Космические заблуждения. Как и почему возникали ошибки в науке о Вселенной

Возникает ощущение, будто современная наука, как ледокол, движется вперед, почти не замечая препятствий на пути, — но оно обманчиво. Этот стереотип формируется во многом благодаря школьным учебникам и СМИ, где принято рассказывать о научных достижениях, но умалчивать о неудачах.

Потому-то истории физиков, безуспешно искавших теплород в веществе, эфир в вакууме или планету Вулкан, которая якобы ближе к Солнцу, чем Меркурий, не очень известны. Попытаемся восполнить этот пробел и показать, насколько тернистым был путь к пониманию, казалось бы, очевидных сегодня вещей.

Астрономы тоже люди, а люди могут ошибаться

Более 400 лет назад Галилео Галилей направил созданный им телескоп на небесные тела. Зрительные трубы существовали и раньше, но это было первое астрономическое наблюдение, сделанное вооруженным глазом. Итальянский ученый открыл четыре крупнейших спутника Юпитера, пятна на Солнце, горы на Луне и обнаружил, что Млечный Путь при взгляде на него в телескоп распадается на сотни тысяч отдельных звезд. Даже несмотря на преследования со стороны церкви, его открытия в корне изменили устоявшуюся картину мира.

Галилей выяснил, что четыре звездообразных объекта вращаются вокруг Юпитера, и справедливо счел это еще одним подтверждением того, что Земля и другие планеты движутся вокруг Солнца (гелиоцентризм). Но другой астроном, его современник Симон Мариус, наблюдая те же самые спутники в аналогичный телескоп, сделал противоположный вывод.

Он решил, что вид этих небесных тел совершенно точно опровергает теорию Коперника и свидетельствует о том, что Земля занимает центральное положение в Солнечной системе. Дальнейшие наблюдения подтвердили правоту Галилея, но это было только начало.

Где летают кометы?

Сегодня любой образованный человек на вопрос о комете ответит, что она представляет собой грязный «снежный ком», который вращается вокруг Солнца по вытянутой орбите. Знаменитый хвост — это выброшенное ею вещество, газ и пыль. А кто-нибудь, быть может, вспомнит, что совсем недавно человечеству удалось посадить на ядро кометы Чурюмова — Герасименко космический аппарат.

Однако были времена, когда хвостатые гостьи считались атмосферными явлениями, чем-то вроде облаков или молний.

Уже в древности люди обращали внимание на кометы, иногда появляющиеся на небосводе. Необычные, яркие, с длинными изогнутыми шлейфами, они завораживали, удивляли и пугали. Во многих культурах хвостатая звезда считалась дурным знамением и предвещала начало войн, эпидемий или голода. Людей не особенно интересовали причины происходящего на небе — важен был скрытый смысл этих явлений, наши пращуры стремились понять, что они сулят местному правителю и его народу. Но здесь, как и во многих других сферах, отличились древние эллины, которые все-таки пытались докопаться до сути вещей.

На вопрос, что же такое комета, греческие философы дали множество разных ответов. Например, последователи Пифагора считали, что эти небесные тела сродни блуждающим по небу планетам.

Гераклид Понтийский говорил, что кометы — это просто очень высокие облака, освещенные солнечными лучами. Анаксагор полагал, что такого рода небесные объекты представляют собой всего лишь несколько сблизившихся планет.

Сейчас это, конечно, звучит дико, но нужно учитывать, что далеко не все греческие философы занимались наблюдениями комет и многие имели смутное представление об их внешнем виде.

Самой распространенной стала точка зрения Аристотеля, рассматривавшего кометы как особое атмосферное явление. По его мнению, они возникают потому, что от Земли вверх постоянно поднимаются сухие горячие и влажные холодные испарения, которые на большой высоте сгущаются, уплотняются, а потом в результате воздействия жара Солнца и звезд образовавшиеся сгустки могут воспламеняться. В этот момент на небе и становятся видны «кометы». Когда же испарение прекращается, они постепенно затухают.

Из этой теории следует, что все кометы расположены в непосредственной близости от нашей планеты, в «подлунном мире», — вывод, очень хорошо согласующийся с космологическим учением Аристотеля, согласно которому какие-либо перемены, видимые на небе, могут происходить только недалеко от Земли. Сам же космос, или «надлунный мир», вечен и никогда не меняется.

