Гипотезы, гипотезы, гипотезы…
Гипотеза К. Вейцзеккера. 1943 год начался для гитлеровцев рейха весьма несчастливо: «Русские все еще обороняются», - говорили в штабах. Но господа генералы знали, что советские войска не только оборонялись. «Разгромленные», по убеждению фюрера, они окрепли и уже давно колотили «непобедимых» солдат вермахта. Впрочем, к астрономии это имело весьма небольшое отношение, но имело. Имело, потому что уже давно в ставке Гитлера мышиными шажками шмыгали астрологи и прочие «оккультных дел мастера». Уже давно в германской науке заправляли проходимцы в черных мундирах и без мундиров, но с золотыми партийными значками на отворотах. Но одна верность идеям - плохое топливо для локомотива прогресса. И потому гитлеровцы пытались приспособить к «делу» истинных ученых Германии. Приказы рейхсканцелярии запрещали заниматься проблемами, не дающими эффективного выхода в течение полугода. И уж конечно, такие проблемы не находили финансовой поддержки. Но что делать с теоретиками, которым для работы нужен только лист бумаги, карандаш да голова. Бумагу и карандаш у них не отнимешь. В условиях существующей цивилизации эти вещи найдутся всегда. Остается… голова? Но лишних голов было слишком много. Управляться со всеми не успевали.
Карлу Фридриху Вейцзеккеру было в 1943-м тридцать один год. Карл Фридрих не носил сапог с голенищами раструбом, за которые так удобно запихивать магазины к автомату. Карл Фридрих Вейцзеккер был астрономом и использовал свое свободное время на разработку новой космогонической гипотезы. Какой же путь он выбрал? Ведь и небулярная и катастрофическая гипотезы обе достаточно скомпрометировали себя в прошедшие годы!
К. Вейцзеккер не стал выдумывать ничего нового. Он вернулся к взглядам Канта - Лапласа, выступив в поддержку идеи конденсации тел из разреженного тумана. Опять небулярная гипотеза?
Да, небулярная! Но не «опять». Слишком свежи еще упреки в адрес гипотезы Джинса - Джеффриса, чтобы кто-нибудь мог позволить себе рискнуть встать на защиту катастрофической идеи. Другое дело детище Канта и Лапласа. С той поры утекло немало воды. Может быть, новые достижения физики помогут создать правдоподобный механизм для гипотезы конденсации?
И К. Вейцзеккер обращается за помощью к разработанной в самые последние годы теории турбулентности. Этим термином специалисты обозначают явление, которое наблюдается во многих жидкостях и газах. Заключается оно в том, что скорость, температура, давление и, главное, плотность испытывают случайные хаотические отклонения от средних значений - флуктуации. А это значит, что все указанные характеристики могут в однородном сначала облаке меняться с течением времени от точки к точке нерегулярно. Следовательно, в плоском диске первоначальной туманности могли возникнуть отдельные вихри.
В популярном обзоре, который был опубликован после войны в американском астрофизическом журнале за подписями Г. Гамова и Д. Хайнека, говорилось: «…эти вихревые движения аналогичны вращению шариков в подшипнике. Если внешнее кольцо подшипника (вихрь) движется по часовой стрелке, а внутреннее против часовой стрелки, то вращение шариков будет происходить в „прямом“ направлении; как это имеет место у планет».
Принцип действия «механизма» может быть легко усвоен читателем из схемы, принадлежащей вполне авторитетному источнику.
В местах встречи соседних вихрей, это видно на схеме, частицы сталкиваются, слипаются, и постепенно там формируются планеты.
«Планеты росли за счет мелких осколков, сконденсировавшихся тяжелых элементов. Спутники образовались подобным же образом в меньших туманностях, обволакивавших планеты; направление обращения спутников и вращения планет объясняется конвективными токами», - писал К. Вейцзеккер.
Теория турбулентности, по его мнению, должна была объяснять не только отмеченные П. Лапласом особенности солнечной системы, но и распределение планет в пространстве, расположение их орбит и распределение момента количества движения.
Теория немецкого астронома была хорошо встречена специалистами. Впрочем, в 1945 году во всем мире господствовала несколько восторженная атмосфера послевоенного оптимизма. Правда, претензий и к ней с первых же дней было высказано немало. Но главным достоинством новой работы, по мнению тех же Г. Гамова и Д. Хайнека, являлось то, что «Вейцзеккер внес свежую струю в стоячее болото теорий происхождения планет».
Гипотеза О. Ю. Шмидта. В 1944 году в «Докладах Академии наук СССР» были опубликованы две первые статьи Отто Юльевича Шмидта, посвященные космогонической гипотезе солнечной системы. И до конца жизни академик О. Шмидт занимался ее разработкой, создав большой творческий коллектив из молодых талантливых астрономов и математиков.
Интерес к его работе был огромен. Когда 31 января 1947 года он решил выступить с докладом на пленарном заседании II Всероссийского географического съезда, академия была поистине атакована людьми. Не только конференц-зал, но и все прилегавшие к нему помещения были заполнены до отказа. Затаив дыхание люди слушали глуховатый голос О. Шмидта, докладывавшего «Новую теорию происхождения Земли и планет». В чем же заключалась основная идея его гипотезы?
Некогда, возможно несколько миллиардов лет назад, одинокая звезда - Солнце - встретила на своем пути во вселенной большую газопылевую туманность. Таких скоплений довольно много в космосе, и встреча с ними не носит столь уникального характера, как, например, встреча с другой звездой. В результате такого свидания значительная часть туманности последовала за Солнцем. Избыток его скорости относительно туманности придал диффузной материи момент количества движения, не связанный с моментом вращения светила. По законам природы, облако начало вращаться, сплющиваться, сжиматься. Отдельные частицы стали сливаться друг с другом, образуя более крупные тела. И вот уже не газопылевое облако, а густой поток метеорных тел облетает Солнце. Метеоры сталкиваются, слипаются. В областях, близких к Солнцу, обращаются плотные комья будущих планет. Дальше от живительного тепла в состав этих комьев входят более легкие вещества, в том числе замороженные газы. Так образовалось солнечное семейство.
О. Шмидт не был астрономом-профессионалом. Да и сама идея встречи и последующего захвата газопылевого облака Солнцем во время его движения вокруг центра Галактики тоже была не нова. Об этом еще в конце прошлого и в начале нашего столетия говорили и писали многие. О. Шмидт внимательно изучил гипотезы предшественников, взяв от них рациональные зерна.
У И. Канта он взял идею о пылевом облаке, о пылевых частицах, как исходном материале для формирования планет, идею «холодного» происхождения Земли.
У П. Лапласа - мысли о роли конденсации газа в формировании планет, аналогию с туманностями, наблюдаемыми в нашей Галактике, мысль о сжатии, уплотнении вращающейся туманности.
У Ф. Мультона и Т. Чемберлина он взял идею о планетезималях как переходной форме к образованию планет.
У Д. Джинса - идею о том, что момент количества движения планет может быть привнесен извне в результате встречи Солнца с другим небесным телом.
«Но, несмотря на это, - пишет В. Бронштэн в книге „Беседы о космосе и гипотезах“, - гипотеза Шмидта не была похожа ни на одну из ранее предложенных гипотез и не являлась их компиляцией. Эта гипотеза была совершенно самостоятельной».
Новая гипотеза получилась отменной. Она легко расправлялась с целым рядом трудностей, встречавшихся у других авторов, неплохо объясняла главные особенности солнечной системы. Но были у нее и слабые стороны. Одна из них - само предположение о захвате Солнцем части встретившегося газопылевого облака.
Здесь нам придется снова вернуться к законам, диктуемым небесной механикой. А законы эти говорят, что одинокая звезда одинокую туманность захватить в принципе не может. Это было доказано при решении «задачи двух тел».
Представим себе: в пустом бесконечном пространстве имеются два тела: одним из них пусть будет неподвижное Солнце - тело А, другим - пролетающая мимо туманность - тело В. Под действием сил притяжения тела А траектория тела В искривляется и становится гиперболой. Но ветви гиперболы уходят в бесконечность. Чтобы осуществился захват туманности (тела В), ее надо сначала затормозить, чтобы перевести с гиперболической орбиты на эллиптическую. Однако одно Солнце сделать это не в состоянии. Даже, если бы у туманности не было первоначально никакой скорости и сближаться оба тела стали бы под действием лишь собственных сил притяжения, то и тогда захват произойти бы не смог. Туманность, пришедшая из бесконечности, обогнула бы Солнце по параболической траектории и снова ушла бы в бесконечность. Нет, для захвата нужны другие условия. Что, если рассмотреть задачу не двух, а трех тел?
Впрочем, такая задача уже была решена более десяти лет назад французским математиком Жаном Шази. Согласно его решению и в случае трех тел захват одного из них также невозможен. О. Шмидт не поверил Ж. Шази. Сформулировав начальные условия, он засел за расчеты. А когда первая прикидка показала, что, может быть, все-таки прав он, а не Ж. Шази, передал задачу П. Парийскому; тому самому знаменитому математику, который доконал своим численным расчетом гипотезу Д. Джинса. Не подвел П. Парийский и в этом случае. Уже в первом своем докладе О. Шмидт уверенно говорил о возможности захвата в системе трех тел.
