то он в ту же минуту почувствует,
что это ВСЕ не есть ВСЕ.
По сравнению с другими науками астрономия всегда находилась в совершенно особом положении. Любое тело, подвергающееся исследованию в земной лаборатории, можно изучать, как говорится, всеми пятью чувствами. Небесные же тела поневоле приходилось изучать лишь визуально.
Есть, конечно, и кое-какие исключения. Например, иногда сквозь толщу атмосферы проникают метеориты, и их можно сопоставлять с обычными земными камнями. Совсем недавно космическая техника открыла путь к физико-химическому зондированию планет, люди высадились на Луне. Возможности исследования небесных тел лабораторными методами теперь сильно расширились, но все-таки основную информацию мы, как и раньше, получаем методами чисто наблюдательными. Это очень важная особенность астрономии, и без ее глубокого осознания трудно уловить некоторые детали влияния науки о небесных явлениях на общую картину Вселенной. Ведь Вселенная — не только звезды и галактики, это и человек, и молекулы, и элементарные частицы, и многое другое…
Как мы помним, выделение неба в качестве особой области окружающего мира сыграло решающую роль в формировании религиозных, а потом и научных представлений. Именно наука сделала успешную попытку приблизить к нам небо, сопоставив его объекты с чем-то более привычным вокруг нас. Но на протяжении тысячелетий методы получения информации оставались чисто визуальными, и это не могло не наложить отпечаток на мировоззрение, в том числе и научное.
Чисто визуальный метод экспериментирования порождает своеобразную позицию исследователя — он созерцатель, он никак не воздействует на изучаемое явление, а просто фиксирует наблюдаемые факты. Астрономия, как ни одна другая наука, способствовала укоренению этого взгляда, четкому разделению мира на созерцающего наблюдателя-субъекта и внешний по отношению к нему наблюдаемый объект, живущий по своим особым законам. Это разделение выглядело естественным в те времена, когда за небесными телами закреплялись некие божественные, стоящие над и уж во всяком случае, вне человека проявления. Но оно осталось в наследство и сыграло свою роль и тогда, когда наука набрала достаточно силы, чтобы обречь Творца на безработицу. Остался в наследство созерцатель — пусть не божественных проявлений, а движения материи, но все-таки созерцатель. Если учесть, что астрономия первой из естественных наук нового времени добилась впечатляющих успехов, то нетрудно понять, почему эта унаследованная идеология довольно болезненно сказалась на последующем развитии мировоззрения.
В физике, которая как наука сформировалась в 17–18 веках, присутствовала одна важная особенность, позволившая за определенный срок в значительной мере преодолеть эту идеологию. Дело в том, что постановка лабораторного эксперимента требует всегда тех или иных операций по идеализации, обособлению изучаемого явления. Обнаружение этой необходимости и составляет одно из величайших достижений естествоиспытателей, в первую очередь Галилея. В сущности, зарождение науки в современном смысле — это следствие открытия принципов экспериментирования, неизвестных античности.
Экспериментальная деятельность не тождественна обычному практическому оперированию с объектами и явлениями, поскольку в обычной практике объекты зачастую взаимосвязаны, и на них могут оказывать существенное влияние факторы, несущественные с точки зрения того, что пытаются измерить. Иными словами, исследуемое явление требует особой деятельности экспериментатора по изоляции.
Примеры довольно просто проясняют это положение. Античные философы не сумели открыть общие законы механического движения, прежде всего, потому, что не имели представления о необходимости изоляции движущегося тела от влияния окружающей среды. Благодаря этому закон движения у Аристотеля свелся к пропорциональности скорости (а не ускорения, как у Ньютона!) действующей на тело силе. А ведь закон Аристотеля основывался на бесчисленном множестве несложных наблюдений, и из них было видно, что в земных условиях любое тело быстро теряет скорость, если не прилагать к нему внешней силы. То, что эта сила необходима для компенсации трения, сопротивления воздуха или воды, просто не замечалось.
