Решение, найденное Гюйгенсом для загадки Сатурна, не пришло просто с помощью построения мощного телескопа (который был грубым и неуклюжим по сравнению даже с теми, что сегодня доступны любому астроному-любителю), оно было результатом тщательных рассуждений. Пришлось ждать 1675 года, когда итальянец Джованни Доменико Кассини (1625-1712) открыл, что у этих колец есть структура и внутри них существует щель. Сегодня она известна как щель Кассини.
Изображение Сатурна, сделанное в 1980 гаду с помощью автоматического зонда Вояджер-1. На кольцах Сатурна можно увидеть тень планеты.
Чэллис включил в свое письмо список из четырех вариантов. Две проблемы были связаны с небесной механикой, и одна — с аберрацией света, его любимой темой. Аберрация света — это различие, которое возникает между наблюдаемым положением звезды и ее реальным положением из-за комбинированного эффекта скорости Земли и скорости света. Данное явление подобно тому, которое мы переживаем, идя под дождем: даже если капли падают вертикально, при перемещении нам кажется, что они летят под углом. Четвертой темой в списке значилось «Исследование возмущений в формах колец Сатурна при предположении, что они текучие». Это также была одна из любимых тем Чэллиса, и в то время о ней говорили многие астрономы благодаря выводам, к которым пришел известный русский астроном Отто Струве (1819-1905) о «приближении внутреннего кольца к планете Сатурн».
Проблема колец превратилась в жаркую тему с тех пор, как в 1850 году американский астроном Джордж Филлипс Бонд (1825-1864) из Гарвардского университета нашел «темное кольцо», расположенное внутри уже двух известных и открытых Кассини ранее. На следующий год он посетил Европу и обсудил свое открытие со своими коллегами. В Пулковской обсерватории в Санкт-Петербурге Бонд смог наблюдать за Сатурном вместе с Отто Струве. В своем дневнике он записал, что ему показалось, будто Струве в первый раз видит новое кольцо. После того как они обсудили это явление с ним, а также с его отцом, Вильгельмом Струве, был сделан вывод, что система колец находится «в процессе изменения».
Открытие Бонда подстегнуло интерес Струве к Сатурну, и он начал ряд наблюдений и тщательное штудирование соответствующей литературы, пока не заключил, что темное кольцо образовалось недавно. Изучив результаты двухвекового наблюдения системы колец, он сделал вывод:
«Нижний предел самого внутреннего кольца постепенно приближается к диску планеты, и в то же время общая ширина двух блестящих колец находится в постоянном увеличении».
У этого утверждения было важное теоретическое значение, потому что если кольца действительно меняли форму с течением времени, это подтверждало бы гипотезу о том, что они — текучие, а не твердые тела, как и думал Чэллис, предлагая данную тему для премии.
Итак, с учетом этой идеи Чэллис объявил об условиях премии 1857 года, которая касалась стабильности колец. Он предполагал, что стабильность появляется, если только учитывать исключительно силу тяготения, и объяснил Томсону:
«Я отделил часть проблемы, которую мы можем принять как решенную, от той, на которую едва лишь можно ответить без учета этой заданной гипотезы».
Обсуждение данных гипотез сыграло главную роль в ответе Максвелла на утверждение Струве о том, что с течением времени в кольцах Сатурна должно произойти изменение. И что более важно, рассмотрение трения как чего-то изменяющего стабильность системы привело его к размышлению о вязкости газов, и отсюда он перешел к исследованию кинетической теории газов — одной из своих самых главных работ.
КОЛЬЦО ДЛЯ ПРЕМИИ
Дело колец было чем-то, как говорил Чэллис, «в духе математики Кембриджа». Действительно, ректор Тринити-колледжа, эрудит Уильям Уэвелл, предложил в качестве экзаменационного вопроса для студентов Кембриджа, которые сдавали экзамен на премию Смита, «доказать, что жидкость может вращаться в виде идеального кольца, как кольцо Сатурна. Каким было бы кольцо Сатурна, если бы оно не было твердым телом?»
