Если открытие Урана было удачей, то эту новую планету нужно было найти силой чистой логики, воплощенной в математике Ньютона. До сих пор астрономы брали известное положение планет и использовали математические формулы для расчета их орбит. Теперь эту процедуру нужно было запустить в обратном направлении. За движением Урана следили несколько десятилетий, и задача состояла в определении такого места, в котором могла бы находиться планета, объясняющая странности траектории Урана.
С математической точки зрения задача была чрезвычайно непростой, но нашлись два теоретика, которые приняли этот вызов: это были Джон Куч Адамс в Англии и Урбен Леверье во Франции. Им обоим удалось обратить задачу и определить, где, по их мнению, могла находиться новая планета. К сентябрю 1845 г. Адамс завершил свои вычисления и обратился к английским астрономам, чтобы они попытались найти новую планету. Видимо, отсутствие у Адамса солидной репутации и его довольно нелюбезные манеры (возможно, проявление синдрома Аспергера) не внушали авторитетным ученым особого доверия. Королевский астроном был к тому же отвлечен скандальным делом об убийстве, в котором был замешан один из его ассистентов. В результате на английском берегу Ла-Манша предсказания Адамса оставили без внимания. Леверье закончил свои расчеты только в июне 1846 г. и также натолкнулся на невозможность убедить руководство французских обсерваторий в необходимости тратить ценное время работы телескопов на поиски гипотетической планеты. Поэтому Леверье обратился за помощью в Берлинскую обсерваторию.
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.
