Космос. Иллюстрированная история астрономии и космологии - Джон Норт

цвет пламени ярко желтым – пламени, которое Фраунгофер связывал с «D-линиями» в спектре Солнца. Новый и решающий вклад Кирхгофа заключался во введении в работу Бунзена элемента точности посредством измерения его цветов с помощью спектрометра. К 1860 г. эти два человека показали, что каждый металл имеет в высшей степени характерную линию в спектре. Это привело Бунзена к анализу щелочных соединений, результатом чего стало открытие двух новых элементов – цезия и рубидия.

Уже в 1859 г. Кирхгоф совершил открытие, существеннейшим образом повлиявшее на всю будущую астрономию. Он был удивлен, открыв, что если пропустить должным образом ослабленный солнечный свет через натриевое пламя до того, как он попадет в спектрометр, то темные спектральные D-линии («линии Фраунгофера») будут заменены яркими линиями пламени; но в ярком солнечном свете, прошедшем через пламя, темные линии становятся еще темнее. Его объяснение этого обстоятельства заключалось в том, что среда, способная излучать спектральные линии (то есть линии определенной длины волны), способна также и поглощать свет той же длины волны. Десятью годами ранее Уильям Стокс пришел к аналогичному заключению, касающемуся D-линий в лабораторном пламени и в спектре поглощения, и даже предложил теоретическое объяснение, использовав для этого понятие атомного резонанса, но его идеи не получили должного отклика, и странно, что Кирхгоф впоследствии не хотел иметь ничего общего с этим фундаментальным объяснением указанного феномена. Однако главный вывод Кирхгофа – тот, который он вывел в день наблюдения обращения линий, – был весьма сенсационным. Он увидел, что на Солнце присутствует не только натрий, но и многие другие не идентифицированные элементы. На это указывали соответствующие фраунгоферовы линии. Многие представляли химию небесных тел в качестве прекрасной иллюстрации недосягаемого знания, однако она все же оказалась в пределах доступности как минимум посредством наблюдения.

В течение нескольких недель Кирхгоф разработал количественную теорию испускания и поглощения света, не такую фундаментальную, как теория Стокса, но во многом более полезную для развития физики. Согласно его выводу, отношение поглощательной способности поверхности к ее излучательной способности одинаково для всех тел при заданной температуре. (Вывод верен в пределах заданного интервала длин волн.) Этот закон излучения стал одним из главных элементов термодинамики излучения. В том, что касается астрофизики, он позволил включить температуру в число измеримых небесных параметров. Таким образом, астрономия претерпела революционное изменение еще в одном отношении посредством открытия, которое на первый взгляд не имело с ней почти ничего общего.

АСТЕРОИДЫ И НЕПТУН

Однако возможности совершения открытий по накатанной колее еще не были исчерпаны. Создается впечатление, что весь мир волновала идея существования по соседству новых планет. Двумя из них, обнаруженными после открытия Гершелем Урана, стали Нептун, найденный в 1846 г., и Плутон – в 1930 г. (Вопрос о том, заслуживает ли Плутон права называться планетой, сохранялся до XXI в.) В способах их открытия оказалось так много точек соприкосновения, что представляется целесообразным рассмотреть их вместе. Планеты обнаружили только после предвычислений, сделанных на основе ньютоновской небесной механики, иными словами, совсем не так, как Гершель открыл Уран. Они были найдены после соответствующих предвычислений, но позже высказывались предположения, что по меньшей мере в одном случае предвычисление содержало ошибки и открытие произошло совершено случайно.