Идеи Аристотеля оказали сильное влияние на христианское богословие. Фактически вся его космология была объявлена единственно верной, а авторитет великого грека — непререкаемым. Такое положение дел тормозило развитие представлений о Вселенной почти 2000 лет.

Интересно, что сам Аристотель отнюдь не был догматиком, в отличие от многих своих последователей. Он вполне допускал, что может ошибаться и что когда-нибудь люди найдут более точное объяснение природы этих небесных объектов.

Истинные расстояния до комет только в XVI веке оценил датский астроном Тихо Браге — весьма эпатажный и вспыльчивый человек, который не боялся бросать вызовы общественному мнению, за что, бывало, дорого расплачивался. Известно, что на одной из дуэлей Браге лишился кончика носа и до конца жизни был вынужден носить протез.

В ноябре 1577 года на небе появилась яркая комета, вызвавшая, как обычно, переполох в обществе. Браге, как и многие астрономы, проводил тщательные наблюдения и фиксировал ее положение относительно звезд. Для этих целей в распоряжении ученого имелась первая в Европе обсерватория, то есть специальное здание, предназначенное только для исследований небесных тел. Называлась она Ураниборг и располагалась на острове Вен, пожалованном астроному королем Фредериком II. В то время телескопа еще не было, однако имелись инструменты, позволявшие определять положение светил с достаточной точностью.

Чтобы оценить расстояние до кометы 1577 года, Браге собрал материалы о ее наблюдениях в самых разных местах Европы. Сопоставив их с собственными данными, он обнаружил, что во всех случаях в одинаковое время комета оставалась в одной и той же точке небосвода. Это был крах картины мира Аристотеля.

Представьте, что вы едете на автомобиле и смотрите, как меняется вид из окна. Если дома или деревья стоят близко к дороге, то все буквально мелькает перед глазами. Но если они расположены на значительном расстоянии, то и смещаются медленнее. А горы или облака, например, могут находиться настолько далеко, что зачастую визуально не сдвигаются вовсе.

Так, отслеживая сдвиг объектов при наблюдении из разных мест, можно судить о расстоянии до них. Если смотреть на Луну из нескольких точек земного шара, довольно легко обнаружить, что в одно и то же время ее положение относительно звезд будет меняться. Однако комета отовсюду выглядела одинаково — следовательно, она располагалась гораздо дальше Луны. А значит, и к атмосфере Земли не имела никакого отношения. Не всем такой вывод пришелся по душе, и многие еще долго продолжали защищать картину мира Аристотеля, закрывая глаза на все опровержения этой гипотезы.

Загадка небулия

В 1842 году основоположник позитивизма Огюст Конт заявил, что есть вещи, которые человечеству познать не суждено, и в качестве примера привел химический состав звезд и Солнца. «Мы понимаем, как определить их форму, расстояния до них, их массу и их движения, но мы никогда не сможем ничего узнать об их химическом и минералогическом составе», — писал он. В первой половине XIX века это казалось очевидным. Ученые уже хорошо понимали, что звезды расположены очень далеко от Земли и пощупать их никак не получится.

Но самое удивительное, что уже в 1859 году Густав Кирхгоф опубликовал небольшую статью «О фраунгоферовых линиях», в которой фактически описал возможность изучать состав небесных тел, не прикасаясь к ним. Так появился спектральный анализ, открывший новую эпоху в развитии науки.

Опыты со светом и призмой проводил еще Роджер Бэкон в XIII веке, однако правильно их интерпретировать смог только Исаак Ньютон. В книге «Оптика», вышедшей в 1704 году, он опубликовал результаты экспериментов по разложению белого света на отдельные компоненты. Фактически Ньютон получил спектры солнечного излучения и показал, что цвет — это свойство именно света, а не призмы, через которую он проходит.

Почти через 100 лет в спектре Солнца были открыты странные темные линии. Немецкий физик Йозеф Фраунгофер насчитал их более 500 штук. Но вот понять, что же это такое, до той самой работы Кирхгофа никто не мог. Оказалось, что линии однозначно характеризуют химические элементы.

Пожалуй, самым обсуждаемым на тот момент открытием стало обнаружение в атмосфере Солнца нового элемента — гелия. 18 августа 1868 года французский ученый Пьер Жансен наблюдал полное солнечное затмение в индийском городе Гунтур. Исследуя полученные спектры, он обнаружил очень яркую желтую линию, не принадлежавшую ни одному известному химическому элементу. Почти одновременно с Жансеном ее заметил и английский астроном Норман Локьер. Новый элемент назвали «гелием», от греч. hēlios — «Солнце». На Земле же его удалось обнаружить только 27 лет спустя при разложении минерала клевеита.

