Вселенная на ладони

Рёмер и скорость света

Последние десятилетия XVII века были воистину революционными для нашего понимания природы света. Над проблемой света работал не только Исаак Ньютон, сделавший очень важные и ценные открытия в области происхождения цветов, выяснением того, как быстро перемещается свет, занимался и датский астроном Оле Рёмер.

В семидесятых годах семнадцатого столетия Королевская обсерватория в Париже отправила команду астрономов в старую обсерваторию Тихо Браге, расположенную на острове Гвен, для проведения тщательных измерений четырех галилеевых спутников Юпитера. Особое внимание парижские астрономы должны были уделить тому, когда именно эти спутники становятся невидимыми из-за того, что планета затмевает их. Рёмер был местным ассистентом французского астронома Жана Пикара и впоследствии, вернувшись после работы в Ураниборге, получил работу в Париже.

Наблюдения лун Юпитера дали странный и озадачивающий результат: затмения часто случались либо раньше, либо позже предполагаемого времени, рассчитанного на основе ньютоновской теории гравитации. К началу 1676 года Рёмера озарила идея, объясняющая этот феномен и основанная на работе директора обсерватории Джованни Кассини. Оба они совершенно верно предположили, что свету требуется время для того, чтобы пройти какое-то расстояние в космосе. До этого существовало убеждение, что скорость света бесконечна, то есть что свет распространяется от пункта А до пункта Б мгновенно. Однако, как оказалось, затмения спутников Юпитера происходили раньше срока, если Земля и Юпитер находились близко друг от друга, и совершенно очевидно задерживались, когда две планеты находились на максимальном расстоянии. По расчетам Рёмера свету требовалось одиннадцать минут, чтобы преодолеть расстояние, равное расстоянию между Землей и Солнцем. Вычисленная им скорость оказалась равной 220 миллионам метров в секунду.

Сегодня мы знаем, что скорость света равна 299 792 458 метров в секунду, так что Рёмер и Кассини ошибались не намного. Но куда важнее не то, что они получили конкретное число скорости света, а сам факт того, что был окончательно решен вопрос о том, что скорость света конечна и что свету требуется время для того, чтобы достичь той или иной точки космического пространства. В нашей повседневной жизни мы никогда этого не замечаем, потому что в масштабе обычной жизни свет распространяется практически мгновенно. Этот вопрос обретает реальный смысл, а скорость света становится ощутимой только при астрономических расстояниях. Далее мы еще не раз вернемся к этому вопросу.

Одним из наиболее удобных и хорошо известных способов говорить о космических расстояниях – это рассматривать их в количестве световых лет – расстоянии, которое свет проходит за один земной год. Таким образом, учитывая, что свет проходит 299 792 458 метров в секунду, получается, что за год свет проходит 9,46 триллиона километров. Ближайшая к нам после Солнца звезда находится на расстоянии примерно в 40 триллионах километрах – или на расстоянии 4,2 световых года. Для расположенных ближе небесных тел можно использовать световые часы, световые минуты и даже световые секунды. Плутон, например, находится на расстоянии 5,3 световых часа от Земли. Солнце – на расстоянии 8,3 световых минуты, а Луна – всего лишь 1,3 световых секунды.

Комета Галлея

В 1670-х годах оба короля – и Франции, и Англии – почти одновременно основали Королевские обсерватории с целью обеспечить эффективную навигацию на морях по звездам. В Англии директор Королевской обсерватории в Гринвиче получил титул королевского астронома. Когда в 1719 году первый королевский астроном скончался, пост перешел к его помощнику Эдмунду Галлею – человеку, частным образом финансировавшему публикацию ньютоновских «Начал».