Отсюда следовало и важнейшее подтверждение особого характера небесных тел, которые движутся вроде бы неизменно и не теряют скорости. И, разумеется, от них отделялись исчезающие кометы и метеориты, которые Аристотель относил к отнюдь не идеальным атмосферным явлениям подлунного мира[77]. Устойчивость такой точки зрения объясняется тем, что небо оказалось действительно выделенной областью, но выделенной в том отношении, что природа как бы позаботилась о создании почти идеальных условий для движения планет в практически пустом пространстве. Но на понимание этой заботы у человечества ушло много столетий.
Научные эксперименты нельзя проводить в никак не организованной внешней среде — они могут дать попросту не ту информацию, которая нужна исследователю. Скажем, проводя опыт с газом, он должен создать особые условия — поддерживать на определенном уровне температуру, объем, давление, в общем, фиксировать те характеристики, которые он хочет измерить.
В античности, чье мировосприятие стояло гораздо ближе к древнейшему синтетическому образу мышления, эта изоляция не допускалась. Поэтому античные ученые оставили нам лишь отдельные эмпирические законы физики, открытые благодаря тому, что некоторые явления достаточно легко изолировались, зачастую по независимым от исследователя причинам — таковы законы рычага, закон Архимеда, оптические законы отражения, пифагорейские правила акустики и т. п. Многие же весьма обширные попытки теоретического творчества завершились неудачными формулировками именно потому, что строились на основе порочной экспериментальной методики. Это не значит, что древние вообще не представляли себе идеализированных ситуаций — отнюдь! Обширная практика в землемерии и строительстве привела их к великолепной схеме Евклидовой геометрии, но до настоящих физических моделей дело не дошло.
Верное понимание принципов научного эксперимента формировалось крайне медленно — от поздней античности до эпохи Возрождения. Оно во многом обязано и логическим упражнениям схоластов, напряженно искавшим точные словесные эквиваленты теологических понятий. Но главная линия все-таки шла через бесчисленные опыты по определению удельных весов и получению различных веществ. Постепенно осознавалась та роль, которую играют условия постановки опытов. Осознавалась, чтобы в Новое Время определить собой поток экспериментального естествознания.
Разумеется, астрономия не была полностью изолирована от этого процесса. Например, роль хороших инструментов в астрономии была понята очень рано — обсерватории Тихо Браге и Гевелия, как, впрочем, и многие более древние обсерватории, тому порукой. Но вот создать на небе какие-то искусственные условия, скажем, обособить с помощью реальных операций звезду с одной планетой, чтобы подробно и без помех вывести закон их взаимодействия, — это было невозможно.
И все-таки такое обособление делалось, хотя инструментом для него служили не технические приспособления, а теоретические модели, сильно идеализирующие действительность, но именно тем и полезные.
Астроном всегда смотрел на небо сквозь линзу какой-то модели, хотя и не всегда осознавал это. Осознание наступило тогда, когда соответствующая методика реальной изоляции и неизбежной идеализации явлений стала естественным приемом в лабораториях физиков. Соответственно произошел сдвиг в философии — от концепции человека, пассивно созерцающего творение Божье или природу как вечный механизм, к человеку, познающему мир в особой форме активной практической деятельности, в том числе и себя как важный элемент биологической, социальной и культурной структур этого мира.
В целом эти сдвиги относятся к не столь уж давним временам. В начале же 19 века созерцательность астрономии сыграла немалую роль в «склейке» объективной реальности с механической моделью Вселенной, в укреплении лапласовского детерминизма. На преодоление этих барьеров под влиянием физики ушло более столетия.
Наряду с этим весьма тонким и общим влиянием очень интересно рассмотреть ряд конкретных фрагментов прямого взаимодействия физики и астрономии.
Оно имеет давнюю традицию — добытые на Земле сведения о веществе так или иначе всегда примерялись к космосу. Использовались в астрономии и многие элементарные приборы, предназначенные сначала для геометрических измерений в строительстве и в землемерии.
На рубеже Нового Времени крупнейшим физико-техническим вкладом в астрономию стал, конечно, телескоп. Впервые астроном почувствовал, что между его глазом и небесными телами стоит посредник, от совершенства которого в немалой степени зависят открытия. Впоследствии астрономия испытала целый ряд таких приборных преобразований — вплоть до появления в 20 веке радиотелескопов и счетчиков частиц космического излучения, необычайно расширивших диапазон космовидения.
