Немецкие астрономы оказались более отзывчивыми. 23 сентября 1846 г. Иоганн Готфрид Галле направил свой телескоп, изготовленный компанией Фраунгофера, в то место ночного неба, в котором, по расчетам Леверье, должна была находиться новая планета. И благополучно обнаружил в нем светящуюся точку, не нанесенную ни на какую из звездных карт, бывших в обсерватории. На следующую ночь точка переместилась… в точности на то расстояние, которое предсказывали вычисления Леверье.
Многие встретили сообщение об открытии очередной планеты с энтузиазмом, но английские астрономы, не сумевшие развить успех Адамса, выглядели довольно глупо. Гершель[72], ставший к этому времени членом Наблюдательного совета Королевской обсерватории в Гринвиче, попытался собрать доказательства того, что Адамс сделал свое предсказание первым. Это привело к еще более яростному спору за приоритет. Наименование планеты превратилось в политический футбол: французы хотели назвать ее в честь Леверье, а англичане возражали против нарушения традиции наименования планет именами римских богов. В конце концов международное сообщество сошлось на названии Нептун.
Могущество математики, позволяющее ей делать подобные предсказания, удивительно. Как иронично заметил астроном Франсуа Араго, Леверье открыл Нептун «на кончике своего пера». Разумеется, для подтверждения соответствия его теории реальности потребовались наблюдения, которые Галле произвел в Берлинской обсерватории.
Будучи прикованы к поверхности Земли, мы тем не менее смогли достичь края Солнечной системы. На какое же расстояние можно исследовать дальнейшее пространство? Хотя телескопы позволили нам дойти до этой точки, они также выявили, что у дальности нашего зрения существуют теоретические пределы, поскольку, как выяснилось, свету требуется некоторое время, чтобы добраться до нас.
Космическое ограничение скорости
Телескоп сыграл решающую роль в разрешении одного спора, не утихавшего со времен Античности. Распространяется ли свет в пространстве мгновенно, или же его перемещение из одного места в другое занимает какое-то время? Аристотель, например, не верил, что свет движется. Либо он есть, либо его нет. Другие соглашались с ним. Древние греки полагали, что зрение сводится к перемещению света из глаза на видимый объект. Если это так, рассуждал математик Герон Александрийский, то свет должен распространяться мгновенно. Иначе как мы можем, открыв глаза, сразу видеть далекие звезды?
Идею о том, что свет движется в обратном направлении, от объекта к глазу, предложил в своей «Книге оптики» арабский ученый Ибн аль-Хайсам[73]. Но даже если свет и перемещается в обратном направлении, многие по-прежнему считали, что он распространяется с бесконечно большой скоростью. Однако Галилей не был в этом уверен. Он предположил, что если распространение света от источника занимает некоторое время, то это время наверняка можно измерить. Он предложил открывать светильник и отмечать, через какое время его станет видно на расстоянии нескольких миль. Масштаб, предложенный Галилеем, был слишком мал, чтобы заметить какую-либо задержку; Декарт увеличил его. Он понял, что если перемещение света к Земле от Солнца и от Луны занимает какое-то время, то время наступления лунных затмений должно несколько отличаться от ожидаемого. Однако таких отклонений обнаружено не было. И Галилей, и Декарт были правы: просто свет распространяется так быстро, что расстояния до Солнца и Луны были все еще слишком малы, чтобы какие-либо расхождения можно было заметить.
Доказательство того, что распространение света в пространстве действительно занимает определенное время, было в конце концов получено не от нашей Луны, а от лун, обращающихся вокруг Юпитера. Галилей предложил использовать луны Юпитера в хитроумном решении проблемы определения долготы. Для этого нужно было измерять время, используя момент входа Ио, ближайшего к Юпитеру спутника, в тень этой планеты. Ио обращается вокруг Юпитера за 42,5 часа, достаточно регулярно, чтобы служить космическими часами. Если составить таблицу времен, в которые такие затмения видны из Флоренции, то, измерив времена затмения в другом месте, можно определить его долготу относительно Флоренции. Этот метод не прижился для определения долготы на море – а в то время это было важной нерешенной задачей, – но использовался для определения долготы на суше.
