8.2. Астрономия

8.2.1. Триумф ньютоновской астрономии и... Первая брешь в ней

Открытие в 1846 г. восьмой большой планеты Солнечной системы можно назвать триумфом ньютоновской теории и картины мира. Открытие было осуществлено буквально «на кончике пера». И нали­чие этой планеты, и ее положение на небе в определенное время было математически вычислено по возмущениям, которые она вызы­вала в движении планеты Уран. Загадочные отклонения заметили еще в конце XVIII в. Их пытались объяснить по-разному: катастрофи­ческим столкновением Урана с кометой; попытками изменить сам закон тяготения; и наконец, высказывалась гипотеза о влиянии более далекой планеты.

Эту труднейшую задачу решили независимо и почти одновре­менно два математика-астронома Дж. Адаме и У. Леверье. Летом 1846 г. Леверье сообщил свои расчеты берлинскому астроному Г. Галле, который и обнаружил 23 сентября 1846 г. всего в 52" от расчетного места новую планету. Название этой планеты традици­онно было взято из древнегреческой мифологии — Нептун. Орбита Нептуна, удаленная от Солнца в среднем на 4,5 млрд км, значительно расширяла и границы Солнечной системы, и пределы познания ее человеком.

Блестящее, исключительно точное предсказание было величай­шим достижением классической механики и, казалось, навеки ук­репило ньютоновскую астрономическую картину мира, тем более что оно дополнялось точными расчетами орбит других объектов Солнечной системы — комет, метеорных потоков, а также уточне­нием теории «векового» ускорения Луны и т.п. Вместе с тем по­вышение точности расчетов в теории движения Солнца и планет привело к открытию нового эффекта, которое имело далеко идущие последствия.

Исследуя в течение многих лет движение Меркурия У. Леверье в 1859 г. установил, что скорость, с которой перигелий (точка орбиты планеты; ближайшая к Солнцу) его орбиты обращается вокруг Солнца, несколько больше теоретически предсказываемой, а именно на 38" (по современным данным, на 43") в столетие. Такая высокая ско­рость перигелия Меркурия не могла быть объяснена классической теорией. Для ее объяснения выдвигались разные гипотезы: наличие между Солнцем и Меркурием гипотетической планеты Вулкан, зоди­акального света, который излучают разреженные массы вблизи Со­лнца, и др. Все они не подтвердились.

И только в XX в. объяснение было найдено, но на основе не ньютоновской механики, а общей теории относительности (см. 9.2.2). Поэтому можно сказать, что открытие аномалий в движе­нии перигелия Меркурия было первой брешью в ньютоновской аст­рономической картине мира, первым в астрономии предвестником грядущей революции в естествознании.

8.2.2. Формирование астрофизики: проблема внутреннего строения звезд

Важнейшее событие в астрономии второй половины XIX в. — возник­новение астрофизики. К открытиям XIX в., которые повлекли за собой возникновение и бурное развитие астрофизики, следует в пер­вую очередь отнести: открытие фотографии и спектрального анализа, эффекта Допплера, создание статистической термодинамики. Астрофизика формировалась в русле решения ключевой астрономи­ческой проблемы — проблемы строения звезд и источников их энергии.

Открытие закона сохранения энергии поставило вопрос о фи­зическом источнике энергии Солнца и звезд. Первым попытался его решить Р. Майер, предложивший гипотезу о разогреве Солнца за счет падения на него метеоритов (1848). Качественно новые воз­можности научного исследования сложились после открытия Г. Кирхгофом и Р. Бунзеном (1859) спектрального анализа. Появилась возможность определять химический состав звезд, т.е. то, что многие мыслители считали вообще непознаваемым (например, Э. Конт, 1852). В 1861 г. Кирхгоф определил химический состав солнечной (и, следовательно, звездных) атомосферы. Так была со­здана почва для формирования научной астрофизики и создания теории строения звезд.

Во второй половине XIX в. окончательно утвердилось представ­ление о звездах как о колоссальных газовых шарах, плотных и горячих в центральных частях и разреженных на периферии. Для объяснения энергии звезд Кельвин и Гельмгольц выдвинули идею иx гравитационного сжатия. Во время гравитационного сжатия должна выделяться значительная энергия. Однако вскоре выяснилось, что если придерживаться такой гипотезы, то нужно признать, что Солнце... моложе Земли! Длительность «жизни» звезд по этой гипотезе исчислялась всего лишь десятками миллионов лет, в то время как геологи убедительно определяли возраст Земли в несколь­ко миллиардов лет.

Едва возникнув, астрофизика зашла в тупик. Стало ясно, что нужны принципиально новые физические представления для реше­ния ключевой астрономической проблемы — источника энергии звезд. Такие представления появились уже с созданием новых фунда­ментальных физических теорий — релятивистской и квантовой физики.