«Казка про Джона Адамса і Урбена Левер’я, які зловили Нептун на математичний гачок»

(Інші наукові казки Нік. Горькавого див. у «Науці і житті» № 11, 2010, № 12, 2010, № 1, 2011, № 2, 2011, № 3, 2011, № 4, 2011, № 5, 2011, № 6, 2011, № 9, 2011, № 11, 2011, № 6, 2012, № 7, 2012 р.)

Принцеса прийшла в кімнату, коли діти вже лежали у своїх постелях в очікуванні чергової історії. Дзинтара сіла в крісло і відкрила книгу. Крісло було просторим, і принцеса затишно влаштувалася в ньому з ногами.

— Молодий студент Кембриджу Джон Адамс, — почала вона, — дуже любив ритися на полицях книгарень, де кожен том зберігає в собі і таємницю, і знання, а книжкова обкладинка — двері в інший світ: відкриваєш її і занурюєшся в нову захоплюючу пригоду…

На одній з полиць студент натрапив на брошуру, написану головним — королівським — астрономом Англії Джорджем Ейрі. Адамс пролистав її і дізнався про інтригуючу космічну загадку планети Уран. Її відкрив астроном Гершель за допомогою свого телескопа. (Див. «Наука і життя» № 7, 2012 р.) Уран виявився норовливою планетою: вона погано підпорядковувалася ньютонівському закону гравітації. У порівнянні з обчисленим положенням, Уран то забігав вперед, то різко відставав. Думки вчених розділилися. Одні заявили, що Ньютон вивів неточний закон. Інші вважали, що в орбіті Урана «неправильно» врахована гравітація Юпітера і Сатурна.

Адамс довіряв доказам Ньютона і знав, що найбільші математики і механіки — Ейлер, Даламбер, Лагранж, Лаплас і Гаусс — розвинули ньютонівську теорію руху планет до дуже високого рівня, і вона прекрасно працювала для всіх планет, за винятком Урана. Молодий чоловік знову вткнувся в книгу…

Французький астроном Алексіс Бувар, який досліджував дивну поведінку Урану, висунув гіпотезу, що на його рух впливає невідома зовнішня планета. Але де її шукати? Вчені обговорювали можливість теоретичного обчислення положення невидимої планети. Джордж Ейрі, який очолював Гринвічську обсерваторію, скептично ставився до подібних ідей і розглядав цю гіпотезу як абсолютно нереальну. Його думка охолодила багато гарячих голів.

Звичайно, Адамс купив книгу Ейрі. І хоча він був завантажений вченням до межі, часто думав про невідому планету. Вона так захопила уяву молодого чоловіка, що він твердо вирішив сам визначити координати планети, яка обурює рух Урану. На думку Адамса, планета-невидимка повинна була розташовуватися далі Урану і рухатися по орбіті повільніше, ніж він. Коли Уран наздоганяє невидимку, він відчуває сильне тяжіння до неї. Для земного спостерігача в цей час Уран рухається швидше звичайного. Потім він обганяє повільнішу сусідку, і вона починає тягнути його назад. Тут Уран «гальмується», порушуючи кеплерівські закони руху космічних тіл по орбіті.

Блискуче закінчивши влітку 1843 року Кембриджський університет, 24-річний Адамс поїхав на канікули до батьків і отримав, нарешті, можливість приступити до розрахунків координат невидимої планети. До жовтня він вже знайшов перше рішення, в якому основні проблеми теорії руху Урану пояснювалися наявністю зовнішньої планети, що розташовувалася в два рази далі нього (це значення орбіти невидимої планети Адамс вибрав, дотримуючись правила Тіциуса — Боде. См. «Наука і життя» № 7, 2012 р.).

Адамс був скромним і боязким молодим чоловіком. Він нікому не повідомив про отримані результати, вважаючи їх попередніми, і почав уточнювати дані — зокрема, зменшувати радіус орбіти планети-невидимки, щоб досягти кращого збігу зі спостереженнями. Два роки Адамс наполегливо працював і до вересня 1845 року отримав п’яте за рахунком, найбільш точне рішення для параметрів невидимої планети, включаючи її небесні координати. Його молодий чоловік і показав двом знаменитим астрономам — директору Гринвицької обсерваторії Джорджу Ейрі і директору Кембриджської обсерваторії Джеймсу Челлісу (1803-1882).

Ну і якою, на вашу думку, була реакція літніх маститих вчених на таке сенсаційне повідомлення нікому не відомого випускника коледжу?

— Фиркнула Галатея.