В 1676 г. датский астроном Оле Рёмер открыл конечную скорость света при помощи лун Юпитера. Работая в Парижской обсерватории, он отмечал время, в которое Ио исчезала в тени Юпитера. Оказалось, что такое время зависит от положения Земли на орбите вокруг Солнца. Когда Земля и Юпитер находились по разные стороны от Солнца, наблюдалась задержка. Рёмер понял, что она связана с тем, что прохождение света до Земли занимает больше времени, чем в случаях, в которых Земля и Юпитер находятся с одной и той же стороны от Солнца. Об открытии объявил 22 августа 1676 г. в Королевской академии наук Парижа директор обсерватории Джованни Кассини. Он объяснил, что астрономам придется изменить таблицы, предсказывающие время затмений Ио:
Это, вероятно, связано с тем, что свету требуется какое-то время, чтобы дойти от спутника до наблюдателя; для пересечения расстояния, равного половине диаметра земной орбиты, свету, по-видимому, требуется от десяти до одиннадцати минут.
Согласно современным измерениям, это время равно 8 минутам и 20 секундам, так что астрономы XVII в. были недалеки от истины. Затем последовал целый ряд экспериментов по определению численного значения скорости света в безвоздушном пространстве. Поскольку скорость света составляет около 300 миллионов метров в секунду, неудивительно, что многие считали ее бесконечной. С появлением телескопов, позволяющих измерять огромные космические расстояния, скорость света стала существенным ограничением любых попыток заглянуть в дальние пределы Вселенной.
Более того, то обстоятельство, что для пересечения пространства свету требуется определенное время, означает, что, когда мы смотрим во Вселенную, мы смотрим в прошлое. Солнце изображается на фотографии неба таким, каким оно было 8 минут и 20 секунд назад, ближайшая звезда – четыре года назад, а наиболее удаленные галактики – миллиарды лет назад. Возможно, в какой-нибудь далекой галактике в сторону Земли обращены сейчас телескопы, в которые видно вымирание динозавров, произошедшее около 66 миллионов лет назад.
Скорость света стала использоваться астрономами для измерения гигантских космических расстояний. Когда астроном говорит о чем-то, находящемся на расстоянии одного светового года, это значит, что свет может дойти до нас из этой точки за один год.
Когда я смотрю на свою настольную небесную сферу, мне кажется смешным, что древние греки считали звезды нарисованными на огромном сферическом небесном своде, окружающем Вселенную и окруженном пустотой. Но у них не было оснований думать иначе. Расстояния от Земли до звезд так велики, что невооруженному глазу все звезды кажутся просто очень далекими. Астрономы древности не имели никаких средств измерения глубины космоса. Однако изобретение телескопа несколько приблизило к нам эти звезды – настолько, что современные астрономы смогли увидеть, что не все они находятся на одинаковом расстоянии от Земли.
Если одна из звезд находится ближе к нам, чем другая, то существует возможность это установить. Хотя мы и прикованы к поверхности Земли, по крайней мере сама Земля движется относительно звезд, отчего мы можем смотреть на космос из разных точек. Это-то и дало нам возможность начать отклеивать некоторые из звезд от поверхности небесного свода и придавать Вселенной глубину.
Вытяните перед собой палец и посмотрите в окно, двигая головой из стороны в сторону. Вы заметите, что предметы, расположенные ближе к вам, – например ваш собственный палец – смещаются на большее расстояние, чем объекты более удаленные. Этот эффект называют параллаксом. Астрономы используют его в своих наблюдениях за звездами. Сравнивая положения звезд летом с их положениями зимой, они могут определить, какие из них находятся ближе к Земле.
Собственно говоря, Гершель открыл свою новую планету, Уран, именно пытаясь определить этот так называемый звездный параллакс. Различия в положениях звезд чрезвычайно малы, и для выявления такого сдвига необходимы телескопы достаточной точности. Первые успешные измерения были произведены только в 1830-х гг., когда немецкий астроном и математик Фридрих Бессель зарегистрировал первое точное наблюдение звездного параллакса. Чтобы применить эту технику к близлежащим звездам, астроном должен предположить, что удаленные звезды, по существу, находятся на единой небесной стене, охватывающей Вселенную, – приблизительно в соответствии с древнегреческой моделью. Дело в том, что в контексте задачи определения параллакса близлежащих звезд наиболее удаленные звезды кажутся неподвижными и их можно использовать в качестве фона, на котором выявляют движение звезд не столь удаленных.