Причина, по которой Галлей оплатил публикацию «Начал», заключалась в том, что он сам был глубоко уверен в научной мощи работы Ньютона. В 1684 году, за три года до публикации труда Ньютона, Галлей посетил Ньютона, и оба ученых обсуждали гравитацию и то, какое отношение она имеет к кометам – ледяным глыбам, обращающимся по орбитам вокруг Солнца (хотя в то время все это были малоизвестные факты). В 1680 году по небу стремительно пронеслась ослепительная комета Кирха. Ньютон воспользовался наблюдениями за кометами, полученными Флемстидом, чтобы показать, что эта комета также подчиняется законам Кеплера – ее орбита имела эллиптическую форму и она ускорялась при приближении к Солнцу, следовательно, она так же, как и планеты, должна была испытывать воздействие гравитации Солнца.

К началу 1705 года Галлей, основываясь на работе Ньютона, создал собственный труд под названием «Краткий очерк астрономии комет». Уже зная, что кометы кружатся вокруг Солнца, он предположил, что три кометы, появлявшиеся в 1682, 1607 и 1531 годах, на самом деле представляют собой одну и ту же комету, которая возвращалась к Земле по разным орбитам. Исходя из своих наблюдений, он предсказал, что в 1758 году она снова вернется. В 1742 году Галлея не стало, так что ученый не дожил и не смог увидеть своими глазами возвращение кометы, которое произошло ровно в тот год, который он предсказал. С этого времени комета стала известна как комета Галлея, получив свое название в честь ученого.

Вооружившись новым знанием, астрономы и историки оглянулись на весь предшествующий исторический период и обнаружили сведения о той же самой комете, которые охватывали множество поколений и континентов. Кометы, замеченные в V веке до нашей эры в Древней Греции, и кометы, наблюдавшиеся в III веке до нашей эры в Китае, имели все признаки кометы Галлея. Широко известен факт, что комета изображена даже на знаменитом гобелене из Байе. Последний раз комету Галлея наблюдали в пределах Солнечной системы в 1986 году, и ее следующее появление теперь ожидается в 2061 году.

Брэдли и аберрация света

Несмотря на успехи Галилея, Кеплера, Ньютона и Галлея, споры между сторонниками тихонианской и коперниканской моделями Вселенной продолжались. Причина заключалась в отсутствии неопровержимых доказательств того, что Земля на самом деле вращается вокруг Солнца.

Два астронома – Пикар в Париже и Флэмстид в Гринвиче – обратили внимание на то, что Полярная звезда, которая, казалось, находится на одном и том же месте независимо от сезонов года, на самом деле смещается в течение года немного вперед и назад. Честь дать точное объяснение этому явлению и тем самым навсегда похоронить всю геоцентрическую модель Вселенной выпала Брэдли, преемнику Галлея на посту королевского астронома.

Представьте себе звездный свет, который падает на Землю наподобие дождя. Когда вы выходите под вертикально падающий дождь, вам кажется, что он падает на ваш зонт под некоторым углом, как бы со стороны.

Когда вы оказываетесь под дождем, вам кажется, что он падает на ваш зонт под некоторым углом

На самом деле дождь не падает под углом – это впечатление возникает из-за того, что вы перемещаетесь. Аналогичным образом во время прохождения первой половины своей орбиты Земля входит под «дождь» из звездного света с одной стороны, а во время прохождения второй половины – с противоположной. Именно благодаря этому эффекту, известному как аберрация света, нам кажется, что звезды слегка перемещаются на небесном своде в течение всего года. В рамках тихонианской системы с неподвижной Землей такой эффект был бы невозможным. В конце концов в 1729 году, Брэдли предоставил неопровержимое доказательство того, что мы все-таки живем в гелиоцентрической Солнечной системе Коперника. И тем не менее католическая церковь продолжала запрещать все книги о гелиоцентризме вплоть до 1758 года.

Прохождение Венеры по диску Солнца

С того момента, когда было окончательно установлено, что Земля всего лишь одна из множества других планет, внимание астрономов переключилось на получение точных данных о том, на каком расстоянии от Солнца она находится. В XVIII веке единственно возможным способом измерения этого расстояния было наблюдение за очень редким астрономическим явлением под названием «Прохождение Венеры по диску Солнца», которое протекало, когда Венера проходила непосредственно перед Солнцем, если смотреть с Земли, то есть когда происходило нечто похожее на миниатюрное солнечное затмение.