Предварение равноденствий
Приливы не единственное последствие влияния гравитации на Землю, так как она не является единой точкой, а занимает некоторое пространство. Ньютон открыл и ещё один эффект гравитации — предварение равноденствий.
Смена времён года на нашей планете происходит потому, что ось вращения Земли наклонена относительно плоскости орбиты, по которой она движется вокруг Солнца. В частности, как мы уже выяснили, ось отклоняется на 23,5 градуса по вертикали, и это означает, что и экватор Земли имеет такой же наклон относительно плоскости её орбитального движения. В Северном полушарии лето наступает, когда Земля поворачивается этим полушарием к Солнцу, а зима — когда полушарие смотрит в другую сторону. То же самое происходит и в Южном полушарии. Соответственно, когда в Северном полушарии зима — в Южном лето и наоборот.
Весна и осень — это промежуточные времена года, но астрономы стремятся к большей точности. По их словам, весна и осень наступают, когда плоскость орбиты Земли (эклиптика) пересекает плоскость экватора. Эти моменты в путешествии нашей планеты вокруг Солнца называют весенним и осенним равноденствием.
Все планеты движутся близко к эклиптике, потому что они возникли из одного и того же плоского кольца космического мусора, которое когда-то вращалось вокруг Солнца. Соответственно, на звёздном небе, которое видно с Земли, они располагаются в одной узкой полосе, о чём нашим предкам было известно ещё с античных времён. Звёзды в этой полосе были сгруппированы в 12 созвездий, соответствующих 12 знакам зодиака. В 2000 году до нашей эры, когда жители Вавилона создавали данную систему, на весеннее солнцестояние приходилось созвездие Овна, однако примерно каждые 2000 лет оно сдвигается на один знак. Во времена Иисуса Христа оно выпало на знак Рыб, а сегодня переходит в знак Водолея (в котором окажется к 2060 году). Именно это и имеют в виду люди, говорящие о наступлении эры Водолея.
Такое перемещение зодиакальных созвездий по ночному небу называют предварением равноденствий. Это третий и самый загадочный тип движения Земли после вращения вокруг своей оси и перемещения по орбите вокруг Солнца. Его открытие приписывают Гиппарху, греку, который жил и работал на острове Родос и которого часто называют величайшим астрономом Античности.
В 129 году до нашей эры, когда Гиппарх составлял свой знаменитый звёздный каталог, он обратил внимание на кое-что необычное. Положение звёзд на небе не соответствовало измерениям, сделанным древними вавилонянами. Казалось, будто все звёзды изменили своё местоположение и сделали это согласно какому-то порядку. Гиппарх предположил, что с места сдвинулись не звёзды, а сама Земля.
Используя записи вавилонских коллег, Гиппарх точно рассчитал скорость, с которой двигались звёзды. Судя по всему, земная ось каждые 72 года изменяла своё положение в пространстве примерно на один градус. Из-за этой прецессии ось вращения нашей планеты (всё ещё наклонённая на 23,5 градуса) раз в 26 000 лет поворачивается по вертикали. Звезда, находящаяся сейчас прямо над Северным полюсом, отличается от той, которую наблюдали древние египтяне. Мы видим Полярную звезду из созвездия Малой Медведицы, а 5000 лет назад жители Египта видели на её месте звезду Тубан из созвездия Дракона.
Именно прецессия объясняет предварение равноденствий, однако никому из учёных прошлого это не приходило в голову. Никому до Ньютона.
Ньютон понял, что форма Земли изменяется не только под влиянием притяжения Солнца и Луны, но и из-за её собственного вращения. Тела на экваторе перемещаются со скоростью около 1670 километров в час. Гравитация Земли не обеспечивает достаточной центростремительной силы, чтобы удерживать всю эту материю на месте, и она разбегается. Сегодня Земля вытянута в сторону от идеально шарообразной формы на 23 километра.
Ньютон понял, что притяжение Солнца и Луны, с которым они влияют на этот «экваториальный горб», заставляет вращающуюся Землю дрожать, как юлу. Она вращается по кругу в том направлении, в котором смотрит её ось. Приняв во внимание силы, воздействующие на Землю, Ньютон подсчитал, что прецессия должна занять 26 000 лет. Точно такое же значение приводили и его античные коллеги.
Закон всемирного тяготения стал источником постоянных сюрпризов. Оказалось, воздействие гравитации имеет множество последствий, и я ещё не рассказал вам обо всех.
При формулировании закона обратных квадратов Ньютон рассматривал Солнце и планеты как точки, обладающие массой. По его мнению, Земля влияет на Луну, как если бы каждая из них была лишь точкой с заданной массой. Но и Земля, и Луна имеют большую площадь, и именно это является основанием для таких явлений, как приливы и предварение равноденствий.
Ньютон сделал ещё одно допущение: он предположил, что на Землю воздействует только Солнце, а на Луну — только Земля. В случае с приливами мы видим, что это не так, ведь влияние на Землю оказывают и Луна, и Солнце. Так часто происходит в природе: на одно тело одновременно воздействуют несколько. Такое влияние приводит к тому, что космические тела вроде планет не всегда движутся ровно по эллиптическим орбитам. Кроме того, зная это, мы можем предугадать существование ещё не известных нам тел, основываясь на хаотическом движении известных.
Для дополнительного чтения
The Severn Bore: A natural wonder of the world (https://www.severn-bore.co.uk).
Ekman M. A concise history of the theories of tides, precession-nutation and polar motion (from antiquity to 1950) // Surveys in Geophysics. — 1993. — Vol. 14. — Issue 6. — P. 585–617 (http://www.afhalifax.ca/magazine/wp-content/sciences/vignettes/supernova/nature/MAREES/HistoireMarees.pdf).
Shu F. The Physical Universe. — Mill Valley: University Science Books, 1982.
Simanek D. Tidal Misconceptions. — 2003 (https://www.lockhaven.edu/~dsimanek/scenario/tides.htm).
4. Карта невидимого мира
Как закон всемирного тяготения Ньютона не только объясняет видимое, но и открывает нам невидимое.
Законы Кеплера пускай и не полностью верны, но достаточно близки к истине, чтобы привести к открытию закона о притяжении тел в Солнечной системе. Их неточность объясняется тем, что планеты также имеют массу, а потому влияют на орбиты друг друга.
Сорви цветок на Земле — и ты сдвинешь с места дальнюю звезду.
Поиски продолжались уже почти целый час, и все действия их участников стали автоматическими. Иоганн Галле всматривался через огромный медный телескоп-рефрактор в небо над Берлином, поворачивая ручки настройки до тех пор, пока в перекрестье не появлялась звезда, а затем выкрикивал её координаты. Его молодой ассистент Генрих Д’Арре, сидевший за деревянным столом в другом конце помещения под куполом обсерватории, просматривал карту звёздного неба, освещённую масляной лампой, и кричал в ответ: «Эта звезда нам известна». Галле снова принимался крутить ручки, направляя телескоп на следующую звезду. Из-за холодного ночного воздуха у него уже побаливала шея, и он начинал сомневаться в успехе предприятия.
