Открытие на кончике пера

Время от времени ученые сталкиваются лицом к лицу с явлениями странными, из ряда вон выходящими, необъяснимыми. Именно изучение таких явлений обогащает науку новыми открытиями. Для объяснения необычных явлений выдвигаются новые гипотезы.

Всякая гипотеза хороша только тогда, когда из нее можно сделать выводы, теоретически предсказать чуть-чуть больше того, что уже известно из наблюдений. Гипотеза проверяется новыми фактами. И как удачно сказал академик Д. А. Белопольский: «Если гипотеза подтверждается – это приятно, если не подтверждается – это интересно». Если выводы из новой гипотезы не соответствуют новым наблюдениям, значит, она ошибочна и ей не суждено стать новым словом в науке. Но тогда открывается путь для новых поисков, в результате которых могут быть открыты совершенно новые процессы и явления. Рождаются другие гипотезы, и так повторяется до тех пор, пока не возникнет, наконец, такая гипотеза, которая объяснит все имеющиеся в наличии наблюдательные данные. Это уже не гипотеза, а новая теория.

Тем же путем входил в жизнь закон всемирного тяготения.

Ньютон высказал этот закон, сопоставив и сведя воедино разрозненные наблюдения и гипотезы своих предшественников. Он решился предать этот закон гласности, только проверив его на примере движения Луны. Новый закон нашел прекрасное подтверждение в споре о фигуре Земли.

И все-таки противники закона всемирного тяготения полностью не перевелись. Их возражения были разнообразными. Подвергался сомнению сам принцип взаимодействия на расстоянии без всякой передающей среды. Как это так – частицы материи ни с того ни с сего притягиваются друг к другу в пустоте? И их притяжение не зависит от первичной структуры тел? Разве могут притягиваться одинаковым образом тела, по своему строению рыхлые, неплотные, как, скажем, пробка и тела очень плотные, наподобие свинца и ртути? Использованные Ньютоном понятия сила и масса казались абстрактными, оторванными от реальной природы, надуманными. Критики закона всемирного тяготения часто указывали и на возможность ограниченности его применения. Он может быть справедлив для Земли, Марса, Юпитера, даже Сатурна. Но как знать, сохраняет ли этот закон силу и для еще больших расстояний?

Закон всемирного тяготения нуждался в надежной проверке. Нужны были свежие наблюдения, дополнительный фактический материал.

В 1781 г. неустанные наблюдения Вильяма Гершеля увенчались открытием нового члена Солнечной системы – «звезды Георга». Поначалу распространилось мнение самого Гершеля, что им обнаружена очередная комета; их к тому времени было известно довольно много. Но вскоре Ж. Сарон и А. И. Лексель – ученик Леонарда Эйлера, член Петербургской Академии наук, российский астроном и математик, известный исследователь комет – обнародовали результаты своих предварительных вычислений: новый небесный объект движется вокруг Солнца примерно по круговой орбите, радиус которой вдвое больше радиуса орбиты Сатурна. За восемьдесят с лишним лет «незнакомец» совершит полный оборот вокруг Солнца.

Гершель открыл не комету, а новую планету Солнечной системы – Уран. Этой планете и предстояло стать пробным камнем истинности закона всемирного тяготения.

Астрономы продолжали накапливать наблюдения и десятилетие за десятилетием выполняли точные предвычисления теоретической орбиты Урана. Однако наблюдения ясно говорили о том, что Уран «своевольничает»: настоящий Уран перемещается по небу чуть-чуть не так, как Уран теоретический – тот, который двигался бы в строгом соответствии с законом всемирного тяготения.

Уклонения от «законного» движения Урана были невелики, но из-за чего они появились? Или закон всемирного тяготения действительно не так уж строг и не годится для точного предсказания движений далеких планет? Или же существуют силы, которые слегка изменяют орбиту Урана, заставляют планету то немного отставать, то забегать вперед?