Благодаря телескопам все ранее наблюдавшиеся объекты и их движения были просмотрены и измерены заново с гораздо более высокой точностью. Вообще высокая точность измерений стала играть в астрономии выдающуюся роль гораздо раньше, чем в иных областях познания, и в немалой степени послужила образцом для всех других наук. Ведь астрономия была, пожалуй, первой сферой человеческой деятельности, где стали формулироваться точные количественные законы. Поэтому мы можем реконструировать размеры античной Вселенной (от десятков тысяч до десятков миллионов километров), но совершенно не представляем себе размер, скажем, атомов Демокрита — Эпикура — Лукреция.
Уточнения координат небесных тел оказались особенно важны для проверки ньютоновской теории движения планет, а впоследствии сыграли решающую роль при обращении к звездам. Увеличение точности производит сильное впечатление. Напомним, что предельно малая погрешность наблюдений Тихо Браге и Гевелия составляла 0,5 угловых минуты. Джон Флемстид (1646–1719), основатель и первый директор Гринвичской обсерватории, за счет систематического применения специальных устройств довел ее до 10 угловых секунд, а Джеймс Брандлей (1692–1762) — до 4–6. В начале 19 века погрешность была доведена до 3, а в середине — до 1–2!
Развитие наблюдений не сводилось к созданию все более мощных телескопов, совершенствовалась и вспомогательная техника, облегчающая определение координат. В середине 19 века был сделан крупнейший шаг объединение телескопа с фотоаппаратом, что резко упростило довольно нудный процесс текущей регистрации небесных событий. Это в определенной степени эквивалентно включению огромного резерва наблюдателей и дает возможность непрерывного — при должных погодных условиях — слежения за небом. В жизни вечных полуночников-астрономов наметилась тенденция к более человеческому режиму. С другой стороны, фотопластинки оказались отличной формой хранения объективной астрономической информации.
Эта линия достижений связана в основном с успехами техники. Но неменьшую роль сыграло и бурное развитие фундаментальных представлений о строении вещества.
Уже с конца 17 века астрономы пытались взглянуть на небо сквозь линзу новой, только зарождающейся физики. Именно в 17-м веке возникли механика, первые научные концепции света (волновая теория Гюйгенса и корпускулярная теория Ньютона) и вещества (атомно-молекулярные модели Бойля и Ньютона). Дальнейшие успехи физической оптики и моделей вещества в 18 и особенно в 19 веке позволили связать свойства вещества с характеристиками принимаемых световых сигналов. Стало ясно, что свет, попадающий в земной телескоп, несет информацию о состоянии далекой звезды — ее строении и химическом составе.
Так рождалась астрофизика — наука о строении небесных тел и происходящих на них процессах. Хотя ее истоки (в виде предварительной классификации звезд по блеску) относятся к античным временам, но более реальной датой ее рождения можно считать первые телескопические наблюдения Галилея, который высказал гипотезу о единой природе Земли и других планет. Здесь мы немного сосредоточим внимание на успешных попытках объединить телескоп с настоящей земной лабораторией, что позволило вести анализ строения и состава небесных тел так, словно их образцы доставлены на нашу планету.
История такого объединения начинается с открытия Ньютона, разложившего в 1666 году солнечный свет в разноцветный спектр с помощью стеклянной призмы. Закон зависимости преломления от цвета занял свое место в оптике и послужил Ньютону основой для корпускулярной модели света. Но в плане широкого практического применения это открытие оставалось в тени еще около двух столетий.
В 1802 году английский химик и физик, один из первооткрывателей инфракрасного и ультрафиолетового излучений Уильям Хайд Волластон (17661828) опубликовал небольшую заметку, где сообщил, что спектр солнечного света, пропущенного сквозь призму, содержит какие-то темные линии. Видимо, плохая оптика привела автора к неверному заключению, что линии зависят от яркости источника и вида призмы. На эту заметку никто, в том числе и автор, не обратил особого внимания.
