Космос. Иллюстрированная история астрономии и космологии - Джон Норт

эту меланхолическую идею окончательного термодинамического равновесия неприятной; и контраргументы и спасительные оговорки продолжали регулярно предлагаться, многие из них брали свое начало в теологии, и некоторые из них в значительной мере основывались на эмоциях.

Другой важный шаг в развитии теории Солнца удалось сделать, когда астрофизика начала в деталях рассматривать его строение и другие возможные источники его внутренней энергии. Джонатан Хомер Лейн в течение нескольких лет служил экспертом в патентном бюро США в Вашингтоне и был, скорее, теневой фигурой на передовом крае американской науки. В 1869 г. он доработал аргумент Томсона, предположив, что внутри Солнца есть конвективные течения. Он изучил условия, в которых Солнце может находиться в равновесии, и обнаружил, что это возможно только в том случае, если его температура меняется обратно пропорционально радиусу. Если в процессе сжатия под действием гравитации излучается только часть тепловой энергии, выработанной в результате сжатия, а остальная тепловая энергия идет на разогрев всего объема, то эта оставшаяся часть делает возможным удержание равновесия. Таким образом, Солнце может терять энергию и при этом становиться горячее.

Хотя вскоре было обнаружено, что «закон Лейна» не работает, когда сжатие в итоге образует газ очень высокой плотности, это вдохновило других исследователей к изучению строения Солнца и звезд вообще, и это же побудило Кельвина пересмотреть свою идею. Аргумент, сходный с аргументом Лейна, был независимо представлен Августом Риттером в 1872 г. Любопытный факт: оба они использовали в качестве отправной точки метеорологические модели. Когда в 1907 г. шведский физик Роберт Эмден опубликовал книгу, впоследствии ставшую классической в этой области астрофизики, он использовал в одном и том же тексте приложение своей теории сферического распределения газов к решению как космологических, так и метеорологических проблем.

Еще одним примером взаимосвязи между астрофизикой и другими научными дисциплинами явилось рассмотрение Джорджем Х. Дарвином, сыном Чарльза Дарвина, трения, связанного с приливами, в качестве фактора как космической, так и биологической эволюции. Дарвин был исключительно астрономом-теоретиком, унаследовавшим от Чэллиса должность плюмианского профессора в Кембридже. В серии исследований, начиная с 1879 г., он рассчитал прошлое движение системы Земля – Луна и обнаружил время, когда суточное вращение и месячный оборот равнялись друг другу. Продвигаясь еще глубже в прошлое, он пришел к ситуации, когда Луна и Земля, по всей видимости, образовывали единое тело, которому было суждено распасться надвое. Этот вывод хорошо согласовывался с теориями равновесия вращающихся жидких тел, разработанными около 1885 г. величайшим французским математиком Анри Пуанкаре. Дарвин объяснил, каким образом могло произойти разделение на две части, и его работа позволила другим ученым исследовать более широкий круг вопросов, связанный с формированием планетной системы в целом. Обычно рассматриваемые модели были той или иной разновидностью старой Лапласовой модели сжатия вращающегося облака. Однако эта модель содержала в себе несколько серьезных затруднений. Она не объясняла, почему Юпитер обладает таким большим моментом импульса (орбитальным угловым моментом); действительно, ему принадлежит почти две трети момента всей Солнечной системы, в то время как масса этой планеты составляет только одну тысячную долю всей системы. С другой стороны, Солнце, с наибольшей массой, обладает только одной пятидесятой долей общего углового момента.

В 1898 г. американский астроном Форест Рей Моултон, будучи еще студентом Чикагского университета и работая совместно с заведующим кафедрой геологии того же университета Томасом Краудером Чемберлином, начал исследование формирования планет, хотя и в отрыве от непосредственного Лапласового воззрения. После изучения фотографий солнечного затмения 28 мая 1900 г. они пришли наконец к формулировке гипотезы «планетезималей», фрагментов вещества, будто бы образовавшихся в виде твердых тел из исходной сгущающейся туманности. К 1906 г. соображения по поводу трудностей, связанных с угловым моментом, привели их к идее о зарождении планетной системы в тесном соседстве Солнца с другой звездой, своей гравитацией вносящей вклад в увеличение движений, которые таким образом приблизительно получали объяснение. Их идея заключалась в том, что планетезимали собирались вблизи Солнца и формировали маленькие планеты. Действительно, как утверждалось, энергия, освобождаемая при их столкновениях, когда они срастались, являлась причиной высокой температуры внутри планет, о чем было известно по меньшей мере из исследований Земли и, как предполагалось, происходило на всех планетах.