Однако этот вариант хоть и имел вероятность большую, нежели джинсовская встреча звезды со звездой, был все же весьма искусствен. Потому-то гипотеза гравитационного захвата и подверглась столь суровой критике на первом совещании по вопросам космогонии.
Мысли О. Шмидта были полностью заняты этой проблемой. В 1951 году ему исполнилось 60 лет. Друзья преподнесли юбиляру шутливые вирши:
На бреге бездны мировой
Сидел он с длинной бородой
И вдаль глядел…
Так начинались эти стихи. Потом шло рифмованное описание механизма гипотезы. И заканчивалась поэма сетованием на нерешенную проблему захвата.
И перед новою теорьей
Главой склонился б и Лаплас,
Когда бы о захвата роли
Не продолжался спор у нас.
А спор о механизме гравитационного захвата действительно все продолжался. И хотя ряд астрономов предлагали свои оригинальные решения этой проблемы, большинство специалистов склонялось в пользу совместного образования Солнца и протопланетного облака. В этой части проблемы постепенно все возвращалось «на круги своя», возвращалось в лоно классичеческой гипотезы.
Единая космогоническая проблема происхождения солнечной системы разбивалась на части. Отчаявшись, специалисты оставили в покое вопросы о том, как и откуда Солнце приобрело себе туманность, и принялись за обсуждение этапов эволюции уже готового облака возле готового Солнца.
Конечно, полной картины при этом не получить, но, может быть, удастся разработать теорию «механизма» образования планет из пыли и газа.
На решение задач, связанных с таким частичным подходом к проблеме происхождения солнечной системы, много труда положила группа сотрудников Института физики Земли АН СССР под руководством Б. Левина. Очень интересные и плодотворные исследования провели ленинградцы Л. Гуревич и А. Лебединский.
В процессе работы над гипотезой О. Шмидт показал образец современного стиля в науке. Так, начав в одиночку, он уже через некоторое время работал с коллективом представителей самых различных специальностей. Это дает нам право считать его теорию первым коллегиальным трудом в области космогонии.
В книгах можно прочесть о самом разном отношении к космогонической теории О. Шмидта. Причем, как правило, и «pro» и «contra» бывают одинаково убедительны. Нельзя не согласиться с замечанием о том, что рассматривать процесс возникновения планетной системы при готовом Солнце, пренебрегая эволюцией центрального светила, вряд ли правомерно. Скорее следовало бы считать, что проблема планетной космогонии самым тесным образом связана с вопросами происхождения не только Солнца, но и звезд и звездных систем.
Не получилось у гипотезы захвата и удовлетворительного объяснения совпадения направления вращения Солнца и планет, а также малых отклонений плоскостей орбит больших планет от экваториальной плоскости Солнца.
Не сумела «гипотеза Шмидта» удовлетворительно объяснить и распределение планет по расстояниям. Не дала она объяснения уникальности спутника Земли - Луны.
У многих вызывал сомнение даже главный тезис теории О. Шмидта - образование Земли из холодных частиц. Сторонники разогрева нашей планеты на ранней стадии ее образования утверждали, что в эволюции Земли большую роль должны были играть физико-химические, а не только гравитационные процессы. Но представить себе их в холодном коме первоначально слипшегося вещества трудно.
Вызывало недовольство специалистов и то, что «гипотеза Шмидта» «не могла предсказать ни одной ранее известной особенности солнечной системы, что косвенно говорит о неубедительности ее основных положений».
Так эти претензии были сформулированы астрономом С. Всехсвятским.
Все эти недостатки не были тайной для тех, кто многие годы занимался разработкой шмидтовской гипотезы. Почему же они не остановились, почему не бросили на полпути всю эту массу невероятно утомительных, и по-видимому, бесплодных расчетов? Может быть, не так уж они были бесплодны? Помните, мы уже говорили, что в науке ничто не пропадает даром, если, конечно, не иметь в виду откровенно антинаучных бредней.
Теоретические задачи теории захвата, которыми прилежно занимались специалисты по небесной механике, оказались вдруг неоценимым вкладом в развивающуюся космонавтику. Вы спросите: как? А вот как.
Представьте себе, что нам надо запустить автоматическую межпланетную станцию (АМС) на Марс или Венеру. Чтобы освободиться от материнских объятий земного притяжения, ракета-носитель должна сообщить космическому летательному аппарату (КЛА) третью космическую, или «гиперболическую» скорость удаления от Земли. Но чем большая требуется скорость, тем мощнее должны быть двигатели ракеты. А это проблема номер один! Это стоит денежек! А нельзя ли как-нибудь обмануть природу и запустить, например, космический корабль так, чтобы, направляясь, скажем, к Марсу с явно недостаточной скоростью, он прошел бы мимо Луны, которая своим притяжением добавила бы ему скорости, направив его как раз в нужном направлении? Но при чем здесь космогония? - спросите вы.
Так вот, дело в том, что проблема «гравитационного разгона» космического аппарата - ближайшая теоретическая родственница тех самых задач, которые решает теория захвата. И можете поверить, что точность попаданий советских АМС на Венеру и на Марс немало обязана теоретическим работам по космогонии. Точно так же, как и полеты американских станций к Юпитеру с гравитационным маневром у Марса и к Меркурию с добавлением гравитационного импульса Венерой.
Гипотеза Г. Гамова и гипотеза Я. Оорта. К. Вейцзеккер в своей работе широко использовал достижения теоретической физики, и все-таки ряд вопросов ему пришлось обойти молчанием. Сначала казалось, что это пустяки, частности. Главное - это представление обо всем «механизме» образования планетной системы из облака диффузной материи. Но именно на эти частности обратил свое внимание американский физик Г. Гамов. В послевоенные годы он по праву занимал место в десятке лучших ученых Америки. Он консультировал манхэттенский проект, занимался проблемой происхождения химических элементов, много писал и выступал, удовлетворяя вдруг возникший интерес к науке среди военных, журналистов и вообще непросвещенных масс. Широкая эрудиция, развитое воображение и бойкое перо помогли ему перейти от отдельных уточнений вейцзеккеровской гипотезы к картине детального образования планет.
Читатель, наверное, помнит упоминания немецкого космогониста о том, что первоначальная туманность, как и Солнце, должна была содержать очень немного тяжелых элементов. Г. Гамов уточняет это положение и развивает его. В состав туманности, по его мнению, входил в основном водород, затем гелий и пыль. Подобная смесь, даже «разведенная очень жидко», должна обладать известной вязкостью. Значит, при вращении по принципу сепаратора, легкие газы будут выталкиваться из центральных областей и скоро вообще уйдут от Солнца на периферию. Там они станут конденсироваться, налипать на твердые частицы и образовывать сгущения - зародыши будущих планет-гигантов. Г. Гамов даже рассчитал скорость описанной эволюции. Для образования сгущений диаметром в один сантиметр из «жидкого киселя» первичной туманности понадобится всего несколько лет. А через сто миллионов лет поперечник зародившегося сгущения может достигнуть диаметра Юпитера.
В центральной околосолнечной области картина другая. Там частицы, движущиеся по кеплеровским орбитам, будут часто сталкиваться. При этом одни будут слипаться, другие же обращаться в пар… Ясно, что в центральной области сгущения будут более плотными, без смерзшихся газов.
Описанная «сортировка» первоначального вещества определит и различия в химическом составе планет земного типа и планет-гигантов, и характер распределения их масс по степени удаленности от центрального светила. Так ловко расправляется Г. Гамов с особенностями, бывшими много лет «камнем преткновения» на пути предшествующих гипотез.
Картина, нарисованная Г. Гамовым, была красочной, полной внутреннего драматизма и очень убедительной. Но, увы, и его космогонические рецепты не сумели удовлетворить всех запросов специалистов. Нет-нет да и возникала на астрономическом горизонте какая-нибудь темная тучка. «Вновь наблюденная» особенность солнечной системы постоянно не влезала в предложенную теоретическую схему. Так еще в гипотезе К. Вейцзеккера не получалось объяснения происхождения комет. Их разнообразие никак не поддавалось единому «механизму» образования. Может быть, это вообще чужаки, случайно залетевшие к нам из «горных сфер»?
Небесные скитальцы, которых так боялись в прошлые века и которые в наше время получили презрительное название «видимое ничто», самым удивительным образом распадались на коротко- и долгопериодические. Первые никакой загадки собой не представляли, поскольку их афелии группировались возле планет-гигантов. И их происхождение уместно было связывать с этими планетами. А вот вторая группа…
Директор Лейденской обсерватории профессор Я. Оорт (кстати, с 1966 года иностранный член АН СССР) собрал огромное количество информации по долгопериодическим кометам. Он выписал значения больших полуосей их орбит и обнаружил, что большинство имеют величину примерно в 150 тысяч астрономических единиц. Может быть, все-таки кометы-«чужаки» поставляются межзвездным пространством? Нет, Я. Оорт был убежден, что они - члены солнечного семейства, путешествующие вместе с нашим светилом по вселенной. А что такое тогда 150 тысяч астрономических единиц? И Я. Оорт возрождает старую идею, высказанную еще итальянским астрономом XIX века Д. Скиапарелли об облаке комет, окружающем солнечную систему. Он облекает ее в изящную математическую форму, утверждая, что 150 тысяч астрономических единиц не что иное, как критическое расстояние. Вспомните сферу Хилла. Если большая полуось кометной орбиты выйдет за этот предел, главной возмущающей силой станет уже не Солнце, а звезды. Их влияния могут быть настолько велики, что вполне способны увести дальних странников из пределов солнечной системы. Звезды же влияют и на то, что постепенно самые дальние кометы, изменяя свои орбиты, переходят в ближнюю область и становятся видны с Земли.
