Открытие Нептуна

Нептун.
Нептун.

Сто с лишним лет назад в одном из колледжей старинного Кембриджского университета, где стены и вещи овеяны немеркнущей славой великого Ньютона, в задумчивости сидел за столом молодой человек. Он только что записал в лежавшую перед ним тетрадь несколько слов и теперь как бы находился в раздумьи по поводу записанного.

И было действительно над чем призадуматься. Если б содержание этой фразы стало известно ученому миру, то, несомненно, оно вызвало бы всеобщее изумление.

Кто же был этот молодой человек и что он записал в свою книжку? Это был студент Кембриджского университета Джон Адамс. А в его записной книжке мы могли бы прочитать следующие слова: «Составил план, как только сдам экзaмeны, начать исследование до сих пор необъясненных неправильностей движения Урана и постараться узнать, можно ли приписать эти неправильности находящейся за ним неизвестной планете: если возможно, определить приблизительно ее орбиту, что, вероятно, поможет открыть ее».

Карта участка неба, где был открыт Нептун

Для того чтобы понять все трудности, связанные с необычайно смелым намерением молодого студента, нужно иметь в виду, что поставленная им задача относится к одной из самых трудных из числа тех, которые волновали астрономов того времени.

Однако, в чем же состояла задача Адамса, которая тaк сильно заинтересовала весь тогдашний астрономически мир?

До Ньютона движения планет казались непостижимыми по своей загадочности и сложности. Было известно, что вокруг громадного Солнца движется шесть небольших и лишенных собственного света небесных тел, называемых планетами, и что эти планеты, отражая солнечный свет, нам кажутся имеющими на небесном своде вид обыкновенных звездочек. Сначала считали, что планеты движутся по кругам, затем более точные наблюдения заставили признать, что движения их происходят по эллипсам. Но скоро выяснилось, что какие-то непонятные причины едва заметно отклоняют планеты от их эллиптических путей, заставляя их то немного удаляться от Солнца и выходить из пределов эллипса, то, наоборот, слегка приближаться к нему, проникая внутрь планетного пути. Но с того времени как Ньютон провозгласил свой знаменитый закон всемирного тяготения, все непонятные загадки в движениях небесных тел сразу нашли свое простое разъяснение.

Непонятые отклонения, или, как говорят, возмущения, планет просто объяснялись тем, что одна планета влияет на другую в силу закона тяготения, отклоняя ее от эллиптического пути. Но зато и отклоненная планета по тому же закону смещает виновницу-планету с ее собственного эллиптического пути. Этот закон дал астрономам в руки способ точно учитывать малейшие планетные возмущения.

Кропотливые расчеты астрономов полностью устранили все накопившиеся к тому времени неполадки и невязки в теории планет.

Но вот в 1781 г. Вильям Гершель случайно открыл новую планету, до того времени никому неизвестную. Произошло замечательное событие — пополнение планетной семьи, состоявшей из Меркурия, Венеры, Земли, Марса, Юпитера и Сатурна новым сочленом — Ураном.

Оказалось, что Уран — самая отдаленная из известных тогда планет. С открытием Урана границы солнечной системы раздвинулись почти в 2 раза. Расстояние Урана до Солнца составляет около 3 миллиардов километров, что в 19 раз больше расстояния Солнца от Земли.

Этим и занимался Бувар, член французской Академии Наук. На основе сложных вычислений взаимных притягательных влияний планет Бувар составил таблицы их движений, с помощью которых можно было для любого заданного момента определить местоположение планет на небесном своде.

Но, составив таблицы движения Урана, Бувар не был доволен своей работой. Он сделал буквально все, что требовалось по классическим правилам. Однако результаты получились мало удовлетворительные.

В его распоряжении был довольно обширный наблюдательный материал, необходимый для точного определения движения планеты. Казалось, что если эти наблюдения относятся к одной и той же планете, то должна быть полная согласованность между ними.