До их обнаружения была найдена другая разновидность планетных соседей, и в отношении них применили совершенно иную цепочку рассуждений. Закон планетных расстояний Тициуса – Боде (см. с. 475) казался большинству астрономов надуманным, не имеющим какого-либо серьезного обоснования, и все же создается впечатление, что он получил широкую поддержку благодаря Урану, открытому Гершелем через девять лет после того, как этот закон впервые поставили на обсуждение. Предсказываемый им радиус орбиты находился в согласии с наблюдаемым радиусом, отличаясь от него не более чем на две-три сотых доли. Это в свою очередь укрепило убежденность в существовании планеты между Марсом и Юпитером (о чем подозревал еще Кеплер, но исходя из других соображений), соответствовавшей значению n = 3 в записи этого закона. Группа немецких астрономов под руководством фон Цаха зашла настолько далеко, что даже основала в 1800 г. клуб «Лилиентальские сыщики» для поиска недостающей планеты. На самом деле этот промежуток заполняют астероиды, «малые планеты». Первый астероид обнаружил в 1801 г. Джузеппе Пиацци из Палермо (Сицилия). Он не занимался поиском недостающей планеты, и нашел объект случайно, вначале приняв его за обычную слабую звезду. Однако, как оказалось, объект перемещался сначала попятным, а затем прямым движением. Пиацци доверился своему другу Барнабе Ориани из Милана, сказав, что обнаружил новую планету, но когда он писал Лаланду в Париж и Боде в Берлин, то более осторожно назвал открытый объект предположительно кометой. Тем не менее Лилиентальские сыщики не сомневались – это их недостающая планета. Как бы то ни было, объект Пиацци на какое-то время скрылся в сиянии Солнца. Вскоре молодой Гаусс получил возможность рассчитать новую орбиту, и в последнюю ночь 1801 г. объект нашли повторно в том месте, на которое указал Гаусс. Пиацци выбрал имя Церера Фердинанда в честь богини Цереры и правителя Неаполя и Сицилии Фердинанда IV. Однако когда Гершель измерил ее размеры, он, как и все интересующиеся этим вопросом, сильно удивился: по его оценке, диаметр составлял всего лишь 259 километров.

Другой сюрприз был преподнесен в марте 1802 г., когда один из Лилиентальских сыщиков Ольберс обнаружил похожий объект. Он назвал его Паллада, Гаусс вычислил его орбиту, и она снова располагалась между Марсом и Юпитером. Гершель оценил размеры Паллады как две трети от размеров Цереры и отметил, что закон Тициуса – Боде будет опровергнут, если оба эти объекта называть планетами. Со своей стороны, Ольберс указал на возможность спасти закон, если оба астероида (термин Гершеля) являются остатками единого когда-то распавшегося объекта. Это предположение привело к появлению целой индустрии малых планет, когда в течение того же столетия обнаружили множество астероидов – Юнону в 1804 г., Весту в 1807 г. и т. д. Астрономы решили рассчитать время, когда все они находились вместе в прошлом. Однако в 1809 г., еще до того как проблема перешла в эту плоскость и привлекла внимание Гаусса к изучению орбит астероидов, он опубликовал свою «Теорию движения небесных тел, обращающихся вокруг Солнца по коническим сечениям». Это был самый изящный математический анализ из всех, когда-либо написанных об общей проблеме определения орбиты по более чем трем наблюдениям. Для этой цели Гаусс разработал свой метод наименьших квадратов, используемый сегодня едва ли не в каждой науке, где существует потребность в сопоставлении теории с полученными измерениями. (См. об этом выше на с. 585.) Теоретическая работа Гаусса в некотором смысле затмила собой открытие астероидов.

Еще до осознания того, что новое открытие Гершеля представляет собой планету, предпринимались попытки нахождения параметров его орбиты, то есть будущего Урана. В этом могли помочь старые наблюдения. Иоганн Тобиас Майер, как обнаружил Боде, видел его (не осознавая того, что это была планета) в 1756 г., а Флемстид – в 1690 г. На деле, при обладании хорошим зрением, планету можно увидеть невооруженным глазом. Еще больше подобных старых обнаружений «звезды», которая на самом деле являлась Ураном, нашли в отчетах за последующие сорок лет. Эти обнаружения производились в рамках стандартных наблюдательных программ и позволили нескольким астрономам уточнить его орбиту и составить таблицы его движения начиная с 1788 г. Однако по истечении нескольких лет стало ясно, что Уран весьма упрямая планета, и даже лучшие из таблиц, составленные Делямбром в 1790 г. и долго удерживавшие