Краткая история науки - Уильям Байнум

Парижская академия наук оказалась также вовлечена в решение второго вопроса, волновавшего ньютонианцев: является ли Земля правильным шаром? Легко видеть, что она не столь гладкая, как, например, шарик для настольного тенниса, картину портят горы и ущелья. Но имеет ли она правильную шаровидную форму или отклоняется от нее?

Ньютон утверждал, что нет, поскольку он показал, что сила гравитации на экваторе и в северной Европе слегка отличается. Он узнал это из экспериментов с маятником. Взмах маятника происходит под влиянием силы притяжения, чем она сильнее, тем чаще он будет раскачиваться и тем меньше времени будет требоваться, чтобы совершить движение из стороны в сторону.

Моряки измерили, насколько далеко маятник уходит за одну секунду, и расстояние оказалось несколько меньше на экваторе. Эта разница подсказала Ньютону, что расстояние до центра нашей планеты немного больше на экваторе, хотя в том случае, если бы Земля представляла собой идеальный шар, то всюду была бы одна и та же дистанция от центра до поверхности.

Отсюда Ньютон сделал вывод, что Земля немного сплющена у полюсов, как будто ее немного придавили снизу и сверху, и выпячивается вокруг экватора. Он решил, что такая форма обусловлена тем, что планета вращалась вокруг оси север-юг, когда она была молодой, расплавленной и медленно остывала. Сэр Исаак намекнул, что она несколько старше, чем 6 тысяч лет (по расчетам церкви), но никогда не высказывался, насколько она стара на самом деле.

Когда работы Ньютона активно обсуждались во Франции в тридцатых годах восемнадцатого века, многие ученые отказывались верить, что Земля имеет столь несовершенную форму. И Людовик XV, король Франции, отправил две экспедиции, одну в Лапландию, к Полярному кругу, и другую в Перу, в окрестности экватора – дорогостоящий способ проверить несложную гипотезу.

Обе экспедиции сделали одно и то же – измерили точную длину одного градуса широты, но сделали это в разных точках земной поверхности. Географическая широта – показатель того, насколько далеко вы находитесь от линии экватора, где она равна нулю, на Северном полюсе будет +90 градусов, на Южном полюсе —90 градусов (чтобы обойти вокруг земного шара, необходимо 360 градусов). Вы можете видеть отметки широты, нанесенные в виде линий на карте мира или большого региона.

Если бы Земля была идеально круглой, то градус широты имел бы одинаковую длину в любом месте.

Первой вернулась экспедиция из Лапландии, поскольку им не пришлось отправляться так далеко. Вторая, из Перу, возвратилась только через девять лет, и тут стало ясно, что градус широты у Полярного круга оказался длиннее, чем у экватора, в точности так, как и предсказывала модель Ньютона.

Результат этого эксперимента сильно поднял авторитет англичанина на континенте.

Астрономы всей Европы смотрели на звезды и планеты, пытаясь предсказать, как те движутся и, следовательно, где их можно будет наблюдать в каждый момент времени (через день или через год). Эти прогнозы становились все более точными по мере того, как в ход шли результаты все большего и большего количества наблюдений, и по мере того, как усложнялись и совершенствовались применяемые для анализа уравнения.

Строились все более крупные телескопы, и это позволяло ученым заглядывать дальше и дальше в пространство, открывать новые звезды и даже галактики. Одним из наиболее известных наблюдателей за небом стал немец, обосновавшийся в Англии. Уильям Гершель (1738–1822). Он был музыкантом, но больше интересовался небом.

Одной ночью в 1781 году он заметил новый объект, который вовсе не был звездой. Сначала Гершель решил, что наткнулся на комету, и он описал ее для любителей астрономии города Бат, где он жил. Но известие привлекло внимание, и быстро стало ясно, что это не комета, а новая планета.

В конечном счете ее назвали Ураном, взяв имя бога из греческой мифологии.

Это открытие изменило жизнь Гершеля и позволило ему всецело посвятить себя астрономии. Король Георг III, принадлежавший к Ганноверской династии – тоже родом из Германии, – заинтересовался работами земляка, он помог ему построить крупнейший телескоп в мире и в конечном счете пригласил поселиться в окрестностях Виндзора, где располагался один из королевских замков.

Гершель настолько был увлечен наблюдениями за небом, что после переезда он устроил свою жизнь так, чтобы не пропустить ни единой ночи. В исследованиях ему помогала сестра Каролина (1750–1848), также бывшая опытным астрономом, ну а сын Уильяма Джон (1792–1871) продолжил работу отца, превратив науку в семейное дело.

Уильям Гершель не только разглядывал звезды, планеты и прочие небесные тела, он также размышлял над тем, что видел. Поскольку у него был лучший телескоп в мире, он мог видеть дальше коллег и создавать звездные каталоги более подробные и точные, чем публиковались до него.

Он догадался, что наша галактика. Млечный путь, не единственная во Вселенной, и долго и напряженно размышлял по поводу туманностей, тех областей неба, которые выглядят размытыми белыми пятнышками. Немногие из них можно при удаче различить и невооруженным взглядом, но телескоп Гершеля показал, что таких объектов много. В то же время некоторые участки Млечного пути тоже выглядят размытыми, и астрономы предположили, что туманности – это просто скопления звезд.

Гершель показал, что в некоторых случаях это действительно так, но другие представляют собой громадные облака газа, вращающиеся далеко-далеко в космосе. Помимо того, наблюдая за двойными звездами – парами звезд, расположенных близко друг к другу («близко» по космическим масштабам), он показал, что их поведение можно объяснить, используя концепцию гравитационного притяжения.

Идеи Ньютона преодолели гравитацию нашей планеты и дотянулись до самых дальних уголков пространства.

Законы гравитации и движения, а также математический анализ силы, ускорения (увеличения скорости) и инерции (тенденция продолжать движение по прямой линии) – все это изучено сэром Исааком – стали руководящими принципами для натурфилософов восемнадцатого века.

Никто не сделал больше, показывая, как много содержится в этих принципах, чем француз Пьер-Симон де Лаплас (1749–1827). Лаплас работал с Лавуазье, которого мы встретим в главе 20, но в отличие от своего невезучего друга. Лаплас пережил Французскую революцию без проблем. Наполеон восхищался им, и он стал ведущей фигурой в науке своей страны почти на полвека.

Лаплас использовал законы Ньютона и его уравнения, чтобы продемонстрировать, как можно анализировать движение объектов в небе и как можно с высокой степенью точности предсказать траектории планет, звезд, комет и астероидов. Он разработал теорию происхождения Солнечной системы, описал, как миллионы лет назад она появилась из первичного взрыва; Солнце отбросило громадные облака раскаленного газа, и те, постепенно остывая, стали планетами (и спутниками планет).

Он назвал это «небулярной гипотезой» (nebula – туманность на латыни) и предложил сложные уравнения в доказательство того, что все так и обстояло на самом деле. Лаплас описал версию того, что мы сейчас именуем Большим взрывом, хотя современные физики знают на порядок больше того, чем мог знать французский ученый.