Но, странное дело, когда он пользовался наиболее старыми наблюдениями Урана и составлял по ним таблицы, то теоретически вычисленные положения Урана недопустимо расходились с более поздними наблюдениями. Когда же он отбрасывал старые наблюдения и пытался определить движение Урана по новым, то получалась обратная картина: теоретически положения Урана не сходились с данными старых наблюдений. Озадаченный результатом своих работ Бувар решился отбросить старые наблюдения, кaк менее надежные, и построить вычисления только на новых. По этому поводу он писал: «Нужно было решиться на что-нибудь одно, и я выбрал последнее... предоставляя будущим временам решить вопрос, зависит ли затруднение в согласовании обеих систем от неточности старинных наблюдений или от какой-либо посторонней и доныне незамеченной причины, имеющей влияние на движение планеты». Прошло 13 лет. Время, которое Бувар считал лучшим судьей своих работ, принесло новые неожиданные огорчения. Оказалось, что составленные с таким трудом таблицы не удовлетворяют не только старым наблюдениям. которыми Бувар решил пренебречь, но, что еще хуже, не удовлетворяют новейшим наблюдениям, произведенным за последние 13 лет, в безупречной точности которых нельзя было сомневаться.

Все попытки расшифровать причину непозволительных расхождений в движении Урана с теоретическими вычислениями оставались совершенно бесплодными. Уран, как вырвавшийся на свободу пленник, перестал подчиняться железным законам астрономии. Наука оказалась на перепутьи: или нужно было отвергнуть закон Ньютона кaк не отвечающий действительности и тогда астрономия отбрасывалась на несколько столетий назад. или же нужно было во что бы то ни стало проникнуть в тайну Урана на основе закона всемирного тяготения.

Именно последний путь и избрал молодой Адамс лет 20 после опубликования таблиц Бувара,— в то врему как у самых крупных ученых его времени закрадывалось сомнение в правильности закона Ньютона и в возможности объяснения загадки Урана на его основе. Адамс был уверен, что непонятное поведение Урана объясняется влиянием на его движение неизвестной планеты, расположенной значительно дальше Урана. Нужно только заставить закон Ньютона обнаружить эту неизвестную никому планету.

Ближайшим руководителем Адамса был профессор Чаллис, но он, повидимому, относился замыслам своего ученика, кaк к юношеским мечтам. Что же касается «первого астронома Англии», или, кaк его еще именуют,— «королевского астронома», Джорджа Эри, то он открыто высказывал мысль, что задача эта неразрешима средствами современной ему науки.

Приближались юбилейные дни двухсотлетия со дня рождения Исаака Ньютона. За долгие годы господства его теории наука не раз испытывала непреодолимые, казалось, трудности. Но всегда бывало так, что именно в тот момент, когда его теории как будто наносился последний и неотразимый удар, обнаруживалось, что более глубокое и проницательное изучение предмета обращало грозные возражения в лучшее подтверждение и обоснование теории Ньютона.

Taк было до сих пор. Но как быть с Ураном, который с необъяснимым упрямством отклоняется от того пути, который ему предписывается законом Ньютона?

Один из создателей новой астрономии, Бессель, уже в 1823 г. задавался этим вопросом, но долгие и бесплодные поиски привели его к сомнениям относительно правильности закона Ньютона. В течение многих лет он пытался найти разгадку путем внесения небольших поправок и изменений в этот закон но, обескураженный результатами, он забросил свою работу. однако в 1839 г. у него вновь появилось желание заняться ею. На этот раз он оказался на правильном пути. Вот что он писал знаменитому автору «Космоса», А. Гумбольду: «Вы спрашиваете у меня новостей о планете, находящейся за Ураном... Я уже, кажется, говорил вам, что много изучал этот вопрос, но единственный результат моих усилий есть уверенность, что существующая теория или, вернее, ее применение к солнечной системе, недостаточна, чтобы объяснить тайну Урана. Но это не причина отчаиваться в успехе.... Я думаю, что наступит момент, когда эта задача будет решена открытием новой планеты, орбита которой определится по тому влиянию, какое планета имеет на Уран, и будет проверена ее влиянием на Сатурн».

Но другие астрономы с трудом приходили к мысли о существовании неизвестной планеты за Ураном, влияющей на ее движение своим притяжением. Одни астрономы склонялись к тому, чтобы признать, что закон Ньютона теряет силу на больших расстояниях, другие считали, что причиной отклонений Урана является существующий у него незаметный для нас спутник, иные полагали, что виною здесь громадная комета, приблизившаяся к Урану и возмутившая ее движение. Геттингенская Aкaдемия Hayк в 1842 г. предложила на соискание премии задачу о странном поведении Урана. Однако срок конкурса истек, и никто не отважился взяться за эту работу.

Этот факт станет тем более знаменательным, если вспомнить, что в Геттингене в то время жил величайший математик и астроном нового времени — Гаусс.

Вот почему достойно изумления то, что еще в 1841 г. 22-летний юноша из Кембриджского университета смело занес в план своих ближайших работ решение этой задачи. Казавшейся непосильной первоклассным астрономам того времени. Наступил 1843 г. Экзамены, так отвлекавшие Адамса, были сданы и ему присуждена была ученая степень. Отныне вступает в действие его ранее составленный план. Но он не свободен от повседневных университетских забот. В его распоряжении только урывки времени и каникулы.

Нептун оказывает возмущающее влияние на движение Урана

Незаметно протекала работа Адамса в тиши университетских корпусов, без поощрения, без помощи, без какой-либо нравственной поддержки со стороны его руководителей. Только кoe-ктo из его близких друзей, уверенных в его блестящих силах, отдавал ему свою любовь и симпатии.

К своей задаче Адамс подошел как подлинный, большой ученый. Прежде чем непосредственно приняться за свою тему, он произвел обширную кpитическую переработку всего старого материала. И вот тончайшей паутиной необычайно сложных формул и цифровых выкладок, наконец, удается взять в плен виновницу всех бед, неизвестную пока никому планету. Которая оказалась на невообразимо далеком расстоянии от Солнца.

Наступает знаменательный день. Вычисления окончены. Остается только навести инструмент в ту точку неба, которая указана Адамсом, чтобы увидеть зрением то, что уже ясно «видел» Адамс с помощью своих формул.

Адамс собирается поехать в Гринвич к Эри и для этого испрашивает у Чаллиса соответствующее письмо 22 сентября 1845 г. Чаллис пишет Эри письмо: «Мой друг Адамес, который вручит вам это письмо, окончил вычисление возмущения Урана. Имея в виду его математические познания и его навыки к вычислениям, я вполне доверяю тем результатам, которые он получил».

Но случилось тaк, что Эри был в Париже в то время, когда Адамс приехал к нему в Гринвич. В конце октября он вновь предпринял поездку в Гринвич. Но опять неудачно. На этот раз Адамсу пришлось оставить кopoлевскому астроному записку с изложением содержания своей работы.

Через несколько дней ответ aккуратного Эри был уже в Кембридже. В нем он находит результат Адамса интересным и просит у него еще некоторых дополнительных сведений. Однакo по како-то случайности Эри ответа от Адамса не получил. Время шло, но казалось, будто никто в Англии не интересуется замечательными результатами Адамса. А Эри и Чаллис, отдавшие Адамсу дань вежливости на этом и ограничили к нему свое внимание.

А между тем в Париже летом 1845 г. знаменитый директор Парижской обсерватории Араго, не подозревая о предприятии Адамса, предложил одному из своих талантливых помощников взяться за задачу Урана. Это был Урбен Леверье.

Леверье сразу же горячо взялся за дело. С неподражаемой методичностью и последовательностью он проанализировал эту задачу и в ряде блестящих работ представил Академии наук свой труд. Много было общего в работах Леверье и Адамса, и результаты их почти совпадали, но участь этих работ была разная. Работой Леверье немедленно заинтересовались, и новая планета была открыта 23 сентября 1846 г., т. е. ровно через год после того, кaк Адамс привез Эри в Гринвич указание о местонахождении неизвестной планеты.

Каким же путем пришел Леверье к своему открытию? До того времени астрономы занимались тем, что по данной массе планеты и ее положению высчитывали возмущающее действие, оказываемое ею на другие светила. Теперь же возникла обратная задача. Которую наука еще никогда до того не ставила. Необходимо было по отклонению Урана от своей орбиты найти неизвестную возмущающую планету, определить ее орбиту и массу.

ЛеверьеИз всех известных в то время планет заметное возмущающее действие на Уран в состоянии оказать только Юпитер и Сатурн, вследствие их больших масс и относительной близости. Вот почему Леверье прежде всего и начал с вычисления возмущающих действий этих планет на Уран. И это он проделал с такой тщательностью, что, не удовлетворившись известным способом Лапласа, сам изобрел другой способ решения этой задачи с целью устранить какие бы то ни было случайности и ошибки.

Однако после учета возмущений Юпитера и Сатурна в движении Урана оставались несомненные и необъяснимые отклонения.

Леверье с необычайной методичностью разобрал все ранее существовавшие гипотезы и, одну за другой, кaк негодные, их отверг. Оставалось только одно допущение — что виновницей всех непонятных отклонении Урана является некая неизвестная планета!

Но где же она может находиться?

Может ли искомая планета быть между Солнцем и Сатурном? Нет, отвечает он, так как в этом случае отклонения наблюдались бы не только у Урана, но в еще большей степени у Сатурна. Может быть, неизвестная планета расположена между орбитами Сатурна и Урана? Но отклонения Сатурна полностью объясняются возмущениями известных планет и нет необходимости прибегать к влиянию неизвестной планеты.

Тогда пришлось сделать единственное допущение, что неизвестная планета находится за пределами орбиты Урана! К этому можно еще добавить, что-она должна быть расположена довольно далеко от его орбиты, иначе ее действие оказалось бы и на движении Сатурна, чего не наблюдается.

Но на каком расстоянии она должна быть?

Здесь Леверье призвал на помощь один закон или, вернее, правило, которое было найдено астрономом Боде, а именно, что каждая из более удаленных от Солнца планет отстоит от него вдвое дальше, чем предыдущая.

Использовав правило Боде, Леверье легко рассчитал, что неизвестная планета должна находиться от Солнца, примерно, на расстоянии 38 единиц (считая за единицу длины расстояние от Солнца до Земли), Taк кaк расстояние Урана от Солнца определяется 19-ю единицами. Но что нам может дать знание одного только расстояния до известной планеты? Орбита планеты определяется пятью элементами.

Если представить в пространстве орбиту Земли и какой-нибудь планеты, то плоскость орбиты этой планеты относительно плоскости орбиты Земли определится линией пересечения этих плоскостей и углом, образованным ими. Это два элемента. Далее, сама определяемая орбита ориентируется в своей плоскости положением большой оси. Это третий элемент. Haконец, размеры и форма эллипса определяются величиной среднего расстояния и эксцентриситетом. т. е. числом, показывающим степень приплюснутости эллипса. Taковы 5 элементов орбиты. Но наша задача заключается в определении положений самой планеты на этой орбите. А для этого требуется знание еще шестого элемента, показывающего положение планеты на орбите в некоторый начальный момент. Итак, всего необходимо 6 элементов. Но к этому нужно прибавить еще одну неизвестную — массу планеты, без знания которой нельзя производить расчетов. Однако стоит лишь внимательно разобрать задачу, чтобы убедиться в том, что искомых неизвестных гораздо больше. В самом деле, можем ли мы считать элементы Урана точно известными? Оказывается, нет. Взаимодействие Урана и неизвестной планеты таково, что не представляется возможным определить точно элементы одной планеты без знания элементов другой планеты. Следовательно, приходится число неизвестных удвоить.

Нужно признать, что в этом месте своей работы Леверье достиг предела трудностей. Ведь, чем располагал он в поисках 12 элементов? Только неуловимыми отклонениями Урана, заброшенного от нас в мировом пространстве почти на 3000 миллионов километров!

По необходимости Леверье вынужден был пойти на возможные упрощения, однако в таких пределах, чтобы не нарушить требуемой точности. Прежде всего можно без особого ущерба принять, что плоскости планетных орбит совладают с плоскостью земной орбиты. Тогда сразу для каждой из орбит отпадает по 2 элемента — угол наклонения и положение линии пересечения плоскостей орбит.

Но как же все-таки найти остальные элементы? Каждое наблюдение Урана дает возможность составить одно очень сложное уравнение с 8 искомыми неизвестными. Наблюдений же у Леверье было около 260. Чтобы облегчить работу и заодно улучшить результат, Леверье обработал и сгруппировал все эти наблюдения, сведя их к 26 «идеальным наблюдениям». Таким образом, задача оказалась состоящей из 26 уравнений с 8 неизвестными. Однако решение очень затруднялось тем обстоятельством, что одна из неизвестных входила в уравнение крайне-сложным образом. Это привело Леверье к необходимости избрать обходный и громоздкий путь. Он наперед задал этой неизвестной 40 различных возможных числовых значений и свел таким образом задачу к 40 вариантам, каждый из которых содержал 26 уравнений, но уже с 7 неизвестными. В результате решения всех этих вариантов и систем оказалось 40 вариантов ответов, из которых Леверье мог выбрать тот, который наиболее удовлетворял данным наблюдений. Наконец, такое решение было выбрано. Оставалось лишь многочисленными сопоставлениями, подборкой и поправками различных элементов, а также учетом некоторых допущенных небольших упрощений добиться наилучшего согласования всех вычисленных данных с наблюдениями.

В ходе этой кропотливой работы выяснилось, что число Боде мало удовлетворяет данным наблюдений и требуется его несколько уменьшить. Леверье остановился на расстоянии 36,2 единиц.

31 августа Леверье уже имел возможность доложить Французской Академии наук об окончании своих вычислений. Загадка Урана нашла свое разрешение. Весь ученый мир был взволнован сообщением Леверье. Весть об этом дошла и до Англии. И вот, 10 сентября 1846 г. в Соутгемптоне, где в том году заседала Британская ассоциация наук, Джон Гершель, сын знаменитого Вильяма Гершеля, открывшего планету Уран, обратился к ученому миру со следующими словами: «Прошлый год дал нам надежду на открытие новой планеты. Мы видим ее, как Колумб с берегов Испании видел Америку. Ее притяжение как бы дергает поплавок нашего далеко проникающего анализа свидетельствуя о ее существовании едва ли с меньшей достоверностью, чем непосредственное наблюдение».

АдамсЗначительно раньше этого, уже при появлении первых работ Леверье, для Эри и Чаллиса стало ясно, что проявленное ими маловерие по отношение к своему замечательному соотечественнику может повредить научному престижу Англии. Поэтому Чаллис по предложению Эри начал 29 июля 1846 г. поиски неизвестной планеты.

Спокойно и не спеша Чаллис принялся за работу, не считаясь с тем, что на континенте за решение этой задачи взялся смелый и решительный человек. К тому же и способ, избранный им, был мешковат и требовал продолжительного времени.

Увязая в своей кропотливой работе, неудачливый Чаллис не подозревал, что он уже наблюдал 4 и 12 августа 1846 г. неизвестную планету два раза. И если б не затяжной способ Чаллиса, то загадочная планета была бы обнаружена, так как ее положение было отмечено в груде цифр, записанных им в наблюдательном журнале.

Но в то самое время, когда Чаллис вел свои наблюдения. Леверье, полный решительности и уверенности, писал 18 сентября 1846 г. наблюдателю берлинской обсерватории астроному Галле письмо следующего содержания: «Направьте ваш телескоп в ту точку на эклиптике, которая находится на долготе 326 градусов, и вы увидите в расстоянии, не превышающем одного градуса от этого места, новую планету».

Эти слова, полные гордой уверенности в неограниченной силе науки, звучат, как приказ командира, не сомневающегося в правоте своего замысла.

23 сентября письмо пришло к месту назначения. Скрывая величайшее волнение. Галле вместе со своим ассистентом Д'Арре кончали последние приготовления к наблюдению. Инструмент уже направлен на указанную Леверье точку. Под рукой у них был лист звездной карты, на которой были нанесены звезды нужного участка неба.

Наблюдения начались. Прошло полчаса напряженного ожидания. Одна за другой подводятся в поле зрения телескопа звезды указанного участка. Они тщательно сверяются с картой. Нет все они отмечены на карте: это обыкновенные звезды, сияющие из далекого между звездного пространства.

Но вот внимание Галле привлекла слабая звездочка восьмой величины, невидимая простым глазом. Ее нет на Карте. Неужели это та планета? Да, в телескоп можно различить едва видимый ее диск. Это признак планеты. Но нужно дождаться наступления следующего вечера и посмотреть, имеет ли это светило собственное движение относительно звезд и соответствует ли это движение по величине и направлению тому, которое следует ожидать по теории Леверье.

Наступает вечер следующего дня. Галле и Д'Арре уже на своих местах. В поле зрения — нужный участок неба. Знакомое сочетание звезд. Все они на своем месте. Но подозрительная звездочка сместилась со вчерашнего места. Минута измерений и расчета,— и вопрос решен. В поле зрения — новая планета.

С невероятной быстротой весть об этом разнеслась по всему миру. Уже 1 октября, т. е. спустя неделю, известие перекинулось через Ла-Манш и дошло до Чаллиса и Адамса. Будем снисходительны к нашим предкам — они не располагали телеграфом.

Адамс отнесся к этому известию с тем сдержанным спокойствием, которое в подобные минуты свойственно лишь великим душам, посвятившим себя целиком поискам истины и чуждым каких бы то ни было исканий славы. За всю свою долгую и прекрасную жизнь, богатую замечательными открытиями и исследованиями, Адамс ни разу никого не упрекнул в проявлении маловерия к себе и не потребовал себе заслуженной доли славы, отданной почти целиком Леверье.

Но зато Эри, Джон Гершель и Чаллис теперь выступили в качестве защитников интересов Англии и Адамса с формальным требованием признания за Англией прав на oткрытие. Некоторое время этот спор омрачал то чувство восхищения, которые испытывали все перед силой человеческого гения, столь чудесным образом раскрывшего загадку далеких миров.

История все жe отдала предпочтение Леверье, проявившего в этом деле столь же необычайное мастерство, сколь и решительность. Адамс ровно годом раньше мог бы один завоевать честь этого открытия, еслиб встретил в Англии то внимание, которое окружало Леверье во Франции. Что касается нас, то мы можем целиком повторить вместе с Гёте замечательные слова о том, что лучше перестать спорить и только радоваться, что человечество может гордиться «двумя такими парнями, каждый из которых оказался в силах решить столь пpeкрасную и трудную задачу.

Солнечная система обогатилась новым полноправным членом — планетой, названной Нептуном. Пределы солнечной системы значительно расширились по сравнению с прежними. Гений человeкa сумел проникнуть в глубины мирового пространства и открыть невидимый мир, заброшенный где-то на расстоянии 4500 миллионов километров от нас.

Это было величайшим триумфом не только астрономии, но и всего человеческого знания. Это было ударом по идеализму, который оспаривает возможность познания мира и его закономерностей. Вот почему Энгельс, рассматривая это oткрытие, как блестящее торжество познавательной способности человека и его умения постигать сущность и свойства природы, писал: «Система Коперника в течение трехсот лет оставалась гипотезой, в высшей степени вероятной, но все-таки гипотезой. Когда же Леверье, на основании данных этой системы, не только доказал, что должна существовать еще одна, неизвестная до тех пор планета, но и определил, посредством вычисления, место, занимаемое ею в небесном пространстве, и когда после этого Галле действительно нашел эту планету, система Коперника была доказана».

Эти высказывания Энгельса имеют столь важное значение для марксистского мировоззрения, что товарищ Сталин полностью их воспроизводит в кратком курсе Истории Всесоюзной Коммунистической партии (большевиков), стр. 108 и обращает особое внимание на то, что Энгельс, критикуя положение Канта и других идеалистов о непознаваемости мира и непознаваемых «вещах в себе», на основании открытия Леверье отстаивал известное положение материализма о достоверности наших знаний.

Едва ли требуется еще что-нибудь добавить для того, чтобы охарактеризовать все исключительное значение открытия Леверье и Адамса!

Тер-Оганезов В.
"Наука и Жизнь", №11-12/1946 г.
15.12.2010

Поделиться мнением о статье