Тысяча и одна ночь. Астрономические этюды

Массимо Капаччоли, 2018

В этой книге собраны статьи, которые выходили в рубрике «Макро» газеты Il Mattino di Napoli начиная с конца декабря 2016 года и были посвящены астрономии и связанным с ней темам и персонажам. Цель автора – донести до широкой публики академическую информацию, сохранив легкость и увлекательность повествования, но при этом соблюсти строгость науки. Выбранный формат (газетные статьи, собранные в одно удобное для чтения издание) не требует серьезного погружения, книгу можно читать в минуты свободного времени: например, в транспорте, в перерыве после обеда или же в постели перед сном. Факты и истории, выполняющие функцию «культурного перекуса», подаются автором в виде кратких рассказов – сказок исчерпывающего содержания, которые не связаны друг с другом. Поэтому к прерванному чтению можно вернуться в любое время, когда вновь представится возможность. Собранные в книге рассказы были частично переработаны по сравнению с текстами, появившимися на страницах Il Mattino, и ставят своей целью пробудить интерес к небу и его героям, человеку и существам из другого мира. В формате PDF A4 сохранён издательский дизайн.

Приливы и отливы

Играть без страсти — непростительно!

Людвиг ван Бетховен

Солнечная система — это не демократическая республика, а абсолютная монархия, во главе которой стоит звезда. Божественное Солнце вершит судьбы восьми планет и их спутников, малых небесных тел, пыли и газа, которые вращаются вокруг него, плавая в огромном и по большей части пустом море. Такую силу оно имеет от обладания очень большой массой: газовая смесь водорода и гелия со следами более тяжелых элементов, на которую приходится 99,9 % всего имеющегося в Солнечной системе вещества и которая позволяет звезде искривлять пространство вокруг себя, заставляя всех своих подданных любого ранга без конца вращаться. Со своей стороны Солнце берет на себя обязанность освещать собственный мир потоком света, производимым в расположенной в его центре печи. Здесь огромный алхимик превращает простой водород в более сложный гелий. Эта операция требует среды с чрезвычайно высокой температурой (чтобы преодолеть отталкивание протонов у границ себе подобных) и предполагает скачок. Часть участвующей в игре материи переходит в энергию, которая расходуется на компенсацию радиационных потерь, без которых звезда не светилась бы, и на сохранение строения звезды. Все это делается с предельной точностью и до тех пор, пока это будет возможным (потому что рано или поздно каждая игра заканчивается), с целью противостоять той же силе самогравитации, которая вручила скипетр Солнцу при его рождении и которая с тех пор хотела бы разбить его на мелкие кусочки. Защищая саму себя от чудовищной катастрофы, звезда заливает светом космическую темноту и согревает за свой счет многие небесные тела — от крупиц пыли до планет, которым не хватило чуть-чуть, чтобы стать звездами, и которые в противном случае чахли бы на жестоком морозе. Но за такую щедрость приходится платить безусловным повиновением суверену!

Устроившись в центре своего царства в укромном уголке Галактики среди сотен миллиардов других звезд, Солнце управляет своими подчиненными с помощью кулаков вассалов и их помощников, среди которых выделяются два газовых гиганта — Юпитер и Сатурн. Как усердные часовые, они кружатся вокруг звезды, диктуя свои законы в вверенных им графствах. Чтобы подтвердить свое звание, они обустроили площадь, свободную от потенциальных конкурентов, когда содружество планет учреждалось 4,4 миллиарда лет назад после коллапса медленно вращающегося газового облака. Они обратили в пыль неосторожных и определили расположение немногих аккуратных небесных дорожек, на которых могли бы систематизироваться наиболее предусмотрительные представители низшей касты, вращающиеся как вокруг Солнца, так и вокруг самих двух гигантов, без опасности подвергнуться смертной казни. Пояс астероидов — процессия малых небесных тел, рассеянная в районе между Марсом и Юпитером — и монументальные кольца, украшающие Сатурн, представляют собой последствия этого побоища.

Теперь, как разбойники прошлого, планеты-гиганты изнутри контролируют дороги, ведущие к Солнечной системе, и приводят небесных путников воздать почести Солнцу. Им дается, например, задание сместить короткопериодические орбиты внезапных гостей-комет в сторону источника света. Эти маленькие шарики древнего вещества обитают на самом краю системы, далеко за Плутоном, где их защищает почти абсолютный холод. Решив отправиться в большое путешествие после случайных толчков, они начинают регату, где предполагается один раз обогнуть буек Солнца. Однако иногда случается, что на своем пути они встречают Юпитер или Сатурн. Встреча с одной из этих двух планет не останется без последствий. Хвостатые звезды — участники регаты — могут быть немедленно отправлены домой с категорическим предписанием или могут быть вынуждены превратить единичный случай в привычку постоянно возвращаться обратно. Во втором случае они приговариваются к гибели от изнеможения, демонстрируя небывалое зрелище эфемерных форм, в создание которых Солнце вносит свой вклад посредством ветра частиц и магнитного поля.