Гипотеза Оорта объясняла многие особенности кометного семейства. Причем результаты его теоретических выводов совпадали с расчетами наблюдателей.
Источником образования комет Я. Оорт считал возможный взрыв планетоподобного тела, орбита которого пролегала некогда между Марсом и Юпитером. Одни осколки получили при этом примерно круговые орбиты, потеряли под действием солнечных лучей имевшийся первоначально газ и стали обычными малыми планетами и метеоритами. Другие, получившие эллиптические орбиты, испытали на себе возмущения многих планет. Их должно остаться достаточно много, даже если предположить, что большая часть из них потерялась в космосе, вполне достаточно, чтобы образовать внешнее облако комет. Эти осколки могли удержать при себе и лед, и аммиак, и метан, потому что на таких больших расстояниях (порядка 100 тысяч а. е.) свет Солнца во много раз слабее, чем на Земле. И его лучи не в состоянии произвести необратимых изменений в составе кометы.
Пожалуй, гипотеза Оорта впервые более или менее свела концы с концами в вопросе происхождения комет и нашла им место в общей космогонии солнечной системы.
Гипотеза Дж. Койпера. Гипотеза К. Вейцзеккера оказала большое влияние на многих зарубежных космогонистов. Американский астроном голландец по происхождению Дж. Койпер начиная с 1949 года также занимался разработкой гипотезы, в которой, как и у К. Вейцзеккера, учитывались только силы гравитации. Дж. Койпер полагал, что Солнце образовалось в результате сжатия плотного облака межзвездного газа. При этом вокруг новообразовавшейся звезды сохранилась туманность в форме диска с радиусом в несколько десятков астрономических единиц. Из этого-то строительного материала большие вихри вейцзеккеровского типа и образовали большие и рыхлые протопланеты. Правда, у К. Вейцзеккера были еще и малые промежуточные вихри, которые помогали объяснять прямое вращение планет.
У Дж. Койпера промежуточных вихрей не было, а большие - закручивали протопланеты в обратном направлении. Чтобы оправдать эту неувязку, он вынужден был придумывать дополнительные предположения.
Дж. Койпер называл протопланеты большими, ибо считал, что до 99 процентов своей массы они должны были потерять под воздействием корпускулярного излучения Солнца прежде, чем сформировались окончательно. Жесткий «солнечный ветер» просто «сдул» эту массу с рыхлых протопланет. Потому-то, дескать, в близких к Солнцу планетах земного типа так остро не хватает водорода по сравнению с более удаленными планетами-гигантами.
Земля, по мнению Дж. Койпера, скорее всего никогда не была в расплавленном состоянии. Ее разогрев мог происходить за счет распада радиоактивных элементов. Впрочем, на заре своего существования наша планета могла быть эластично-мягкой.
Кольцо Сатурна он считает остатком туманного диска, который окружал эту планету при ее формировании.
Происхождение спутников, по Койперу, ничем не отличается от происхождения планет. А Луна, возраст которой, по его мнению, не менее миллиарда лет, является самостоятельным холодным небесным телом. Впрочем, в последние годы эта точка зрения претерпела некоторые изменения, и сейчас Дж. Койпер отдает предпочтение гипотезе о важной роли вулканизма как в истории Луны, так и в развитии других небесных тел.
Гипотеза Э. Эпика. Примерно в те же годы, когда Дж. Койпер разрабатывал свою теорию, в Эстонии на Тартуской обсерватории работал астроном Эрнст Эпик. А в 1960 году, в Нью-Йорке вышла его работа, в которой он так же пытается нарисовать космогоническую картину.
Его не интересует вопрос о происхождении первичной туманности. За исходные данные он берет существование Солнца и готовой туманности около него. Так сказать, дано! Из-за своего вращения туманность получилась неоднородной. В плоскости эклиптики образовались более плотные полосы пыли, которые полностью поглощали солнечный свет. Испарившиеся газы, попадая сюда, в область почти абсолютного нуля, конденсировались, образовывали снежинки и намерзали на частицы пыли, создавая планетезимали. Планетезимали объединялись в протопланеты. И чем больше становилась их масса, тем с большей скоростью врезались в них планетезимали, выделяя при этом все больше и больше тепла. Будущая планета - Э. Эпик рассматривает в качестве примера Землю - разогревалась: лед таял, газы испарялись и уходили в космос, а тяжелые каменные и металлические частицы оставались, создавая тело планеты.
Сейчас много говорят об изменении климата Земли. Причем одной из причин специалисты считают парниковый эффект. Это значит, что из-за сильного загрязнения атмосферы замедляется теплоотдача Земли и общая температура повышается. Немалую роль, говорит Э. Эпик, играл парниковый эффект и в начале Земли, когда наша планета была окружена плотной пылью. Пыль служила преградой излучению тепла Земли. Наша планета должна была разогреться до расплавленного состояния. В жидкой Земле плотные и легкие вещества разделились: металлы опустились к ядру, а каменистая лава, нефть и вода поднялись к поверхности. Постепенно пространство вокруг Земли очистилось от пыли, и планета стала остывать, несмотря на тепло солнечных лучей. Так представил себе картину формирования Земли астроном Э. Эпик.
Он не соглашался с выводами Д. Дарвина по поводу Луны, полагая, что спутник возник возле Земли как самостоятельное небесное тело. Лунные кратеры Эпик считал следствием только падения метеоритов, отрицая возможность вулканической деятельности на нашем спутнике. Тем печальнее прозвучало для него сообщение советского астронома Н. Козырева, наблюдавшего извержение в одном из лунных кратеров. Можно было, конечно, подвергнуть это сообщение сомнению. Но вслед за Н. Козыревым и американские астрономы заметили следы вулканической деятельности на Луне. И наконец, первые астронавты, облетавшие Луну увидели красный отблеск в безжизненных горах.
Не так-то легко, даже имея достаточно данных сконструировать гипотезу, которая удовлетворительно ответит на все вопросы. Похоже было, что классический путь с привлечением одних только гравитационных сил для объяснения образования планетной системы изживал себя окончательно.
Гипотеза X. Альвена и Ф. Хойла. Еще в 1912 году К. Биркеланд попытался ввести в космогонию солнечной системы электрические и магнитные силы. Получилось на первый раз не очень убедительно. Конечно, если принять во внимание, что первоначальная туманность должна была состоять из смеси заряженных частиц, то Солнце благодаря мощному корпускулярному излучению и магнитному моменту вполне было в состоянии сыграть роль «сепаратора» и постепенно вокруг него могли образоваться слои или кольца, состоящие из разных ионов. Согласившись с механизмом, предложенным К. Биркеландом, мы вправе ждать, что все планеты по составу будут резко отличаться друг от друга. Но почему тогда метеориты, выпадающие на Землю, имеют с ней такой сходный состав?
После окончания второй мировой войны шведский астрофизик Ханнес Альвен предложил гипотезу образования планет главным образом в результате действия электромагнитных сил.
X. Альвен исходит из предположения, что некогда Солнце обладало очень сильным магнитным полем. Туманность, окружавшая светило, состояла из нейтральных атомов. Под действием излучения и столкновений атомы ионизировались. Ионы попадали в ловушки из магнитных силовых линий и увлекались вслед за вращающимся светилом. Постепенно Солнце теряло свой вращательный момент, передавая его газовому облаку.
Трудность предложенной гипотезы заключалась в том, что атомы наиболее легких элементов должны были ионизироваться ближе к Солнцу, атомы тяжелых элементов - дальше. Значит, и ближайшие к Солнцу планеты должны были бы состоять из наилегчайших элементов, то есть из водорода и гелия, а более отдаленные из железа и никеля. Увы, наблюдения говорят об обратном.
И все-таки электромагнитные силы должны были играть важную роль в формировании солнечной системы. Это стало ясно всем ученым. И тогда английский астроном Ф. Хойл разрабатывает новый вариант гипотезы. Сначала в ней все шло, как предполагалось уже не один раз и раньше. В недрах туманности зародилось Солнце. Оно быстро вращалось, и туманность становилась все более и более плоской, превращаясь в диск. Постепенно диск начинал тоже разгоняться, а Солнце тормозилось. Момент количества движения переходил к диску. Затем в нем образовались планеты.
Стоп! Стоп! - скажет читатель. Так описывать суть новой гипотезы нельзя. Здесь же нет ничего нового и неожиданного. Обычный скелет небулярной гипотезы.
Правильно! Новое - в частностях. Прежде всего в том, как происходила передача момента. Вот тут-то и вступают в игру, по мнению Ф. Хойла, магнитные силы. Если предположить, что первоначальная туманность уже обладает магнитным полем, то вполне может произойти перераспределение углового момента. Ф. Хойл доказал это. А как быть с различием плотностей планет, с которым не справилась гипотеза X. Альвена? Ф. Хойл допускает, что момент передается от Солнца не всем частицам туманности, а только газообразным. Это и понятно, они легче превращаются в ионы. Он так и пишет: «Приобретая момент количества движения, планетное вещество удалялось от солнечного сгущения. Нелетучие вещества конденсировались и отставали от движущегося наружу газа. Именно с этим процессом связан тот факт, что планеты земной группы: 1) имеют малые массы; 2) почти полностью состоят из нелетучих веществ; 3) находятся во внутренней части системы».
