а так как Земля вращается быстрее, чем движется по своей орбите Луна (сутки короче месяца), то эти горбы передвигаются по поверхности океана в направлении, противоположном направлению вращения Земли. Таким образом, сила приливного трения оказывается постоянно направленной навстречу, суточному движению нашей планеты, в результате чего приливная волна действует на вращение Земли как тормоз. Значит «приливное трение» в высшей степени медленно, но непрестанно оказывает задерживающее влияние на вращение земного шара, т. е. увеличивает продолжительность суток. Согласно законам механики, неизбежным следствием является то, что Луна постепенно, хотя и крайне медленно, отдаляется, как бы отталкивается от Земли, т. е. увеличиваются размеры лунной орбиты.

В механике говорят о "количестве движения", кото рое представляет величину, равную произведению массы тела на его скорость, причем установлен принцип "сохранения количества движения системы". Этот принцип приводит к необходимому заключению, что если вращение Земли постепенно замедляется, то количество движения Луны по орбите должно все время увеличиваться, ибо только в этом случае общее количество вращения системы Земля - Луна не изменится. Но для увеличения количества орбитального движения Луны необходимо, чтобы радиус лунной орбиты все время рос, т. е. чтобы неуклонно увеличивалось расстояние Луны от Земли, а вместе с этим (согласно третьему закону Кеплера) удлинялось бы и время обращения Луны вокруг Земли, а значит, замедлялось ее орбитальное движение. Вообще не следует забывать, что «противодействие» всегда равно и противоположно «действию», т. е. действия двух тел друг на друга всегда равны и имеют противоположные направления.

Таким образом, трение приливной волны производит в системе Земля-Луна два важных следствия: вращение Земли замедляется (действие Луны на Землю), т. е. сутки становятся длиннее, и одновременно Луна отдаляется от Земли (обратное действие Земли на Луну), т. е. происходит удлинение месяца, что тоже означает замедление в движении. Значит, вращение Земли вокруг оси и обращение Луны вокруг Земли нельзя рассматривать отдельно, независимо друг от друга: изменение одного из этих движений неизбежно вызывает изменение другого (рис. 4).

Итак, главная наша единица времени, сутки, не представляет постоянной величины: она постепенно, хотя крайне медленно, увеличивается (в связи с этим происходит удаление от нас Луны и увеличение месяца). По вычислениям Дж. Дарвина, замедление вращения Земли под влиянием приливного трения составляет 0,01 ceк. в течение 1000 лет, т. е. удлинение суток на одну секунду совершается в течение 100000 лет. Согласно новым вычислениям Джефриса, это замедление происходит даже еще более медленно. Значит, влияние производимого Луною приливного трения так ничтожно, что миллионы лет пройдут, прежде чем оно произведет едва ощутительный результат. Но все-таки, при всей своей ничтожности, эти приливные влияния - громадная величина, ибо они накопляются все в одном направлении. Так всегда происходит во вселенной: маленькие влияния, постепенно накопляясь, в конце концов производят очень ощутительные последствия.

Есть ли, однако, какое-нибудь фактическое доказательство правильности этого вывода?

Такое доказательство дает тот факт, что Луна обращена к Земле постоянно одной и той же стороной. Луна делает оборот вокруг своей оси в то же время, в которое она совершает оборот вокруг Земли. Не подлежит сомнению, что эта особенность вращения Луны вызвана действием приливов, но не лунных, а земных, т. е. приливов на Луне, которые производились притяжением Земли в ту эпоху, когда наш спутник еще находился в расплавленном состоянии. Эти приливы в расплавленной массе были чудовищной силы, ибо вес Земли почти в 82 раза больше веса Луны, а приливное трение в такой массе несравненно больше, чем в воде, ввиду ее значительной вязкости. Поэтому тормозящее действие приливов сказалось на Луне гораздо быстрее и сильнее, чем на Земле: оно настолько замедлило осевое вращение нашего спутника, что он уже давно повернулся к нам одной своей стороной.

Таким образом, как показал Дж. Дарвин, лишь по причине приливного влияния Земли на Луну, наш спутник повернут к нам одной и той же стороной. Значит, было время, когда с Земли была видна вся поверхность Луны, в это время и сама Земля вращалась быстрее, т. е. ее сутки были короче. Заметим, что спутники других планет, по-видимому, обладают этой же особенностью и что причина должна быть та же.