В 1825-1926 гг. Уран опередил свои расчетные положения примерно на 10''. Потом он стал как бы отставать, и его фактическое положение на небе сблизилось с теоретическим. Но не успели астрономы вздохнуть с облегчением и обрести душевный покой, как отставание Урана приняло катастрофический характер. В 1832 г. расхождение между данными теории и результатами наблюдений составляло почта 30'' и продолжало неуклонно возрастать на 6-7'' в год. К 1840 г. оно достигло 1,5' – величины вообще-то очень маленькой, но ощутимой, поскольку ошибки наблюдений во всяком случае не превышали 1'', да и теория, казалось бы, тоже обеспечивала такую точность.

Установленный факт настоятельно требовал объяснения. Для этой цели обсуждалось, по крайней мере, пять различных гипотез. Первая из них состояла в том, что Уран в своем движении испытывает тормозящее сопротивление среды, заполняющей межпланетное пространство. Но почему тогда такое же сопротивление не испытывают все остальные планеты Солнечной системы?

Другая гипотеза предполагала, что Уран обладает не известным еще науке массивным спутником, который и вызывает наблюдаемые отклонения. Но два спутника Урана были открыты еще в 1787 г. Расчеты показывали, что они не оказывают никакого ощутимого влияния на движение Урана. Чем же объяснить тогда, что гораздо более крупный спутник свыше полувека таинственно ускользает от бдительности наблюдателей?

Третья гипотеза была столь же неправдоподобной, как и две предыдущие. Она предполагала, что незадолго перед открытием Урана произошло его столкновение с кометой, в результате чего орбита этой планеты претерпела скачкообразное изменение. Однако вследствие чего в подобном случае отклонения в движении Урана носили характер колебаний; ведь он двигался то быстрее, то медленнее, чем предписывала теория.

Волей-неволей оставалось сосредоточиться на двух наиболее принципиальных гипотезах: либо закон всемирного тяготения несправедлив на больших расстояниях от Солнца, либо причиной странного поведения Урана является внешнее влияние от еще одной неизвестной планеты.

Мысль о существовании трансурановой планеты многим астрономам казалась очень заманчивой, – образно говоря, она носилась в воздухе. О трансурановой планете много говорилось и писалось. Однако мысль эта по-прежнему была не более чем догадкой, одной из нескольких допустимых гипотез. Покуда никто не решался взять на себя титанический вычислительный труд: отыскать гипотетическую планету с помощью только бумаги и чернил по крохотным уклонениям в движении Урана. А что если трансурановой планеты вовсе и не существует?

Но час настал. И за работу принялись сразу двое – люди разных национальностей, граждане разных стран, никогда не видевшие друг друга в глаза. Один не догадывался о существовании другого.

Первым был Джон Кауч Адамс, англичанин, 22 лет от роду, студент колледжа Св. Джона в Кембридже, любитель астрономии, вторым – Урбен Жан Жозеф Леверье, француз, опытный вычислитель с большим стажем, штатный математик Парижской обсерватории.

Адамс с детства увлекался головоломными вычислениями. В 16 лет, еще в школе, он поразил родных, самостоятельно предсказав момент начала солнечного затмения. Узнав о возможности путем вычислений найти новую планету, Адамс чрезвычайно увлекся этой идеей. Полный энтузиазма, он по окончании колледжа в 1843 г. целиком ушел в эту работу, отдавая ей все свободное время. Проверяя и перепроверяя вычисления, Адамс тратил на них год за годом.

Между тем математик Парижской обсерватории Леверье занимался обычными делами. Он изучал движение Меркурия, Венеры, вычислял орбиты вновь открытых комет. В 1845 г. его неожиданно вызвал к себе директор обсерватории Франсуа Араго. Директор прекрасно понимал исключительное значение открытия еще одной планеты Солнечной системы и считал, что упустить такой редкий случай было бы непростительной оплошностью. Араго указал Леверье на важность этой проблемы и просил его, приостановив все остальные работы, безотлагательно сосредоточиться на вычислении орбиты гипотетической трансурановой планеты.

Леверье сел за работу в начале лета 1845 г. Адамс к этому времени уже успел решить поставленную им самим задачу. В сентябре он подготовил доклад с предсказанием положения неизвестной планеты на небе 1 октября 1845 г. Он сделал все от него зависящее. Дальнейшее было игрой случая.