Ф. Хойл считает, что подобный механизм создает условия вообще для существования возле Солнца некой каменно-железной зоны, которая в широком промежутке между орбитами Марса и Юпитера переходит в область, в которой преобладают вода и аммиак. Здесь, на уровне Юпитера и Сатурна, снежинки и замерзший аммиак объединяются, собирая вокруг себя большое количество несконцентрировавшегося газа.
Юпитер и Сатурн хорошо подходили под эту схему. Плотность Сатурна, отстоящего дальше от Солнца, как и полагалось по гипотезе, меньше плотности Юпитера. Но как быть с еще более далекими планетами - Ураном и Нептуном, плотности которых снова растут? И Ф. Хойл предлагает новый механизм: дескать, здесь, на этом уровне, в условии холода космического пространства, вода и аммиак вымораживаются, а водород уходит в межзвездные области. Здесь могут концентрироваться лишь более тяжелые углеводороды.
Вторая часть гипотезы Ф. Хойла, объясняющая механизм образования планет, гораздо менее убедительна, чем та, которая касается образования протопланетной туманности. Здесь ее создателю приходится идти на ряд искусственных допущений, снижающих достоверность всей картины.
Не смог Ф. Хойл удовлетворительно объяснить и спутниковую проблему. По его мнению, все они образовались в результате чисто гидродинамического процесса, как это уже описывалось и раньше, без какого-либо участия электромагнитных сил. Отсюда и недостатки. Пояснить наблюдаемые различия в спутниковом хозяйстве, например, почему у Меркурия и Венеры спутников нет, а у Земли - уникальная Луна и т. д., гипотеза Хойла не могла. Не нашла удовлетворительного объяснения и причина различного наклона осей вращения планет, особенно аномального положения лежебоки Урана. В общем, даже частичное привлечение на помощь электромагнитных сил пока еще тоже надежд не оправдало.
Гипотеза С. Всехсвятского. Существует в планетной космогонии еще одна любопытная гипотеза. Автором ее является известный советский астроном С. Всехсвятский. Он опирается на предположение (увы, только предположение), что главную роль в эволюции солнечной системы на протяжении всего времени ее существования играли и играют взрывные вулканические или эруптивные процессы.
Начало этой так называемой «эруптивной гипотезы» С. Всехсвятского очень интересное. Мы уже говорили с вами, что одной из жгучих проблем в космогонии является вопрос о происхождении астероидов, комет, всяческих скитающихся в космосе обломков и космической пыли. Еще П. Лаплас, говоря о кометах, предполагал, что они образуются в межзвездном пространстве и оттуда вторгаются в пределы солнечной системы.
Позже эта проблема обсуждалась многими выдающимися математиками и астрономами. Идея захвата небесных скитальцев Солнцем была подвергнута сомнению. И все имеющиеся в наличии кометы объявили исконной собственностью нашего светила. Но тогда снова возникал вопрос: откуда они появились?
Неудача с межзвездным пространством в качестве источника, поставляющего «видимое ничто», привела к тому, что астроном Г. Ольберс еще в прошлом веке высказал идею о существовании некогда «специальной» планеты, которая разорвалась, дав начало всем скитающимся телам солнечной системы. Потом Дж. Скиапарелли пытался доказать, что за пределами орбиты последней из известных планет существует огромное облако комет, окружающее всю солнечную систему. Эта идея получила развитие, как мы уже видели, и в трудах Я. Оорта.
В середине нашего столетия Р. Литтльтон предположил, что кометы конденсируются из космической пыли, которая попадает в некие «области гравитационной фокусировки» в поле притяжения Солнца. Однако законы механики требовали, чтобы мелкие частицы в гравитационном поле рассеивались, а не сгущались.
В общем, многие специалисты думали над проблемой, рассчитывали орбиты и снова думали… Некоторые орбиты явно указывали на то, что их кометы вынырнули из недр Солнца. Это наводило на мысль, что взрывы и вспышки нашего светила периодически выбрасывают в пространство вещество, идущее на изготовление комет и метеорных масс. Кроме того, расчеты показали, что часть комет можно объединить в семейства, имеющие несомненную связь с планетами-гигантами.
Все это заставило С. Всехсвятского обратиться к идее, высказанной некогда еще П. Лагранжем, что вещество комет выброшено в результате вулканической деятельности планет.
Вы скажете, все это хорошо, но как приспособить вулканическую гипотезу образования комет к происхождению всей солнечной системы?
И вот гипотеза! Предположим (снова «предположим»; поистине волшебное и самое необходимое слово в космогонии; без него эти специалисты давно лишились бы хлеба насущного), что наше Солнце некогда было двойной звездой (идея не нова, если вспомнить). И еще предположим, что в один прекрасный момент второй компонент Солнца взорвался! Почему взорвался - об этом гипотеза не говорит. Не стоит и гадать. Звезды «любят взрываться, такова уж природа их», скажем мы в духе Аристотеля.
Так вот, после взрыва рассеявшееся вещество второй звезды стало собираться в сгустки, из которых потом получились протопланеты. А поскольку массы у вновь образованных небесных тел было уже недостаточно, чтобы сначала зажечь, а потом поддерживать термоядерные и прочие реакции в недрах, то протопланеты стали быстро-быстро остывать, терять газ и легкие элементы и покрываться корочкой. Правда, упрямые геологи настаивают на том, что земные породы никогда не были расплавленными, но мы же произнесли волшебное слово «предположим». Время от времени газы прорывали непрочную планетную корку и выстреливались в пространство, унося с собой часть вещества. При этих извержениях одни планеты теряли его больше, другие меньше. Так из примерно одинаковых первоначально протопланет образовались различные по своему физическому и химическому составу планеты.
Идея С. Всехсвятского о роли взрывных процессов в качестве механизма образования первичного допланетного облака и малых тел солнечной системы интересна. Но дальнейшее развитие планет у него в основном повторяет уже апробированные пути эволюции и потому несет на себе плюс к собственным недостаткам еще и груз недостатков прошлых гипотез.
На этом, пожалуй, можно бы ограничиться перечислением гипотез планетной космогонии. И не потому, что «рог творческого изобилия» иссяк. Нет, гипотез еще много. Но часть из них отличается от уже известных либо незначительными деталями, либо требует для понимания этих различий привлечения математического аппарата.
Из книги Революция в физике автора де Бройль Луи3. Развитие гипотезы Планка. Квант действия При построении своей теории равновесного теплового излучения Планк исходил из предположения, что вещество представляет собой совокупность электронных осцилляторов, при посредстве которых и происходит обмен энергией между
Из книги Пять нерешенных проблем науки автора Уиггинс Артур Из книги Занимательно о космогонии автора Томилин Анатолий НиколаевичПогода и климат: гипотезы (весьма добротные), прогнозы (не столь добротные) Получив для наблюдения столь замечательное собрание атмосферных газов на Земле, наука готовилась создать предполагаемую модель долгосрочного (климат) и краткосрочного (погода) поведения
Из книги История лазера автора Бертолотти МариоПадение небулярной гипотезы Начало штурма Помните, рассуждения П. Лапласа начинались с перечисления особенностей солнечной системы. Затем он построил гипотезу, наилучшим образом, как ему казалось, объясняющую все указанные особенности. Но именно с них начались у
Из книги Распространненость жизни и уникальность разума? автора Мосевицкий Марк ИсааковичПоследний толчок и крах небулярной гипотезы К 1900 году противоречий в небулярной гипотезе Лапласа накопилось уже столько, что стало очевидно: наступает время ее замены! Однако для окончательного ее падения нужен был толчок. Нужен был такой факт, который, будучи всем
Из книги автораПризнание гипотезы Бора Мы можем спросить, как же появилась теория Бора. Резерфорд, которому Бор послал свою рукопись для публикации, представил ее в престижный английский журнал Philosophical Magazine. Это предполагало, что он поддерживает ее, даже несмотря на то, что когда Бор
Теория, основы которой были заложены академиком О. Ю. Шмидтом, является наиболее разработанной. Поэтому мы ее и приводим.
О. Ю. Шмидт исходил сначала из того, что метеоритное вещество как в форме более или менее крупных кусков, так и в форме пыли в изобилии встречается во Вселенной. Еще недавно это метеоритное вещество было известно нам только в пределах Солнечной системы, но теперь мы обнаруживаем его в огромных количествах и в межзвездном пространстве. Большей частью метеоритное вещество собрано в колоссальные космические облака - в диффузные светлые и темные туманности, содержащие также много газа.
Впоследствии различные соображения привели советских ученых Л. Э. Гуревича и А. И. Лебединского к выводу, что допланетное вещество было газово-пылевого состава. О. Ю. Шмидт согласился с таким представлением о состоянии допланетного вещества, но подчеркивал, что «ведущая роль» принадлежала пыли.