Как образовалась Луна

После установления того факта, что вращение Земли вокруг оси некогда происходило быстрее, чем в настоящее время, у нас не может не возникнуть вопрос: а какова же предельная скорость вращения нашей планеты?

Известно, что при постепенном увеличении скорости вращения любого тела, наконец, достигается предельная, критическая скорость, после которой наступает революционный момент – разрыв тела. Следовательно, если бы Земля вращалась слишком быстро, то вследствие разившейся громадной цен­тробежной силы. она разлетелась бы в куски. Дж. Дарвин вычислил, что критическая или предельная скорость для Земли наступила бы тогда, когда оборот ее вокруг оси равнялся бы 3-4 час. Если бы когда-нибудь «сутки» равнялись 3-4 час., то это повлекло бы за собой самые катастрофические последствия для Земли, ибо она должна была бы разлететься в куски или, по меньшей мере, разделиться на две части. Значит, «сутки» никогда не могли длиться меньше 3-4 час. (по более точным вычислениям Джефриса эта величина меньше 4,8 часа).

Что же касается Луны, то она постепенно отступает от нас, и «месяц» удлиняется. Земные приливы «отталкивают» ее, хотя и очень медленно: пройдут миллионы лет, Луна довольно сильно удалится, и «месяц» станет длиннее. Наоборот, обращаясь назад, мы видим, что в давно минувшие века Луна была к нам ближе и месяц короче. Предположим, что Луна некогда касалась земной поверхности: нетрудно вычислить, с какой скоростью она должна была обращаться вокруг Земли для того, чтобы не упасть на нее. Оказывается, всего около 4 час. было достаточно для полного оборота Луны.

Припомним теперь первоначальную длину «суток» по вычислениям Дарвина: Земля могла вращаться вокруг своей оси в течение нескольких часов, и при такой скорости некоторая часть могла отделиться от нее. Вместе с тем Луна некогда находилась с Землею в соприкосновении и обращалась вокруг нее в течение того же «критического» периода. Сопоставим оба эти вывода.

Очевидно, Луна составляла некогда часть Земли и отделилась от нее. Мы пришли, таким образом, к великому открытию – к разгадке происхождения Луны: она "рождена" земным шаром. .

Известный астроном В. Пиккеринг высказал предположение, что отделение Луны от Земли произошло в том месте, где сейчас находится Тихий океан. Следовательно, дно Тихого океана — это шрам, оставшийся на Земле вследствие отделения от нее Луны. Что же касается Атлантического океана, то, по мнению В. Пиккеринга, он образовался тогда же расщеплением (под влиянием толчка от отделения Луны) остающейся поверхности суши на две части. Эта точка зрения в настоящее время поддерживается видным геологом Швиннером на основании геологических соображений. Однако пока этот вопрос еще недостаточно разобран геологами.

Сколько же времени с тех пор прошло?

Точно ответить на такой вопрос мы не можем, но не подлежит сомнению, что этот промежуток равняется нескольким миллиардам лет.

Прошлое системы Земля — Луна

Итак, в очень давние времена Луны еще не существовало, а была только Земля. Наша планета и ее спутник были слиты в одно целое, в один расплавленно-жидкий шар, очень быстро вращавшийся. вокруг своей оси. Всякая быстро вращающаяся жидкая или очень уплотненная газообразная масса под влиянием центробежной силы сплющивается по направлению полюсов. При более быстром вращении центробежная сила еще более отбрасывает частицы вещества к средней части, и вследствие этого, как показал один из крупнейших математиков Пуанкаре и подробнее исследовал русский академик Ляпунов, на яйце появляется перехват, так что фигура массы становится похожей на лежащую на боку грушу (на «апиоид», как говорят математики) (рис. 5). Вместе с тем время вращения этой массы достигло 3 - 4 - 5 час. (благодаря охлаждению и сжатию вращение всякой массы постепенно ускоряется), она стала неустойчивой. Поэтому достаточно было сравнительно небольшой внешней силы, чтобы такое вращающееся тело разорвалось в месте перехвата, отделив от себя небольшую массу — Луну.