Дзинтара кивнула:

— Вірно — гранично скептична. Челліс пізніше зізнався, що постановка питання про проведення спостережень тільки на підставі теоретичних висновків представлялася новою і незвичайною. Коротше кажучи, директор Кембриджської обсерваторії, отримавши лист від Адамса, зовсім не кинувся до свого прекрасного телескопа з діаметром дзеркала в тридцять сантиметрів і не навів його на вказану молодим чоловіком ділянку неба. Директор Гринвицької обсерваторії вчинив так само.

Адамс глибоко поважав Ейрі і тому поїхав до нього особисто, щоб розповісти про результати, але не застав вченого вдома і передав через слугу візитку, а також лист з коротким викладом своєї роботи. Коли через деякий час Адамс повернувся до резиденції Ейрі, величний дворецький не впустив молодого чоловіка в будинок, заявивши, що королівський астроном обідає і турбувати його не можна.

Чи треба говорити, що після довгого обіду Ейрі, який отримав від Адамса лист з координатами нової планети, теж не кинувся до телескопа, щоб перевірити ідеї якогось молокососа? Та цей хлопець міг наробити купу помилок у своїх обчисленнях!

Консерватизм і скептицизм Ейрі були просто видатними. Він ставився до тих небагатьох астрономів, які все ще сумнівалися в теорії Ньютона!

Майже двісті років минуло після опублікування теорії Ньютона, а Ейрі сумнівався?! — не повірив своїм вухам Андрій.

— Не знайшовши розуміння у провідних астрономів, молодий вчений не став публікувати своє рішення в науковому журналі і почав працювати над черговим, більш точним, вже шостим за рахунком розрахунком координат планети-невидимки.

Великі астрономи Ейрі і Гелліс і думати забули про молодого вченого. Але ненадовго — тому що незабаром почалася друга дія цієї драматичної історії.

У червні 1846 року у Франції вийшла детальна стаття французького математика, який займався небесною механікою, — Урбена Левер’є, який, незалежно від Адамса, провів математичні розрахунки і теж визначив координати невидимої планети, що впливає на рух Урану!

Прочитавши статтю Левер «є, англійський королівський астроном Ейрі зрозумів, що сів у глибоку калюжу. Він тут же зустрівся з Челлісом, чий кембриджський телескоп був набагато краще гринвічського, і запропонував йому почати пошуки нової планети; адже якщо планету відкриють французи, то калюжа стане просто величезною!

Челлісу не хотілося починати нову програму спостережень. Ейрі наполягав і написав йому ще два листи, пропонуючи план дій. Наприкінці місяця пошук нової зауранової планети все ж почався.

План спостережень, який склали Ейрі і Челліс, ясно показував: хоча стаття Левер’є і підтвердила принципову правоту молодого Адамса, в його конкретні цифри вони вірили дуже мало, незважаючи на те що той дав найбільш ймовірне положення планети на небі. Замість того щоб почати спостереження навколо цієї точки, Ейрі і Челліс виділили на зоряному небі ділянку вздовж екліптики і зібралися двічі перебрати тисячі зірок, щоб знайти планету за її зміщенням серед нерухомих зірок.

Джон Адамс, який першим розрахував траєкторію невидимої планети, оцінив також її розмір і яскравість і зазначив, що на відміну від зірки вона повинна мати помітний диск. Ейрі і Челліс не повірили і цьому. Челліс не шукав об’єктів з диском, а захоплював при спостереженні набагато більш слабкі і точкові зірки, збільшуючи список об’єктів, що переглядаються, у багато разів.

За два місяці директор Кембриджської обсерваторії «перебрав» три тисячі зірок — і всі вони опинилися на місці! Вчений вже готовий був заявити, що планети, передбаченої юнцем, не існує, але наприкінці вересня він прочитав чергову статтю теоретика Левер’є. Той прямо радив тугодумам-спостерігачам шукати нову планету по диску. Ворча, Гелліс почав пошук новим способом — просто переглядаючи диск серед зірок. І незабаром — лише після трьох годин спостережень — помітив об’єкт з невеликим диском і повідомив про побаченого своєму асистенту. Щоб перевірити, чи планета це, потрібно було лише надіти на телескоп окуляр з більшою роздільною здатністю. Але в цю ніч Челліс не став монтувати новий окуляр, а в наступну вирішив взагалі не ходити на спостереження, так як Місяць перемістився і став, на його думку, засвічувати потрібну ділянку неба. А раптом планету було ще видно? Може, варто було перевірити? Але Челліс вважав за краще лягти спати.

