Страница 45 из 131
Так произошло разделение ученого мира на экспериментаторов и теоретиков. Еще Коперник и Тихо Браге использовали свои наблюдения для построения собственных теоретических схем. Но уже Кеплер выступает в основном как теоретик по отношению к наблюдениям Тихо Браге и математическим путем выводит свои законы. Ньютон, ставивший превосходные механические и оптические эксперименты, в небесной механике выступает как чистый теоретик - здесь его исходным материалом были в первую очередь даже не данные наблюдений, а эмпирические законы Кеплера. Галлей совмещал функции астронома-наблюдателя и теоретика, выводившего из общей теории Ньютона конкретные предсказания для наблюдений.
На рубеже 18-19 веков в этой области намечается явное разделение. Уильям Гершель, открыв Уран, не слишком интересовался неприятностями, внесенными новой планетой в царство теоретической небесной механики. Адамc и Леверье приложили огромные усилия для проецирования ньютоновской теории на экспериментальный материал, но сами не стремились провести наблюдения, перепоручив их Челлису и Галле.
Именно это характерно для развитой науки. Люди, способные одинаково хорошо работать в эксперименте и в теории, на любом ее уровне - это и в 19 веке, а тем более теперь - редкое исключение из правил.
Итак, наука усложнилась, и постепенно стали вырисовываться важные элементы ее структуры - расслаиваться стали сама теория и сам эксперимент.
До поры считалось естественным, что астроном сам конструирует и изготовляет свои телескопы. Но изготовление крупных приборов требует особых навыков и средств, наконец, немало времени. Выделяются специальные мастерские, где умеют делать хорошие зеркала, монтировать сложные конструкции. Обилие приборов и большой объем наблюдений влекут за собой участие многочисленных помощников в каждой крупной программе.
Еще наглядней процесс усложнения структуры в теории.
Когда мы говорим о триумфе ньютоновской системы в 19 веке, то надо понимать, что у самого Ньютона задавалась лишь принципиальная структура подхода к задачам небесной механики, проиллюстрированная очень простыми и сильно идеализированными моделями.
Истинное движение планет гораздо сложней, чем это следует из Кеплеровых законов, прежде всего потому, что Солнечная система состоит из многих взаимодействующих тел. Аналитически точно решить систему уравнений для многих планет невозможно - уже задача трех тел составляет крупную проблему (едва ли не самостоятельный раздел механики). Поэтому для учета дополнительных влияний на данную планету требуется немалое искусство - ведь истинная орбита, которую с превеликой точностью определяют астрономы, представляет собой, строго говоря, очень сложную волнистую кривую, и ее лишь приближенно можно считать эллипсом.
Трудности в расчете орбиты Урана выглядят еще безобидно по сравнению с теми сюрпризами, которые поднесла астрономам 18 века старая добрая Луна. В значительной степени именно на описании движения Луны создавались и оттачивались мощные методы небесной механики - теория возмущений.
Интенсивное развитие ньютоновской теории началось именно с этого в середине 18-го века. В работах блестящих математиков французской школы Алекси Клеро (1713-1765) и Жана Лерона д'Аламбера (1717-1783) родились корректные методы учета относительно слабых воздействий. Их работы по теории взаимного возмущения планетных орбит обусловили настоящее подтверждение ньютоновского закона тяготения. До того отклонение от строгой эллиптичности движения на равных правах рассматривалось как возможное нарушение этого закона.
Почти сразу же вслед за первой весьма удачной моделью движения Луны, построенной Клеро к 1751 году, появилась еще более точная модель, основные идеи которой использовались впоследствии для всей небесной механики.
Автор этой модели Леонард Эйлер (1707-1783), уникально результативный ученый, сыгравший выдающуюся роль в становлении научных исследований сразу двух стран - России и Германии. 20-летним юношей Эйлер приехал в Петербург по приглашению столичной Академии наук и художеств. В 1741 году Эйлер, завоевавший уже мировой авторитет в науке, приглашается Фридрихом П для организации работ в Берлинской академии. Однако связи с Петербургом он не терял и через четверть века возвратился на свою научную родину. В 1756 году Петербургская академия присудила ему премию именно за работу по теории движения Луны.
Главное достижение Эйлера заключалось в разработке так называемого метода оскулирующих элементов. Эллипс, по которому должен двигаться одинокий спутник центрального тела, принимается за основу, но элементы, характеризующие эту фигуру (эксцентриситет и т. д.), считаются теперь переменными. В их периодическом изменении и сказывается влияние других тел Солнечной системы. Иными словами, поправки к идеальному кеплерову движению приобрели теперь ясный и наглядный смысл.
На рубеже 18-19-х веков серьезных успехов в создании методов обработки астрономических данных добивается немецкий математик Карл Фридрих Гаусс (1777-1855). Его интересует задача о восстановлении параметров орбиты по данным наблюдений. Совокупности точек, которые получают наблюдатели и теоретики, никогда полностью не совпадают, и возникает проблема - какую именно совокупность теоретически вычисленных точек предпочесть, какая из них наилучшим образом соответствует совокупности экспериментальной. Гаусс получил решение, строго обосновав так называемый метод наименьших квадратов. Лучшей оказывалась та теоретическая кривая, для которой сумма квадратов отклонений от наблюдаемых значений принимает наименьшее значение. Этот метод положен в основу всей техники обработки экспериментальных данных в различных областях науки.
Интерес Гаусса к задаче реконструкции орбит обострился после открытия астероидов, когда соответствующие вычисления "стали на поток". В 1809 году в своей "Теории движения небесных тел" он доказал, что для полного определения элементов эллиптической орбиты необходимо как минимум 3 наблюдения.
Гаусс первым обратил внимание на описание кривых поверхностей независимо от конкретной системы координат. Размышления об этом и обширная работа по составлению геодезических карт привели его уже в 1818 году к идеям неевклидовой геометрии, сыгравшей впоследствии огромную роль в построении современной теории гравитации. К сожалению, он всячески избегал любой формы публикации этих идей и, в конце концов, добился своего создателями неевклидовой геометрии стали Лобачевский, Больяи и Риман. И на своем памятнике Гаусс велел выбить правильный 17-угольник - задачу его построения с помощью циркуля и линейки великий геометр считал лучшим своим достижением...
В стройное здание, основанное на немногих общих принципах, превратил ньютоновскую механику французский математик Жозеф Луи Лагранж (1763-1813). Развивая идеи Эйлера, он добился чрезвычайно прозрачного описания планетных движений. Вселенная, считал Лагранж, должна описываться простейшим образом, и эта простота непосредственно отражается в законах механики. Эти законы он воспринимал как нечто объективное, заложенное в самой природе, и отсюда возникал механицизм как мировоззрение.
Но по-настоящему попытался превратить ньютоновскую картину Вселенной в мировоззренческую систему французский математик и физик Пьер Симон Лаплас (1749 -1827), сын нормандского крестьянина, человек очень интересной судьбы.
Рано приобщившись к идеям французского просветительства, Лаплас в определенной степени пошел дальше традиционных деистических взглядов и стал атеистом. Годы расцвета его деятельности приходятся на бурный период истории Франции - Великую революцию, консульство, наполеоновскую империю и реставрацию. Его положение и взгляды эволюционизируют от события к событию. Он приветствует восстание и защищает республиканские взгляды, при Наполеоне становится даже министром внутренних дел (!)*, потом - вице-председателем сената, получает графский титул. Падение императора застает его сторонником реставрации, и Бурбоны, в свою очередь, жалуют ему титул маркиза и пэра Франции...