Совокупность газово$пылевых облаков вместе со звездами заполняет нашу звездную систему - Галактику, причем их вещество сильно концентрируется к плоскости ее симметрии - к плоскости экватора Галактики. Вместе со звездами газово-пылевые облака участвуют во вращении Галактики вокруг оси. Наряду с этим вращением вокруг центра Галактики и звезды, и газово-пылевые облака имеют свои собственные движения, которые приводят к тому, что и звезды и облака то сближаются друг с другом, то расходятся. Иногда та или другая звезда погружается на время в газово-пылевую туманность и пролагает в ней себе дорогу, как путник, попавший в густой туман. Как туман путнику, так и газово-пылевое облако - не препятствие для движения звезды; сбиваться же ей с пути не приходится, так как ее путь в туманности направляется все тем же законом тяготения.
Многие пылинки упадут на звезду в течение ее скольжения сквозь туманность, а другие, изменив свои орбиты вследствие мощного притяжения звезды, могут быть ею захвачены в плен и сделаются ее спутниками. Однако, чтобы такой захват произошел, необходимо наличие особых благоприятных условий - уменьшение относительной скорости пылинок благодаря притяжению близкой звездой или, как показал Т. А. Агекян, благодаря столкновению пылинок друг с другом. В подобном «удачном» случае огромное множество этих «благоприобретенных» спутников звезды, эта ее бесчисленная верная свита, по гипотезе Шмидта, не покидает ее и после выхода из туманности. Звезда оказывается окруженной огромным облаком частиц газа и пыли, описывающих вокруг нее различные орбиты. Позднее О. Ю. Шмидт считал, что более вероятным, мог быть захват облака из той самой диффузной среды, из которой возникло само Солнце.
Облако, образовавшееся вокруг звезд, постепенно приобретало линзообразную форму. Обращение частичек в нем вокруг звезды происходило преимущественно, хотя и не исключительно, в одном каком-либо направлении (под небольшими углами друг к другу), потому что пылевой слой, пронизанный звездой, не мог быть совершенно однородным.
В подобной звезде, окруженной линзообразным газово-пылевым облаком, О. Ю. Шмидт видел наше Солнце, в пору, предшествовавшую образованию планет.
Конечно, не одно наше Солнце могло испытать такую встречу с газово-пылевой туманностью. Множество звезд, быть может большинство, должны были пережить такое же приключение, а другим оно еще предстоит в будущем. Тем лучше, значит, кроме нашей Солнечной системы, в Галактике должно быть еще множество планетных систем. Этот неизбежный вывод из новой теории дает ей преимущество по сравнению со многими другими космогоническими гипотезами, в которых возникновение солнечных систем было редким явлением.
В сонме пылинок, обращающихся около Солнца по пересекающимся и различно вытянутым и наклоненным орбитам, неизбежно происходили столкновения и это вело к тому, что движения их осреднялись, приближались к круговым и лежащим в близких друг к другу плоскостях. От этого вокруг Солнца возник из облака газово-пылевой диск, становившийся все тоньше, но зато плотнее. Этот плотный слой частиц в частях, близких к Солнцу, поглощал его тепло. Поэтому дальше от Солнца внутри диска было очень холодно, и газы там намерзали на пылинках. Это объясняет, почему далекие от Солнца планеты богаче газом, чем близкие к нему. Это представление, как и теорию эволюции облака, развили Л. Э. Гуревич и А. И. Лебединский, и О. Ю. Шмидт нашел, что их картина эволюции облака вероятнее чем та, которая ему самому рисовалась раньше. Разработанная математически картина эволюции облака, хотя и содержащая ряд дополнительных гипотез, может быть названа теорией, лежащей в рамках гипотезы Шмидта. Основной же гипотезой Шмидта является предположение, что планеты возникли из холодного облака частиц, причем основную роль в нем играло поведение твердых пылинок и предположение, что облако было захвачено Солнцем и притом, когда последнее уже вполне сформировалось.
Дальнейшая картина эволюции газово-пылевого диска вкратце представляется так. В уплотнившемся облаке возникали пылевые сгущения, в которых столкновения пылинок вели к их слиянию в твердые тела с поперечниками, как у современных астероидов. Множество их сталкивалось и дробилось, но более крупные из них, «зародыши» планет, - выживали и «всасывали» в себя окружающие осколки и остатки пыли, сначала присоединяя их при соударениях, а потом во все большей мере за счет притяжения их. Плотные зародыши планет окружались при этом роями тел и их обломков, обращающихся вокруг них и давших при своем объединении рождение спутникам планет по тому же «рецепту», по которому эти планеты возникли сами.
Из линзообразной формы туманности, окружающей Солнце, и из преобладания в ней движений, параллельных друг другу и направленных в одну и ту же сторону, вытекают сразу основные характерные особенности строения Солнечной системы: вращение всех планет около Солнца в одну и те же сторону, малые углы между плоскостями их орбит, а также почти круговая форма орбит.
О. Ю, Шмидт в одной из своих первых работ рассчитал, с какой скоростью происходил бы процесс увеличения массы планеты за счет падения на нее метеоритов, если бы наблюдаемые сейчас в Солнечной системе метеориты были остатками того роя, который некогда окружал Солнце. Оказалось, что вначале рост планеты происходил бурно, а потом все медленнее и медленнее. Грубо говоря, на постройку Земли пошли все те «кирпичи» - тела астероидных размеров и их обломки, которые заполняли пространство между границами, лежащими посредине между орбитами Земли и Венеры и между орбитами Марса и Земли, ближе к последней.
Невозможно, конечно, определить, «когда был заложен первый камень» - фундамент будущей планеты, но теория Шмидта позволила подсчитать, за сколько времени масса Земли увеличилась вдвое и достигла своего современного значения. Это время «полуобразования», ввиду упомянутой быстроты роста планет, близко к тому, что можно назвать возрастом Земли. Во всяком случае, этот промежуток времени немногим меньше возраста Земли.
Полагая, что сейчас на Землю ежегодно падает более 1000 тонн метеоритного вещества, О. Ю. Шмидт нашел для времени полуобразования Земли около 7 млрд. лет. Этот результат близок (в астрономических масштабах) к возрасту земной коры - 3 млрд. лет, определенному по радиоактивности горных пород. Ясно, что возраст земной коры должен быть меньше возраста Земли в целом.
Поскольку, однако, современные метеориты в Солнечной системе, возможно, являются осколками планеты, находившейся между Марсом и Юпитером, а не остатками метеоритной туманности, этот подсчет теоретического возраста Земли носит лишь ориентировочный характер.
О. Ю. Шмидт предполагал, что от ударов метеоритов в процессе быстрого роста Земли, а главное вследствие выделения тепла при радиоактивных процессах внутри слипающихся метеоритов их вещество разогревалось настолько, что становилось пластичным. Для этого было бы уже вполне достаточно температуры порядка 1000°. При размягчении метеоритного вещества более легкие каменные массы всплывали на поверхность, а тяжелые железистые массы постепенно опускались вниз. Так и создалось постепенно разделение массы Земли на плотное ядро и более легкую оболочку, причем до сих пор должна была бы сохраниться, и действительно еще сохранилась, промежуточная область, где тягучие железные и каменные массы не разделились вполне.
В настоящее время существует взгляд, что ядро Земли не железное, а силикатное, как и земная кора, но находящееся в сильно уплотненном металлоподобном состоянии под действием высокого давления вышележащих слоев. В слое, где давление составляет 1 400 000 атмосфер, эти свойства силикатных недр Земли возникают скачком. Если принять эту точку зрения, то надо думать, что подъем легких и опускание тяжелых веществ в толще Земли идет медленно и далеко еще не закончился.
Разогревание внутренних частей Земли еще продолжается и возникло в ее толще вследствие накопления тепла, выделяемого радиоактивным распадом внутри ее вещества.
Остатки метеоритного вещества, не вошедшего в состав планет, продолжали обращаться около Солнца и, проходя вблизи сформировавшихся планет, захватывались ими з плен. В образовавшемся вокруг планет сплюснутом метеоритном облаке шел процесс столкновения метеоритов, подобный тому, что создал планеты, и так вокруг них создались спутники. Естественно, что в общем более массивные планеты, производя больше захватов, могли обзавестись для компании большим числом спутников.
Поскольку большинство метеоритов, пошедших как кирпичи на постройку спутников, двигалось все в том же прямом направлении около Солнца и преимущественно вблизи плоскости эклиптики, то и орбиты спутников расположились вблизи этой плоскости. Направления их обращения оказались в согласии с теми движениями, которыми объединены все члены Солнечной системы. Только в редких случаях, когда в распределении скоростей или плотностей метеорного роя появлялась большая асимметрия, возникали планеты и спутники с обратным вращением (Уран с его спутниками, спутник Нептуна и далекие спутники Юпитера и Сатурна).
Вращение планет вокруг своей оси, которое ни одна из прежних теорий не могла удовлетворительно объяснить, теория О. Ю. Шмидта объясняет так. Под влиянием падения метеоритов на планету она должна прийти во вращение, и притом именно в том же направлении, в каком она вращается вокруг Солнца. Если случайно в той области, где образовалась планета, метеориты с орбитами, мало вытянутыми и мало наклоненными к средней плоскости Солнечной системы, не были в достаточной мере преобладающими, могло возникнуть вращение планеты в обратном направлении, что и объясняет известный случай такого рода - вращение Урана.
