Текст книги "Лаплас"

Форма и вращение Земли

Другой результат, еще ближе касающийся Земли – вопрос о ее форме – Лаплас также сумел получить, исходя из наблюдений Луны.

Предсказанный Ньютоном факт сжатия Земли у полюсов был подтвержден точными геодезическими измерениями французских астрономов. Для этой цели измерения приходится делать в самых разнообразных местах земного шара, у экватора и у полюсов, опять-таки при помощи специальных экспедиций. Результаты длительных и трудных наблюдений в поле подлежат после этого еще многолетней обработке. Без знаний точной фигуры Земли нельзя построить точную географическую карту, столь нужную для транспорта, промышленности и в военном деле.

Лаплас и тут нашел теоретическое решение задачи, затратив несравненно меньше времени и труда, чем геодезисты. Он рассудил, что планета притягивает другие тела как материальная точка, помещенная в центре этой планеты, лишь в том случае, если она состоит из шаровых концентрических слоев однородной плотности. Если Земля сжата у полюсов, то вдоль ее экватора должен существовать избыток вещества, как бы твердый пояс, окружающий планету. Ближайшая к Луне часть этого пояса должна притягивать нашего спутника сильнее, чем более далекая, и притяжение Луны Землей нельзя заменить притяжением материальной точкой, так как расстояние от Земли до Луны не слишком велико в сравнении с размерами этого экваториального пояса. В результате в теоретические формулы, представляющие движение Луны, должны войти члены, зависящие от величины земного сжатия. Сжатие Земли Лаплас вычислил из этих формул, сравнивая свою теорию с наблюдениями. Луны, произведенными в одном месте. Найденная им величина сжатия 1/306 очень близка к величине 1/297, принимаемой для Земли в настоящее время.

По величине сжатия Земли, зная скорость ее вращения вокруг оси, можно вычислить упругость земных недр и можно догадываться о ее внутреннем строении.

Клеро впервые вывел замечательную теорему (носящую его имя), позволяющую определить сжатие Земли из известного распределения силы тяжести на ее поверхности, независимо от распределения плотностей внутри Земли. Для определения самой силы тяжести астрономические экспедиции определяли период колебания маятников, зависящий, как известно, от величины этой силы тяжести. На полюсах она должна быть больше, на экваторе меньше. Практическое использование метода Клеро, контролирующее собственный результат, полученный другим методом, впервые было сделано Лапласом. Вообще фигурой Земли Лаплас занимался очень много. Он изучал в связи с этим фигуру равновесия вращающейся жидкой массы, развивая исследования Ньютона, Мак Лорена, Клеро и Даламбера. В связи с этим Лаплас ввел в науку чрезвычайно плодотворное понятие о так называемом потенциале (или силовой функции), немедленно использованное Лежандром и другими учеными.

Выяснилось, что степень сжатия Земли меньше, чем должно быть в случае однородного жидкого тела, вращающегося со скоростью Земли. Отсюда следовало, что внутри Земля плотнее, чем у поверхности. Закон нарастания плотности по мере погружения в Землю Лаплас мог вычислить на основании своей теории и сравнения ее с уже известным сжатием Земли. Так было найдено, что удельный вес вещества, составляющего недра Земли, равен 11-ти, т. е. больше удельного веса железа.

Вместе с тем Лаплас гораздо подробнее, чем Даламбер, рассмотрел явления прецессии и нутации, заставляющие земную ось странствовать в мировом пространстве. Явление прецессии тесно связано с формой, которую имеет Земля, Лаплас учел упущенные Даламбером и Эйлером физические факторы – наличие океанов и атмосферы. Он доказал, что океаны и атмосферу, несмотря на их подвижность, в данном случае можно рассматривать как твердые Тела, слитые со всей Землей в одно целое.

Не влияют ли внутренние причины – вулканические извержения и землетрясения – на равномерность звездных суток, т. е. на время вращения Земли вокруг своей оси, которое является в сущности основной единицей для нашего измерения времени? Этот вопрос был впервые затронут Лапласом. Результат оказался вполне успокоительным: эти причины не могут изменять продолжительность суток.

Наконец, Лаплас поинтересовался тем, не может ли ось Земли менять свое положение внутри самого тела планеты. В результате этого со временем изменились бы географические широты местностей, отчего в лучшем случае пришлось бы постоянно переделывать географические карты. В худшем случае это повело бы к изменению климатических областей. Земной полюс, попав в Европу, сковал бы ее в своих ледяных об'ятиях, холодная необитаемая Антарктика могла бы стать жаркой экваториальной страной. В XVIII веке не было надежных наблюдательных данных, чтобы ответить на этот вопрос.