Казалось очевидным, что существует по крайней мере три довольно сильно отличающихся друг от друга объяснения формирования планетной системы. (Здесь не проводится различия между словами «космогения» и «космогония». Строго говоря, первое слово относится непосредственно к происхождению мира или к его началу, а второе – к акту сотворения, некоему порождению. Вне зависимости от религиозных верований, второе слово лучше использовать тогда, когда речь идет о процессе.) Это могло быть либо результатом редкого случайного события, такого как близкое прохождение другой звезды около Солнца, либо возникновение во время стандартной эволюции звезды из газа и пыли как это предполагал Лаплас, или, возможно, в ходе некой редкой разновидности звездной эволюции, какой бы она ни была. Редкость, которую мы приписываем нашей Солнечной системе, влияет на то, какой из этих случаев следует выбрать. В первом случае планетные системы должны быть редкостью; во втором – общераспространенными; и в третьем – чем-то средним между первым и вторым. В 1920‐х гг. кембриджский специалист в области математической физики Джеймс Джинс отдал предпочтение первой альтернативе, и шансы того, что звезда будет окружена планетами, оказались равными примерно один к ста тысячам. В тот же самый период Артур Стэнли Эддингтон – ведущий британский астроном-теоретик своего времени (хотя и в постоянной конкуренции с Джинсом) – пошел еще дальше и отважился высказать предположение, что наш мир с его живыми существами может быть не просто редким, а уникальным явлением. Это поставило в затруднение многих комментаторов, поскольку, по всей видимости, не было лучшего довода, чем этот, чтобы противостоять коперниканскому тренду в истории. Человек на правах центра Вселенной поначалу рассматривал Землю, затем Солнечную систему, а потом – нашу Галактику. Уникальность неприятным образом походила на центральное положение в пространстве. Более современные теории начинали, как правило, со следующего факта: облака пыли, часто наблюдаемые около звезд, находятся в процессе формирования, и в этих случаях внутри них, по всей видимости, остаются очень малые фракции вещества. Начиная с этого момента можно развивать две различные теории, и обе они до сих пор популярны. Как предполагается в первой, гигантские протопланеты довольно быстро формируются из протопланетного диска. Вторая предполагает медленный поэтапный «монтаж» планет из твердых глыб довольно большого размера. Создается впечатление, что большинство современников склоняются ко второй альтернативе, серьезные аргументы в ее пользу собрал российский астроном В. С. Сафронов, хотя вопрос до сих пор остается открытым.

Астрономы постепенно разочаровывались оценкой возраста Солнца, данной Уильямом Томсоном, поскольку она была слишком мала даже по сравнению с возрастом наиболее старых горных пород в земной коре, не только по старым критериям, но и исходя из оценок, сделанных с использованием радиоактивного распада. Стало ясно, что существует другой, гораздо более обильный запас энергии, припасенной в недрах Солнца. После относительно широкого признания специальной теории относительности Эйнштейна (которая была выдвинута в 1905 г., но потребовалось два или три десятилетия на то, чтобы она пробила себе дорогу в респектабельную физику) астрофизики начали рассматривать возможные процессы превращения массы в энергию в качестве объяснения энергетической мощи Солнца. Никто не приветствовал это столь же благожелательно, как Артур Эддингтон, работавший, начиная с 1917 г. над теорией внутреннего строения звезд, в которой теории солнечной энергии, безусловно, следовало занять почетное центральное место. Отметив, что гравитационное сжатие способно объяснить только приблизительно сотню тысяч лет для самых больших звезд, он неоднократно заявлял о ядерных