И вот в 1814 году это явление переоткрыл молодой немецкий оптик Йозеф Фраунгофер (1787–1826), переоткрыл на совсем ином уровне. Фраунгофер, сын мастера-стекольщика, с детства занимался изготовлением оптических стекол и достиг в этом деле исключительного совершенства — его линзы и призмы составили, пожалуй, целую переходную эпоху между 18 веком и великолепной оптикой фирмы «Карл Цейсс», появившейся в последней четверти прошлого столетия.
В 1814 году, сотрудничая в одной из мюнхенских оптических фирм, Фраунгофер приступил к систематическим исследованиям преломляющих свойств различных прозрачных веществ. Он сразу же натолкнулся на темные линии в солнечном спектре и быстро убедился, что они — стабильная характеристика источника, не зависящая от призмы. Дело в том, что аналогичные линии Фраунгофер увидел в спектре обычной свечи, а потом и в спектрах планет. Кроме того, он нашел иной способ разложения света — с помощью искусно изготовленных дифракционных решеток, и получил довольно точные данные о длинах световых волн разного цвета.
Однако Фраунгофер не был профессиональным физиком или химиком и не стал заниматься поиском связи спектральных линий с химическим составом вещества. Он остановился на том, что спектры планет похожи на солнечный, а спектры звезд отличаются от него и иногда довольно сильно. Физико-химические же исследования начались заметно позднее.
В 1854 году в Гейдельберг переехал физик Густав Роберт Кирхгоф (1824–1887), чтобы помочь профессору химии Роберту Вильгельму Бунзену (1811–1899) в осуществлении большой программы по анализу состава газов. Следствием этой работы стало создание спектрального анализа. Благодаря удачному решению ряда чисто технических проблем Бунзен и Кирхгоф сумели очень точно описать всю видимую часть солнечного спектра и связать многие наблюдаемые линии с конкретным химическим составом нашего светила. Они обнаружили более 20 элементов, входящих в атмосферу Солнца.
Теперь стал виден ясный путь к пониманию состава небесных тел. Значимость работы Кирхгофа и Бунзена, частично подытоженной в книге «Химический анализ посредством наблюдений спектров» (1860), сравнима только с галилеевскими наблюдениями неоднородностей Луны и Солнца. Спектры открыли дверь и в атомно-молекулярный мир. В течение следующего полувека из их исследований выросла атомная физика. И именно анализ спектров привел в 20 столетии к появлению модели расширяющейся Вселенной. Но эти достижения еще впереди, а тогда стало ясно, что перед астрономией и физикой лежит необъятное море новой работы. Необходимо было получить и проанализировать спектральные портреты тысяч и тысяч звезд.
Так рождалась современная астрофизика.
Спектры сыграли выдающуюся роль и в определении геометрических параметров Вселенной в самых больших масштабах. Определение расстояний до звезд и их скоростей, несмотря на всевозрастающую мощность телескопов, оставалось довольно серьезной проблемой. Старые геометрические методы, блестяще оправдавшие себя при измерениях Солнечной системы, оказались беспомощными при обращении к очень далеким объектам. Даже самыми современными средствами невозможно обнаружить параллакс звезды, удаленной более чем на 100 световых лет, а, следовательно, нет прямого геометрического способа измерить расстояние и скорость.
Выход был найден в связи с работами австрийского физика и астронома Кристиана Допплера (1803–1853). В 1842 году он установил, что частота волнового процесса должна зависеть от скорости и направления движения источника. В соответствии с идеей Допплера, относительный сдвиг частоты приблизительно определяется отношением скорости источника к скорости распространения сигнала (звука или света): ∆ν/ν0 = ± v/c, где ν0 — частота для покоящегося источника, а знак выбирается в зависимости от направления движения источника. По правилу: + к нам, — от нас, т. е. частота убегающего источника уменьшается (красное смещение), а приближающегося — увеличивается (фиолетовое смещение).
Этот эффект, довольно легко наблюдаемый в акустике, трудно уловить в оптике, если скорость источника существенно меньше скорости света. Но именно так обстоит дело со звездами.
Лишь в 1868 году оптический допплер-эффект был обнаружен английским астрономом Уильямом Хэггинсом (1824–1910), изучавшим спектр Сириуса в своей частной обсерватории. Спектральные линии стали для Хэггинса своеобразными метками — именно их небольшое смещение позволило оценить скорость Сириуса[78]. Впоследствии для самых далеких объектов удалось связать между собой задачи определения скоростей и расстояний до них, и допплер-эффект стал надежным космологическим методом.