Вранці першого жовтня він встав, з апетитом поснідав, читаючи свіжу лондонську газету «Таймс». І тут його апетит геть пропав: він побачив повідомлення про те, що нову планету вже відкрили в Європі! В Європі — але не у Франції. Франція, як виявилося, стоїть Англії. Коли француз Левер «є опублікував роботу з передбаченням координат нової планети, скільки французьких спостерігачів кинулися перевіряти вказану ділянку неба?

— Жодного, — здогадалася Галатея.

-Правильно! Справедливості заради потрібно сказати, що молоді астрономи Паризької і Вашингтонської обсерваторій рвалися до телескопів, але їхні поважні керівники, проявивши інтернаціональну одностайність, швидко вказали молодим їхнє місце — кожен цвіркун знай свій шісток.

На відміну від боязкого і недосвідченого Адамса, Левер’є був матер, горяч і нетерплячий. Не знайшовши відгуку у французьких спостерігачів, він звернувся до зарубіжних астрономів, пропонуючи їм зайнятися пошуками нової планети. Він навіть написав листа з цією пропозицією королівському астроному Ейрі в Англію.

— Неправильний хід! — зауважив Андрій.

-Вірно. Зважаючи на «близький від’їзд до Європи» Ейрі відхилив пропозицію Левер’є, який готовий був надіслати детальні дані для спостережень. Королівський астроном просто шукав спосіб відбутися від нього. Насправді, хоча до поїздки залишалося всього півтора місяці, він вже почав пошуки планети за даними Адамса, але з патріотичних переконань не хотів прийняти допомогу від француза.

Левер’є зрозумів, що з старими, які сидять на чолі обсерваторій, ніякої каші не звариш. І зробив розумний хід. Він згадав, що в Берлінській обсерваторії працює молодий астроном Йоганн Галле, який приславив йому рік тому свою дисертацію. Левер’є написав Галлі листа, де спочатку похвалив його працю, а потім виклав головне — прохання про пошук нової планети. Левер’є навів у листі її координати і оцінку розміру диска.

Йоганн Галле отримав листа вдень 23 вересня і тут же загорівся цією ідеєю.

— Нарешті! — полегшено перевів дух Андрій.

Якби Левер’є написав директору Берлінської обсерваторії — літньому і заслуженому Йоганну Енке (1791-1865), то з цього знову нічого б не вийшло. Енке був проти нових спостережень поза затвердженим планом.

Тієї ж ночі Галле сів за 23-сантиметровий телескоп. Йому зголосився допомагати молодий студент Генріх д’Арре, який теж захопився пошуком нової планети. Галле став переглядати зірки в зазначеній Левер’ї області, але диска ніде не виявив — зростаючої сили окуляра телескопа не вистачало.

Що було робити? Студенту прийшла в голову чудова думка — скористатися щойно надрукованим дуже детальним берлінським атласом зірок. Він запропонував порівняти картину неба з каталогом, щоб перевірити, чи не затесалася серед нерухомих зірок зайва, рухлива, тобто планета. Сказано — зроблено. Галле дивився в телескоп і називав координати видимих світил, а д’Арре шукав їх в каталозі. Вже опівночі Галле назвав координати досить яскравої зірки, але д’Арре не знайшов її в каталозі!

Евріка!

Всього за кілька годин Галле і д’Арре знайшли передбачену Левер’є планету! Її спостережуване положення не збігалося з обчисленим всього на один градус! Сталося це 23 вересня 1846 року.

Генріх негайно побіг будити директора. Нечувана зухвалість! Але навіть старі конячки скидаються, коли чують такі новини. Енке поспішив до телескопа, і вже втрьох вони спостерігали нове світило до ранку. Щоб виключити помилку, вони продовжили спостереження в наступну ніч. Більш сильний окуляр показав, що у планети є помітний диск і що змістилася вона за ніч якраз на передбачену Левер’є величину. Яка ж виняткова насолода зазнала за ці дві ночі спостережень три астрономи, ставши учасниками і свідками зміни картини світу!

Вранці 25 вересня Галле написав листа Левер’є з переможною звісткою. Поштові коні, що підганяються запиленим кур’єром, швидко доставили повідомлення з Берліна в Париж. Отримавши його, Левер’є, без сумніву, випробував самий зоряний момент життя.

Дізнавшись про відкриття нової планети, англійські та французькі спостерігачі сильно засмутилися. В обох країнах вибухнув політичний скандал через втрачений національний престижу. Челліс переглянув свої записи і з жахом виявив, що за два останні місяці він спостерігав нову планету вже тричі, але не зрозумів цього!

— Здивувалася Галатея.

— Через неуважність. Він не дуже скрупульозно порівнював дані спостережень різних днів. Злі язики говорили, що дружина не вчасно покликала астронома до чаю, через що він не зміг відкрити нову планету. До речі, якби Гелліс 30 вересня досліджував помічений напередодні диск (було доведено, що небо це дозволяло), то став би, принаймні, незалежним відкривачем нової планети.

