В статье представлена область знаний — небесная механика. Раскрыты понятия и методы небесной механики. Рассмотрена история становления небесной механики, её задачи и перспективы развития. Показана связь небесной механики, космогонии и космологии.
Ключевые слова: небесная механика, астрономия, астрофизика, космология, звезда, планета, Солнечная система, космогония, вселенная.
Данная работа посвящена определению и становлению такой науки как небесная механика, философско-научным взаимосвязям между небесной механикой и астрономическими науками.
Небесная механика (англ. celestial mechanics) — раздел астрономии, применяющий законы механики для изучения движения небесных тел. Небесная механика занимается вычислением положения Луны и планет, места и времени затмений, определением реального движения космических тел [1, с. 12]. Термин «Небесная механика» впервые введён П. Лапласом в 1798, к этому разделу науки он относил теории равновесия и движения твёрдых и жидких тел, составляющих Солнечную систему, под действием сил тяготения. Небесная механика в первую очередь изучает поведение тел Солнечной системы — обращение планет вокруг Солнца, спутников вокруг планет, движение комет и других малых небесных тел.
Небесная механика решает задачи:
- Разработка общих вопросов движения небесных тел в гравитационном поле.
- Построение математических теорий движения конкретных небесных тел как естественных, так и искусственных.
- Сравнение теоретических исследований с астрономическими наблюдениями и определение числовых значений фундаментальных астрономических постоянных.
- Составление астрономических таблиц с результатами астрономических исследований на каждый момент времени, содержащими фундаментальную пространственно-временную систему отсчёта.
Небесная механика принадлежит к числу древнейших наук. Уже в 6 в. до н. э. народы Древнего Востока обладали глубокими астрономическими знаниями, связанными с движением небесных тел. Но в течение многих веков это была только эмпирическая кинематика Солнечной системы. На астрономические взгляды в средневековую эпоху влияла схоластика науки и богословия (рис. 1).
Основы современной небесной механики были заложены в 1687 г. И. Ньютоном в «Математических началах натуральной философии». Закон тяготения Ньютона далеко не сразу получил всеобщее признание. В работах Ж. Лагранжа и П. Лапласа были разработаны классические методы теории возмущений. Первая современная теория движения больших планет была построена У. Леверье в середине 19 в. Учёный Леверье впервые указал на необъяснимое законом Ньютона вековое смещение перигелия Меркурия, которое через 70 лет стало важнейшим наблюдательным подтверждением общей теории относительности.
Рис. 1. Строение вселенной в средние века
Дальнейшее развитие теория больших планет получила в конце 19 в. в работах американских астрономов С. Ньюкома и Дж. Хилла. Чтобы согласовать теорию с наблюдаемым движением Меркурия, Ньюком решил прибегнуть к гипотезе А. Холла, который для объяснения движения больших планет, предложил изменить показатель степени в законе тяготения Ньютона на 2,00000016120.
Продолжая традиции Ньюкома и Хилла, Бюро американских эфемерид — Вашингтонская морская обсерватория под руководством Д. Брауэра и Дж. Клеменса в течение 40-х и 50-х гг. 20 в. осуществило обширные работы по переработке планетных теорий. В СССР в 1964 была разработана аналитическая теория движения Плутона. Современная теория движения больших планет имеет настолько высокую точность, что путём сравнения теории с наблюдениями удалось подтвердить смещения планетных перигелиев, вытекающие из общей теории относительности, не только для Меркурия, но и для Венеры, Земли и Марса [2, с. 38].
Первые теории движения спутника Луны были разработаны А. Клеро, Ж. Д. Аламбером, Л. Эйлером и П. Лапласом. Наиболее совершенной с практической точки зрения была теория немецкого астронома П. Ганзена в 1857г. В 1867 была опубликована аналитическая теория движения Луны, разработанная французским астрономом Ш. Делоне. Построение таблиц Луны на основе метода Хилла было начато в 1888 американским астрономом Э. Брауном. Актуальное значение приобрела теория движения спутников больших планет, в первую очередь спутников Марса и Юпитера.