Стоит добавить, что пионерские работы по астроспектроскопии (Кирхгоф, Бунзен, Хэггинс и другие) проводились без применения фотографии. Дело такого рода в смысле объема и качества полученного материала — истинный подвиг.
В истории внедрения спектрального анализа в астрономические исследования ясно чувствуется глубочайшая взаимосвязь в развитии различных областей познания. В сущности, излагая эволюцию астрофизических концепций, следовало бы параллельно давать картину развития наших представлений о веществе вдоль тех же исторических и философских вех… Скажем, возрождение атомизма связано с философией французского математика и теолога Пьера Гассенди (1592–1655), отделившего пространство и время от Бога и указавшего на внутренне присущие атомам свойства взаимодействия. Его концепции оказали огромное влияние на Ньютона и многих других английских физиков и философов. Это видно и в идее планет как центров тяготения, и в идее корпускул света. Наконец, это предопределило ньютоновскую модель абсолютного пространства-вместилища, а впоследствии и необходимость преодоления этой модели.
На протяжении нескольких столетий на небо обрушились все лучшие достижения физики, полученные в земных лабораториях. Этот процесс привел к совершенно новому взгляду на Вселенную, подготовил почву для резкого взлета в ее постижении, произошедшего уже в нашем веке. Этот прогресс воистину поразителен, если сопоставить видение Космоса как главным образом духовной категории, скажем, в «Божественной комедии» у Данте с сугубо материалистическим его восприятием на рубеже 19–20 веков, когда едва ли не все принципиальные проблемы представлялись решенными или, во всяком случае, не слишком сложными.
В период становления научной астрономии звездам не очень повезло. С 15 и до середины 19 столетия главное внимание уделялось планетам Солнечной системы. В мире звезд велась в основном предварительная регистрационная работа.
Росла мощность телескопов, и вместе с этим лавинообразно нарастало количество вновь открываемых звезд. Это и неудивительно — невооруженным глазом можно видеть звезды до 6-й величины включительно, а их на всем небе около 4800. Зато в интервале до 10-звездной величины их уже 350 тысяч, а до 20-й величины — миллиард. Так что астрономия столкнулась со своеобразным информационным взрывом.
Однако коллекция в миллион бабочек еще не творит биологии.
Звезд было много, но об их природе к середине 19-го века высказывались лишь очень смутные догадки. Астрономы не слишком ясно представляли себе даже расстояния, на которых расположены эти звезды… Разумеется, после работы Галлея никто не считал, что они принадлежат какой-то неподвижной хрустальной сфере, но и сколь-нибудь ясной картины, напоминающей великолепное полотно Солнечной системы образца Ньютона — Лапласа, не существовало.
Все сдвинулось с места, когда исследователи научились уверенно выделять какие-то особые типы звезд, и по этим особенностям, как по ступенькам, карабкаться к пониманию основных звездных характеристик расстояний, размеров, масс, светимостей, цвета, возраста, строения.
Исходный прорыв наметился как раз в связи с древней проблемой расстояний. Если в античные времена (и вплоть до Коперника) считалось более или менее очевидным, что звезды всех 6 величин находятся на одинаковом расстоянии от Земли, то последовавший разгром хрустальной сферы привел к противоположному крену — долгое время общественное мнение склонялось к тому, что истинная яркость звезд того же порядка, что и у Солнца, а наблюдаемая яркость целиком зависит от их удаленности. Эта вполне научная гипотеза приводила, в конечном счете, ко многим ошибочным выводам — ведь светимость большинства ярких звезд на самом деле значительно превышает светимость Солнца. Поэтому лишь решение проблемы расстояний открывало дорогу к физической классификации звезд.
Необходимы были прямые и очень точные измерения звездных параллаксов. Они стали активно проводиться уже на рубеже 18–19 веков, но долгое время из-за больших ошибок параллаксы сильно завышались, и расстояния до звезд оказывались неправдоподобно малыми.
Достаточно точные результаты появились почти одновременно и совершенно независимо при изучении трех ярких звезд.