Но что случается с низшей кастой, последними из последних? Аналогично тому, что происходит в человеческом обществе с пирамидальной структурой, каждое небесное тело имеет свою сферу влияния, свое место бо́льших или меньших размеров, где оно может задавать хорошую или плохую погоду для подчиненных, которым, тем не менее, дается право, даже предписывается принимать участие в небесной комедии. Так происходит в случае Луны, которая из-за своих скромных размеров должна иметь дело и с Солнцем, и с Землей. При этом она реагирует на гравитационное превосходство двух крупных партнеров, выходя на сцену в таких явлениях, как приливы и отливы, которые на первый взгляд казались бы прерогативой куда более массивной звезды.

Мы все знаем, о чем идет речь. Уровень моря не постоянный, он колеблется с периодичностью примерно 12 часов, при этом разница между максимальным и минимальным уровнем в некоторых местах нашей планеты может достигать высоты пятиэтажного дома. Поразительное периодическое явление, которое высвобождает огромную энергию, которому можно подчиняться или управлять в зависимости от обстоятельств и потребностей. Та же самая «высокая вода», которая мучает Венецию и угрожает ей, успешно использовалась арабами на Сицилии: при помощи маленьких шлюзов они направляли потоки жидкости в чаны солеварен.

Уже в древности люди поняли ключевую роль Луны в этом явлении и вспомогательную роль Солнца: оно, как мы увидим, влияет прежде всего на месячный цикл, с которым меняется амплитуда приливов и отливов в конкретном месте Земли. Это было сформулировано еще за 150 лет до рождения Христа на основании продолжительной серии наблюдений греческим астрономом и философом Селевком из Селевкии, более известным в качестве сторонника еретической гелиоцентрической системы мира, предложенной Аристархом Самосским. В девятом веке нашей эры перс Абу Машар аль-Балхи рассматривал идею первостепенной роли Луны среди других причин и следствий. Потом, в начале семнадцатого века, об этой идее вспомнил фламандец Симон Стевин (его имя можно встретить на страницах школьных учебников как автора знаменитого закона равновесия тел), а также Иоганн Кеплер, который заявил, что позаимствовал ее у Клавдия Птолемея.

Этим вопросом занимался и Галилей. Его целью было прежде всего сделать очевидным движение Земли, чтобы предоставить наиболее умным противникам гелиоцентрической модели, предложенной Николаем Коперником, возможность признать свою ошибку и выйти на верный путь науки, не связанной вероучительными ограничениями, и веры, свободной от постоянной необходимости оправдывать священные тексты. Идея пришла к нему в 1616 году, когда кардинал Роберто Беллармино предупредил его «в частном порядке», то есть из лучших побуждений, отказаться от оценок Коперника относительно законов Земли и Солнца. Зная о силе церкви в то время и ее решимости противостоять любой ценой всем видам ереси, пизанец пообещал придерживаться предписания. Но в глубине души надеялся на реванш здравого смысла. Ему казалось, что приливы и отливы могут представлять собой требующийся experimentum crucis (критический эксперимент), поскольку, по его мнению, они наглядно демонстрировали сочетание вращения Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца. Он пришел к такому предположению, наблюдая за поверхностью воды в емкости, которой был дан толчок. Он ошибся в том, что отдал предпочтение инерции, а не гравитационному воздействию Луны, но из-за своего упрямства настаивал на своем, игнорируя призывы Кеплера к осторожности в суждениях.

Хотя Галилей был упрям в вопросах физики, благоразумие было ему не совсем чуждо. В течение семи долгих лет после предупреждения он делал вид, что отказался от гелиоцентрической картины мира, хотя втайне работал именно над ней. Позже, когда престол святого Петра занял его друг Маффео Барберини, qui sibi nomen imposuit Urbanus VIII (который взял себе имя Урбан VIII), Галилей все более смело говорил о своих взглядах. Он даже поехал в Рим, чтобы вступить в спор с папой, который какое-то время слушал его благосклонно. Прощупав почву такими обнадеживающими разговорами (которые, однако, понтифик слушал все с меньшим вниманием, потому что был занят украшением Рима, чтобы противостоять ересям также и на уровне величия), Галилей рискнул записать черным по белому противостояние между двумя главнейшими системами мира. По этому случаю он облекся в фальшивые одежды беспристрастного судьи, но по существу при помощи тонких психологических приемов занимался продвижением теории, разработанной польским каноником. Когда Урбан VIII понял, что для него заготовлена ловушка, он поставил перед заплечных дел мастером задачу привести к раскаянию человека, который осмелился оспаривать слово Писания. Галилей, настоящий человек даже в своей слабости, не стал сопротивляться и отрекся. Его подвергли относительно мягкому по тем временам наказанию — домашний арест в Арчетри и ежедневное молитвенное правило. Как следствие, однако, рухнула и его теория приливов и отливов, которую в своем «Диалоге» он привел в качестве доказательства гелиоцентризма.

