Гюйгенс. Волновая теория света. В погоне за лучом - Давид Бланко Ласерна

Расстояние, на котором происходит разрушение тела из-за воздействия на него разнонаправленных сил притяжения, называется пределом Роша. Основное сопротивление деформации оказывают электромагнитные силы, которые притягивают друг к другу частицы, составляющие массу тела (химическое взаимодействие). Их работа тем эффективнее, чем меньший объем имеет тело. Таким образом, космонавт или коммуникационные спутники, вращающиеся вокруг Земли, находятся внутри предела Роша, но благодаря своим маленьким размерам защищены от разрушения. Сила притяжения возводит вокруг планет барьер, который разрушает тела определенного размера в непосредственной близости от них. Радиус орбиты больших спутников, таких как Луна, всегда превосходит предел Роша. Среди всех планет Солнечной системы звание главного разрушителя получил Юпитер — все кометы, подошедшие к планете слишком близко, исчезли.

РИС. 7

Если силы притяжения особенно велики, деформации подвергнутся и мелкие тела. Черная дыра может вызвать настолько неравное напряжение между ногами и головой человека, что способна убить его (это явление неформально называется «спагеттификацией»).

Кольца Сатурна состоят из множества кусочков льда и пыли, которые вращаются вокруг планеты на разных скоростях, очерчивая тысячи окружностей. Из-за гравитационного притяжения больших спутников на кольцах возникают трещины и щели, из-за чего они похожи на старую музыкальную пластинку. Буквами А, В, С и D (см. рисунок 7) обозначены четыре основные полосы, видимые с Земли. Алфавитный порядок отражает хронологию их открытия, а также их расположение — от внешнего края к внутреннему.

Космические корабли открыли еще три, более отдаленные полосы — F, G и Е. Чтобы составить представление о размере всей системы, надо вспомнить, что радиус внешней части кольца А чуть больше двух радиусов Сатурна. Радиус полосы Е составляет примерно восемь радиусов планеты.

Рен был прав: эти кольца чрезвычайно тонкие, толщиной едва ли в километр, хотя по своим размерам они поглотили бы орбиту Луны. Если представить, что диаметр четырех главных колец равен диаметру обычного компакт-диска, то их толщина не превысила бы толщину клеточной мембраны. Вне зависимости от происхождения этих образований (появились ли они от спутника, распавшегося на мелкие фрагменты, от нескольких комет, пойманных притяжением, или образовались из первоначальной материи Солнечной системы, породившей остальные планеты), основная причина их существования состоит в пределе Роша, поскольку самый плотный участок диска находится внутри него. Рисунок 8 наглядно иллюстрирует эту ситуацию. Расстояния измеряются от центра Сатурна, каждая единица — это радиус планеты.

Гипотеза, согласно которой кольцо на самом деле состоит из мелких частей, почти так же стара, как гипотеза Гюйгенса. Через год после издания Systema Satumium ее высказал поэт Жан Шаплен. В 1845 году молодой студент математического факультета Кембриджа Джон Куч Адамс, проанализировав некоторые отклонения орбиты Урана, пришел к выводу, что их причиной были гравитационные пертурбации, вызванные воздействием неизвестной планеты. Королевский астроном и директор Гринвичской обсерватории Джордж Эйри проигнорировал гипотезу Адамса, считая ее плохо обоснованной, и отказался направить телескопы на координаты, которые указал молодой коллега. Из-за этого досадного недоразумения честь открытия Нептуна принадлежит французскому математику Урбену Леверье, проявившему большую расторопность.

РИС. 8

В честь Адамса, к предсказанию которому отнеслись с таким пренебрежением, Кембриджский университет учредил премию в честь ученого. В 1856 году было предложено выяснить, является ли кольцо Сатурна твердым, жидким или же состоит из «многочисленных отдельных фрагментов материи». Единственным, кому оказался по силам этот вызов, был молодой Джеймс Клерк Максвелл. Революцию в термодинамике и в области электромагнитных волн он произвел несколько лет спустя, но уже начинал демонстрировать свои способности. Максвелл подверг кольцо настоящей математической атаке, используя дифференциальное исчисление — гораздо более изощренное оружие по сравнению с тем, которым располагали ученые XVII века. Максвелл открыл, что твердое кольцо было бы стабильно только в том случае, если бы 9/2 его массы были сконцентрированы в одной точке. Но наблюдения этому противоречили. Максвелл писал:

«...единственная система колец, которая может существовать, состоит из неопределенного числа отдельных частиц, которые вращаются вокруг планеты на разных скоростях в зависимости от расстояния, на котором они располагаются. Эти частицы могут образовывать ряд узких колец или передвигаться и пересекаться без порядка и согласия. В первом случае разрушение этой системы будет происходить очень медленно; во втором оно будет более быстрым, но у частиц может проявиться тенденция образовывать узкие кольца, что замедлит процесс».

Эйри, прочитав работу Максвелла, отозвался о ней следующим образом: «Насколько мне известно, это одно из самых выдающихся применений математики в физике». В этом труде, названном «Об устойчивости движения колец Сатурна», чувствуется дух Гюйгенса. Он обнаружил кольцо, не используя телескоп, благодаря зрению своего разума, а Максвелл с помощью такого же зрения увидел движение его фрагментов, причем подобной точности удалось добиться только 40 лет спустя, с изобретением спектрального анализа.

Немногие ученые смогли бы пройти путь, который привел Гюйгенса от его первоначального интереса к преломлению к открытию Титана и колец Сатурна. Ученый расширил представление о диоптрике благодаря математическому изучению линз; он улучшил телескоп, изобретя окуляр, который носит его имя, диафрагму и микрометр, созданные на основе законов геометрии. Также Гюйгенс научился шлифовать линзы, спроектировал и сконструировал станок, чтобы упростить эту работу, и собрал телескоп, который, хоть и не был самым лучшим в мире, но не уступал изделиям самых искусных мастеров того времени. С помощью этого инструмента он открыл новый спутник. Сатурн открыто показывал астрономам свое кольцо во всем его блеске, но ни один ученый не смог понять, что именно он наблюдает. Гюйгенсу же удалось прийти к верному выводу путем логических умозаключений. Вдобавок ко всему он рассчитал период вращения Марса и впервые указал масштабы Солнечной системы.

Такими удивительными способностями в области математики, астрономии и ручного труда невозможно не восхищаться. Когда Гюйгенс впервые начал исследовать свет, он предстал перед ним как совокупность прямых линий.

Но по мере того как Гюйгенс углублялся в изучение природы явления, свет открывал ему другие свои стороны, такие же изменчивые и противоречивые, как облики Сатурна. Ученого ждали новые удивительные тайны.

Чем больше Гюйгенс углублялся в исследование света, тем больше противоречий встречал на своем пути.