Магнетизм высокого напряжения. Максвелл. Электромагнитный синтез - Miguel Sabadell

ГЛАВА 5

Кольца Сатурна

В 1857 году одна проблема занимала практически все свободное время Максвелла.

И она же интриговала астрономов в течение более 200 лет: речь идет о кольцах газового гиганта Сатурна. Его система колец интересовала научное сообщество настолько, что за выяснение их природы была обещана премия Адамса.

В 1848 году несколько сотрудников Колледжа Святого Иоанна в Кембридже учредили премию Адамса в честь молодого математика, который предсказал — одновременно с французом Урбеном Леверье (1811-1877) — существование планеты за орбитой Урана. Обе работы доказывали истинность законов небесной механики: дело в том, что реальная орбита Урана отличалась от рассчитанной. Наиболее рациональным объяснением этого факта было существование планеты, расположенной дальше, которая притягивает Уран к себе и влияет на его орбиту.

Нептун официально открыли в 1846 году, когда астроном в Берлинской обсерватории обратил внимание на письмо, присланное ему Леверье, в котором тот просил его направить телескоп в указанную им точку. Так и был найден Нептун. В то же время в середине сентября 1845 года молодой и блестящий математик по имени Джон Куч Адамс (1819-1892), который окончил университет двумя годами ранее, завершил свои расчеты с целью определить, где может находиться таинственная планета. Честь открытия была отдана французскому астроному, а ученый из Кембриджа остался ни с чем, и это было несправедливо. Более того, в 1846 году самая престижная награда Королевского общества (и первая научная почесть в мире), медаль Копли, была присуждена исключительно Леверье за «доказательство существования и предсказание местоположения новой планеты». Сообщество Кембриджа не могло пройти мимо такого оскорбления и по прошествии двух лет создало премию Адамса, вручаемую раз в два года. Любопытно, что именно тогда Королевское общество признало свою забывчивость и вручило медаль Копли Адамсу.

При этом члены Колледжа Святого Иоанна установили, что согласно принятым нормативам данная премия будет присуждаться только бывшим ученикам Кембриджа и только за достижения по одной из тем, предварительно избранных комитетом. Первые три работы, выдвинутые на соискание премии, касались небесной механики. Они привлекли так мало ученых, что премию предоставили только в одном случае (в 1850 году) — некоему Роберту Пирсону, о котором ничего не известно. По остальным проблемам премию не присвоили.

После двух лет работы, в 1845 году, Джон Куч Адамс вычислил, где может находиться планета, которая вызывала необъяснимые искажения орбиты Урана, замеченные астрономами. Он показал свои результаты Джеймсу Чэллису, директору Кембриджской обсерватории, а тот, увидев их, заявил, что должен переслать их сэру Джорджу Бидделю Эйри, настоящему астроному и директору Гринвичской обсерватории. К несчастью, вычисления Адамса совсем не понравились Эйри. Во-первых, потому что у Адамса, крестьянского сына, не было должного социального положения. Во-вторых, потому что он был исключительно практиком и не любил чистую теорию; он считал, что предсказывать математически, а затем проверять вычисления неприемлемо: начинать надо с эксперимента. Несмотря на свое негативное отношение, Эйри послал данные Адамса астроному-любителю, чтобы тот поискал планету. Но этот любитель не мог ничего искать, так как лежал в постели с вывихнутой лодыжкой. Между тем Нептун находился практически в том месте, которое вычислил Адамс.

Француз Урбен Жан Жозеф Леверье вычислил положение Нептуна, не зная ничего о результатах Адамса, и 31 августа 1846 года представил свои данные в докладе Французской академии наук, в котором указывал местонахождение планеты в «5 градусах к западу от звезды 6 Козерога». Но Леверье преследовал тот же самый рок, что и Адамса: ни один французский астроном не искал планету. За два месяца до этого, 23 июня, Эйри получил предварительный доклад Леверье, в котором он рассчитывал с меньшей точностью положение Нептуна. Оно отличалось только на один градус от того, что вычислил Адамс.

Эйри начал думать, что, возможно, восьмая планета существует: Леверье был гораздо более известным математиком, чем Адамс. Он намеренно прокомментировал различным английским астрономам идеи французского ученого, но никак не упомянул Адамса. Даже 2 июля, когда он посетил Кембридж, Эйри случайно встретил Адамса и не сказал ему ничего о том, что происходит во Франции. Между тем Адамс уточнил расчеты и решил представить свои результаты на собрании Британской ассоциации развития науки, но когда он пришел, заседание, посвященное астрономии, уже закончилось.