Успех с гелием воодушевил многих исследователей, которые тоже хотели открыть «свой» химический элемент. Ведь для этого всего-то нужно было поискать в спектрах космических объектов линии, не совпадающие с теми, что встречаются у лабораторных газов, — и их действительно удалось найти.

Например, во время наблюдения в Северной Америке затмения 7 августа 1869 года Уильям Харкнесс и Чарльз Юнг обнаружили слабенькую линию излучения в зеленой части спектра солнечной короны.

Как и в случае с гелием, эта линия не соответствовала ни одному из известных тогда веществ, и ученые логично предположили, что нашли новый элемент, который назвали «коронием». Далее последовали долгие поиски «открытого» вещества в земных минералах. Скажем, Дмитрий Менделеев полагал, что короний — это инертный газ, более легкий, чем водород, и отводил ему место в первом ряду нулевой группы в своей периодической таблице.

Кроме солнечной короны, новые химические элементы пытались искать и в объектах далекого космоса. Почти одновременно с коронием необычные линии обнаружили в спектрах так называемых планетарных туманностей. Элемент получил название «небулий» от лат. nebula — «туман, туманность».

Несмотря на поиски, короний и небулий постоянно ускользали из рук ученых, в отличие от гелия. Предлагалось множество гипотез, объясняющих, почему именно эти элементы в изобилии имеются в космосе, но редко встречаются на Земле. Но загадку неуловимых веществ удалось разгадать только в 30-х годах ХХ века.

Оказалось, что это линии вполне обычных химических элементов: водорода, кислорода, железа и никеля. Но находятся они в необычных условиях.

И в туманностях, возникших из оболочек умирающих звезд, и в солнечной короне очень низкая плотность вещества. Из-за этого появляются линии, которых не увидеть в земных лабораториях. Состояние настолько высокого вакуума получить искусственно было просто невозможно. Некоторое время природа опять водила за нос все человечество.

Сколько живут Солнце и Земля?

Вопрос оказался не из простых. И если возраст второго объекта можно оценить, прибегнув к методам геологии, то с первым все гораздо сложнее: в этом случае нам нужно сначала понять, что такое Солнце вообще и почему оно светит.

После изобретения телескопа и открытия пятен на Солнце появлялись довольно забавные предположения по поводу их природы. Например, высказывалось мнение, что наше светило представляет собой твердое тело, такую очень большую «планету», у которой по каким-то причинам сильно раскалена атмосфера. Яркий свет — это горячие облака, а те самые пятна — разрывы в облачном слое, и сквозь них видна более холодная поверхность!

Некоторые ученые мужи отстаивали другую версию и считали, что на самом деле пятна — это извержения солнечных вулканов.

Что наше светило не твердый объект, стало понятно в 1630 году, когда немецкий астроном Христофор Шейнер заметил, что пятна вращаются неравномерно, и скорость их движения зависит от гелиографической широты: чем ближе они к солнечному экватору, тем быстрее делают оборот.

Но загадка, как же светит Солнце, по-прежнему волновала умы ученых. Представления о его источнике энергии менялись по мере накопления знаний об окружающем мире.

Немецкий естествоиспытатель Роберт Майер был одним из тех, кто сформулировал закон сохранения энергии. Он полагал, что Солнце сияет за счет кинетической энергии постоянно падающих на него метеоритов. Долгое время эту гипотезу не рассматривали всерьез, хотя теперь мы знаем, что подобный процесс — аккреция — играет важную роль в эволюции звезд и планет. Но все же наш желтый карлик работает не на этом «топливе».

По мнению немецкого ученого Германа Гельмгольца, у Солнца имеется другая «батарейка»: оно светит за счет действия гравитационного механизма и постепенно сжимается, в результате чего выделяется большое количество энергии.

Было подсчитано, что Солнце могло светить лишь несколько десятков миллионов лет.

Эта точка зрения противоречила уже существовавшим на тот момент представлениям об эволюционной биологии, ведь выходило, что всю историю Земли нужно сократить по времени как минимум в 10 раз.

Спор астрономов с биологами и геологами продолжался вплоть до открытия радиоактивности. Радиоизотопное датирование показало, что возраст Земли исчисляется миллиардами лет, а значит, и Солнце уж точно не моложе.

