III. Гипотеза Лапласа [1957 Лаберенн П.

Гипотеза Лапласа, последовавшая за гипотезой Канта, во Франции гораздо более широко известна и имеет большое научное значение, что обусловлено личностью ее автора. Действительно, Кант был гениальным философом, но не специалистом в математике, тогда как Лаплас был замечательным астрономом, механиком и физиком.

Пьер-Симон Лаплас (1749-1827), выходец из довольно скромной семьи, благодаря своим исключительным способностям очень рано приобрел известность в научном мире. Что касается его политических взглядов, то сначала он был решительным приверженцем французской революции и в отдельных страницах его научных трудов чувствуется сильное влияние материализма, захватившее французских философов XVIII в. Заслуженной известностью пользуется его критика теологических воззрений Ньютона. На рассуждения английского ученого, в которых тот при объяснении возникновения солнечной системы и ее кажущейся неизменности доказывает необходимость вмешательства бога, Лаплас в своем "Изложении системы мира" отвечает в следующих словах:

"Прослеживая историю прогресса человеческого разума и его ошибок, мы заметим, как так называемые "конечные причины"^* постепенно отступают за границы наших знаний. Эти "причины", которые Ньютон переносит в солнечную систему, были в свое время помещены в атмосферу и применялись для объяснения метеоров. В глазах философов они есть не что иное, как выражение нашего незнания о действительных причинах...".

^* (Доктрина о конечных причинах заключается в признании того, что при сотворении вселенной бог преследовал определенные цели. На практике она выражалась в том, что все явления в природе старались объяснить вмешательством божественной воли. Эта теория, получившая особое развитие и доведенная до абсурда в средние века, еще систематически поддерживалась деистами в XVIII в.)

"Наибольшая задача астрономии, - пишет Лаплас далее, в конце этого произведения, - заключается в том, чтобы рассеять страх и раскрыть ошибки, произошедшие вследствие незнакомства с нашими взаимосвязями с природой".

Здесь уместно напомнить об известном анекдоте, затрагивающем философские взгляды Лапласа. Лаплас подарил Наполеону, бывшему тогда первым консулом, первое издание своей "Системы мира", где была изложена его космогоническая гипотеза. Прочитав книгу, Наполеон заметил автору: "Ньютон говорил о боге в своей книге. Я уже просмотрел вашу, но не встретил ни одного раза имени бога". Лаплас ответил: "Гражданин первый консул, я не нуждался в этой гипотезе".

К сожалению, Лаплас не сохранил свои последовательно материалистические взгляды до конца жизни. Возведенный в дворянство Наполеоном, а затем Людовиком XVIII, он стал совершенным образцом ученого-конформиста, способного ко всякой пошлости и готового что угодно отрицать ради лишней орденской ленты или нового почетного титула.

Космогоническая гипотеза Лапласа

В своей гипотезе Лаплас критикует как Ньютона, так и Бюффона; первого за то, что он допускает вмешательство бога, второго - за научные ошибки, о чем мы уже говорили выше. Он не говорит о Канте, гипотеза которого ему не была известна, по цитирует В. Гершеля, выводами которого, довольно близкими к выводам Канта, Лаплас в ряде случаев вдохновлялся.

Лаплас прежде всего ограничивает свою задачу попытками объяснения происхождения планет солнечной системы, оставляя в стороне другие проблемы, например, относящиеся к происхождению и жизни звезд. В своей гипотезе он исходит в основном из следующих фактов:

1) планеты движутся вокруг Солнца, оставаясь примерно в одной и той же плоскости и обращаясь в одном и том же направлении (называемом прямым направлением);

2) движение спутников вокруг планет происходит в том же направлении;

3) орбиты всех этих небесных тел близки по своей форме к окружностям;

4) Солнце, планеты и их спутники обладают собственным вращением, происходящим также в прямом направлении.