Лаплас рассмотрел проблему теоретически и убедился, что нет никакой причины, которая могла бы вызвать такие большие последствия. Ось Земли, как и продолжительность суток, Должны быть неизменны при всех мыслимых перемещениях масс у поверхности Земли или в ее глубине.

Недавно наблюдения обнаружили систематическое колебание широт, для изучения которого советское правительство содержит одну из международных «широтных станций» (в Китабе, около Самарканда). Найденные перемещения полюса по земной поверхности происходят приблизительно по спирали и не выходят из пределов круга радиусом около десятка метров, с периодом несколько больше года. Эти незначительные колебания земной оси не противоречат выводам Лапласа и не являются серьезной угрозой для изменения климатов.

Фигура Луны, сопровождающей нас в беге Земли вокруг Солнца, должна быть еще сложнее, чем фигура Земли. Лаплас занимался и ею, в частности вопросом, который всегда так интересует школьников: почему Луна повернута к Земле одной и той же стороной? Работа Лагранжа недостаточно осветила это явление, и Лаплас нашел, что Луна должна быть слегка вытянута по направлению к Земле. Эта особенность вызывает во вращении Луны вокруг оси возмущения, обусловленные Землей и не позволяющие Луне покачнуться так, чтобы стала видна большая часть той отвернутой от нас ее половины, про которую Уэльс и другие писатели-фантасты написали увлекательные романы.

Теория приливов

Последнее явление, связанной с Луной и отраженное в трудах Лапласа, океанские приливы и отливы. Приливная волна дважды в сутки поднимается и затопляет берега прибрежных местностей. Во внутренних морях эта волна невелика, но в устьях рек, впадающих в обширный океан, она позволяет даже глубоко сидящим судам заходить далеко вверх по течению. Дважды же в сутки волна прилива спадает и уступает место отливу, когда корабли должны спешно выходить из реки обратно в море, чтобы не сесть на мель. Все чаще и чаще говорят о необходимости и даже пробуют использовать технически (для гидроэлектростанций) колоссальную энергию приливов. Все это требует возможности предсказывать время наступления приливов и их высоту.

Рис. 7. Схема смены приливов.

Но приливы изменчивы и капризны. Высота их на берегах открытого океана в зависимости от разных условий колеблется от 50 сантиметров до 21 метра, да и время их наступления чередуется по сложному закону. Даже в одной и той же местности высота и время приливов сильно меняются.

Ньютон указал, что приливы и отливы вызваны различием в притяжении Луной и Солнцем близких к ним и более далеких частей водной оболочки Земли. Все же Ньютон был очень далек от придания теории приливов формы, способной удовлетворить запросы мореплавания.

Луна, находясь на одной прямой с Солнцем и Землей (в новолунии и полнолунии), увеличивает высоту приливов, действуя совместно с Солнцем. Во время первой и последней четверти Луны, когда она видна с Земли под прямым углом к Солнцу, притяжение Солнца уменьшает прилив, вызванный Луной. Лунный прилив стремится быть наибольшим в той точке Земли и в то время, где и когда Луна видна в зените, т. е. прямо над головой. Однако из-за сложности лунного движения положение этой точки на Земле все время меняется. Если еще вспомнить о непрерывных изменениях расстояния между Землей, Луной и Солнцем и о многочисленных возможных комбинациях в их взаимном расположении, то получится некоторое представление о трудностях, с которыми сталкивается даже чисто астрономическая теория приливов.

Бернулли, Эйлер и Маклорен тщетно пытались создать теорию, сколько-нибудь годную для практических нужд. Они создали так называемую статическую теорию приливов, допуская для простоты расчетов, что поверхность воды в каждый данный момент мгновенно принимает фигуру равновесия под действием приложенных к ней приливных сил. При этом они считали, что земной шар целиком окружает океан одинаковой глубины и что вода идеально подвижна… Конечно, эти предположения не соответствуют действительности.

Лаплас повернул дело совсем по-новому и создал динамическую теорию приливов. Из всех сил, действующих на воду по направлению к Луне, Лаплас принял во внимание только силы, касательные к поверхности воды, так как лишь они играют в явлении приливов серьезную роль. Эти силы на рис. 8 изображены стрелками и заставляют воду образовывать выпуклость, направленную к Луне и от нее. (Солнце действует точно так же, но вызываемые им приливные силы вдвое меньше, чем в случае Луны). В полосе этих выпуклостей (А и В на рис. 7) и находятся приливы, которых, как мы видим, одновременно бывает два на противоположных сторонах земного шара. В остальных частях Земли (Д и С на рис. 7) происходит отлив. Положение Луны на рисунках отмечено буквой L.