В успешном объяснении направления вращения планет теорией О. Ю. Шмидта состоит ее большая заслуга.
Остановимся немного на вопросе, который, может быть, и не будет так интересен для читателя, как предыдущие, но который имеет огромное значение. Речь идет все о том же знаменательном моменте количества движения, который теория Джинса не могла объяснить.
Мы помним, что в Солнечной системе львиная доля момента количества движения (т. е. суммы произведений масс частиц на их скорости и на расстояния от центра вращения) приходится на планеты. На Солнце с его медленным вращением вокруг оси приходится очень малая доля общего момента.
О. Ю. Шмидт показал путем вычислений, что Солнце, если оно вначале не вращалось или вращалось еле-еле, должно было прийти во вращение под действием ударов падающих на него метеоритов.
О. Ю. Шмидту удалось получить из своей теории формулу, которая утверждает, что произведение должно быть постоянным или почти постоянным для всех планет. В этом произведении m означает массу планеты, R - ее расстояние от Солнца, r - ее радиус и Р - период ее вращения вокруг оси. Так это оказывается и на самом деле. Наибольшее уклонение от этого закона обнаруживают Юпитер и Сатурн. Но по ряду соображений мы уже и раньше были склонны думать, что видимый радиус этих планет, подставленный в эту формулу, не есть действительный радиус их твердой поверхности - это радиус видимой границы их обширной и плотной атмосферы. Чтобы получить величину ω для Юпитера, близкой к тому, что получается для планет типа Земли и Марса (не внушающих подобных подозрений), надо допустить, что у Юпитера средняя плотность та же, что у Земли, и что тогда сам он лишь в 6,8 раз больше Земли (по диаметру). Почти половину его видимого радиуса составляет в этом случае толщина его обширной непрозрачной атмосферы. Но почти в точности к такому же соотношению размеров планеты и ее атмосферы приходил раньше и Джефрейс, хотя его соображения были совершенно иные.
m 2/3 √R P/r 2 =ω
Что касается Меркурия и Венеры, то их первоначальное вращение к настоящему времени заторможено действием приливов, ибо приливное действие Солнца на эти ближайшие к нему планеты весьма велико.
Подобным же образом, но в меньшей степени, Луна и Солнце своим приливным воздействием затормозили суточное вращение Земли. Раньше Земля вращалась быстрее.
Слипание вместе метеоритов, двигавшихся по продолговатым эллипсам с различно расположенными большими полуосями, приведет после слияния их к движению по орбите, более близкой к окружности. Чем больше метеоритов слипается, т. е. чем больше разнообразие направлений больших полуосей их орбит, тем ближе будет к окружности орбита планеты. Действительно, орбиты крупных планет, Юпитера и Сатурна, менее продолговаты, чем орбиты Меркурия и Марса.
Но как распределяются планеты по своим расстояниям от Солнца? Ответ на этот вопрос, найденный О. Ю. Шмидтом, получился неожиданно простым. Оказывается, момент количества движения, рассчитанный на единицу массы планеты, будет возрастать в арифметической прогрессии при переходе от одной планеты к следующей. Для тел, движущихся по круговым орбитам, момент количества движения (на единицу массы) пропорционален корню квадратному из радиуса орбиты. Следовательно, корни квадратные из расстояний планет от Солнца (√R) должны возрастать в арифметической прогрессии.
Этот закон прекрасно согласуется с действительным распределением расстояний планет от Солнца, если только мы будем рассматривать отдельно группу планет, далеких от Солнца (от Юпитера до Плутона), и группу планет, близких к Солнцу (от Меркурия до Марса). Мы уже говорили, что часть метеоритов, находившихся в районе планет второй группы, упала на Солнце, и потому, рассматривая их расстояния от Солнца, нельзя объединять их с планетами, далекими от Солнца. Для планет, близких к Солнцу, √R возрастает в среднем на 0,20 при переходе от одной планеты к следующей. Гшэтому, взяв за исходное значение √R его истинное значение для Меркурия, можно построить следующую табличку:
Первая строка показывает метод вычисления √R, вторая строка дает вычисленные значения расстояний планет, а последняя строка - истинные расстояния. Согласие получается очень хорошим.
Для планет, далеких от Солнца, среднее возрастание Y~R получается равным 1,00 и потому, беря за исходное значение √R его истинное значение для Юпитера, получаем:
Согласие вычисленных и истинных расстояний получается прекрасным. Таким образом, О. Ю. Шмидту как будто удалось объяснить закон планетных расстояний, не получивший никакого теоретического обоснования в прежних космогонических теориях. Некоторые другие космогонические теории последнего времени также объясняют это явление, но иными путями.
Здесь мы дали представление лишь об одной из множества космогонических гипотез. Единого взгляда на процесс возникновения планет и спутников пока нет.
Первый настоящий подъем науки и первые космогонические системы материалистического направления появились в Греции как следствие активной борьбы классов, которая начала развертываться в различных греческих городах в VII-VI вв. до н. э. Вполне аналогичное явление в истории науки и философии можно наблюдать и в новое время. Таким образом, прежде, чем говорить непосредственно о науке, необходимо хотя бы кратко остановиться на основных экономических и политических чертах этой эпохи. Говоря языком марксизма, прежде чем переходить к идеологической надстройке общества(в том числе к идеологическому значению больших научных проблем), нужно сначала рассмотреть базис общества (уровень техники, экономические и социальные условия).
Борьба классов и наука в средние века
В течение всех средних веков шла борьба, иногда очень жестокая, между торговой буржуазией городов и феодальным дворянством, для которого земля и крепостные служили основными двумя источниками доходов (к которым очень часто добавлялись разбой и грабеж). В ходе этой борьбы, особенно сильной в наиболее развитых экономически странах, например, во Фландрии, в Тоскани, в различных морских центрах Италии, буржуазии удалось завоевать некоторые свободы. Ряд морских городов, например Генуя, Венеция, обогащенные крестовыми походами, достигли очень большого могущества. Они обладали колониями в средиземноморском бассейне, правда, более или менее ненадежными.
Но экономический подъем, постоянное обогащение торгового класса и даже необычайное развитие некоторых городов, поставленных в особо благоприятные условия, не разрушили, несмотря на все происходившие столкновения, ни основ феодального строя, ни его идеологического оружия - католической религии. Наука, которую духовенство захватило в свои руки и превратило в придаток теологии, чахла вследствие отсутствия контакта с действительностью и была во власти недостаточных и часто ошибочных теорий Аристотеля, "присвоенных" в целом (если не говорить о деталях) отцами церкви.
Наука могла развиваться только вне. рамок католической церкви или даже противостоя католицизму, как например в странах арабоязычной культуры. В период своих завоеваний арабы заложили основы алгебры. Попытки алхимиков добыть золото с помощью "дьявольской магии" сами собой приводили к экспериментальному изучению химических явлений.
Что касается проблемы происхождения мира, то она была "решена" в книге Бытия. Теория Аристотеля, согласно которой небесные тела существовали вечно, была, конечно, отброшена. Вместе с тем был принят, почти как догма, вывод Аристотеля о совершенстве небесных тел. Наконец, движения в солнечной системе объяснялись с помощью очень остроумной и очень сложной теории Птолемея, греческого астронома II в. н. э., согласно которой Земля была неподвижна и находилась в центре мира.
Только схоластические дискуссии теологов относительно целей, преследуемых богом при сотворении мира, или относительно различных толкований текста книги Бытия создавали тогда подобие официальной идеологической жизни, и в них в виде религиозных споров звучало сильно искаженное и ослабленное эхо классовой борьбы того времени.
Но все эти споры касались лишь определений и толкований отдельных слов, а дух науки никогда не мог коснуться ни одной даже самой маленькой проблемы. * Вместе с тем вся система объяснения мироздания, хотя она и была ошибочной, все-таки производила впечатление гораздо более связной и солидной, чем расплывчатые мифы древних, которые подвергались критике со стороны Фалеса и его учеников за двадцать веков до того. Чтобы разрушить и опрокинуть эту систему, понадобились мощные удары эпохи Возрождения.
* ( Новейшие исторические исследования показали, что и в ночь средневековья пытливая человеческая мысль полностью не прекратила свою творческую деятельность. Под теологической формой диспутов зачастую скрывалось глубокое философское содержание. В кельях монастырей велись работы по истории, географии, языкознанию и искусствоведению, по ботанике и медицине, зарождались первые зачатки математического анализа и математической логики. Господствовавший дух суеверия и изуверства не смог приостановить эти исследования, а лишь придал им уродливую форму. (Прим. ред.) )
Эпоха Возрождения
В XV в. произошел исключительный скачок в развитии торгового капитала. Одну из главных причин этого внезапного экономического подъема следует искать в соперничестве, существовавшем между различными морскими государствами: Венецией, Генуей, Португалией и Испанией. Вторжение турок, вследствие чего европейские страны потеряли рынки на восточном побережье Средиземного моря, значительно осложнило связи Европы с Индией, являвшейся источником выгодной торговли пряностями, и еще более усилило это соперничество. Португальцы предприняли систематическое обследование берегов Африки с целью поисков там пряностей и ценных металлов, а в 1492 г. генуэзец Христофор Колумб, служивший Испании, открыл Америку там, где он думал найти Индию. Тогда началось стремительное движение к новым землям, что позволило значительно обогатиться городам, которые в течение средних веков развивались медленно. Колонизация Америки и наплыв золота в Европу ускорили экономическое развитие, начавшееся в предыдущие века. Могущество буржуазии росло с исключительной быстротой. Возникли многочисленные мануфактурные производства; все более и более увеличивалось влияние банкиров. Одновременно с этим шло культурное развитие, чему прежде всего способствовало изобретение книгопечатания, позволившее отныне широким слоям населения быстро знакомиться с прогрессом человеческих знаний, а также иммиграция византийских ученых, изгнанных турками и сохранивших более богатые и более живые традиции древних греко-римских времен.
