§ 1. Введение

Цель нашей книги определена ее названием. Мы хотим в пей рассказать о том, как менялись представления людей о Солнечной системе, об ее составе, размерах и особенностях по мере развития науки с древних времен и до наших дней. Особенно много места мы уделяем вопросам открытия планет с помощью теоретических методов исследования, ибо такие открытия лучше всего говорят о величии и силе человеческого разума, о бесконечных возможностях человека в познании окружающего нас мира.

С тех пор, как появились древнейшие государства и, следовательно, человечество достигло достаточно высокого уровня развития, оно находится в постоянном поиске, в непрерывном развитии. Эти соображения относятся ко всей многогранной сфере деятельности человека, но особенно они характерны для деятельности людей в деле познания тайн космоса. Человека всегда поражал и изумлял беспредельный мир небесных светил, рассеянных повсюду вокруг нас. Он всегда стремился представить в своем сознании грандиозность Вселенной, почувствовать биение ее пульса, понять эволюцию и развитие миров, из которых она состоит. Процесс познания, существующий с тех пор, как люди научились мыслить, отражает объективные закономерности развития материи и ему также свойственно непрерывное и постоянное развитие.

Интерес к астрономической науке, к наблюдению звезд и планет составляет, пожалуй, одну из самых древних и широко распространенных традиций. Но особенно полезными оказались наблюдения блуждающих звезд - планет, Солнца и Луны, так как еще многие тысячелетня назад люди заметили, что наступление и смена времен года самым тесным образом связаны с положением этих светил относительно звезд. Таким образом, астрономия, появление н развитие которой обусловлено в первую очередь запросами человеческой практики в самом широком смысле слова, и, во вторую очередь, стремлением человека уноситься мыслью в бесконечные дали великого космоса, уходит своими корнями в прошлое намного дальше, чем любая другая наука.

Возможности поиска и нахождения небесных тел, входящих в Солнечную систему (планет, комет и спутников), всегда определялись уровнем развития астрономических методов исследования и наблюдения, поэтому наряду с описанием событий, относящихся непосредственно к открытию тех или иных небесных объектов, мы будем излагать (не претендуя, конечно, на полноту и законченность) и некоторые аспекты астрономической пауки в историко-хронологическом порядке.

Астрономия - это наука о космических объектах. Она изучает физическое и химическое строение небесных светил, их движение, эволюцию во времени н в пространстве как отдельных небесных тел, так и космических систем. Она также изучает свойства межзвездного и межпланетного пространства. Астрономия в процессе развития стала настолько огромной и разнообразной наукой (как в смысле решаемых задач, так и в смысле применяемых методов), что ее саму можно разделить на большие самостоятельные разделы: астрофизику, астрометрию, небесную механику, космогонию, космологию н ряд других. Перечисленные разделы значительно отличаются друг от друга как по используемым ими методам, так и по результатам.

Дадим вкратце характеристику этих разделов.

За последнее столетие в связи с бурным развитием физики огромное развитие получила астрофизика, раздел астрономии, изучающий физические явления, происходящие на поверхности небесных тел, в их недрах и атмосферах, а также в космическом пространстве. Существенную роль в быстром развитии астрофизики сыграло открытие спектрального анализа - основного метода исследования химического состава космических тел и их физических характеристик.

Наиболее древним (наряду с небесной механикой) разделом астрономии является астрометрия. С тех пор, как начались систематические наблюдения небесных светил, люди стремились возможно точнее определить положения одних объектов (в первую очередь планет) относительно других (звезд), которые считались неподвижными в пространстве. После того, как астрономы убедились в том, что во Вселенной небесные светила находятся в непрерывном и вечном движении, и, следовательно, не существуют космические объекты, относительно которых можно было бы измерить положение остальных тел, перед астрометрией возникла столь сложная, сколь и важная научная проблема: необходимо определить и построить основную инерциальную систему координат или систему отсчета, в которой измерялись бы координаты всех наблюдаемых светил.

Согласно положениям механики ииерцнальнан система отсчета - это система координат, движущаяся равномерно и прямолинейно, в которой также равномерно протекает время. Такая система отсчета может считаться и неподвижной в пространстве, откуда и следует важность ее определения. Сразу заметим, что идеальной ипердиальной системы координат в природе нет, так как космические объекты взаимно притягивают друг друга, а это обстоятельство, в свою очередь, порождает ускоренное движение в соответствии с законами механики Ньютона. Поэтому об ннерциальной системе отсчета можно говорить лишь с определенной степенью точности и достоверности, которые по мере усовершенствования методов наблюдений и повышения их точности также увеличиваются. Если в древнем мире инерциальной системой координат могла служить так называемая восьмая сфера, к которой были прикреплены все звезды, то после открытия собственных движений звезд стало ясно, что не все звезды на небосводе могут играть роль опорных звезд, относительно которых можно было бы определить координаты других небесных тел.