В небесной механике ведутся также исследования движения тел Солнечной системы в космогонических масштабах времени, т. е. на протяжении сотен тысяч и миллионов лет. Попытки решить эту проблему долгое время не давали удовлетворительных результатов, только появление быстродействующих вычислительных машин, позволило снова вернуться к решению этой фундаментальной задачи.
Космогония занимается вопросами происхождения, как отдельных небесных тел, так и их систем, в частности Солнечной системы, а космология — закономерностями и строением Вселенной в целом. Изучение космогонических процессов является одной из главных задач астрофизики. Космогонические гипотезы 18–19 вв. относились главным образом к происхождению Солнечной системы. Лишь в 20 в. развитие наблюдательной и теоретической астрофизики и физики позволило начать серьёзное изучение происхождения и развития звёзд и галактик [3, с. 106].
Процессы формирования и развития большинства космических тел и их систем протекают чрезвычайно медленно и занимают миллионы и миллиарды лет. При изучении звёзд и галактик можно использовать результаты наблюдений многих сходных объектов, возникших в разное время и находящихся на разных стадиях развития. Изучая космогонию Солнечной системы, приходится опираться только на данные о её структуре и о строении и составе образующих её тел.
Космология и космогония проходили не простой путь становления как серьёзные науки. После общих идей о развитии небесных тел, высказанных ещё греческими философами 4–1 вв. до н. э. (Левкипп, Демокрит, Лукреций), наступил многовековой период господства теологии. Лишь в 17 в. Р. Декарт нарисовал картину образования всех небесных тел в результате вихревого движения мельчайших частиц материи. Фундамент научной планетной космогонии заложил И. Ньютон, который обратил внимание на закономерности движения планет.
В 1745 Ж. Бюффон высказал гипотезу, что планеты возникли из сгустков солнечного вещества, исторгнутых из Солнца ударом огромной кометы (в то время кометы считались массивными телами). В 1755 И. Кант опубликовал книгу «Всеобщая естественная история и теория неба», в которой впервые дал космогоническое объяснение закономерностям движения планет. В конце 18 в. В. Гершель, наблюдая небо в построенные им большие телескопы, открыл туманности овальной формы, обладающие различными степенями сгущения к центральному яркому ядру. Возникла гипотеза об образовании звёзд из туманностей путём их «сгущения» [4, с. 82].
Опираясь на эти наблюдения Гершеля и на закономерности движения планет, П. Лаплас выдвинул гипотезу о происхождении Солнечной системы, во многом сходную с гипотезой Канта. Гипотеза Лапласа быстро завоевала признание, и астрономия оказалась в числе наук, первыми внёсших идею развития в современное естествознание (рис. 2).
Рис. 2 Формирование планет Солнечной системы по Лапласу
В конце 19 в. появилась гипотеза американских учёных Ф. Мультона и Т. Чемберлина, предполагавшая образование планет из мелких твёрдых частиц, названных ими «планетезималями». Они ошибочно считали, что обращающиеся вокруг Солнца планетезимали могли возникнуть путём застывания вещества, выброшенного Солнцем в виде огромных протуберанцев. Такое образование планетезималей противоречит закону сохранения момента количества движения. В то же время в планетезимальной гипотезе были правильно обрисованы многие черты процесса образования планет (рис. 3).
Рис. 3. Планетезимали — объект, образовавшийся из пыли и камня.
В 20–30-х гг. 20 в. широкой известностью пользовалась гипотеза Дж. Джинса, считавшего, что планеты образовались из раскалённого вещества, вырванного из Солнца притяжением пролетевшей поблизости массивной звезды. Идея об образовании звёзд путём сгущения рассеянного туманного вещества сохранилась до нашего времени, и разделяется большинством исследователей. После открытия механического эквивалента тепла была подсчитана энергия, освобождающаяся при сжатии звезды (Г. Гельмгольц, 1854; У. Томсон, 1862). Оказалось, что её хватило бы для поддержания излучения Солнца в течение 107–108 лет. Но позже изучение истории Земли показало, что Солнце излучает несравненно дольше.
