Загадка Урана

Оглавление статей
Загадка Урана
Страница 2

Страница 1 из 2

 

 

Изучение движения Урана значительно способствовало развитию астрономии. В какой-то мере с Ураном оказались связанными большинство известнейших астрономов XVIII-XIX веков.

Но это было все же только начало. Самые важные события, которые именно и оставили в истории науки неизгладимый след, и самые важные исследования Урана были впереди.

Теория Бувара продержалась недолго. Предварительное предупреждение прозвучало в 1825-1826 годах, когда были обнаружены ее расхождения с наблюдениями Урана, доходящие до 10″, причем Уран опережал по долготе расчетные положения. Это привело астрономический мир в волнение. Правда, в 1829-1830 годах Уран как бы отстал и снова расчетные и фактические долготы оказались близкими друг к другу. Казалось бы, опять все стало па свои места. Но это была, так сказать, последняя минута спокойствия перед бурей.

Сразу после 1830 года Уран стал очень быстро отставать по долготе от расчетных положений. В 1832 году было зафиксировано отставание Урана почти на 30″, и оно продолжало неуклонно расти со скоростью около 6″-7″ в год. Теории Бувара был нанесен окончательный удар. Ее расхождение с наблюдениями стало очевидным.

Конечно, этого и надо было ожидать, так как теория Бувара опиралась на ложную основу, она вообще не могла быть верной. Принципа согласия теории и эксперимента надо придерживаться последовательно и полностью, что Бувар не сделал.

Таким образом, астрономы оказались в 1832′ году в том же положении, в каком они находились в 1815-1820 годах, когда теории, согласующейся с наблюдениями Урана, не существовало. Но теперь положение было хуже, чем когда-либо после 1781 года. Раньше недостатки анализа движения Урана и пути их исправления были для всех более или менее очевидными, оставалось лишь преодолевать технические трудности.

Вспомним, что когда в 1783 году эллиптическая орбита для Урана, вычисленная Лапласом и Мешэном, оказалась неточной и расходилась с наблюдениями, то было достаточно ясно, что не хватает наблюдений. После того, как нашлись «старые» наблюдения, Фикслмилнер вычислил весьма точную орбиту и этим самым исправил теорию. Позднее, в 1788 году опять выявились недостатки теории. Таблицы движения Урана, составленные Фикслмилнером и другими астрономами на базе эллиптической кеплеровой орбиты, обнаружили сильное расхождение с наблюдениями. Но недостатки такой теории были очевидными: отсутствовал учет возмущений от других планет, а именно от Сатурна и Юпитера.

В 1790 году Деламбр вычислил возмущения, после чего оказалось возможным построить как будто хорошую теорию, отвечающую всем известным до 1790 года наблюдениям Урана. Остальные планеты не должны были, согласно вычислениям, оказывать на движение Урана заметного влияния. В начале XIX века обнаружилось новое расхождение теории Деламбра с современными наблюдениями. Но этот факт можно было в некоторой мере объяснить и математическими неточностями самой теории и малым объемом использованных наблюдений. Можно было надеяться (но только надеяться, а не быть уверенным), что после устранения таких неточностей и учета дополнительных наблюдений теория Деламбра будет улучшена и приведена в согласие с наблюдениями. Эту работу выполнил Бувар. Хотя его теория плохо отвечала «старым» наблюдениям, все же она довольно хорошо соответствовала всем «новым» наблюдениям и астрономы ею удовлетворились.

Но на что же можно было надеяться, на какое в принципе улучшение теории Бувара можно было расчитывать теперь? Допустим, что «старые» наблюдения, действительно, сомнительны. Забудем вообще о них. Но теория Бувара построена по наблюдениям за довольно большой промежуток времени, 1781-1820 годы, она учитывает как будто все заметные возмущения Урана от других планет. Ее же явное и очень быстрое рассогласование с наблюдениями Урана после 1830 года неопровержимо говорит о том, что фактическое движение Урана (1781-1832 годы) не отвечает кеплерову движению плюс возмущения от планет. Правда, теория Бувара содержала отдельные неточности и математические ошибки; на некоторые из них указывал, например, известный немецкий математик п астроном Фридрих Вильгельм Бессель (1784-1846), директор Кенигсбергской обсерватории. Но было довольно очевидно, что эти ошибки никак не могут явиться причиной таких больших расхождений теории с наблюдениями.

Так в чем же дело? Почему Уран не повинуется теории? Это выглядело настоящей загадкой, самой трудной из всех, с которыми сталкивались астрономы в XVIII-XIX веках при изучении движения планет.