Рис. 8.

Лаплас вынужден был также допустить для упрощения теории, что океан равномерно окружает всю Землю и имеет постоянную глубину. Поэтому можно было ожидать, что его теория будет применима лишь к островам, но не к берегам материков. Новизна исследований Лапласа заключалась, главным образом, в том, что он изучал, какую форму должна принять водная поверхность под действием так называемых вынужденных колебаний, т. е. колебаний всей водной массы под действием приливных сил.

Очень подробные изыскания проделаны Лапласом для различных глубин океана и сравнены с многолетними наблюдениями приливов в Брестском порту.

Результаты, полученные Лапласом, не дали практикам того удовлетворения, которого они домогались, но и сейчас нельзя еще предсказывать приливы на основе одной лишь чисто астрономической теории. Однако теоретическое значение работы Лапласа огромно и гораздо шире, чем задача предсказания приливов. Будущая теория, окончательно разрешая этот вопрос, не обойдется без упоминания имени Лапласа. Вот что сказал о нем на рубеже XX столетия лучший знаток теории приливов Джордж Дарвин: «Именно он (Лаплас) впервые выяснил всю трудность вопроса и показал, что вращение Земли является важнейшим фактором в решении задачи. Современная постановка вопроса о явлении приливов всецело дана Лапласом… Среди всех великих ученых работ, трактовавших этот вопрос, выделяется, во-первых, работа Ньютона, а за ним мы должны сейчас же поставить Лапласа. Какие бы оригинальные и важные труды по теории приливай в будущем ни появлялись, все они неизбежно должны основываться на выводах этих великих людей».

Лаплас сам прекрасно знал, в чем состоит основная трудность практических применений теории приливов.

Океаны не покрывают Землю сплошь. Берега материков препятствуют движению воды по направлению движения Луны. Глубина моря различна, и дно очень неровно. Это создает трение, тормозящее движение воды и даже вращение Земли в целом. Учесть все эти влияния, даже если бы был точно известен рельеф океанского дна и его геологический состав, – дело непосильное и для современной науки. Тем не менее, теория приливов и приливного трения, которому большое внимание уделил Энгельс в «Диалектике природы», была применена к об'яснению того, как родились Луна и двойные звезды, каково далекое будущее их и нашей Земли.

Вместе с тем Лаплас был первым, рассмотревшим приливы в земной атмосфере. Он рассеял своими исследованиями убеждение, что Луна влияет своим притяжением на показания барометра.

Природа тяготения

Занимаясь приложением теории тяготения к разнообразнейшим явлениям, Лаплас не прошел мимо проверки основных принципов тяготения.

Размышляя о принципах тяготения, Лаплас говорит: «Является ли этот закон первичным законом природы? Не есть ли это лишь общее следствие некоторой неизвестной причины? Здесь наше незнание внутренних свойств материи ставит нам преграду и отнимает у нас всякую надежду удовлетворительно ответить на эти вопросы. Вместо того, чтобы создавать для этого гипотезы, ограничимся непосредственным изучением того, как принципы тяготения применяются геометрами».

Далее Лаплас очень кратко касается проверки свойств, приписываемых этими «геометрами» тяготению.

Как известно, среди физических явлений тяготение стоит совсем особо, и для выяснения его природы было бы крайне существенно знать, существует ли экран для тяготения, т. е. можно ли чем-нибудь загородиться от действия тяготения. Многочисленные наблюдения заставляют признать, что тяготение проникает сквозь небесные тела так же свободно, как если бы этих тел не существовало. От тяготения ничем загородиться нельзя, для него не существует экрана, подобного тому, который существует для света или электричества.

Другая величина, также не установленная Ньютоном, – скорость распространения тяготения. Бесконечно ли она велика или конечна, и если конечна, то какова именно? В «Изложении системы Мира» Лаплас говорит: «Сообщается ли притяжение от одного тела к другому мгновенно? Время передачи, если бы оно было для нас заметно, обнаружилось бы преимущественно вековым ускорением в движении Луны. Я предлагал это средство для об'яснения ускорения, замеченного в упомянутом движении, и нашел, что для удовлетворения наблюдениям должно приписать притягательной силе скорость в семь миллионов раз большую, чем скорость светового луча. А так как ныне причина векового уравнения – Луны хорошо известна, то мы можем утверждать, что притяжение передается со скоростью, по крайней мере в пятьдесят миллионов раз превосходящей скорость света. Поэтому, не опасаясь какой-либо заметной погрешности, мы можем принимать передачу тяготения за мгновенную».