В начале главы II, где мы говорили уже об этих замечательных фактах, мы отметили, что в отношении пунктов 2 и 4 имеются некоторые исключения. Эти случаи во времена Лапласа еще не были известны, так что Лаплас не мог предвидеть этих первых возражений из тех, которые позже стали выдвигать против его теории.

Лаплас предположил, что на месте солнечной системы находилась некогда очень большая туманность, обладающая весьма небольшой плотностью и очень высокой температурой. Эта туманность вращалась в прямом направлении вокруг оси, проходящей через ее центр. В результате охлаждения эта туманность начала сжиматься. Но по мере того, как размеры туманности уменьшались, она должна была согласно законам механики вращаться все быстрее и быстрее. Материальные частицы, наиболее удаленные от оси вращения, т, е. те, которые помещались на краю туманности в ее экваториальной плоскости (плоскости, перпендикулярной к оси вращения и проходящей через центр), находились под действием все возрастающей центробежной силы. Они стремились все более и более удалиться от оси вращения и отделиться от соседних частиц. Точно так же привязанный к концу веревки камень оказывает на держащую веревку руку тем большее усилие, чем быстрее происходит вращение. По опыту известно, что слабая рука не всегда может удержать при этом камень. Согласно Лапласу в определенный момент центробежная сила становится больше силы, с которой вся туманность притягивает отдельные частицы к своему центру по закону всемирного тяготения; тогда наиболее удаленные от центра туманности частицы отделяются от нее. В приведенном выше для сравнения опыте камень уже не будет ничем удерживаться и далеко отлетит в сторону как при обычном броске; но отделившиеся частицы туманности, притягиваемые всей ее массой, будут продолжать обращаться вокруг ее центра в прямом направлении, находясь именно на том расстоянии, на котором притяжение к центру уравновешивается центробежной силой. По мере того, как туманность сжималась и становилась все более плотной, от нее отделялись в экваториальной плоскости газовые кольца, и туманность оказывалась окруженной целым рядом концентрических вращающихся колец. Из оставшейся массы первоначальной туманности в конце концов образовалось Солнце; из колец в свою очередь образовались планеты.

"Если бы молекулы газового кольца только постепенно сгущались и не отделялись друг от друга, то тогда,- говорит Лаплас, - образовалось бы сплошное жидкое или твердое кольцо".

Но такой случай очень редок, и Лаплас указывает лишь на единственный известный пример кольца Сатурна. Как мы увидим ниже, этот пример весьма неудачен. В общем же случае кольца, согласно Лапласу, распадаются на отдельные сгущения, а эти сгущения в конце концов притягиваются и "поглощаются" наибольшими из них. (Исключение составляет лишь то кольцо, из которого образовались малые планеты, обращающиеся между орбитами Марса и Юпитера.) Таким путем возникают местные сгущения, вращающиеся в прямом направлении, из которых впоследствии образуются планеты вместе со спутниками благодаря тому же процессу, какой привел к возникновению из первоначальной туманности планетных сгущений.

Наконец, кометы не имеют никакого отношения к первоначальной туманности. Солнечная система целиком "захватила" их при случайных встречах. Отсюда и вытянутость их орбит в плоскостях, весьма различно наклоненных к плоскости эклиптики (являющейся, грубо, говоря, и экваториальной плоскостью туманности, и плоскостью обращения планет).

Такова в основных своих чертах гипотеза Лапласа, которая пользовалась огромной известностью и является до сих пор единственной, упоминаемой во Франции в многочисленных популярных книгах и даже учебниках. Она подвергалась критике и многим изменениям в течение прошлого века и, как мы увидим ниже, в настоящее время целиком оставлена.

Видоизменения гипотезы Лапласа

В течение всего XIX в. наука продолжала развиваться ускоренными темпами одновременно с техникой, с которой она столь тесно связана. Теоретические и наблюдательные основы гипотезы Лапласа стали подвергаться непрерывной критике. Был выдвинут целый ряд новых гипотез, приведших, наконец, в начале XX в. к гипотезе Джинса.