Этот вопрос был тесно связан с дискуссией, которая шла на эту тему у Лапласа в главе 6 Книги III его знаменитого «Трактата о небесной механике», где он утверждал, что движение твердого кольца нестабильно. Лаплас сделал вывод, что кольца должны быть неправильными твердыми телами, центры тяжести которых не совпадают с их геометрическими центрами. С другой стороны, первая часть вопроса Уэвелла могла быть сформулирована под влиянием предположения бельгийского физика Жозефа Антуана Фердинана Плато (1801-1883), высказанного после экспериментального установления законов поведения мыльных пузырей. Согласно Плато, динамика колец Сатурна может быть аналогичной эффекту, получаемому при вращении масляного шара в растворе воды и спирта. В данном случае шар превращается в «идеально правильное кольцо», и вывод ученого заключался в том, что «тело со структурой, аналогичной нашему жидкому кольцу, — это кольцо Сатурна». Плато также говорил, что его модель служит «миниатюрным изображением образования планет согласно небесной космологии Лапласа», по которой Солнечная система возникла из-за конденсации газообразной материи, окружившей первоначальное Солнце. Более того, сам Лаплас указывал, что спутники и кольца Сатурна образовались таким же образом на основе газа атмосферы планеты. В случае с премией Адамса спрашивали, при каких условиях кольцо было бы стабильным, если бы оно: (1) было твердым телом, (2) было текучим и (3) состояло из множества различных твердых частей.
МЫЛЬНЫЕ ПУЗЫРИ
В публичных научных опытах XIX века обычно использовали такие продукты, как желатин, пластик, стекло и мыло.
Ученые XIX века думали, что за мыльными пузырями скрываются загадки материи: они были моделью и проявлением основного вещества природы.
Это может показаться удивительным, но банальное мыло сыграло важную роль в изучении света. Один из великих умов того времени, Уильям Томсон, имел интеллектуальную смелость идентифицировать эфир, проводивший волны света, с «воздушной материей», из которой делались мыльные пузыри.
В 1852 году этот профессор в Глазго объяснял своим ученикам, что интерференция света на тонких пленках мыла доказывает причудливость этого эфирного материала, который, как считалось, имел природу, близкую к природе воздуха. Однако в 1870 году сам Томсон, основываясь на данных, полученных при экспериментальном изучении мыльных пленок, доказал в статье, посланной в журнал Nature, что молекулы воздуха не равны молекулам гипотетического светового эфира. Это не лишило тему привлекательности. На своих публичных лекциях Томсон показывал на большом экране цвета, которыми переливался мыльный пузырь, говоря:
«Те. кто занимается мыльными пузырями, имеют возможность восхищаться одним из самых интересных явлений физики. Достаточно надуть мыльный пузырь и наблюдать за его поведением, изучая саму жизнь в ее целостности и мимоходом усваивая еще один урок физики».
Гравюра, изображающая бельгийского физика Жозефа Антуана Фердинана Плато, 1890 год.
Но настоящим знатоком данной темы, проделавшим более детальные исследования в 1840-х годах, был бельгийский физик Жозеф Антуан Фердинан Плато. Ученый ослеп после десятилетий, посвященных изучению выносливости зрения, поэтому при наблюдении движений мыла, масла и других текучих веществ ему помогали родственники и друзья. Плато разработал несколько очень хитроумных техник для работы с пузырями и их пленками. В одном из его экспериментов капля масла, помещенная в раствор спирта и воды такой же плотности, помогла ему определить, что происходит с маслом при отсутствии тяготения. И когда он изучил свойства коммерческого глицерина и установил, какова самая подходящая для его исследований смесь мыла и воды, он смог делать долгоживущие мыльные пузыри и пленки, которыми его помощники управляли с помощью проволочных петель различной формы. Кроме того, он объяснил, как его вращающиеся капли масла имитируют кольца Сатурна, поскольку они превращаются в последовательные круглые кольца. Эта работа имела большой отклик в Англии, поскольку Джеймс Чэллис ее перевел, а лондонская газета опубликовала в 1846 году.
Точно не ясно, когда Максвелл начал работать над задачей, выдвинутой на премию Адамса. В июле 1856 года, когда ученый оставил Кембридж, чтобы занять место преподавателя натуральной философии в Маришал колледже в Абердине, он уже был полностью поглощен проблемой. Джеймс рассказал своему другу Р. Б. Личфилду, что «посвящает значительную часть времени кольцам Сатурна, проблеме чрезвычайно сложной, но любопытной, особенно в случае с движущимся текучим кольцом». В следующем письме в октябре он поведал о результатах, касающихся условий стабильности колец. Окончательный вариант статьи Максвелл написал и послал в жюри 16 декабря. Она оказалась единственной работой, представленной на конкурс.