Дважды ездил Адамс в Лондон для встречи с королевским астрономом. И оба раза возвращался с пустыми руками: сэр Джордж Бидделл Эйри – тот самый королевский астроном, который сомневался в осуществимости кабельной связи через Атлантику, – в эти дни был в отлучке. Адамс оставил ему записку с изложением доклада и указанием места, где следует искать планету. Но записка была сухой и краткой, а Гринвичская обсерватория и без того завалена текущей работой. Королевский астроном не принял записку Адамса всерьез и оставил ее без последствий.

События продолжали идти своим чередом. Летом 1846 г. с окончательными результатами расчетов движений гипотетической планеты выступил в Парижской обсерватории Урбен Леверье. Научное содержание его работы по существу совпадало с работой Адамса. И тот и другой приняли одинаковые расстояния неизвестной планеты до Солнца – они вычислили его в соответствии с правилом Тициуса – Боде. Оба использовали схожие предположения о массе гипотетической планеты.

Как впоследствии выяснилось, вычисления Адамса были на редкость точными. И предсказание Леверье практически совпадало с тем, которое Адамс сделал раньше него на 8 месяцев.

Но судьба работ Адамса и Леверье оставалась несхожей.

Узнав о работе Парижской обсерватории, королевский астроном в Гринвиче поспешно отдал запоздалое распоряжение включиться в поиски новой планеты. Астрономы уподобились охотникам, напавшим, наконец, на верный след. Но что это были за медлительные охотники! Не торопились ни англичане, ни французы.

Конечно, сотрудники Парижской обсерватории заинтересовались докладом Леверье, но просили отложить начало наблюдений до тех пор, пока они детально не изучат выводов своего коллеги. Разве можно тратить драгоценное наблюдательное время на поиски впустую?

И тогда Леверье, сгоравший от нетерпения, взял инициативу в свои руки. 18 сентября он отправил письмо Иоганну Галле, наблюдателю Берлинской обсерватории. «…Направьте телескоп в созвездие Водолея, – призывал его Леверье, – в точку эклиптики с долготой 326°, и в пределах одного градуса от этого места Вы найдете новую планету. Она девятой звездной величины и имеет заметно различимый диск…»

Фортуна не переставала улыбаться Леверье. Незадолго перед описываемыми событиями Галле как раз получил несколько новых звездных карт. Одна из них относилась к созвездию Водолея и включала область, о которой писал Леверье.

Отчего же не попробовать, решил Галле, если нужные материалы все равно у тебя под рукой! И 23 сентября он направил свой телескоп в созвездие Водолея. В ту же ночь, 23 сентября, он нашел на небе объект, отсутствующий на звездной карте. То была восьмая планета Солнечной системы, которую впоследствии за ее зелено-голубую окраску назвали в честь римского бога морей Нептуном.

Леверье стал героем дня. Как сказал Араго, он открыл планету «на кончике пера».

Открытие Нептуна было в развитии астрономии грандиозным шагом вперед. Это был триумф всех точных наук XIX в. Это был великий триумф Исаака Ньютона и сформулированного им закона всемирного тяготения.

Через три десятилетия «бочка меда» Леверье была испорчена «ложкой дегтя». Используя уклонения в движении Меркурия точь-в-точь по той же схеме, какую подсказал ему некогда Араго, герой открытия Нептуна объявил о существовании инфрамеркуриальной планеты. По данным Леверье, новая планета, которую заранее окрестили Вулканом, должна была мелькнуть на диске Солнца 22 марта 1877 г. На этот раз многие астрономы, не сомневаясь в авторитете Леверье, без раздумий прильнули к окулярам. Увы, предсказание не оправдалось. Планеты между Меркурием и Солнцем в природе не нашлось. Как тонущий за соломинку, Леверье ухватился за одно-единственное ошибочное наблюдение и даже выхлопотал для «свидетеля» его правоты орден Почетного легиона. Но это, конечно, ничего не изменило. Планеты между Меркурием и Солнцем не было и нет.

Уклонения в движении Меркурия по своему характеру резко отличались от тех, по которым был открыт Нептун. Особенности орбиты Меркурия получили объяснение лишь полвека спустя в рамках общей теории относительности.