На основании сказанного ясно, что такой силой могла быть приливообразующая сила Солнца. Это внешнее тело своим притяжением должно было неуклонно влиять на процесс растягивания Земли в грушевидное тело. Солнце все время оказывало притягательное действие на «огненную» оболочку нашей планеты, периодически вызывая в двух взаимно противоположных точках ее приливные волны, горбы. А эти горбы все более и более нарастали, т. е. при каждом приливе они становились больше, чем при предыдущем, в согласии с так называемы принципом резонанса.

Таким образом, приливные горбы. нарастая, значительно облегчали и ускоряли ее превращение в грушевидное тело.

Когда тело начало делать оборот вокруг оси в течение нескольких (повидимому, 4, 8) часов, наступил критический момент, когда центробежная сила преодолела силу притяжения. К этому времени тело приняло гpyшевидную форму, и центробежная сила совсем оторвала шейку от общей массы. Таким образом, благодаря центробежной силе и приливному влиянию Солнца, от быстро вертящейся земной массы оторвался порядочный комок, т. е. наша планета распалась на две неравные части, причем более крупная из них имеет массу почти в 82 раза большую, чем меньшая. Из этой меньшей массы и образовалась Луна. Оставшаяся масса уже больше не разрушалась, а вследствие вращения в дальнейшем приняла лишь слегка сплюснутую форму.

Итак, когда-то Земля вращалась вокруг оси в течение нескольких часов, и во столько же времени обращалась вокруг нее Луна. Другими словами, в ту эпоху «месяц» был равен «суткам», так что Земля представляла собой как бы очень "тесную" двойную планету. Оба тела — Земля и Луна — продолжали вращаться, почти соприкасаясь и вытягивая друг друга в продолговатую форму. Но равновесие этих тел было неустойчиво, так что такое движение долго продолжаться не могло, они должны были разойтись или слиться. Случилось первое: Луна не упала на Землю, а несколько удалилась от нее. При этом «месяц» стал, как показывает расчет, сразу значительно (раза в четыре) длиннее "суток". Вместе с тем вмешалась посторонняя возмущающая сила — приливное взаимодействие, т. е. влияние притяжения этих тел. С этого времени Луна начала вызывать приливы огненно-жидкой лавы высотой в сотни километров, — приливы не в открытом океане, потому что eгo не было, а во всей вязкой массе Земли. А благодаря этому немедленно последовал ряд вполне определенных перемен: скорость осевого вращения Земли замедлилась, масса Луны отодвигалась все дальше и дальше, и время ее обращения стало быстро возрастать. Вначале перемены совершались скорым темпом, благодаря гигантским размерам приливов; но когда мало-помалу тела отошли на довольно большое расстояние друг от друга, ход изменений замедлился. Наконец, по истечении огромного промежутка времени, наши «сутки» стали равны 24 час. Луна отошла в среднем на 384400 км и обращается в течение 27 1/8 суток. Наступила та эра, которую мы называем "нашим временем".

Следует отметить, что некоторым подтверждением этого представления о «рождении» Луны является тот факт, что средняя плотность Луны (3,34) близка к плотности земной коры. Ведь по Дж. Дарвину на образование Луны должны были пойти наружные слои первоначальной грушевидной массы, а эти слои были, конечно, значительно легче глубоких слоев и центральной массы ядра.

Будущее системы Земля —Луна

Можем ли мы считать приливные изменения в системе Земля ­ Луна законченными? Конечно, нет. Настоящим состоянием процесс приливного развития системы Земля —. Луна еще не прекратился. Изменения будут продолжаться медленным, pовным ходом.

Что же произойдет с Землей и Луной?

Слишком далеко вдаваться в подробности мы здесь не можем, поэтому сообщим лишь основной результат исследований Дж. Дарвина, недавно развитых геофизиком. Джефрисом.

Прежде всего „месяц“ и „сутки“ снова сравняются: длина их дойдет до 57 суток, или 1400 час., причем Луна в это время будет удалена от Земли на расстояние 600000 км. В году, таким образом, Земля успеет повернуться вокруг своей оси всего. приблизительно 6 1/2 раз, т. е. в году будет 6 1/2 суток, столько же и месяцев. ¹

Ни Земля, ни Луна не будут вращаться друг относительно друга: они как бы соединятся стержнем, и приливное влияние их друг на друга совершенно уничтожится, т. е. приливная волна перестанет обегать земную поверхность, и поэтому приливное трение прекратится.