Поиски источника энергии для звезд продлились еще много лет. Окончательное решение этой проблемы было найдено только в 30-е годы ХХ века благодаря развитию ядерной физики и квантовой механики. Оказалось, что источником энергии Солнцу и звездам служат термоядерные реакции — превращение водорода в гелий и более тяжелые элементы.

Камни с неба падать не могут!

Такое безапелляционное утверждение вы могли бы услышать, если бы оказались в обществе ученых в XVIII веке. Метеориты считались выдумкой, предрассудками, а их изучение — весьма маргинальным занятием. Но как подобное могло случиться? Ведь, казалось бы, с развитием астрономии и прочих смежных дисциплин знания о Вселенной должны были только приумножиться? Всему виной была французская Академия наук.

Люди с древних времен использовали метеориты в своих целях. Например, когда человек еще не умел добывать железо из руды, единственным его источником служили как раз упавшие с неба булыжники. Тогда это был, пожалуй, самый дорогой металл, из него даже делали украшения.

Железное оружие тоже встречалось — но в основном подарочные и статусные вещи, с которыми никто не рискнул бы идти в бой, ведь в случае их потери ты лишался целого состояния. Именно такой, «статусный» клинок, прикрепленный к правому бедру мумии, археологи обнаружили в гробнице фараона Тутанхамона. Ножны и рукоять были сделаны из золота, но вот само лезвие — из метеоритного железа.

В Средние века в существовании метеоритов тоже не сомневались — случаи их падения описаны в разных хрониках и летописях. Забавный эпизод произошел в конце XV века в городке Энсисхейм в Эльзасе. Множество жителей этого местечка стали свидетелями того, как на землю упало космическое тело. Немецкий сатирик Себастьян Брандт, автор поэмы «Корабль дураков», описал метеорит и его падение в листовке Der Donnerstein von Ensisheim. А живописец Альбрехт Дюрер, возможно, изобразил то же событие на обратной стороне картины «Святой Иероним в пустыне».

По легенде, прибывший посмотреть на метеорит эрцгерцог Максимилиан (будущий император Священной Римской империи) распорядился приковать небесный камень цепью к стене городского храма. Видимо, чтоб тот не улетел обратно.

Дело в том, что метеориты, как и кометы, считались явлениями, связанными с процессами в атмосфере. Но уже в XVIII веке становилось все яснее, что из земных испарений такая глыба в небесах вырасти вряд ли может, вулканы как потенциальные источники камней тоже перестали внушать доверие. В 1768 году специальная комиссия, которую созвала французская Академия наук, отвергла версию атмосферного и вулканического происхождения загадочных булыжников, а о космосе и вовсе даже речи не шло. Промах ученых состоял в том, что вместе с ошибочными представлениями об источниках метеоритов они отвергли и саму возможность их падения. В итоге исследования перестали проводиться, очевидцев не опрашивали, а материальные свидетельства считали последствиями ударов молний в богатый пиритом песчаник.

Но ситуация изменилась довольно скоро. Уже к концу XVIII века накопилось множество фактов, свидетельствующих о связи между найденными на поверхности камнями и болидами — очень яркими метеорами, — а также наблюдательных данных о высотах, на которых они были замечены, и их скоростях. Выходило, что пресловутый источник метеоритов находится за пределами плотных слоев атмосферы. Все это объяснить только грозовыми явлениями было уже нельзя.

Решающую роль в реабилитации космических гостей сыграл немецкий физик Эрнст Хладни, который собрал воедино все имевшиеся наблюдения и факты. В университете он изучал юриспруденцию и получил степень доктора права, поэтому имел богатый опыт работы со свидетельскими показаниями. Благодаря настойчивости и упорству Хладни удалось убедить скептически настроенных коллег в своей правоте и донести до ученой общественности главную мысль: камни падают на Землю, и падают они из космоса.

А где каналы?

Знаковым астрономическим событием 1877 года стало противостояние Марса. Так называется взаимное положение планет, при котором Солнце, Земля и наш космический сосед как бы выстроены в одну линию. Орбита Марса располагается дальше земной, так что один оборот он совершает почти за два года — 687 наших суток. Земля, двигаясь вокруг Солнца быстрее, будет регулярно перегонять Марс.

