В 1840-е гг. математики усовершенствовали уравнения Ньютона. В нормальном случае нам известны положения всех планет, что позволяет точно вычислять их орбиты. Возможны ли обратные расчеты? Что, если, отталкиваясь от отклоненной орбиты Урана, попытаться вычислить, где должна находиться неизвестная планета, вызывающая отклонение? Французский математик Урбен Леверье решил задачу.
В наши дни было бы легко разработать для этого программное обеспечение – любой студент, изучающий астрономию, справится с этим за один-два дня. Но в те времена в распоряжении ученого были только письменный стол, карандаш, бумага и логарифмические таблицы. Леверье понадобилось несколько месяцев, чтобы получить достоверный результат.
Его усилия окупились. В сентябре 1846 г. вблизи местоположения, указанного Леверье, была обнаружена новая планета. Он написал о своем прогнозе коллеге Иоганну Галле из Берлинской обсерватории. В течение нескольких часов Галле с ассистентом Генрихом д’Арре нашли Нептун – так было названо это небесное тело.
Теперь понятно, почему Нептун иногда называли «планетой, открытой за письменным столом» – она была обнаружена по результатам математических расчетов
[18]. В них использовались уравнения Ньютона. Таким образом, открытие Нептуна, восьмой планеты Солнечной системы, было воспринято как триумф теории всемирного тяготения Ньютона.
Именно так обычно работает наука. Она отталкивается от наблюдений – в нашем примере за траекториями падающих яблок и планет. Какой-нибудь гений выдвигает теорию, непротиворечиво объясняющую наблюдения, – в данном случае это Исаак Ньютон и его теория всемирного тяготения. По мере того как все больше предсказаний теории подтверждаются, ученые проникаются все большим доверием к ней – именно так открытие Нептуна подкрепило теорию Ньютона.
Прошло около 10 лет с открытия Нептуна, и Леверье занялся поисками девятой планеты. Искал он ее не за орбитой Урана, а внутри орбиты Меркурия, самой близкой к светилу планеты Солнечной системы. Причина та же: как и Уран, Меркурий вел себя «неправильно».
Траектория движения Меркурия вокруг Солнца не является правильной окружностью. Она имеет выраженный эксцентриситет: расстояние до Солнца меняется при каждом обороте. Более того, сама орбита медленно вращается – самая ближняя к Солнцу точка орбиты Меркурия (его перигелий) со временем смещается. В середине XIX в. это явление – так называемая «прецессия перигелия» – была измерена с большой точностью. Она составляет около 1/6° за столетие – больше, чем предсказывала теория Ньютона. По расчетам Леверье, на 92,5 % прецессию перигелия Меркурия можно было объяснить гравитационными возмущениями других планет. Но 7,5 % (43″ за 100 лет) оставались загадочными. Открытие Нептуна не помогло – Нептун находится слишком далеко и движется слишком медленно, чтобы оказывать заметное влияние на орбиту Меркурия.
Соответственно, Леверье предположил, что существует другая до сих пор не обнаруженная планета внутри орбиты Меркурия. Могла ли столь близкая планета ускользнуть от взгляда астрономов? Безусловно, могла. Восход и закат планеты, находящейся очень близко к Солнцу, происходили бы практически одновременно с солнечными. Вследствие этого она была бы на небе только днем, когда ее невозможно увидеть, становясь доступной для наблюдения только в двух редких случаях: во-первых, при полном солнечном затмении, когда яркий диск Солнца заслоняет Луна; во-вторых, во время транзита, когда планета проходит перед солнечным диском, если смотреть с Земли.
Поскольку Леверье успешно предсказал существование Нептуна на основе неправильного поведения Урана, он был убежден, что прецессию орбиты Меркурия также можно объяснить неизвестной прежде «интрамеркурианской» планетой. Леверье даже подобрал для прилегающей к Солнцу гипотетической планеты название – Вулкан, в честь римского бога огня
[19].
Проблема была в том, что никто так и не нашел Вулкан ни во время затмений, ни при предполагаемом транзите. (Сейчас мы точно знаем, что такой планеты не существует.) В конце XIX в., начав изучать физику и математику в Цюрихе, Альберт Эйнштейн понимал, что теорию всемирного тяготения Ньютона можно поставить под сомнение: она не смогла в полной мере объяснить медленную прецессию орбиты Меркурия. Где ошибка?
Молодой Альберт знал и о другой досадной проблеме. Она была связана со скоростью света.
Свет движется невероятно быстро. Настолько быстро, что ученым было сложно измерить его скорость. Для лучшего понимания приведу пример: если включить лазерную указку в Нью-Йорке, ее свет всего через 0,013 секунды достигнет Лос-Анджелеса (если бы не препятствие в виде кривизны поверхности Земли). Лишь во второй половине XVII в. датский астроном Оле Рёмер довольно точно определил скорость света. Сегодня мы знаем, что она составляет около 300 000 км/с. (В действительности 299 792,458 км/с в космическом вакууме. Нам невероятно повезло с выбором метрических единиц, благодаря которому скорость света оказалась столь близкой круглому числу. В других единицах измерений эту величину было бы трудно запомнить. Например, это 670 616 629 миль/ч или – специально для британских читателей старшего возраста – 1803 трлн фарлонгов за две недели.)
Через 15 лет после экспериментов Рёмера, в 1690 г., нидерландский физик Христиан Гюйгенс опубликовал знаменитую книгу «Трактат о свете» (Treatise on Light)
[20]. Гюйгенс был одним из величайших ученых своего времени. Он установил природу колец Сатурна, открыл самый крупный спутник Сатурна Титан, первым заметил темные пятна на поверхности Марса. Он значительно продвинул изучение механики и оптики и изобрел маятниковые часы.
В «Трактате о свете» (впервые увидевшем свет на французском языке) Гюйгенс утверждал, что свет является волновым феноменом. Его можно сравнить с волной, распространяющейся по поверхности пруда. Как волны на воде или звуковые волны (а также, о чем вы скоро узнаете, гравитационные), световые волны характеризуются рядом свойств. Поэтому имеет смысл для начала рассмотреть общие свойства волн всех типов.
Во-первых, это амплитуда волнового процесса. У водяных волн амплитуда равна половине разности ее высоты в гребне и ложбине. В случае звуковых или световых волн амплитуда является показателем энергии – силы звука или яркости света. Амплитуда гравитационных волн – это их интенсивность: более мощные волны сильнее искривляют пространственно-временной континуум.
Во-вторых, это скорость волны. Рябь на поверхности пруда распространяется со скоростью около 1 м/с. Звуковые волны в воздухе – со скоростью около 330 м/с. Световые и гравитационные волны движутся со скоростью света, почти 300 000 км/с.