Сначала сохраняли основную идею Лапласа о том, что солнечная система образовалась из остывающей вращающейся туманности, от которой отделялись газовые кольца, и уточняли процесс сгущения этих колец в планеты и спутники (работы Максвелла, Роша, Дж. Дарвина.^* Только гораздо позднее была признана недостаточность основной предпосылки Лапласа - существование охлаждающейся газовой туманности.

^* ( Дж. Дарвин - один из сыновей Чарльза Дарвина, знаменитого английского естествоиспытателя. (Перев.))

Сгущение газовых колец

Лаплас предполагал, что каждое из колец, отделившееся от охлаждающейся туманности, затем распадается на несколько частей, постепенно соединяющихся друг с другом и образующих туманность - "зародыш" планеты,- вращающуюся вокруг своей оси в прямом направлении. Последующие работы математиков привели к заключению о том, что эти туманности должны были бы обладать, по крайней мере вначале, обратным вращением.

В то же самое время обнаружили, что Уран имеет обратное вращение и в том же направлении обращаются его спутники; обратное обращение имеют и некоторые спутники Сатурна и Юпитера, а также один из спутников Нептуна. Выяснилось также, что кольца Сатурна не имеют того строения и не обладают тем вращением, которые им приписывал Лаплас. Становилось очевидным, что необходимо отказаться от теории сгущения газовых колец.

Силы приливного трения

Таким образом, необходимо было прежде всего объяснить, почему в солнечной системе в большинстве случаев имеет место не обратное, а прямое вращение. В связи с этим мы должны рассказать о действии сил приливного трения, играющих важную роль во многих современных космогонических теориях. О роли приливного трения впервые догадался Кант. Сам Лаплас искал в этих силах причину, почему Луна обращена к Земле всегда одной своей стороной.

Напомним сначала в нескольких словах о существе явления приливов. Четыре пятых поверхности земного шара покрыты водой. Эта масса воды, как и Земля в целом, испытывает притяжение со стороны Луны и Солнца (притяжением Солнца мы для упрощения изложения будем пренебрегать). В то время как земная кора деформируется под влиянием этого притяжения очень мало, водная оболочка Земли подвергается гораздо более значительной деформации. Можно считать, что твердая часть земного шара притягивается Луной как единое целое и каждая ее частица притягивается точно так же, как частица, помещенная в центр Земли. Напротив, частица воды испытывает со стороны Луны переменное притяжение, меняющееся в зависимости от изменения расстояния этой частицы от Луны. Водный массив океанов, находящийся ближе всего к Луне, притягивается сильнее, чем центр земного шара. Воды же океанов, наиболее удаленные от Луны, испытывают меньшее притяжение, чем центр Земли. Вследствие этого поверхность океанов приобретает не точно сферическую форму: вблизи наиболее близкой к Луне и наиболее далекой точек образуются так называемые приливные выступы (рис. 9 и 10). Если бы Земля была всегда обращена к Луне одной и той же стороной, т.е. делала один оборот за 27 суток 8 часов, эти приливные выступы сохраняли бы постоянное положение по отношению к материкам. Но поскольку наша Земля делает оборот за 23 часа 56 минут, приливные выступы меняют в течение суток свое положение, перемещаясь по поверхности океанов навстречу вращению Земли. Поэтому наблюдаются приливы (высокая вода) и отливы (низкая вода).

Это явление значительно осложняется движением Луны вокруг Земли, а также притяжением Солнца. Большую роль играет также форма берегов океанов и то обстоятельство, что Земля в своем вращении увлекает за собой приливные выступы.