Получается такая картина. Приливная эволюция зашла на Луне гораздо дальше, чем на Земле, ибо наша планета уже давно заставила Луну (благодаря незначительности массы Луны по сравнению с массой Земли) обратиться к нам одной своей стороной. Но Луна, так сказать, никогда не оставляет своих усилий привести Землю в такое же состояние, какое приняла она сама. В результате должна наступить эпоха, когда влияние лунных приливов возьмет верх и когда Земля будет обращать к Луне всегда одну и туже сторону, как теперь Луна обращает одну и ту же сторону к Земле. Тогда с одного полушария Луна никогда не будет видна, между тем как на другой стороне нашей планеты она будет светить каждую ночь. В эту эпоху приливные горбы как бы „застынут“ на поверхности Земли. Словом, вся система Земля — Луна достигнет устойчивого состояния, все ее скорости (скорость вращения Земли вокруг оси, скорость вращения Луны вокруг оси и скорость обращения Луны вокруг Земли) окажутся равными друг другу.

Но это еще не будет последней ступенью.

Нам известно, что Солнце также вызывает приливы на Земле. Солнечные приливы до возникновения Луны имели решающее значение, а потом они значительно утеряли свое значение по сравнению с приливами Луны. Но в дальнейшем развитии, когда сутки и месяц сравняются, лунные приливы прекратятся, в системе Земля — Луна останутся действовать солнечные приливы. Хотя действие их невелико, но оно способно к накоплению: благодаря ему постепенно (но и еще гораздо медленнее) продолжительность суток будет увеличиваться, но месяц начнет укорачиваться, а Луна станет понемногу приближаться к’ Земле.

Это приведет к тому, что лунные приливы опять появятся на Земле, но они будут вызывать ускорение вращения земного шара, т. е. действовать в обратном направлении, чем теперь. В течение миллиардов лет вращение Земли будет замедляться от лунных приливов и, наоборот, ускоряться от солнечных. Но в конце концов, по истечении неисчислимых миллионов веков, Луна уже настолько приблизится к Земле, что расстояние ее центра от центра Земли будет составлять 2,5 радиуса Земли. Что это возможно, видно из того, что аналогичный случай представляет собой ближайший спутник Марса, названный Фобосом: он отстоит от поверхности планеты лишь на 6000 км и обращается вокруг планеты в 7 1/2 час., в то время как сама планета делает полный оборот вокруг оси более чем в 24 часа. Следовательно, Фобос гораздо дальше пошел по пути к катастрофе, чем наша Луна.

Еще в 1850 г. видный теоретик Рош показал, что расстояние в 2,5 земного радиуса является „критическим“, предельным, опасным расстоянием, т, е. самым. коротким, на котором спутник вообще может существовать. На таком расстоянии, называемом „пределом Роша“, наш спутник должен подвергнуться столь сильным приливным влияниям, что он „не выдержит“ (ведь, при приливном взаимодействии двух тел меньшее „страдает“ несравненно сильнее другого). Он окончательно разломится, развалится на отдельные крупные осколки, т. е. превратится в несколько отдельных спутников. Однако эти „спутники“ будут, в свою очередь, „разорваны“ мощным притягательным действием Земли на тысячи осколков, а затем эти осколки будут еще более раздроблены взаимными столкновениями. В конце концов Луна превратится в тучу метеоритов, кружащихся на определенном расстоянии от Земли. Другими словами, она примет состояние, подобное кольцевидному рою маленьких спутников, составляющих систему колец планеты Сатурн.

Но, по Джефрису, это „кольцо“ тоже не вечно: составляющие его метеориты будут постепенно приближаться к Земле и падать на ее поверхность. Процесс падения будет происходить крайне медленно и, быть может, океаны к тому времени уже замерзнут или исчезнут на Земле.

1 Новейшие работы Джефриса немного изменяют эти цифры, полученные Дж. Дарвином. По Джефрису, начальная продолжительность суток и месяца была равна неполным 6 час., а конечная должна будет равняться 47 теперешним суткам. Что же касается минимального времени, которое требуется Земле и Луне для прохождения всего этого цикла, то оно, по вычислениям Джефриса, составляет около 50 млрд лет.