Вскоре после 1831-1832 годов было выдвинуто несколько гипотез, которые могли в принципе объяснить непонятное поведение Урана.

Гипотеза 1. Уран в своем движении испытывает сопротивление газо-пылевой среды, которая заполняет межпланетное пространство. Это сопротивление и вызывает систематические отклонения от расчетной траектории, построенной без учета какого-либо сопротивления среды.

Гипотеза 2. Уран обладает не открытым еще спутником, который вызывает наблюдаемые отклонения.

Гипотеза 3. Незадолго перед открытием Урана Гершелем произошло столкновение этой планеты или ее сближение с кометой, резко изменившее орбиту Урана.

Гипотеза 4. Закон притяжения Ньютона не остается абсолютно справедливым на таких больших расстояниях от Солнца, на каком находится Уран.

Гипотеза 5. На движение Урана оказывает влияние еще одна, до сих пор не открытая и не известная планета.

Первые три гипотезы отпали сразу, не выдержав элементарной критики. Действительно, если бы па движение Урана заметно влияло сопротивление межпланетной среды, то оно в такой же мере влияло бы па движение всех небесных тел в Солнечной системе, в частности, на другие планеты, помимо Урана, и на кометы. Но такое влияние никогда не обнаруживалось даже в случае комет, которые обладают гораздо меньшей плотностью, чем планеты, и испытывают, следовательно, гораздо большее удельное сопротивление среды. Кроме того, наблюдаемые отклонения в движении Урана имеют характер колебаний, а сопротивление среды приводило бы к вековым отклонениям все время в одном направлении.

Что касается спутников, то два спутника Урана (Титания и Оберон) были уже открыты в 1787 году, о чем мы говорили выше. Вычисления и наблюдения показывали, что эти спутники не оказывают на положение Урана практически никакого влияния. Следовательно, те отклонения, которые наблюдаются, могли бы быть вызваны только спутником значительно большей массы, а вместе с тем и большего размера. Но если были открыты два малых спутника, то почему еще не обнаружен большой спутник? Кроме того, возмущения от спутника должны иметь характер довольно быстрых колебаний. Например, вследствие существования Луны орбита Земли вокруг Солнца имеет характер волнистой кривой (По эллиптической орбите (бел учета возмущений от других планет) движется вокруг Солпиа центр масс системы Земля — Луна)). Если наблюдать Землю с другой планеты, то будут заметны колебания положений Земли примерно с месячным периодом (значительно меньшим, чем период обращения Земли вокруг Солнца). В случае же Урана наблюдались очень медленно изменяющиеся отклонения. Если они и являются периодическими, то их период должен измеряться десятками лет. Спутник, вызывающий такие отклонения, должен иметь такой же большой период обращения вокруг Урана. Тогда, по третьему закону Кеплера, этот спутник находится весьма далеко от планеты. Действительно, наблюдаемый спутник Оберон имеет радиус орбиты, равный примерно 23 радиусам Урана и период обращения 13,5 суток или 0,037 года. Спутник же с периодом, например, в 40 лет должен иметь радиус орбиты

r=23(40/0,037)2/3 ≈ 236 радиусов Урана,

т. е. примерно в 10 раз больший. Так как сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния, то, чтобы создавать даже такие возмущения, какие вызывает в движении Урана Оберон (а они практически незаметны), этот гипотетический спутник должен иметь массу, примерно в 100 раз большую, чем Оберои. Но такой большой спутник был бы уже давно обнаружен (В 1851 году Вильям Лассель (1799-1880,) и в 1948 году Джерард Койпср обнаружили еще три спутника Урана, но более близкие к Урану, чем Тнтания и Оберон, и также небольшие. На движение Урана они практически не оказывают влияния. Других спутников Урана мы пока не знаем)).

Гипотеза сближения или столкновения Урана с кометой до 1781 года также не выдерживает критики. Этим можно было бы объяснить, почему одна и та же эллиптическая орбита плюс возмущения от Юпитера и Сатурна не описывает одновременно и «старые» и «новые» наблюдения. Этот аргумент в пользу своей теории, основанной только на «новых» наблюдениях, мог выдвинуть в 1820 году сам Бувар. Но движение только после 1781 года (после сближения или столкновения) теория Бувара должна была бы описывать целиком. Ведь комета, изменив орбиту Урана, ушла, и движение Урана в дальнейшем должно было бы описываться новой, по одной и той же эллиптической орбитой с добавлением возмущений от планет. Именно это оказалось несправедливым. Теория Бувара была дискредитирована расхождениями с наблюдениями после 1820 года. Следовательно, гипотеза о комете-возмутительнице движения Урана, как п две первые гипотезы, лишена оснований. Она даже серьезно учеными не обсуждалась. Леверье в позднейших своих исследованиях очень кратко, но четко и убедительно говорит об этих гипотезах и о причинах, показывающих их несостоятельность.