Феодальный строй с каждым днем становился все более анахроничным; препятствия, которые он ставил экономическому развитию общества, становились все менее и менее терпимыми. Этот конфликт распространился и на идеологическую почву. Многочисленные представители буржуазии эпохи Возрождения противопоставили католической морали обновленный "гуманизм" древних. Они не осмеливались еще создать свою собственную идеологическую систему и противопоставить религии материализм. Они подвергли критике взгляды некоторых греческих философов, ценимых схоластической школой, но делали это, опираясь на другие греческие или латинские "авторитеты". Например Коперник в подтверждение своей астрономической теории ссылается на древнегреческих философов пифагорейской школы. С христианством также боролись не единым фронтом. В некоторых странах его хотели "реформировать", якобы воскрешая его первоначальный дух. Это служило предлогом для долгих религиозных войн, являвшихся, правда, более политическими, чем религиозными, в ходе которых феодальный строй был значительно потрясен, но, однако, сумел ценой уступок отчасти удержать свои позиции.
Правда, в этот период мы встречаем очень смелых мыслителей, например, Кампанеллу или Джордано Бруно, придерживавшихся пантеизма, близкого к материализму. Но наиболее существенной стороной интеллектуальной жизни эпохи Возрождения следует считать появление рационализма. Осознав свои силы, буржуазия покидает религиозные воззрения предшествующих веков и занимает критическую позицию по отношению ко всему, включая и религиозные догмы. Она хочет, перед тем как поверить, сначала понять, и с этим изменением позиции буржуазии непосредственно связан прогресс науки.
Важнейшие научные открытия опрокидывают всю систему астрономии средних веков. Коперник выступил против теории Птолемея, утверждая, что Земля не является центром мира и, наоборот, сама должна обращаться вокруг Солнца, как и другие планеты. Несколько десятков лет спустя Галилей смог благодаря применению телескопа и наблюдениям неба получить подтверждения теории Коперника. Он открыл, что Юпитер имеет спутников, обращающихся вокруг него, как Луна обращается вокруг Земли. Он открыл фазы Венеры, остающиеся полностью необъяснимыми в теории Птолемея. Он установил, что Солнце не совершенно, поскольку на нем есть пятна. Сторонники Аристотеля тщетно пытались сразить Галилея, прибегая за помощью к инквизиции.
Как наблюдательная астрономия, использующая новые инструменты, так и теоретическая, основывающаяся на правильных научных принципах, переживают значительный подъем. Мы удовлетворимся лишь тем, что назовем имена Кеплера, современника Галилея, и Ньютона, жившего ста годами позднее. Снова на повестку дня выдвигаются проблемы космогонии. Мы увидим, что предлагаемые решения этой проблемы были более или менее материалистичны. Вместе с тем нужно отметить, что эти теории благодаря прогрессу науки объясняли все большее и большее число наблюдаемых фактов.
Космогонические идеи Декарта
Первым ученым нового времени, который действительно серьезно занялся проблемой происхождения миров, был Декарт (1596-1650). По правде сказать, Декарт, выдвигая свои космогонические идеи, гораздо больше рассуждал как философ, а не как отважный и осторожный человек науки, но его идеи, являясь промежуточным этапом, представляют значительный исторический интерес. Декарт допускал акт божественного творения: бог вначале создал из ничего некоторое количество материи и сообщил ей определенное количество движения. Эта материя, наполняющая все пространство, движется под влиянием первоначальных импульсов по замкнутым кривым, вследствие чего образуются вихри. В каждом вихре материя в процессе развития приобретает три конкретные формы: наиболее грубая материя (3-й элемент) образует планеты и кометы; более мелкие частицы, сглаженные вследствие взаимного трения, образуют жидкость и небеса, находящиеся в непрерывном вращении (2-й элемент); наконец, самые мелкие частицы (1-й элемент), получающиеся при разрушении более крупных частиц, остаются в центре вихрей, образуя звезды и Солнце. Первоначально существовал солнечный вихрь и вихри всех планет (которые были, следовательно, сначала звездами). Некоторые неправильности движения привели согласно Декарту к тому, что планетные вихри закрепились в солнечной системе.
Спутники произошли таким же образом из маленьких вихрей, захваченных планетными вихрями. Наконец, очень тяжелые кометы блуждали от одного вихря к другому.
Мы не будем останавливаться на очевидной ошибочности этих идей, которые с научной точки зрения представляют интерес только в отношении объяснения прямого вращения планет, преобладающего в солнечной системе, и в отношении систематического рассмотрения центробежных сил.
С философской точки зрения весьма интересно отметить материалистическую тенденцию идей Декарта. Заметим прежде всего, что они весьма далеки от книги Бытия. (Декарт понимал это столь хорошо, что позволил их опубликовать, лишь приняв меры исключительной предосторожности.) Но главное заключается в том, что если бог и появляется вначале, чтобы дать толчок созданной им материи, и, так сказать, пустить ее в ход, то впоследствии он уже остается совсем в стороне и предоставляет мир законам, которые он дал этому миру и которые делают мир похожим на хороню отрегулированную "машину". Если исключить первоначальное вмешательство бога, то все остальное в идее Декарта покоится на принципах механистического материализма, свойственного последующему веку. Конечно, Декарт, признавая согласованность законов природы, считал, что если вселенная продолжает следовать вполне определенным законам, то это происходит по доброй воле бога, который способен в любой момент их изменить (но который, разумеется, этого никогда не делал).
Космогонические идеи Декарта, а также и его философия - нечто подобное непоследовательному рационализму, представляют собой, следовательно, компромисс. Возникает вопрос, был ли этот компромисс продиктован лишь соображениями осторожности и не был ли Декарт на самом деле завуалированным материалистом? На этот вопрос можно ответить положительно. Определенно известно, что Декарт отказался опубликовать некоторые из своих работ в первоначальном виде после того, как узнал об осуждении Галилея. С другой стороны, высказывания Декарта о его верности католицизму и даже ряд его теологических работ, казалось, вызывались соображениями чистого оппортунизма. Вместе с тем из этого не следует, что можно ставить под сомнение искренность его веры в бога. По нашему мнению, существенные противоречия его взглядов объясняются скорее социальными и экономическими условиями эпохи, чем хитрой двойной игрой. Резко выраженные механистические тенденции, которые можно обнаружить в некоторых теориях Декарта, соответствуют в конечном итоге развитию первых мануфактур и энтузиазму буржуазии, предвидящей возможности, создаваемые этой технической революцией. Но политическая ситуация была в это время такова, что допускала известный компромисс между феодализмом и новыми классами. Действия Ришелье, побеждающего последних независимых дворян с помощью буржуазии и старающегося установить достаточно сильную центральную власть для того, чтобы регулировать социальные конфликты, способствовали тому, что даже самые отважные умы отходили от идеи насильственной революции. Поэтому идеологическая борьба не могла быть доведена до крайних выводов, и Декарт, материалист на практике, оставался идеалистом и даже теистом в теории. *
* (Следует, впрочем, заметить, что если идеи Декарта в целом ряде своих пунктов отражали тенденции наиболее прогрессивных элементов французской буржуазии, к которой принадлежала часть его семьи, то он сам был дворянином и никогда не забывал о своем аристократическом происхождении. )
Лишь веком позже французская буржуазия, развитие которой наталкивалось на остатки феодального строя и вырождавшуюся систему абсолютизма, станет настоящим революционным классом и тогда в космогонических гипотезах (например, в гипотезе Лапласа) появятся откровенные материалистические тенденции.
Гипотеза Канта-Лапласа
Переходя к изложению различных космогонических гипотез, сменявших одна другую на протяжении последних двух столетий, мы начнем с гипотезы, впервые высказанной великим немецким философом Кантом и спустя несколько десятилетий независимо предложенной замечательным французским математиком Лапласом. Из дальнейшего будет видно, что существенные предпосылки этой классической гипотезы выдержали испытание временем, и сейчас в самых «модернистских» космогонических гипотезах мы легко можем найти основные идеи гипотезы Канта-Лапласа.
Точки зрения Канта и Лапласа в ряде важных вопросов резко отличались. Кант, например, исходил из эволюционного развития холодной пылевой туманности, в ходе которого сперва возникло центральное массивное тело - будущее Солнце, а потом уже планеты, в то время как Лаплас считал первоначальную туманность газовой и очень горячей, находящейся в состоянии быстрого вращения. Сжимаясь под действием силы всемирного тяготения, туманность, вследствие закона сохранения момента количества движения, вращалась все быстрее и быстрее. Из-за больших центробежных сил, возникающих при быстром вращении в экваториальном поясе, от него последовательно отделялись кольца. В дальнейшем эти кольца конденсировались, образуя планеты.