Но в этот год случилось так называемое великое противостояние. Оно происходит раз в 15–17 лет из-за того, что орбита Красной планеты несколько вытянута и иногда Земля догоняет соседа, когда он ближе всего подходит к Солнцу. Эти моменты оптимальны для наблюдения Марса или запуска туда космических аппаратов.

И вот, изучая Марс через телескоп, итальянский астроном Джованни Скиапарелли обнаружил странные длинные линии, образующие сложную сеть по всей планете между 60° северной и 60° южной широты. После, когда об открытии стало известно широкой публике, выяснилось, что подобные образования видят и многие другие ученые.

И тут случился лингвистический казус. Скиапарелли назвал обнаруженные линии итальянским словом canali, которое обозначает любые протоки вообще. Но при переводе на английский и другие языки термин приобрел значение «искусственно прорытый водоем» (channels).

Так появился миф о существовании на Красной планете высокоразвитой цивилизации, которая, борясь с дефицитом воды, создала гигантскую сеть каналов для доставки влаги с полюсов в засушливые экваториальные области.

Особую роль в популяризации этих идей сыграл американский бизнесмен и астроном Персиваль Лоуэлл. Он проводил много времени, изучая Марс и собирая публикации других ученых. В результате Лоуэлл выпустил несколько книг со своими рассуждениями об особенностях марсианской цивилизации и даже предполагаемом строении местных жителей. К сожалению, многие выводы автора, весьма вольно обращавшегося с научными данными, были продиктованы исключительно его желанием непременно доказать, что соседняя планета обитаема.

Персиваль Лоуэлл полагал, что темные области на поверхности Марса — это растительность. В качестве доказательства он указывал на изменение их вида в разное время года, ведь особенно заметными они становились к середине марсианского лета, когда вода из полярных областей насыщала растения влагой.

Тамошняя цивилизация должна была намного превосходить нашу, поскольку им удалось покрыть буквально всю поверхность планеты каналами, которые, по мнению Лоуэлла, взору земных наблюдателей были недоступны: техника того времени этого не позволяла. А видят земляне лишь полосу орошенной и засаженной растениями почвы, в то время как сам канал узок и проходит посередине темной области. Каждую весну марсианская флора оживает, а потому в это время года там от полюса к экватору распространяется волна потемнения.

Интересно, что фотографии каналов было довольно сложно получить. Марс на них выглядел как яркий диск со светлыми и темными пятнами. Сторонники гипотезы объясняли это дрожанием земной атмосферы, из-за чего мелкие детали якобы смазывались при длительной выдержке. Но тем не менее количество каналов, которые видели наблюдатели, каждый раз выходило разным, и изготовить единую карту было проблематично. Тем более что не всем удавалось разглядеть их в принципе, даже через хорошие инструменты.

Также в начале ХХ века был проведен ряд экспериментов, выявивших интересную особенность нашего зрения. Если с большого расстояния человек наблюдает изображение беспорядочных пятен, то довольно часто он начинает видеть те самые прямые линии, как и на Марсе.

Сокрушительный удар по гипотезе обитаемой Красной планеты нанес в 1907 году британский натуралист Альфред Рассел Уоллес, показавший, что температура на поверхности Марса намного ниже, чем считалось ранее. Более того, атмосферное давление там настолько мало, что возможность существования воды в жидком состоянии исключена.

Окончательно вопрос с каналами решился в 1965 году, когда американский космический аппарат «Маринер-4» передал на Землю снимки поверхности Марса: выяснилось, что он больше похож на Луну, чем на описанную Лоуэллом планету с ее техногенными и сельскохозяйственными ландшафтами.

Убежденность Лоуэлла воодушевила многих современников. И пусть марсиане оказались ошибкой наблюдателей, но благодаря массовому увлечению Красной планетой на рубеже веков у нас есть такие замечательные литературные произведения, как «Война миров» Герберта Уэллса и «Аэлита» Алексея Толстого.

Что в итоге?

Научные знания не даются человечеству «просто так». Чтобы описать явление, сначала выдвигается множество гипотез, и лишь немногие из них станут полноценными теориями. Они должны пройти проверку на прочность экспериментами. Иногда это занимает довольно много времени: например, гравитационные волны удалось зарегистрировать спустя 100 лет после их описания в рамках общей теории относительности. На пути к прогрессу могут быть свои тупики, объезды и ловушки. Но сам научный метод устроен таким образом, что человечество находит нужную дорогу и продолжает движение вперед.