Так как скорость света составляет 300000 километров в секунду, то отсюда получается минимальная скорость тяготения около 15000 миллиардов километров в секунду. Хотя впоследствии и оказалось, что истинная теоретическая величина векового ускорения Луны вдвое меньше, чем ее нашел Лаплас, к его словам о скорости распространения тяготения нельзя прибавить ничего более определенного. До настоящего времени классическая механика (физика или астрономия) не может установить с определенностью, близка ли скорость тяготения к скорости света или же она бесконечно велика – мгновенна.

Помимо указанных выше вопросов, Лаплас в «Изложении системы Мира» рассматривает, насколько справедливы основные положения теории тяготения: 1) тяготение действует между наиболее мелкими частицами тела; 2) оно пропорционально массам; 3) оно обратно пропорционально квадратам расстояния; 4) оно одинаковым образом действует на движущееся и на покоящееся тело. Лаплас приводит факты и соображения, на его взгляд бесспорно подтверждающие правильность этих основных положений.

К сказанному им современная наука ничего принципиально нового добавить не может. До наших дней физическая сторона природы тяготения в классической физике осталось столь же неясной как была. Только теория относительности Эйнштейна, подходящая к физике с принципиально новой точки зрения, дала возможность рассматривать природу тяготения в совершенно новом свете.

НАУКА, МЕТОДЫ И ЛЮДИ

ЕСЛИ сам Лаплас и его современники оставили очень мало сведений о личной и общественной жизни замечательного ученого, то в переписке и трудах Лапласа мы, как в зеркале, видим все его мировоззрение, те внутренние двигатели, которые побуждали его без устали всю жизнь служить науке.

Понять и оценить творчество великого геометра, как принято называть Лапласа, нужно не только потому, что тогда перед нами полнее выступит его личность, но еще более потому, что эта оценка является характеристикой одного из основных направлений науки XVIII и XIX веков. Стиль работ Лапласа передался многим его ученикам. В работах Лапласа находит свое лучшее выражение заключительный период эпохи Просвещения и французского материализма XVIII века.

Чтобы верно оценить истинное значение работ, рожденных в прошлые века, мало еще определить их современный вес в сокровищнице человеческого знания. Необходимо мысленно перенестись в ту среду, в которой идеи эти возникли.

Наука побеждает не только гениальными взлетами мысли отдельных личностей, но и совокупными усилиями целых поколений ученых. Эту особенность сам Лаплас выразил так: «Наука развивается не так, Как литература. У последней есть пределы, которые ей ставит не только гениальность писателя, но совершенство языка и стиля и уменье их использовать. Во все века мы с одинаковым интересом прочитаем его произведения, и слава писателя, не ослабевающая с течением времени, увеличивается благодаря неустанным попыткам пытающихся ему подражать. Наука же, наоборот, безгранична, как природа, разрастается до бесконечности, благодаря трудам последующих поколений. Наиболее совершенные труды поднимают науку на высоту, с которой она уже не имеет права спуститься, и рождают новые открытия, подготовляя этим самым труды, которым суждено затмить их самих».

В этой оценке Лаплас ошибочно отвергает роль и влияние предшествующих писателей на последующих и забывает об эволюции в литературе, однако это высказывание прекрасно характеризует самого Лапласа.

Незаконченные открытия

Лаплас уже в возрасте двадцати лет овладел всем, что можно было тогда изучить, и с первых же шагов своей научной работы оказался в ряду передовых ученых своей эпохи.

Ньютон установил основы теории тяготения и в общих чертах об'яснил явления движения планет и их спутников, комет, форму Земли, колебания ее оси, приливы и отливы. Но создание и разработка теории тяготения этим не были закончены. Современное Ньютону состояние математического анализа ставило предел, и он мог положить лишь скромное начало механике небес.

Достаточно ли теории тяготения, чтобы вполне точно представить себе все эти явления?

Ответить на это было трудно из-за огромного количества взаимных влияний (притяжений) многочисленных членов солнечной системы.

Ньютон полагал, что солнечная система не обладает достаточной устойчивостью, что тяготение планет не только к Солнцу, но и друг к другу, постепенно расстраивает солнечную систему. Отдавая еще дань теологии, он допускал, что по временам творец (бог) должен вмешиваться, снова и снова водворять заблудшие светила на уготовленные им заранее места.

После смерти Ньютона успехи математики позволили приступить к углубленному изучению следствий теории всемирного тяготения и тщательному сравнению ее выводов с данными наблюдений.