Планета Нептун, відкрита 23 вересня 1846 року завдяки двом теоретикам — Урбену Левер’є і Джону Адамсу і двом спостерігачам — Йоганну Галле і Генріху д’Арре. Фото NASA. 1989 рік з сайту solarsystem.nasa.gov

Англійські газети люто напали на королівського астронома Ейрі і на директора Кембриджської обсерваторії Челліса. Журналісти вимагали від них відповіді, чому не вони відкрили нову планету, знаючи її координати цілий рік? Французька преса теж не церемонилася зі спостерігачами з Паризької обсерваторії і задавалася тим же питанням: чому планету француза Левер’є відкрили в Німеччині?!

Ейрі і Гелліс написали багато статей і мемуарів, пояснюючи, чому вони не звертали уваги на роботу Адамса. Ейрі навіть заявив на свій захист, що відкриття нової планети не входить в обов’язки королівського астронома. Втім, математик і астроном Ейрі за своє довге життя, що тривало майже все дев’ятнадцяте століття, не раз виявляв дивовижний консерватизм і зазнавав невдач. У 30-х роках він не повірив інженеру Расселу, який відкрив солітон. У 40-х — не повірив Адамсу, який передбачив існування Нептуна. У 70-х, виступаючи консультантом при будівництві залізничного моста, Ейрі недооцінив рівень вітрового тиску. Штормовим ввечері 28 грудня 1879 року міст впав разом з поїздом, що проходив по ньому. Всі пасажири — сімдесят п’ять осіб — загинули, а Ейрі викликали до суду для дачі свідчень. У 80-х він запропонував нову теорію руху Місяця, але вже після публікації виявив, що в складні обчислення на самому початку вкралася помилка, яка знецінила всю теорію. Директор Кембриджської обсерваторії Челліс теж увійшов в історію, в основному, завдяки своїм невдалим пошукам планети-невидимки.

Відкриття Нептуна — так назвали планету на честь римського бога морів — стало уроком для багатьох астрономів-консерваторів і тріумфом для ньютонівської механіки, яка виявилася виключно точним і корисним інструментом науки. Адамс отримав свою порцію слави — його роль у відкритті Нептуна відзначили, а роботу опублікували. Він провів свої обчислення орбіти невидимої планети раніше Левер’є, але незалежні розрахунки француза виявилися точнішими — саме вони призвели до відкриття. Левер’є миттєво прославився на весь світ.

Ще одне важливе наукове досягнення французького вченого — теорія руху Меркурія. У 1859 році, будучи вже маститим директором Паризької обсерваторії, Левер’є відкрив аномальну прецесію орбіти Меркурія — її кеплерівський еліпс зміщується (дрейфує, як по-моряцьки говорять небесні механіки) трохи швидше, ніж випливає з ньютонівської теорії.

Тритон — найбільший супутник планети Нептун. Відкрито Ласселем 1846 року, через 17 днів після відкриття Нептуна. Полярний льодовик складається з твердого азоту, чорні дими — сліди активних гейзерів з рідкого азоту. Фото NASA. 1989 рік. Image Credit: NASA/JPL/USGS. Фото з сайту www.nasa.gov

Левер’є глибоко вірив у цю теорію і припустив, як і у випадку з Ураном, що існує невидима планета Вулкан, що рухається навколо Сонця і впливає на Меркурій. Але тут Левер’є виявився неправий — ніякого Вулкана біля Сонця не знайшли, просто астроном виявив межі застосовності теорії Ньютона.

— Здивувався Андрій, якого, на відміну від молодшої сестри, так і не вдалося приспати довгою історією.

Дзинтара посміхнулася і негромко сказала:

Через шістдесят років з цієї аномальної прецесії Меркурія народилася теорія гравітації Ейнштейна, яка змінила теорію гравітації Ньютона на посаді управителя небес. Епоха небесної механіки поступилася дорогою епосі небесної фізики, а новий час завжди народжує нові казки.

Екліптика — велике коло небесної сфери, за яким відбувається видимий рух Сонце, або коло, утворене перерізом небесної сфери площиною орбіти Землі.

Аномальна прецесія Меркурія — аномальне зміщення еліпса, яким рухається Меркурій. Теорія Ньютона пророкує певну швидкість повороту еліпса навколо Сонця — через вплив інших планет, але в реальності орбіта Меркурія зміщується швидше. Аномальна швидкість прецесії отримала пояснення лише в теорії Ейнштейна, яка встановила викривлення простору біля Сонця.