Наряду с исследованием неба с самых древних времен людей интересовали вопросы происхождения небесных тел и их систем. Эти вопросы составляют основное содержание самостоятельной науки - космогонии. Точнее, космогония изучает происхождение и длительную эволюцию (развитие на больших, или, иначе, «космогонических» интервалах времени, порядка миллиардов лет) космических тел и их образований, т. е. планет, планетных систем, звезд, звездных скоплений, галактик и др. В процессе развития астрономии, под влиянием замечательных достижений механики и теоретической физики, появилась космология - наука о Вселенной как едином целом и о той ее части, которая охватывается современными наблюдениями.

Краткую характеристику ряда разделов, составляющих предмет астрономической науки на современном этапе, мы привели ради полноты изложения, но, следуя основному замыслу данной книги, заключающемуся том, что мы желаем рассказать в достаточно простой форме, каким образом с помощью теоретических исследований были открыты неизвестные планеты Солнечной системы, нам необходимо более подробно написать и о том большом разделе астрономии, который принято называть небесной механикой. Именно небесная механика дала астрономам те замечательные теоретические методы, которые позволили сначала предсказать существование неизвестных небесных тел, и потом уж&, определить их положение в бескрайних просторах космоса.

Сам термин «небесная механика» впервые появился в первом томе пятитомного сочинения Пьера Симона Лапласа (1749-1827) «Трактат по небесной механике», вышедшем в 1799 году. Здесь же мы читаем и первое определение небесной механики как науки.

Это определение можно найти в книге профессора Г. Н. Дубошина «Небесная механика. Основные задачи и методы». Оно звучит следующим образом: «...теории, обнимающие все результаты всемирного тяготения по равновесию и движениям твердых и жидких тел, составляющих Солнечную систему и eй подобные, рассеянные во Вселенной, образуют небесную механику». В этом же сочинении мы читаем весьма полное и точное современное определение небесной механики, принадлежащее Г. Н. Дубошииу: «Небесной механикой называется часть астрономии, занимающаяся изучением поступательных, вращательных и деформационных движений любых небесных объектов, естественных и искусственных, находящихся под действием сил притяжений, отталкиваний, сил сопротивлений, вызываемых наличием пылевых, газообразных пли жидких сред, сил электромагнитных, сил лучевых давлений и т. п.» Мы полностью согласны с этими исчерпывающими определениями, но если попытаться дать определение небесной механики, чтобы в нем более выпукло были отражены ее принципы и методы, то можно было бы сказать, что «небесная механика - это часть астрономии, которая, опираясь на основные законы и принципы механики и применяя математические методы, изучает поступательные, вращательные и другие движения всевозможных небесных тел».

Механическое понятие силы было определено гениальным английским ученым Исааком Ньютоном (1643-1727), который в бессмертном сочинении «Математические начала натуральной философии», увидевшем свет в 1686 году, сформулировал основные законы механики и закон всемирного тяготения. Именно этот момент специалисты считают моментом зарождения небесной механики как науки в современном смысле слова.

До этого времени небесная механика пережила, можно сказать, романтический период развития, длившийся с самых древних времен и до появления замечательных сочинений Ньютона и тоже характеризующийся большими достижениями, которые оставили заметный след не только в астрономии, но и во всем естествознании. Но то была чисто описательная небесная механика, точнее, кинематика небесных тел, кинематика небосвода. Кинематика - это та часть механики, которая изучает геометрические свойства движений тел (конечно, не только небесных) без учета действующих на них сил. Древние ученые и ученые средних веков, посвятившие свою деятельность науке о небе, придумали в высшей степени остроумные кинематические модели для описания движения небесных светил и достигли в развитии кинематики Солнечной системы поистине больших высот.

Но какими замечательными ни были бы успехи в кинематическом описании движений небесных светил, все же это, так сказать, внешняя сторона явления, не раскрывающая сущность, не претендующая на выяснение причин, обусловливающих динамические закономерности в планетных движениях, в движении Луны, в кажущемся движении Солнца относительно Земли. Только ньютонова механика позволила проникнуть в сущность динамических закономерностей в движениях тел Солнечной системы и дала эффективные методы исследования этих закономерностей. Только на ее основе можно было создать новые методы изучения движений планет и определения их пространственных орбит с такой точностью, которая обеспечивает хорошее прогнозирование положений планет среди звезд на многие десятки и сотни лет вперед.

Сам Ньютон, его коллеги и последователи в Англии проанализировали основные возмущения в движениях отдельных комет, а также Луны. Ученые европейского континента сначала встретили идеи Ньютона весьма холодно (например, Христиан Гюйгенс (1629-1695), Иоганн Бернулли (1667-1748), Джованни Доменик Кассини (1625-1712)), но это продолжалось сравнительно недолго. Ведь другого пути для детального теоретического изучения движений небесных тел с той точностью, какая была достигнута в наблюдениях и какая требовалась для практических целен, не было. Небесная механика, опирающаяся на закон притяжения Ньютона, начинает в XVIII веке свое триумфальное шествие повсюду.