В начале 20 века проблему источников энергии звёзд безуспешно пытались решить с помощью радиоактивных элементов, в то время лишь недавно открытых. Установление взаимосвязи массы и энергии, показавшее, что звёзды, излучая, теряют массу, привело к гипотезам о возможности аннигиляции вещества в недрах звёзд, т. е. превращения вещества в излучение. В этом случае превращение в звёзды малой массы длилось бы 1013–1015 лет. Правильной оказалась гипотеза о трансмутации элементов, т. е. об образовании более сложных атомных ядер из простых, в первую очередь — гелия из водорода [5, с. 74].
Большим шагом на пути к научной истине стала гипотеза, высказанная в 1944 г. знаменитым полярным исследователем, академиком Отто Юльевичем Шмидтом (1891–1956). По гипотезе Шмидта, наше Солнце много миллиардов лет назад было окружено колоссальным «протопланетным» облаком, состоящим не только из холодной пыли, но и замерших частичек. Земля образовалась путем постепенного объединения низкотемпературного протопланетного облака, состоящего из газа, пыли и более крупных частиц.Теряя энергию и испытывая взаимное тяготение, частицы, падая друг на друга, как бы «слипались», образуя постепенно растущие сгущения, «протопланетное» облако постепенно сплющивалось, а конденсирующиеся «протопланеты» приобретали все более и более круговые орбиты. Прошло очень много времени, прежде чем «протопланетное» облако «сгустилось» в современные планеты (рис. 4).
Рис. 4. Образование планет по гипотезе. О. Ю. Шмидта
В 40-х гг. 20 в., после крушения гипотезы Джинса, планетная космогония вернулась к классическим идеям Канта и Лапласа об образовании планет из рассеянного вещества. В настоящее время является общепризнанным то, что большинство планет аккумулировалось из твёрдого, а Юпитер и Сатурн также и из газового вещества. Существовавшее вблизи экваториальной плоскости Солнца газово-пылевое облако простиралось до современных границ Солнечной системы. Большинство астрономов считает, что протопланетное облако той или иной массы отделилось под действием центробежной силы от этой туманности на заключительной стадии её сжатия Ф. Хойл (Великобритания), А. Камерон (США), Э. Шацман (Франция). Но, в отличие от Лапласа, учитываются эффекты, связанные с наличием магнитного поля и корпускулярного излучения Солнца [6, с. 59].
В изучении галактик в космогонии проводится их классификация. Рассматриваются эволюционные изменения звёзд и газовой составляющей галактик, их химического состава и других параметров. Изучается природа начальных возмущений, развитие которых привело к распаду расширяющегося газа Метагалактики на отдельные сгущения. Рассчитывается, как зависят морфологический тип и другие свойства галактик от массы и вращения этих первичных сгущений. Изучается природа мощного радиоизлучения, которым обладают некоторые галактики, и связь его с взрывными процессами в ядрах.
Меняется образ мира, меняется образ человека, и постепенно также меняется образ науки. Изменения заключаются не только в создании новых, отличных от предыдущих астрономической теорий вселенной, а так же в решении трудных проблем связанных с космогонией, космологией и небесной механикой. Сегодня с научной картиной мира связывают широкую панораму знаний о природе, включающую в себя наиболее важные теории, гипотезы и факты разных наук, поэтому понять современную научную картину мира будет невозможно без исследования проблем небесной механики.
Литература:
- Брумберг В. А., Релятивистская небесная механика, М., 1972.
- Комаров В. И., Пановкин Б. Н. Занимательная астрофизика. М.: Наука. 1984.
- Нагирнер Д. И. Элементы космологии. — СПб.: Изд-во СПбГУ, 2001.
- Проблемы современной космогонии, под ред. В. А. Амбарцумяна, 2 изд., М., 1972.
- Пуанкаре А., Лекции по небесной механике, пер. с франц., М., 1965.
- Субботин М. Ф., Введение в теоретическую астрономию, М., 1968.