Очень важно отметить, что приливы тормозят вращение Земли вокруг оси. Приливные выступы, о которых мы только что говорили, стремятся расположиться на линии, соединяющей центр Земли и центр Луны. Но вследствие того, что Земля увлекает при своем вращении эти выступы, они значительно отклоняются от этой линии(примерно на 45° у берегов Франции). Притяжение Луны стремится возвратить выступы на линию между центрами Земли и Луны и таким образом замедляет вращение Земли.

Рис. 9. Положения приливных выступов на поверхности океанов в том случае, если бы Земля была всегда обращена к Луне одной и той же стороной

Конечно, "непосредственные" последствия этого торможения чрезвычайно малы (продолжительность суток увеличивается согласно вычислениям на одну секунду за 100 тысяч лет), однако на протяжении весьма длительных периодов времени, например, таких, какие необходимы для образования планет, приливное торможение может приводить к важным последствиям.

Рис. 10. Действительное положение приливных выступов. Так как выступ А более близок к Луне, чем выступ В, то А притягивается нашим спутником сильнее, чем В. Это притяжение стремится возвратить А и В на линию, соединяющую центры Земли и Луны, поворачивая, таким образом, Землю в направлении, противоположном собственному ее вращению

Добавим также, что одной из причин этого торможения являются по всей видимости внутренние приливы, происходящие во внутренних областях земного шара, которые состоят, очевидно, из вязкого и не абсолютно твердого вещества.

Именно торможение вследствие внутренних приливов было выдвинуто в качестве механизма, позволяющего объяснить в рамках гипотезы Лапласа изменение направления вращения планет. Газовые или жидкие массы, из которых образовались планеты, обладали сначала обратным вращением. Поскольку они еще не затвердели, то они имели вытянутую форму, аналогичную форме водной оболочки Земли. Такая деформация была весьма значительной, так как она вызывалась приливным воздействием Солнца. Собственное вращение каждой планеты увлекало за собой образовавшиеся приливные выступы. Кроме того, происходили значительные внутренние приливы, которые сопровождались не менее значительным трением между различными слоями планеты, находящимися на разной стадии охлаждения или конденсации. Эти исключительно мощные процессы, о которых наши теперешние приливы в океанах могут дать лишь очень слабое представление, продолжались в течение очень долгого времени.

В результате действия приливных сил в большинстве случаев могло произойти такое изменение характера вращения планеты, что приливные выступы стали все время удерживаться на линии, соединяющей центры планет и Солнца. В этот момент планета была обращена к Солнцу всегда одной и той же стороной подобно тому как Луна вследствие тех же причин обращена всегда одной стороной к Земле. При этом планета делала один оборот вокруг своей оси за то же самое время, в течение которого она обращалась вокруг Солнца, и направление вращения было, естественно, такое же, как и направление движения вокруг Солнца, т. е. прямое. Если к этому моменту планета затвердела, то этот характер ее вращения мог сохраняться долгое время. Если же, напротив, охлаждение и сжатие планеты продолжалось, то скорость вращения должна была, согласно законам механики, увеличиваться, и для одного оборота планеты требовалось все меньше и меньше времени.

В соответствии с этим объяснением такая удаленная от Солнца планета, как Уран, гораздо менее подвергалась влиянию приливных сил и потому она смогла сохранить обратное направление вращения. Все другие планеты вращаются в прямом направлении. Результаты наблюдений позволяют высказать предположение о том, что Меркурий, наиболее близкая к Солнцу планета, остался на промежуточной стадии эволюции, поскольку он всегда обращен к Солнцу одним своим полушарием. Подобная теория формирования планет из раскаленной газовой массы была развита главным образом Дж. Дарвином. Как мы увидим в следующей главе, в последних космогонических гипотезах от нее отказались. В новейших гипотезах предполагается, что планеты образуются путем сгущения холодных пылевых частиц. Однако значительная роль приливных сил остается неоспоримой. Именно их действием объясняют тот факт, что Меркурий обращен к Солнцу, а Луна к Земле всегда одной и той же стороной.