Как бы то ни было, она провалилась бы примерно через полвека, когда Ньютон в рамках механистической модели Вселенной показал, что приливы и отливы являются основным следствием силы тяжести и основное действующее лицо в них — Луна по одной простой причине: Земля представляется со своего близкого спутника телом, обладающим значительным угловым размером, хотя она и является parva res («малым телом») для далекого Солнца. Таким образом, разница между силой, с которой Луна воздействует на две противоположные точки поверхности нашей планеты, оказывается вдвое большей, чем сила, с которой воздействует Солнце несмотря на то, что масса спутника почти в 30 миллионов раз меньше массы звезды.

Естественно, Солнце тоже играет свою роль в этом предприятии, помогая Луне или же ослабляя ее действие в зависимости от того, находится ли оно на одной линии или в квадратуре со спутником. В первом случае приливы и отливы оказываются заметно более сильными. Англичане, которые больше средиземноморских народов приучены к большим колебаниям уровня моря, назвали их spring tide, то есть «фонтанирующие» приливы и отливы (сизигийные приливы и отливы). Во втором случае наблюдаются, напротив, neap tide, то есть «слабые» приливы и отливы (квадратурные приливы и отливы).

Принцип игры Луны и Солнца можно понять исходя из цикличности подъема и спада уровня воды с частотой в полдня. Это объясняется тем, что к Луне по очереди оказываются обращенными разные участки земного шара вследствие вращения Земли (и в меньшей степени вследствие движения Луны по орбите). Имеется и вторая модуляция, связанная с положением Луны относительно Солнца, которая точно повторяется каждый синодический месяц (то есть в среднем каждые 29,3 календарных дня). Не видно никакой связи с аргументами Галилея, даже если центробежная сила, которая воздействует на воду вследствие вращения планеты вокруг барицентра Земля — Луна, придает дополнительную гармонию этому сложному феномену. При одинаковой широте величина приливов и отливов в первую очередь зависит от местных особенностей, таких как поверхность воды, форма и глубина дна и профили берегов, которые все вместе придают резонатору форму более или менее чувствительного инструмента. Имеют значение и метеорологические условия, такие как перепад атмосферного давления, скорость и направление ветра. Это хорошо известно венецианцам, которым приходится иметь дело с притоком воды во время прилива через узкие воронки устий в районе Лидо, Маламокко и Кьоджи, что вынуждает их по нескольку раз ремонтировать шлюзы в направлении моря после сирокко.

Приливы и отливы — красивые колебания, которые позволили морским животным в лагунах привыкнуть дышать на воздухе до того, как они полностью акклиматизировались на твердой земле. Приливы и отливы способствуют жизни на планете и сегодня, внося свой вклад в потоки и, таким образом, в перераспределение тепла в необъятном термостате, каким являются океаны. Но кто платит за это бесконечное движение? Законный вопрос, ведь в природе ничего не происходит без вложения энергии.

Ответ будет неожиданным. Платит Луна, которая, вынуждая воду в морях Земли перемещаться взад и вперед из-за своего постоянного воздействия, теряет гравитационную энергию и удаляется от Земли со скоростью три сантиметра в год. Пустяк! Да, но gutta cavat lapidem — вода камень точит. Чтобы не отставать, Земля тоже вносит свой небольшой вклад, это добавление к скорости ее вращения увеличивает продолжительность сидерического дня. Всего на тысячную долю секунды за век. Тем не менее, этого достаточно, чтобы через три миллиарда лет наша планета всегда была повернута одной стороной к своему партнеру, как уже делает Луна вследствие аналогичного механизма. Это означает, что в будущем на одной половине Земли не будет видно Луны, а на второй половине Луна будет крошечной, вместе с этим вся планета будет лишена стабилизирующего воздействия своего большого спутника — куска, оторванного от Земли 4,3 миллиарда лет назад вследствие удара небесного тела размером с Марс. Это, правда, произойдет через много-много лет! А пока давайте сядем на берегу моря, чтобы понаблюдать за волной прилива как символом жизни и жизненной силы микрокосма — системы, где царит Солнце, которое «является для нас основанием, и мы родились благодаря ему».