Он не смог убедить ни одного астронома поискать планету.

Леверье, рассерженный тем, что во Франции не обратили на него внимания, написал помощнику директора Берлинской обсерватории, Иоганну Галле. В тот самый день, 24 сентября 1846 года, когда письмо Леверье было доставлено, Галле и Генрих д’Арре, один из студентов, работавших в обсерватории, начали наблюдать за точкой, указанной французом, и меньше чем за час нашли планету.

Гравюра примерно 1880 года, на которой изображен Урбен Леверье в 1846 году, вычисляющий положение Нептуна.

Для премии 1857 года попросили Джеймса Чэллиса (1803- 1882) предложить подходящую тему, способную привлечь внимание возможных кандидатов. Чэллис занимал должность профессора престижной кафедры астрономии и был директором Кембриджской обсерватории. По иронии судьбы, Чэллис был замешан в «деле* Нептуна. Адамс показывал ему свои расчеты, но он, должно быть, не поверил в них. А когда Чэллис все-таки начал искать Нептун, то стал исследовать обширные зоны неба вместо того, чтобы использовать координаты, предоставленные Адамсом. Когда Нептун был открыт, Чэллис хотел подняться на помост славы, но получил серьезную критику на собрании Королевского астрономического общества. Таким образом, он был самым подходящим человеком для того, чтобы возобновить премию, которая фактически еще не существовала. Однако Чэллис был пессимистично настроен и не верил в воодушевление молодых исследователей. Так он и сообщил Уильяму Томсону:

«Боюсь, математики Кембриджа ничего не понимают в исследованиях, требующих долгих математических расчетов. Я бы обрадовался, если бы мог предложить какую-нибудь тему, которая привлекла бы кандидатов».

С помощью своего примитивного телескопа Галилей заметил в 1610 году, что нечто странное сопровождает Сатурн, — как будто у планеты есть ручки или два больших спутника с каждой стороны:

«Я заметил, что самая дальняя планета — это тройная система... Они почти соприкасаются».

Но еще большее замешательство ученый испытал, когда два года спустя эта картина исчезла. «Сатурн пожирает собственных детей?» — написал он Марку Вельзеру, члену влиятельной семьи на юге Германии, который подогрел его интерес к астрономии, увлекшись открытием солнечных пятен. В последующие годы многие астрономы наблюдали кольца в различных ситуациях, но никто не решался дать объяснение, полностью охватывающее такой странный объект, и на время он был предан забвению.

В 1655 году голландец Христиан Гюйгенс с помощью своего брата построил телескоп и открыл спутник Титан — небольшую планету, которая сопровождала Сатурн. Она имела период обращения 16 дней и 4 часа. Но больше всего Гюйгенса заинтересовали странные придатки, которые показались ему двумя ручками. Поразмыслив, ученый предположил, что они не могут находиться в состоянии покоя, а должны вращаться вокруг планеты, и так как они сохраняют свой облик, то, должно быть, это что-то вроде колец. Исчезновение «ручек» в 1656 году доказало ему. что данное образование должно быть очень тонким и плоским. Так что в 1659 году в работе Systems Saturnium он писал:

•Сатурн окружен тонким и плоским кольцом, которое нигде не касается его и расположено под наклоном к эклиптике [...] Здесь я должен покончить с подозрением тех. кто считает странным и нерациональным то, что я придал форму небесному телу. Раньше этого никто не делал, ведь кажется точным и естественным то, что тела приобретают только сферическую форму. [...] Нужно иметь в виду, что мне подобное пришло в голову не из-за каприза, (...) но я ясно видел кольцо собственными глазами».

Решение, найденное Гюйгенсом для загадки Сатурна, не пришло просто с помощью построения мощного телескопа (который был грубым и неуклюжим по сравнению даже с теми, что сегодня доступны любому астроному-любителю), оно было результатом тщательных рассуждений. Пришлось ждать 1675 года, когда итальянец Джованни Доменико Кассини (1625-1712) открыл, что у этих колец есть структура и внутри них существует щель. Сегодня она известна как щель Кассини.