Четвертая гипотеза, подвергающая сомнению закон тяготения Ньютона, была более серьезна и носила принципиальный характер.

Как мы говорили выше, закон Ньютона не сразу получил всеобщее признание. Но все же его авторитет стал укрепляться довольно быстро. Каждое препятствие, встречавшееся на пути, превращалось в его триумф. К 1830 году сомневающихся в строгости закона Ньютона осталось очень немного. К ним относился, правда, такой известный английский астроном, как директор Гринвичской обсерватории с 1836 года по 1881 год Джордж Бнддел Эри (1801-1892). Забегая вперед, скажем, что сомнения Эри сыграли, пожалуй, немалую отрицательную роль во всей истории открытия Нептуна.

Таким образом, эта гипотеза имела немного сторонников. Леверье позднее писал:

«Это не первый раз, когда при встрече с необъяснимыми отклонениями от наблюдений брались за пересмотр закона притяжения. Но такие отклонения, как мы знаем, исчезали при более детальных исследованиях. Изменение закона притяжения — это последнее средство, к которому следует прибегать лишь только тогда, когда будут исчерпаны после соответствующего анализа другие причины».

Сказано прекрасно! Но все же сомнения могли быть. В науке хорошо известно, что одного противоречащего примера бывает иногда достаточно, чтобы погубить казавшуюся до того идеальной теорию. Уран все же ставил знак вопроса перед законом Ньютона и на него надо было ответить.

Возможность самого хорошего ответа содержалась в пятой гипотезе, которая привлекала большинство ученых.

Как мы говорили выше, Бувар еще в 1820 году упомянул о внешнем и неизвестном влиянии на Уран как о допустимой причине его странного поведения. Правда, это упоминание было неопределенным и вообще могло подразумевать что угодно, в частности, и то, что указывается в любой из перечисленных выше пяти гипотез. Но Бувар продолжал работать над улучшением своей теории движения Урана и далее, после 1832 года, стараясь устранить наблюдаемые расхождения. Это ему не удалось, и он, как свидетельствует его переписка с Ганзеном, высказывается вскоре определенно в духе последней гипотезы о существовании еще одной планеты.

В 1834 году английский астроном-любитель Томас Хассей пишет в письме к Эри:

«Я имел разговор с Алексисом Буваром о предмете, над которым я часто размышлял и который, вероятно, вас заинтересует; ваше мнение определит и мое. Занимаясь много в последний год некоторыми наблюдениями Урана, я близко познакомился с таблицами Бувара для этой планеты. Кажущиеся необъяснимыми противоречия между «старыми» и «новыми» наблюдениями подсказали мне возможность существования некоторого возмущающего тела за орбитой Урана, которое остается пока неизвестным, поэтому не принималось до сих пор во внимание. Моя первая идея заключалась в том, чтобы установить эмпирически некоторое приближенное положение на небе этого предполагаемого тела, а затем приняться с моим большим рефлектором за работу, просматривая вокруг все малые звезды. Но я сам оказался полностью неспособным выполнить первую часть такой программы… Позднее в разговоре с Буваром я спросил его, может ли такое иметь место. Его ответ был утвердительным… и что по этому поводу он вел переписку с Ганзеном… На мой вопрос, можно ли получить положения эмпирически, а затем организовать поиски в близкой окрестности, он дал полностью положительный ответ. Он сказал при этом, что требующиеся для этого вычисления не столько трудны, сколько громоздки и что если бы у него было свободное вре« мя, то он бы их предпринял и передал результаты мне, как основу для проведения наблюдений именно в нужном малом участке неба».

Это был первый письменный документ, где четко формулируется гипотеза о существовании трансурановой планеты и даже намечается программа ее дальнейших поисков. По существу, именно эта программа была впоследствии, почти через 14 лет, реализована. Можно выразить восхищение проницательностью английского астронома-любителя (Надо сказать, что английские астрономы-любители тех времен назывались любителями лишь потому, что они занимались астрономией не в рамках государственных учреждений. Это были весьма состоятельные люди, имевшие в своем распоряжении очень большие телескопы, которыми могла бы гордиться не одна обсерватория, и выполнявшие наблюдения на высоком профессиональном уровне. Вильям Гершель в начале научной карьеры также был любителем!)).

Предыдущая — След. »

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все о космосе
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: