Текст книги "Лаплас"

ПРОИСХОЖДЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

Лаплас приступал к космогонии

В то время как революционная буря потрясала Францию, и раскаты ее громов перекатывались далеко за границу, распространяясь по Европе, Лаплас в тихом уединении Мелена работал над своей популярной книгой «Изложение системы Мира». В ней оформились окончательно его представления о вероятном ходе образования вселенной, и в седьмом примечании к книге, вышедшей в 1796 году, Лаплас впервые кратко излагает свою гипотезу. Думая уйти от революции, развитие которой пугало Лапласа, он бессознательно работал в пользу идей революции, именно в области идеологической борьбы с феодально-религиозным мировоззрением. Труды, аналогичные гипотезе Лапласа, утверждали торжество человеческого разума и подрывали авторитет церкви, игравшей такую большую роль в идеологическом обосновании классовых привилегий дворянства.

В следующих изданиях «Изложение системы Мира» Лаплас излагает свою гипотезу уже полностью.

Почему же, однако, это замечательное место помещено Лапласом лишь в примечаниях к последней главе его книги, да еще на последнем месте, и ни разу не упоминается в его капитальном сочинении – пятитомной «Небесной механике»?

Строгий и холодный ум Лапласа всегда стремился математически анализировать еще не исследованные явления природы, выявить их подчинение определенным законам. Ему были чужды полеты фантазии или поспешные умозрительные выводы, не основанные на достаточном фактическом материале и математических расчетах.

Только раз, именно в космогонической гипотезе, Лаплас дал волю своему воображению, хотя и сдерживаемому всей его эрудицией в области механики. Апаго говорит, что ни один геометр не остерегался так решительно духа гипотез, как Лаплас. Если Лапласу удавалось избегать гипотез, то лишь потому, что он не являлся творцом совершенно новой отрасли науки и почти не изучал таких явлений, которые, повидимому, не могли быть уложены в рамки закона всемирного тяготения. Гениально углубляя теорию Ньютона, находя для нее новые применения и сопоставляя ее с накопляющимися данными наблюдений, Лаплас, как уже говорилось, не чувствовал пользы, которую гипотезы приносили многим из его собратьев. Между тем, не создавая гипотез, дающих направление научному исследованию, астро-физика – наука о физической природе небесных светил – до сих пор влачила бы жалкое существование.

Именно вследствие особенностей избранной им области науки Лаплас уделяет такое скромное место своей гипотезе и говорит, что выставляет ее «с осторожностью, подобающей всему, что не представляет результата наблюдения или вычисления».

Очень распространено мнение, что Лаплас математически обосновал гипотезу Канта. Не говоря уже о том, что Лаплас не знал работы Канта и создал в значительной мере иную гипотезу, он ни одной формулой не подтверждает своих умозаключений. Впрочем и все его популярное «Изложение системы Мира», давая блестящий очерк небесной механики, не содержит этих формул. Тем не менее мысль Лапласа течет исключительно последовательно и строго логически. Факты, которые не могут быть выведены из цепи рассуждений, Лаплас оставляет без рассмотрения, даже без упоминания. Математическую обработку гипотезы Лапласа произвели гораздо позднее его соотечественники Рош (1820–1883) и Пуанкаре.

С точки зрения чистой механики математический анализ подтвердил во всех основных пунктах правильность выводов, сделанных Лапласом для об'яснения известных в его время фактов.

Кант пытался нарисовать картину происхождения вселенной в целом и отдельных ее частей, Лаплас ставит себе более узкую задачу. Он ограничивается рассмотрением происхождения солнечной системы. Причина заключается опять-таки в том, что во времена Лапласа о звездной вселенной, лежащей далеко за пределами солнечной системы, почти ничего еще не было известно, а Лаплас был очень строг к данным. Лишь его современник – бывший музыкант Вильям Гершель, дезертировавший из ганноверской армии в Англию, научился там строить гигантские телескопы и заглянул в бездны звездного пространства. Как увидим, уже первые открытия Гершеля оказали влияние на Лапласа: он использовал их для обоснования отправной точки своей гипотезы.

До Гершеля, а тем более во времена Коперника, Кеплера, Галилея и даже Ньютона, знания о мире почти исчерпывались знанием солнечной системы, и потому до сих пор так часто ставят знак равенства между происхождением вселенной и происхождением солнечной системы. Между тем говорить о происхождении вселенной – мира вообще – просто нелепо. Это значит заранее и произвольно приписывать ему конечность и во времени и в пространстве. Как можно говорить о происхождении бесконечного пространства в бесконечности времени? Можно говорить только о происхождении тех или иных конкретных форм материи в определенном, известном нам, но очень малом уголке вселенной. Выяснить, как происходит развитие материи, переход ее из одной формы в другую – вот подлинная задача космогониста-диалектика и материалиста.

Что было вместо солнечной системы

Лаплас не начинает «очень издалека», как Кант, он начинает свою гипотезу с того, что допускает существование огромной разреженной туманности, некогда заполнявшей всю современную солнечную систему, но уже имевшей в своем центре большое сгущение – молодое солнце. Вся предыдущая история этой туманности и образование сгущения не разбираются Лапласом, но в других местах своей книги он подробно описывает наблюдения и выводы Гершеля и присоединяется к ним.

Гершель первый подал ту плодотворную мысль, что установить процесс длительного развития какого-либо образования можно путем одновременного сравнительного изучения совокупности таких образований, находящихся в данный момент на различных ступенях своего «жизненного пути». Гершель сравнивал это с тем, как в обширном лесу можно проследить все этапы развития и роста дерева, одновременно наблюдая и первые побеги, и молодняк, и старые деревья, и поваленные гниющие, покрытые мохом древесные трупы. Если для дерева на прохождение всей этой лестницы требуются столетия, то еще больше времени занимают изменения в небесных светилах, и за время существования науки еще невозможно непосредственно обнаружить образование морщин на лице собратьев – Земли и Солнца.

При помощи своих гигантских телескопов с зеркалами, отшлифованными его собственными руками, Гершель смог впервые изучить сотни и даже тысячи туманностей и подметить в них большое разнообразие. 4 В одних местах он видел огромные, клочковатые и неправильные массы светящегося вещества, заливающие своим слабым светом огромные пространства неба. В других туманностях он замечал некоторую правильность очертания и увеличение яркости к центру светящегося пятна. В третьих туманностях – еще более правильной формы, он видел яркие звездообразные ядра, окруженные блестящей туманной массой, блеск которой планомерно ослабевает с удалением от этого ядра.

Некоторые звезды, например, главные звезды в скоплении Плеяд, оказались окруженными слабо, едва заметно светящимся веществом.

Таким образом, у Гершеля, а за ним и у Лапласа, создалось впечатление о существующем медленном сгущении туманного вещества в компактные звездообразные тела, в раскаленные солнечные шары, окруженные сначала обширной, но разреженной атмосферой. Эта первобытная туманность была, таким образом, доподлинно обнаружена в мировом пространстве и представляла нечто весьма отличное от метеоритной туманности Канта, состоящей то ли из твердых, то ли из жидких частиц. Это не был неопределенный по физическому строению Хаос древних греков.

Со времен Гершеля и Лапласа идея сгущения звезд из разреженных туманных масс сохранилась до настоящего времени, и в том или ином виде небулярные (от слова nebula – туманность) гипотезы происхождения тех или иных форм небесных тел не сходят со сцены.

Туманную атмосферу, окружающую первобытное Солнце, Лаплас представляет себе аналогичной современной раскаленной атмосфере Солнца, т. е. чисто газовой, сильно нагретой, но простирающейся далеко за орбиту самой далекой планеты солнечной системы. Такой планетой во времена Лапласа был Уран, открытый тем же Гершелем в 1781 году.

Идея обширной атмосферы возникла у Лапласа под влиянием данных наблюдения. Он говорил, что какова бы ни была природа причины, направившей движение планет около Солнца в одном направлении, нужно, чтобы она заключала в себе все эти тела, и «ввиду разделяющего их страшного расстояния, она не может быть не чем иным, как флюидом необ'ятного притяжения… нужно, чтобы этот флюид окружал Солнце как атмосфера».

Лаплас уже сразу полагает, что первичное туманное Солнце обладало медленным вращением вокруг своей оси, увлекая в него и окружающую его атмосферу. Нет автора, который, излагая этот пункт гипотезы Лапласа, не бросил бы ему явного или скрытого упрека за его отказ об'яснить происхождение этого вращения. Вот мол, Кант, хоть и неверно, а пытался об'яснить происхождение вращения своих туманностей. Между тем такие упреки могут делать лишь те, кто не хочет понять, что всякое движение, неизменно свойственное извечной материи, состоит из комбинации поступательного и вращательного движения и так же не нуждается в об'яснении, как существование самой материи и движения вообще. Мало того, открытия последних лет ясно обнаружили вращение всех туманностей, которые только удалось достаточно исследовать при помощи спектрального анализа.

Очевидно, Лаплас был более последовательным материалистом, чем все его биографы и компиляторы.

Вначале туманность Лапласа вращается как твердое тело, с одинаковой угловой скоростью, и чем дальше ее частицы от центра, тем больше их линейная скорость при таком вращении.

Чтобы об'яснить происхождение тех или иных форм материи и происходящих в них процессов, надо прежде всего знать эти формы и эти процессы. К системе Коперника уже нельзя было применить об'яснении, дававшихся в поэтических легендах индусов или египтян. Нельзя было уже потому, что об'яснять надо было что-то иное. Слишком непохож был мир, известный Копернику, на мир, известный индусам или египтянам.

Основными характерными особенностями солнечной системы, с которыми пришлось считаться гипотезе Лапласа, были следующие.

1. Подавляющая часть массы солнечной системы заключена в Солнце, и на долю всех планет, вместе взятых, приходится только 1/700.

2. Плоскости орбит всех планет и всех спутников почти совпадают друг с другом и с плоскостью солнечного экватора.

3. Все планеты обращаются вокруг Солнца в одном и том же направлении, в том же, в каком сам солнечный шар вращается вокруг своей оси. Это направление вращения в астрономии называется прямым.

4. Спутники обращаются вокруг своих планет в том же самом прямом направлении.

5. Сами планеты вращаются вокруг своей оси тоже в прямом направлении. (О вращении спутников вокруг своей оси в то время еще ничего не было известно, да и сейчас мы знаем об этом очень мало).

6. Эллиптические орбиты планет и спутников очень близки к кругам.

7. Вокруг одной из планет – Сатурна – наблюдается очень тонкое, но широкое кольцо, состоящее, собственно говоря, из ряда концентрических колец.

8. Туманного вида светила, быстро проносящиеся по солнечной системе и носящие название комет, двигаются либо по очень вытянутым эллипсам, либо даже по разомкнутым кривым – параболам.

Если одна, а тем более две из перечисленных характерных особенностей солнечной системы не будут об'яснены гипотезой, то вероятность ее может быть подвергнута большому сомнению. Как мы видим, требования, пред'являемые к космогоническим гипотезам, весьма строги. Именно поэтому многих скороспелых «изобретателей гипотез о происхождении вселенной» постигает нередко грустное разочарование, когда они пытаются конкурировать с Кантом, Лапласом или с позднейшими космогонистами.

Рождение планет

Вернемся, однако, к гигантской туманности со сгущением в центре, из которой, по мысли Лапласа, развилась солнечная система. Эта обширная, раскаленная газовая туманность, вращающаяся вокруг своей оси, испускала, конечно, в пространство большое количество тепла и вследствие этого охлаждалась. Охлаждение туманности должно было сопровождаться ее сжатием, т. е. уменьшением размеров и возрастанием плотности газа. Но с уменьшением размеров вращающегося тела, скорость его вращения, как безошибочно утверждают законы механики, должна возрастать. На языке механики это важнейшее правило говорит, что «сумма моментов количества вращения должна быть постоянна», т. е. должна быть постоянна сумма произведений массы каждой частицы на ее скорость и на ее расстояние от оси вращения.

Чем быстрее вращается тело, тем больше в нем центробежная сила, которая сильнее всего действует на частицы, лежащие на границах экватора туманности. Поэтому туманность сплющивалась у своих полюсов все больше и больше, вытягиваясь в плоскости экватора и напоминая своим видом линзу, чечевицу или две глубокие тарелки, сложенные своими краями.

На некотором расстоянии от оси вращения в плоскости экватора частички приобрели скорость, достаточную для того, чтобы действующая на них центробежная сила уравнялась с силой тяготения. Заметим, что если первоначально эта туманность простиралась далеко за орбиту наиболее далекой планеты, – она не простиралась все-таки в бесконечность. В самом деле, частички, очень далекие от центрального сгущения, могли им притягиваться слабее, чем каким-либо другим массивным небесным телом, т. е. какой-нибудь другой звездой. Даже и без этого влияния со стороны солнечных соседей такие далекие частички при достаточной скорости или при случайном толчке легко могли выйти из области притяжения центрального сгущения и рассеяться в мировом пространстве.

Частички, лежащие на экваторе и испытывающие при вращении центробежную силу, равную силе их притяжения к центру, теряли связь с остальной массой туманности и отслаивались от нее. Они продолжали вращаться уже самостоятельно, на определенном расстоянии от центра и с постоянной скоростью. Так как процесс охлаждения и сжатия туманности происходил непрерывно, то от туманности, вращавшейся все быстрее и быстрее, в экваториальной плоскости отрывались слои за слоем, всякий раз как центробежная сила для данных частиц начинала уравновешивать тяготение.

Таким образом, сплющенная туманность превратилась в шар, оставшийся от центрального ядра, окруженный неоднородным, тонким и почти плоским газовым кольцом, лежащим в экваториальной плоскости. Образовавшееся плоское кольцо вращалось уже не как твердое тело, потому что после каждого отслоения газового пояска скорость вращения остатка туманности возрастала, как этого требуют законы механики. Различие в угловой скорости частичек кольца, сжатие поясков вследствие охлаждения и взаимное притяжение частичек таких поясков начало производить расслоение кольца на отдельные пояса или внутренние кольца, отделенные друг от друга промежутками. Наглядное представление о получившейся картине дает в миниатюре планета Сатурн со своими плоскими, концентрическими кольцами, отделенными друг от друга несколькими пустыми промежутками. При наблюдении в телескоп эти промежутки в кольцах Сатурна кажутся темными.

Образование колец является наиболее характерной чертой гипотезы Лапласа.

Лаплас полагал, что отделившиеся таким образом кольца образовались как раз в местах, занятых теперь орбитами планет. Он думал, что внутреннее трение между частичками каждого отдельного кольца должно было выравнять их угловые скорости, так что в конце концов кольцо вращается вокруг своего центра с угловой скоростью, одинаковой во всей своей массе. Охлаждение и взаимное тяготение частиц вело к дальнейшему сжатию кольца, которое, конечно, лишь в исключительных случаях могло бы быть однородным. В нем неизбежно должны были бы встречаться уплотнения и разрежения газа. Более массивные комки постепенно должны были притянуть к себе, собрать остальные частички, и, таким образом, каждое неоднородное кольцо сбивалось в один газовый шар, несущийся вокруг Солнца на том расстоянии, на каком отделилось соответствующее кольцо, и имеющий ту скорость, какую имела туманность на экваторе в момент отделения этого кольца. Поэтому-то кольца, отделившиеся позднее, находившиеся ближе к Солнцу и имевшие большую угловую скорость, превратились в планеты с наименьшим периодом обращения. Действительно, самая близкая к Солнцу планета – Меркурий обегает вокруг него в 88 суток; следующая планета – Венера – в 225 суток; Земля – в год, и так вплоть до Урана, обращение которого составляет 84 года. Солнце, которое Лаплас мыслит сжавшимся центральным ядром, обладает периодом вращения вокруг оси в 25 дней, т. е. еще более коротким, чем период Меркурия, что и соответствует теории Лапласа.

Действительно, после отделения кольца Меркурия сжимающееся центральное тело должно было начать вращаться еще быстрее. Вместе с тем описанные процессы, очевидно, вполне могли привести к тому, что существует в действительности, т. е. к тому, что орбиты всех планет – почти круговые и лежат почти в плоскости солнечного экватора, причем направления обращений все одни и те же – прямые.

Вращение планет и рождение спутников

Возникновение вращения планет вокруг своей оси Лаплас об'ясняет тем, что кольцо, сгущающееся в газовый комок, двигающийся с одинаковой угловой скоростью, т. е. так, что все его частицы в одно и то же время делают полный круг около Солнца, – имело скорость на внутреннем краю меньше, чем на внешнем. Поэтому внешние части как бы забегали вперед и привели этим во вращение образующийся газовый шар, дальнейшее сжатие и охлаждение которого привело к формированию планет в их современном виде.

