Возьмите второй закон Кеплера, который гласит, что линия, проведенная от Солнца до планеты, покрывает равные площади за равные промежутки времени. Иначе говоря, планеты ускоряются при приближении к Солнцу и замедляются при отдалении от него. Ньютон дал объяснение такому поведению планет. Сила гравитационного притяжения между двумя объектами тем больше, чем ближе эти объекты находятся по отношению друг к другу, и тем меньше, чем они дальше друг от друга. Когда планета находится вблизи Солнца, она испытывает более сильное притяжение, в результате чего ее движение ускоряется; и наоборот, по мере увеличения расстояния между ними сила их притяжения уменьшается, а движение планеты замедляется.
Фундаментальный труд Ньютона, однако, мог и не дойти до публикации. Королевское общество растратило свой предназначенный для публикаций бюджет на издание провальной книги «История рыб». Тогда в это дело вмешался астроном Эдмунд Галлей, заплатив за публикацию труда Ньютона из собственных средств. Таким образом, он обеспечил одной из важнейших книг всех времен, научной и не только, выход в свет.
Исаак Ньютон и проблема света
Примерно в то же самое время, когда воображение Ньютона озарило упавшее с дерева яблоко, он занимался, помимо прочего, игрой с призмами и светом. Эксперименты с этими стеклянными кубиками не представляли собой ничего нового, так как давно было известно, что они могут производить целый спектр цветов из одного белого света. При этом превалировало мнение, что призма окрашивает свет, когда он проходит через нее. Сам по себе он чисто белый.
Ньютон опроверг эту идею при помощи очень остроумного, хотя и очень простого эксперимента. В один солнечный день в 1666 году он закрыл окно ставнями, вырезав в нем небольшое отверстие так, чтобы в комнату входил лишь один луч света. Затем он поместил на пути света призму, чтобы, как он ожидал, появилась радуга цветов. А теперь об изюминке. На пути этих цветов он поместил вторую, перевернутую призму, и, разумеется, она вновь объединила все цвета в единый белый цвет. Вопреки всем предположениям, призмы никак не способны создавать цвета. Должно быть, белый свет действительно представляет собой смешение разных цветов, которые разделяются при прохождении через призму (или воссоединяются, то есть рекомбинируются). Свои результаты Ньютон опубликовал в 1672 году.
Понимание основных свойств света является краеугольным камнем многих областей современной астрономии. Как мы в этом убедимся далее, ученые вновь и вновь обращаются к этому знанию.
ОТРАЖАТЕЛЬНЫЙ ТЕЛЕСКОП
В 1668 году Ньютон сконструировал новый тип телескопа. Ранние телескопы представляли собой рефракторы – они использовали линзы для преломления, или рефракции, света. Сконструированный Ньютоном рефлекторный (зеркальный) телескоп позволял разрешить одну из самых больших проблем, связанных с рефракторами, – проблему хроматической аберрации. Линзы преломляют лучи каждого спектра света немного по-разному, точно как в призме, а это означает, что не все лучи в итоге попадают в один и тот же фокус.
В телескопе Ньютона свет входит сверху и попадает на изогнутое зеркало, расположенное на дне. Он отражается обратно вверх по трубе, попадает на второе плоское зеркало и отражается от него в сторону, где в окуляре появляется фокусированное изображение.
В настоящее время самые большие в мире телескопы являются рефлекторами, так как в отношении размеров рефракторов имеются ограничения. Свет должен проходить через линзу, которую надо поддерживать с обеих сторон. Если она будет слишком крупной, то начнет проседать под собственным весом и не сможет обеспечивать адекватную фокусировку света. Зеркало же можно поддерживать, закрепив сзади. Самый большой в мире рефрактор имеет линзу величиной в один метр – зато диаметр самого большого рефлектора немногим больше десяти метров.
Рёмер и скорость света
Последние десятилетия XVII века были воистину революционными для нашего понимания природы света. Над проблемой света работал не только Исаак Ньютон, сделавший очень важные и ценные открытия в области происхождения цветов, выяснением того, как быстро перемещается свет, занимался и датский астроном Оле Рёмер.
В семидесятых годах семнадцатого столетия Королевская обсерватория в Париже отправила команду астрономов в старую обсерваторию Тихо Браге, расположенную на острове Гвен, для проведения тщательных измерений четырех галилеевых спутников Юпитера. Особое внимание парижские астрономы должны были уделить тому, когда именно эти спутники становятся невидимыми из-за того, что планета затмевает их. Рёмер был местным ассистентом французского астронома Жана Пикара и впоследствии, вернувшись после работы в Ураниборге, получил работу в Париже.
Наблюдения лун Юпитера дали странный и озадачивающий результат: затмения часто случались либо раньше, либо позже предполагаемого времени, рассчитанного на основе ньютоновской теории гравитации. К началу 1676 года Рёмера озарила идея, объясняющая этот феномен и основанная на работе директора обсерватории Джованни Кассини. Оба они совершенно верно предположили, что свету требуется время для того, чтобы пройти какое-то расстояние в космосе. До этого существовало убеждение, что скорость света бесконечна, то есть что свет распространяется от пункта А до пункта Б мгновенно. Однако, как оказалось, затмения спутников Юпитера происходили раньше срока, если Земля и Юпитер находились близко друг от друга, и совершенно очевидно задерживались, когда две планеты находились на максимальном расстоянии. По расчетам Рёмера свету требовалось одиннадцать минут, чтобы преодолеть расстояние, равное расстоянию между Землей и Солнцем. Вычисленная им скорость оказалась равной 220 миллионам метров в секунду.
Сегодня мы знаем, что скорость света равна 299 792 458 метров в секунду, так что Рёмер и Кассини ошибались не намного. Но куда важнее не то, что они получили конкретное число скорости света, а сам факт того, что был окончательно решен вопрос о том, что скорость света конечна и что свету требуется время для того, чтобы достичь той или иной точки космического пространства. В нашей повседневной жизни мы никогда этого не замечаем, потому что в масштабе обычной жизни свет распространяется практически мгновенно. Этот вопрос обретает реальный смысл, а скорость света становится ощутимой только при астрономических расстояниях. Далее мы еще не раз вернемся к этому вопросу.
Одним из наиболее удобных и хорошо известных способов говорить о космических расстояниях – это рассматривать их в количестве световых лет – расстоянии, которое свет проходит за один земной год. Таким образом, учитывая, что свет проходит 299 792 458 метров в секунду, получается, что за год свет проходит 9,46 триллиона километров. Ближайшая к нам после Солнца звезда находится на расстоянии примерно в 40 триллионах километрах – или на расстоянии 4,2 световых года. Для расположенных ближе небесных тел можно использовать световые часы, световые минуты и даже световые секунды. Плутон, например, находится на расстоянии 5,3 световых часа от Земли. Солнце – на расстоянии 8,3 световых минуты, а Луна – всего лишь 1,3 световых секунды.