Французская Академия наук стимулировала такие исследования, предлагая темы и об'являя премии за их выполнение. Параллельно росла и практика наблюдений, позволившая точно установить форму Земли и такие подробности движения небесных тел, которые не были известны Ньютону.

В области теорий подвизались крупнейшие имена. Эйлер, братья Бернулли, Клеро, Даламбер и Лагранж решили часть стоявших перед ними проблем. Бывало, однако, что у них опускались руки, и иногда, может быть, даже мелькало сомнение во всеобщности самого принципа тяготения.

Целый ряд таких не разгаданных до конца явлений встал перед молодым Лапласом; возникал вопрос, не действуют ли в природе посторонние, еще неизвестные, влияния или силы, если усилия его предшественников не увенчались успехом.

Не удивительно ли, что юноша, вопреки обычаям, сразу взялся за скрупулезное исследование этих проблем заново, с колоссальным упорством и настойчивостью изучая их одну за другой. Он преследовал свою цель до тех пор, пока не доводил дело до победного конца. Эта кропотливая и трудная область – небесная механика – сразу стала предметом его любимых занятий. С полным правом мог он сказать по поводу теории тяготения: такова была природа этого поразительного открытия, что каждое возникшее перед ним затруднение становилось для него новым об'ектом триумфа.

Другой областью, которой Лаплас также уделил много времени и внимания, была математическая теория вероятностей или теория случайностей, как называли ее в то время. В течение XVIII столетия значение этой теории неуклонно возрастало.

Основы теории вероятностей были заложены Паскалем и Ферма, а затем развиты Яковом Бернулли, Моавром и Байесом. Эта теория родилась из стремления анализировать законы азартных игр, выяснить шансы на выигрыш у участников игры или лотереи. После того, как астроном Галлей положил основание статистике, теория вероятностей постепенно получила широчайшее применение. Ею стали пользоваться в финансовых, экономических и даже в исторических науках.

Аналитически строгий ум Лапласа не мог не увлечься выяснением законов в той сфере, которую принято было считать игрой слепого случая. Овладеть этими случаями, подчинить их расчету, раскрыть тайну случайных событий, введя их в рамки закономерности так, как это сделано для движений небесных тел, – вот что поставил себе задачей Лаплас. Заслуги его в этой области также чрезвычайно велики и носят принципиальный характер.

Третья, меньшая по значению область работ Лапласа – разработка им различных вопросов физики. В жизни Лапласа было два таких периода, когда его внимание сосредоточивалось на этих проблемах, и всегда это было связано с общением его с современными выдающимися физиками и химиками.

Сперва – близость и совместная работа с основателем химии Лавуазье, позднее, уже в старческие годы, тесная дружба с химиком Бертолле. Работая в области физики, Лаплас находит и там новое и плодотворное применение теории сил отталкивания и притяжения.

Сначала он вместе с Лавуазье занялся опытами по теплоте, здесь его, повидимому, увлекла та широта размаха, с которой Лавуазье ставил свои опыты. 21 августа 1783 года Лаплас пишет Лагранжу: «Я, право, не знаю, каким образом я дал себя увлечь в работу по физике, и вы найдете, быть может, что я лучше бы сделал, если бы воздержался от этого; но я не мог устоять против настояний моего друга Лавуазье, который вкладывает в эту совместную работу столько приятности и ума, сколько лишь я мог бы пожелать. Кроме того, так как он очень богат, он не жалеет ничего, чтобы придать опытам точность, необходимую при таких тонких исследованиях».

Наконец, немало сделал Лаплас в первые же годы его научной карьеры и в области чистой математики. Он дополнил и развил ряд теорий, созданных его предшественниками и современниками: Эйлером, Даламбером, Кондорсе и Лагранжем. В письме к Даламберу (15 ноября 1777 г.) молодой Лаплас пишет: «Я всегда изучал математику скорее для собственного удовольствия, чем из пустого тщеславия, которого я всегда избегаю. Для меня составляет наибольшее удовольствие следовать по тому пути, по которому идут исследователи, видеть борьбу их гения со встречающимися препятствиями и победу над этими препятствиями. Я мысленно ставлю себя на их место и задаюсь вопросом, как бы поступил я сам, встретив такие препятствия, и, хотя это доставляет по большей части лишь унижение моему самолюбию, удовольствие от использования их успехов все же вполне возмещает мне это маленькое унижение. Если я оказываюсь достаточно счастливым, чтобы добавить что-либо к их работам, я вполне оцениваю их пионерские усилия, хорошо представляя себе, что в моем положении они пошли бы еще дальше. Из этого вы видите, что никто не читает ваших трудов с большим вниманием, чем я, никто полнее меня их не использует».