Таким образом, согласно гипотезе Лапласа, планеты образовались раньше Солнца. Однако, несмотря на такое резкое различие между двумя гипотезами, общей их важнейшей особенностью является представление, что Солнечная система возникла в результате закономерного развития туманности. Поэтому и принято называть эту концепцию «гипотезой Канта-Лапласа». Уже в середине XIX столетия стало ясно, что эта гипотеза сталкивается с фундаментальной трудностью. Дело в том, что наша планетная система, состоящая из девяти планет весьма разных размеров и массы, обладает одной замечательной особенностью. Речь идет о необычном распределении момента количества движения Солнечной системы между центральным телом - Солнцем и планетами.
Гипотеза О.Ю.Шмидта
Советский геофизик О.Ю.Шмидт несколько иначе представлял себе развитие Солнечной системы, работая в первой половине XX века. Согласно его гипотезе, Солнце, путешествуя по Галактике, проходило сквозь газопылевое облако и увлекло часть его за собой. Впоследствии твердые частицы облака подверглись слипанию и превратились в планеты, изначально холодные. Разогревание этих планет произошло позже в результате сжатия, а также поступления солнечной энергии. Разогрев Земли сопровождали массовые излияния лав на поверхность в результате вулканической деятельности. Благодаря этому излиянию сформировались первые покровы Земли. В дальнейшем в теле Земли начался распад радиоактивных элементов, вследствие чего недра Земли начали разогреваться и растапливаться, а ее масса - расслаиваться на отдельные зоны или сферы с различными физическими свойствами и химическим составом.
Из лав выделялись газы. Они образовали первичную атмосферу, которая еще не содержала кислорода. Больше половины объема первичной атмосферы составляли пары воды, а температура ее превышала 100°С. При дальнейшем постепенном остывании атмосферы произошла конденсация водяных паров, что привело к выпадению дождей и образованию первичного океана. Это произошло около 4,5-5 млрд. лет назад. Позднее началось формирование суши, которая представляет собой утолщенные, относительно легкие части литосферных плит, поднимающихся выше уровня океана.
Академик В. Г. Фесенков для объяснения своей гипотезы исходил из того, что Солнце и планеты образовались в едином процессе развития и эволюции из большого сгустка газово-пылеватой туманности. Этот сгусток имел вид очень сплюснутого дископодобного облака. Из наиболее густого горячего облака в центре образовалось Солнце. В силу движения всей массы облака на его периферии плотность была неодинакова. Более плотные частички облаков стали центрами, с которых начали формироваться будущие девять планет Солнечной системы, в том числе и Земля. В. Г. Фесенков сделал вывод, что Солнце и его планеты образовались почти одновременно из газово-пылеватой массы, имеющей высокую температуру.
По современным космогоничным представлениям Земля образовалась около 4,7 млрд. лет назад из рассеянного в солнечной системе газово-пылеватого вещества. В результате дифференциации веществ Земли под действием ее гравитационного поля в условиях разогрева земных недр возникли и развились различные по химическому составу, агрегатному состоянию и физическим свойствам оболочки - геосферы: ядро (в центре), мантия, земная кора, гидросфера и атмосфера.
Вопрос о происхождении Земли изучен еще недостаточно, и ученые всего мира усиленно работают в этом направлении.
В 1944 году в «Докладах Академии наук СССР» были опубликованы две первые статьи Отто Юльевича Шмидта, посвященные космогонической гипотезе солнечной системы. И до конца жизни академик О. Шмидт занимался ее разработкой, создав большой творческий коллектив из молодых талантливых астрономов и математиков.
Интерес к его работе был огромен. Когда 31 января 1947 года он решил выступить с докладом на пленарном заседании II Всероссийского географического съезда, академия была поистине атакована людьми. Не только конференц-зал, но и все прилегавшие к нему помещения были заполнены до отказа. Затаив дыхание люди слушали глуховатый голос О. Шмидта, докладывавшего «Новую теорию происхождения Земли и планет». В чем же заключалась основная идея его гипотезы?
Некогда, возможно несколько миллиардов лет назад, одинокая звезда — Солнце — встретила на своем пути во вселенной большую газопылевую туманность. Таких скоплений довольно много в космосе, и встреча с ними не носит столь уникального характера, как, например, встреча с другой звездой. В результате такого свидания значительная часть туманности последовала за Солнцем. Избыток его скорости относительно туманности придал диффузной материи момент количества движения, не связанный с моментом вращения светила. По законам природы, облако начало вращаться, сплющиваться, сжиматься. Отдельные частицы стали сливаться друг с другом, образуя более крупные тела. И вот уже не газопылевое облако, а густой поток метеорных тел облетает Солнце. Метеоры сталкиваются, слипаются. В областях, близких к Солнцу, обращаются плотные комья будущих планет. Дальше от живительного тепла в состав этих комьев входят более легкие вещества, в том числе замороженные газы. Так образовалось солнечное семейство.
О. Шмидт не был астрономом-профессионалом. Да и сама идея встречи и последующего захвата газопылевого облака Солнцем во время его движения вокруг центра Галактики тоже была не нова. Об этом еще в конце 19 и в начале 20 столетия говорили и писали многие. О. Шмидт внимательно изучил гипотезы предшественников, взяв от них рациональные зерна.
У И. Канта он взял идею о пылевом облаке, о пылевых частицах, как исходном материале для формирования планет, идею «холодного» происхождения Земли.
У П. Лапласа — мысли о роли конденсации газа в формировании планет, аналогию с туманностями, наблюдаемыми в нашей Галактике, мысль о сжатии, уплотнении вращающейся туманности.
У Ф. Мультона и Т. Чемберлина он взял идею о планетезималях как переходной форме к образованию планет.
У Д. Джинса — идею о том, что момент количества движения планет может быть привнесен извне в результате встречи Солнца с другим небесным телом.
«Но, несмотря на это, — пишет В. Бронштэн в книге «Беседы о космосе и гипотезах», — гипотеза Шмидта не была похожа ни на одну из ранее предложенных гипотез и не являлась их компиляцией. Эта гипотеза была совершенно самостоятельной».
Новая гипотеза О. Ю. Шмидта получилась отменной. Она легко расправлялась с целым рядом трудностей, встречавшихся у других авторов, неплохо объясняла главные особенности солнечной системы. Но были у нее и слабые стороны. Одна из них — само предположение о захвате Солнцем части встретившегося газопылевого облака.
Здесь нам придется снова вернуться к законам, диктуемым небесной механикой. А законы эти говорят, что одинокая звезда одинокую туманность захватить в принципе не может. Это было доказано при решении «задачи двух тел».
Представим себе: в пустом бесконечном пространстве имеются два тела: одним из них пусть будет неподвижное Солнце — тело А, другим — пролетающая мимо туманность — тело В. Под действием сил притяжения тела А траектория тела В искривляется и становится гиперболой. Но ветви гиперболы уходят в бесконечность. Чтобы осуществился захват туманности (тела В), ее надо сначала затормозить, чтобы перевести с гиперболической орбиты на эллиптическую. Однако одно Солнце сделать это не в состоянии. Даже, если бы у туманности не было первоначально никакой скорости и сближаться оба тела стали бы под действием лишь собственных сил притяжения, то и тогда захват произойти бы не смог. Туманность, пришедшая из бесконечности, обогнула бы Солнце по параболической траектории и снова ушла бы в бесконечность. Нет, для захвата нужны другие условия. Что, если рассмотреть задачу не двух, а трех тел?
Впрочем, такая задача уже была решена более десяти лет назад французским математиком Жаном Шази. Согласно его решению и в случае трех тел захват одного из них также невозможен. О. Шмидт не поверил Ж. Шази. Сформулировав начальные условия, он засел за расчеты. А когда первая прикидка показала, что, может быть, все-таки прав он, а не Ж. Шази, передал задачу П. Парийскому; тому самому знаменитому математику, который доконал своим численным расчетом гипотезу Д. Джинса. Не подвел П. Парийский и в этом случае. Уже в первом своем докладе О. Шмидт уверенно говорил о возможности захвата в системе трех тел.
Однако этот вариант хоть и имел вероятность большую, нежели джинсовская встреча звезды со звездой, был все же весьма искусствен. Потому-то гипотеза гравитационного захвата и подверглась столь суровой критике на первом совещании по вопросам космогонии.
Мысли О. Шмидта были полностью заняты этой проблемой. В 1951 году ему исполнилось 60 лет. Друзья преподнесли юбиляру шутливые вирши:
На бреге бездны мировой
Сидел он с длинной бородой
И вдаль глядел…
Так начинались эти стихи. Потом шло рифмованное описание механизма гипотезы. И заканчивалась поэма сетованием на нерешенную проблему захвата:
И перед новою теорьей
Главой склонился б и Лаплас,
Когда бы о захвата роли
Не продолжался спор у нас.
А спор о механизме гравитационного захвата действительно все продолжался. И хотя ряд астрономов предлагали свои оригинальные решения этой проблемы, большинство специалистов склонялось в пользу совместного образования Солнца и протопланетного облака. В этой части проблемы постепенно все возвращалось «на круги своя», возвращалось в лоно классичеческой гипотезы.