Основные математические принципы и методы решения задач небесной механики разработали великие математики и астрономы XVIII века: Леонард Эйлер (1707-1783), Алексис Клеро (1713-1765), Жан Лерон Даламбер (1717-1783), Жозеф Луи Лагранж (1736-1813), Пьер Симон Лаплас, т. е. ученые континента. Они как бы приняли из рук Ньютона эстафету теоретических исследовании небесных тел. Именно они составили те дифференциальные уравнения, которыми мы пользуемся для математического описания движений небесных тел до сих пор, а также разработали первые методы их приближенного, но все же достаточно точного решения.

Доля соотечественников Ньютона в подобных исследованиях оказалась, как это ни странно, малой.

Весьма характерно, что эти теоретические работы по небесной механике тесно увязывались с практикой астрономических наблюдений, с конкретными астрономическими задачами и конкретными небесными телами. Чисто абстрактных теоретических исследований почти не было.

Наиболее насущной проблемой небесной механики в XVIII веке являлось теоретическое описание движения Луны, что прежде всего требовалось п морской навигации и для точного предсказания солнечных затмений. Требовались формулы, по которым можно было точно вычислить заранее положения Луны среди звезд или сами таблицы с уже вычисленными на будущее координатами Луны. Эта задача являлась математически очень сложной, но одновременно и очень интересной, так как именно для Луны картина наблюдаемых отклонений от кеплерового движения вокруг Земли выглядела особенно запутанной. Точное вычисление возмущений в движении Луны сталкивалось с огромными математическими трудностями.

В 1746-1772 годах Эйлер, Клеро и Даламбер опубликовали ряд работ и таблиц по теории движения Луны. В 1772-1802 годах вышли работы Лапласа по этой же проблеме. Мы не будем останавливаться на них, так как основная наша цель - рассказ об открытии транссатурновых планет Урана, Нептуна и Плутона. История же исследований движения Лупы является сама по себе настолько интересной п богатой событиями, что заслуживает отдельной книги.

Одно из самых замечательных достижений не только небесной механики, но и всех точных наук - это открытие Нептуна.

В первой половине XIX века знаменитые математики и астрономы Карл Гаусс (1777-1855), Урбен Жан Леверье (1811-1877) и Джон Коуч Адамс (1819-1892) разработали новые, более совершенные математические методы решения задач небесной механики, в духе лучших традиций корифеев-предшественников. Это позволило поставить и решить строгими математическими методами фундаментальную проблему, касающуюся расширения наших знаний о Солнечной системе. Было доказано, что Солнечная система имеет в своем составе небесное светило (по меньшей мере одно), до тех пор никем не наблюдаемое. На самом деле был доказан не только сам факт существования ранее неизвестной планеты, но и была определена ее орбита с точностью, необходимой для ее обнаружения и наблюдения. Поистине Леверье и Адамс открыли Нептун «на кончике пера».

Фридрих Энгельс дал очень высокую оценку этому выдающемуся открытию естествознания. Он писал:

«Солнечная система Коперника в течение трехсот лет оставалась гипотезой, в высшей степени вероятной, но все-таки гипотезой. Когда же Леверье, на основании данных этой системы, не только доказал, что должна существовать еще одна, неизвестная до тех пор, планета, по и определил посредством вычисления место, занимаемое ею в небесном пространстве, и когда после этого Галле действительно нашел эту планету, система Коперника была доказана» (Ф. Энгельс, Людвиг Фейербах и конец классической немецкой философии, Издательство политической литературы, стр. 19, 1965)).

Астрономы получили возможность перейти от случайных поисков планет к целенаправленным поискам в рассчитанной заранее области небосвода (Заметим, что случайный поиск планет вовсе не означает их поиск по всему небу. С тех пор как были определены планетные орбиты, астрономы знают, что они проходят по созвездиям Зодиака. Это те созвездия (Овна, Тельца, Близнецов. Рака, Льва, Девы, Весов, Скорпиона, Стрельца, Козерога, Водолея и Рыб), по которым «проходит» Солнце в течение года)).

О значении этого открытия написано очень много и в самых восторженных тонах, что вполне справедливо. Однако почти отсутствуют книги (научно-популярные и даже специальные), написанные на русском языке, в которых бы излагалась достаточно подробно вся история открытия Нептуна. Мы прекрасно сознаем, что изложение в популярной книге сложных математических задач и особенно методов их решения представляет собой непростое, как говорят математики, нетривиальное дело, но мы попробуем частично затронуть и эти вопросы.

История открытия Нептуна - это история побед и поражений, это история заблуждений и переоценки, казалось, вечных, незыблемых научных истин, это, в конечном счете, история вечного поиска и триумфа человеческого разума над могучей природой.

Но не только об этом выдающемся событии наша книга. Науку творят люди, и поэтому в данном событии, как и в любом другом, имеются главные действующие лица. Не писать о них, об их характерах и таланте, о многих событиях, связанных с открытием Нептуна, порой курьезных, непонятных, а иной раз и драматических, мы не могли.

Мы также решили вкратце описать и события, связанные с поиском и открытием других планет. Полная панорама аналогичных событий, рассматриваемых во взаимной связи, дает возможность лучше понять каждое из них, побуждает размышлять, сопоставлять, сравнивать и в итоге осмыслить закономерности развития науки.