Царство Солнца. От Птолемея до Эйнштейна - Айзек Азимов

В следующие сорок лет было объявлено об открытии почти двух тысяч (!) малых планет. Сам Вольф обнаружил 587, а еще один немецкий астроном, Карл Рейнмут, открыл 980. Все они были крошечными. На самом деле Церера, хоть она и сама очень невелика, больше остальных малых планет, имеете взятых, даже с учетом тех тысяч, которые все еще не найдены. По некоторым оценкам, общее число малых планет,  открытых и не открытых, равно 44 000. Однако большинство из них настолько малы, что общая масса всех малых планет не может превысить одну тысячную массы Земли.

Давать названия этим планетам стало трудным делом. Богини вскоре были  исчерпаны, хотя некоторых использовали уже дважды. Например, название Европа,  данное 52-й малой планете, уже было  использовано для одного из крупных спутников Юпитера. Еще одну из малых планет  назвали Сапфо, в честь поэтессы, которая жила в Древней Греции.

Затем стали использовать всевозможные другие названия. Их давали в честь  астрономов. Например, 1000-я малая планета была названа Пиаццией, в честь Пиацци, открывшего Цереру; 1001-я получила название Гауссия в честь Гаусса, вычислившего  орбиту Цереры; 1002-я называлась Ольберией в честь Ольберса, заново обнаружившего Цереру.

Такая честь оказывалась и бизнесменам, и политикам, так что существуют малые планеты, которые называются Карнегия, Рокфеллия и Гуверия. Иногда отчаявшиеся астрономы позволяли себе шутить. Есть  астероиды с названиями Лимбургия, Арника и Гейша. Студент университета Дрейка открыл планетоид и назвал его Экард («Ekard» — это слово -«Drake», написанное наоборот).

Однако малые планеты — не  единственные результаты усилий охотников за  планетами. Через сорок лет после открытия  первой малой планеты ими была одержана огромная победа. История этой победы  начинается с того самого мира, с которого  началась вся история с розыском планет, — то есть с Урана.

ШАЛОСТИ УРАНА

В 1820 г. французский астроном Алекси Бувар составлял новые таблицы, в которых отражалось положение Юпитера и Сатурна в различные моменты прошлого и будущего. У него не возникло проблем.  Математические расчеты полностью совпадали с реальными наблюдениями, которые проводились и течение многих лет.

Бувар попытался проделать то же для новой планеты, Урана, — и тут у него  начались трудности. Как астроном ни  пытался рассчитать его орбиту с помощью  гравитационной математики, он не мог добиться, чтобы результаты совпадали со всеми  наблюдениями за положением Урана, которые проводились с 1690 г., когда планету  впервые увидел и зарегистрировал Флэмстид (который, конечно, не знал, что это —  действительно планета). Различие между  расчетными положениями и  зарегистрированными реальными было невелико. По правде говоря, это различие было настолько мало, что его невозможно было заметить без  телескопа. Однако оно было достаточно  большим, чтобы не давать Бувару покоя.

Бувар решил, что старые наблюдения, проводившиеся до Гершеля, могли оказаться не совсем правильными. В конце концов,  старые телескопы были не слишком хорошими. Тогда он стал использовать только  наблюдения Гершеля и тех, кто следовал за ним, и получил орбиту, которая совпадала с  расчетной, после чего, должно быть, вздохнул с  облегчением.

Однако во время наблюдений за Ураном в течение следующих нескольких лет стало ясно, что он стал немного отходить от  рассчитанной орбиты. Это отклонение опять было очень маленьким, но в то же время достаточно большим, чтобы астрономы  ужаснулись. Неужели что-то не так с  ньютоновским законом всемирного тяготения —  после стольких лет и такого множества побед? Неужели он как-то изменяется на том  огромном расстоянии, которое отделяет Уран от Солнца?

Однако астрономы не поддались панике. Необходимо было кое-что выяснить.  Видите ли, математика Ньютона работает точно только для так называемых «задач с двумя телами». Иначе говоря, если бы во  Вселенной существовало всего два тела, например Земля и Солнце, то гравитационные  формулы идеально описывали бы движение  Земли вокруг Солнца.

Однако поскольку тел во Вселенной больше, чем два, математики Ньютона не достаточно для того, чтобы дать точное  решение.