Незначительная вначале скорость вращения планет впоследствии должна была увеличиться, потому что планета сжималась при охлаждении, а при этом, как мы знаем, скорость вращения увеличивается.

Однако, прежде чем застыть, многие пришедшие во вращение газовые шары – будущие планеты – испытали тот же процесс, в результате которого они сами образовались. Их охлаждение и сжатие повело к отслоению от них колец, лежащих почти в той же плоскости, что путь планеты около Солнца. С этими кольцами повторился процесс их распадения, и так, по мысли Лапласа, образовались спутники планет – их луны. Лишь у Сатурна, говорит Лаплас, газовые кольца, отслоившиеся от будущей планеты, оказались так однородны, что не могли собраться в отдельные большие тела, а распались на множество крошечных телец, которые, благодаря своему количеству, образовали метеоритные кольца. Действительно, исключительный вид планеты Сатурн, не забываемый никем, кто его видел в телескоп, является как будто лучшей иллюстрацией и лучшим подтверждением правильности гипотезы Лапласа.

Очевидно, вращение всех планет вокруг оси и обращение их спутников должны происходить в одном и том же прямом направлении. Только такие «прямые» движения были известны во времена Лапласа. Вытекающий из описанного процесса более короткий период вращения планеты вокруг оси, по сравнению с временем обращения спутников, согласовался с наблюдениями.

Опыт Плато

Можно себе представить, какое впечатление произвел опыт, при помощи которого гипотеза Лапласа, как казалось, была подтверждена. Его сделал в 1843 году Плато. Он взял смесь воды со спиртом, плотность которой была одинаковой с плотностью жидкого масла. Если в такую жидкость влить масло, то оно соберется в спирте в виде шара, находящегося в безразличном равновесии, не всплывая наверх и не падая на дно. Плато проткнул через этот шар палочку и привел ее в быстрое вращение, увлекающее и масляный шар. При быстром вращении жидкий масляный шар сплющивается, и от него в плоскости экватора отделяются кольца. Кольца скоро распадаются на отдельные мелкие шарики, продолжающие вращаться вокруг большого масляного шара, проткнутого палочкой. Получается как будто полная аналогия той картины, которую так мастерски набросал Лаплас.

Теперь мы уже знаем, что опыт Плато совсем не является подтверждением гипотезы Лапласа. Масляный шар, плавающий в спирте, не имеет ничего общего с огромной, разреженной и раскаленной туманностью Лапласа. В частности, в опыте Плато большую роль играют явления так называемого поверхностного натяжения жидкостей.

Происхождение комет

На иную точку зрения стал Лаплас для об'яснения происхождения комет с их вытянутыми путями вокруг Солнца, нередко пересекающимися под большим углом с плоскостями планетных орбит. Здесь Лаплас находится под влиянием тех результатов, которые он получил, тщательно вычисляя влияния, которые массивные планеты, особенно Юпитер, оказывают на движение комет.

Случается, что какая-нибудь «неосторожная» кометка пройдет около Юпитера слишком близко, и его могучее притяжение, действуя на близком расстоянии, может «совратить» кометку с того пути, по которому она бежала бы под действием одного лишь солнечного притяжения. Под действием таких возмущений со стороны Юпитера или Сатурна ее вначале параболический путь может стать замкнутым, эллиптическим, так что случайно забредшая в солнечную систему кометка может стать пленницей Солнца. Из случайной гостьи нашей системы она становится ее постоянным членом, становится периодической кометой. Вообще же Лаплас считал кометы чуждыми пашей солнечной системе. Он полагал, что они образуются в мировом пространстве, как сгустизшиеся обрывки туманностей, подобных тем, из которых развилась солнечная система. Странствуя в безднах вселенной, они по временам случайно попадают в поле притяжения какой-нибудь звезды, в том числе нашего Солнца. Тогда они огибают его, делаясь на это время видимыми с планет, и снова навсегда исчезают в безднах мироздания, если только Юпитер не захватит их в плен, как это было описано. Изложенная гипотеза Лапласа о «захвате периодических комет» до сих пор является, пожалуй, наиболее популярной.