А ведь во Вселенной находится  бессчетное количество тел. Как же определить  планетные орбиты с помощью математики, которая способна работать только для двух тел? Ответ заключается в том, что звезды находятся настолько далеко, что их  гравитационный эффект можно игнорировать. В пределах Солнечной системы (где все равно находятся тысячи тел) Солнце  настолько больше всех остальных тел, вместе взятых, что его гравитация — это  единственное, что необходимо учитывать с  самого начала. Например, орбиту Земли можно сначала рассчитать так, словно кроме нас существует одно только Солнце. Далее, во время бега вокруг Солнца Венера иногда оказывается впереди Земли, а иногда — позади. Когда она впереди, ее  гравитационное притяжение тянет вперед и немного ускоряет Землю. Когда Венера позади, она чуть-чуть замедляет Землю. Это  принимают во внимание, и расчеты земной орбиты уточняются. Затем учитывают воздействие Марса, принимают во внимание влияние Луны и так далее.

Небольшие воздействия на орбиту  планеты, объясняемые гравитационным  притяжением других планет, называются  возмущениями или пертурбациями.

При расчетах орбиты Урана учитывалось влияние притяжения планет-гигантов,  Юпитера и Сатурна. Это были единственные  известные планеты, которые были достаточно велики и находились достаточно близко к Урану, чтобы заметно изменить его орбиту. Дело в том, что размер возмущений зависит от массы планеты, которая это возмущение вызывает. Возможно, цифры для размеров Юпитера и Сатурна оказались неточными.

Прусский астроном Фридрих Вильгельм Бессель был специалистом по пертурбациям, и он взялся решать эту задачу. Он  разработал новые методы расчета возмущений и  использовал для этого математические  выражения, которые и сейчас носят название функций Бесселя.

Бессель провел новые измерения  расстояний между спутниками Юпитера и Сатурна и самими планетами. По этим расстояниям и по скорости, с которой спутники вращались  вокруг своих планет, он смог вычислить размер обеих планет более точно, нежели это  делалось раньше.

Он воспользовался этими новыми  значениями для того, чтобы рассчитать  возмущения Урана, — но и это не помогло. Новые цифры не объясняли отклонения этой  планеты от рассчитанной орбиты. Никакие  цифры, которые он мог использовать, не давали объяснения пертурбаций.

Бессель сдался. Он высказал  предположение, что где-то может находиться еще одна планета, которую не учитывают, и что ее гравитационное притяжение ответственно за этот феномен. Однако тогда он не стал развивать эту идею.

В 1834 г. астроном-любитель по имени Т.Дж. Хасси написал письмо Джорджу Эри, которого должны были вот-вот назначить королевским астрономом Англии. В письме он высказал предположение о том, что за Ураном имеется какая-то планета, и  предлагал ее искать. Однако Эри энтузиазма не выразил. Такая далекая планета окажется очень тусклой, и найти ее будет трудно. Эри придерживался мысли о том, что орбиту Урана все-таки удастся выяснить, уточнив возмущения, вызванные известными  планетами.

Однако Уран отклонялся все дальше и дальше, и к 1843 г. Королевское научное общество в Геттингене, в Германии,  обещало премию тому, кто разгадает тайну  Урана. Сам Бессель готовился снова взяться за эту проблему, возможно, для того, чтобы искать таинственную внешнюю планету, однако умер, не успев начать работу.

НЕУДАЧИ ДЖОНА АДАМСА

Однако кембриджский студент, которого звали Джон Кауч Адаме, решил посмотреть, что он сможет сделать с помощью бумаги и пера. Ему было чуть больше двадцати,  когда он за это взялся: возможно, молодость придавала ему отваги.

Он начал с предположения, что за  Ураном находится планета, расположенная на таком расстоянии, которое дает правило Тициуса—Боде. Адамс сделал  предположение относительно ее размера, а затем  рассчитал, где именно она должна была бы находиться для того, чтобы воздействовать на Уран так, чтобы это объяснило  странности его движения. Это дало Адамсу  достаточно информации, чтобы рассчитать, где планета будет находиться в этот момент.

Джон Адамс закончил свои расчеты в сентябре 1845 года и отправил копии  одному кембриджскому профессору и Эри,  королевскому астроному. Однако Эри, который в этой истории был «злодеем», не стал искать планету в месте, указанном Адамсом. Во-первых, фотографирование неба к тому моменту еще не было разработано, и не существовало приемлемой карты  тусклых звезд для той области небосвода, где Адамс предсказал появление новой  планеты. По крайней мере, у Адамса такой  карты не было, и поэтому Эри совершенно не хотелось начинать сложные поиски,  которые к тому же могли оказаться  безрезультатными.