Гипотезы происхождения Солнечной системы

Дело разрушения геоцентрической системы подхватили другие. Наиболее известен среди них бывший монах Джордано Бруно. В книге о «Великом искусстве» автор рассказывал о бесконечной Вселенной, состоящей из множества миров, подобных нашей Солнечной системе. Он давал высокую оценку Копернику, считая, что тот стоит «много выше Птолемея, Гиппарха и всех других, шедших по их следам». Со временем Бруно понял, что и Коперник прав далеко не во всем. Итальянец начал уточнять, что Вселенная бесконечна, в ней нет и не было ничего похожего на «центр», что огромное Солнце - рядовая и ничем не примечательная звезда, как и остальные, что и у других, далеких звезд могут быть планетные системы, населенные разумными существами. Он полагал, что все части и даже атомы Вселенной находятся в «бесконечном течении и движении, испытывают бесконечные перемены, как по форме, так и по месту. Он даже читал стихи по этому поводу:

Покоя нет — все движется, вращаясь,

На небе иль под небом  обретаясь,

И всякой вещи свойственно  движенье,

Близка она от нас, иль далека,

И тяжела она  или легка.[5]

В 1609 году была напечатана книга, в которой немецкий учёный Иоганн Кеплер привел систему Коперника  в соответствие с последними данными астрономии, не только предугадав, что все планеты Солнечной системы движутся по эллипсам, но и вывел три закона этого движения.

Первый: «Планеты движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых находится Солнце». Таким образом, расстояние от Солнца до планеты не является величиной постоянной, планета то ближе, то дальше (самая далекая от Солнца точка называется афелием, самая близкая - перигелием). И скорость планеты также все время меняется: в перигелии она наибольшая, и наоборот, в афелии — наименьшая. Это уже второй закон Кеплера, ныне формулируемый так: «За равные промежутки времени радиус-вектор планеты описывает равновеликие площади». Третий закон Кеплера устанавливает точную связь между расстояниями планет от Солнца и временами их обращения: «Квадраты звездных периодов обращения планет относятся как кубы больших полуосей их орбит».

Кеплер целиком  и полностью описал неясное тогда  поведение планет на небе  и поддержал гонимую теорию  Николая  Коперника.  И даже в  чем-то предвосхитил   появившийся   примерно   полвека   спустя   ньютоновский   закон всемирного тяготения.[1]

Вскоре влияние  церкви на науку стало ослабевать, и теория Коперника получила всеобщее признание. Этому способствовали и открытия ученых, и бурное развитие оптики (появлялись все более мощные телескопы), и ряд социальных и экономических причин. Благодарная история сохранила для нас множество имен выдающихся ученых того, «доньютоновского», времени. Их обилию нечего удивляться - почти сошел на нет всемогущий гнет церковной цензуры, интерес к открытиям значительно возрос, людей опьянила свобода! Началось изучение не надуманного Птолемеем-Аристотелем учения, а реального положения вещей.

Например, голландец Христиан Гюйгенс был первым человеком, открывшим кольца Сатурна. В своем сочинении «Космотеорос» («Обозрение Вселенной») он подытожил взгляды на устройство мира своих современников: Вселенная бесконечна, планеты, число коих семь (дальше Сатурна тогдашние исследователи солнечной системы еще не заглянули), обитаемы. Он же первым попробовал установить расстояние от Земли до звезд (в частности, до Сириуса), но его ошибка была критической - ошибся, чуть ли не в двадцать раз! Однако астрономия до сих пор не могла ответить на один из ключевых вопросов устройства Вселенной: почему справедливы законы Кеплера? По какой причине планеты движутся именно так, а не иначе, благодаря какому закону?

Ньютон открыл закон всемирного тяготения, тем самым ответив  на наиболее каверзный для астрономов вопрос, заложил основы дифференциального и интегрального исчисления (во времена Коперника и Кеплера пиком математических высот являлась старушка-тригонометрия). Теперь перед астрономами, в частности, открывалась широкая дорога для точных расчетов сложных особенностей движений небесных тел. Ньютон, в конце концов, пришел к мысли, что в мире есть только одна сила, действующая в одинаковой степени, как на большие, так и на малые тела, — это сила гравитации, или тяготения. Использовав законы Кеплера, Ньютон рассчитал её величину: «Силы, которыми планеты постоянно отклоняются от прямолинейного движения и удерживаются на своих орбитах, направлены к Солнцу и обратно пропорциональны квадратам расстояний до центра его».[6]

2.2.Гипотеза Лапласа

О том, как из первозданного  хаоса возникла наша солнечная система, спорили, спорят и спорить будут. Существует целый ряд гипотез разной степени правдоподобности - от библейской («Вначале было Слово») до современных, оперенных формулами, цифрами и фактами. Первую, довольно наивную, попытку объяснить возникновение Солнечной системы предпринял в 1748 году французский естествоиспытатель Жорж Бюффон. В своем капитальном труде «Естественная история» он выдвинул предположение, что некогда (10-20 тысяч лет назад) произошло столкновение в космосе - в одиноко парящее в пространстве Солнце врезался массивный небесный объект. По Бюффону, удар объекта произвел такой эффект - солнечное вещество разбрызгалось во все стороны, брызги эти вскоре затвердели и превратились в планеты.

Эта теория сыграла  свою роль — послужила начальным  толчком для появления других, среди которых особое место заняла теория Эммануила Канта. В 1755 году знаменитый немецкий философ выпустил книгу, озаглавленную «Всеобщая естественная история и теория неба», в которой он высказал предположение, что все тела Солнечной системы   были   сформированы   силами   тяготения   из   огромного   облака   твердой межзвездной пыли. Кант четко высказал идею об эволюции мировых тел и, опередив ученых-астрономов, набросал мыслимую картину возникновения Солнечной системы. Он рисовал ее в соответствии с тем, что тогда было известно науке о строении Солнечной системы, планет и туманностей, о законах природы.[4]

Независимо от Канта французский математик, механик  и астроном Пьер Симон Лаплас разработал подобную же картину происхождения Солнечной системы. Его рассуждения были строже и научнее. Мировоззренческое значение этих работ Канта и Лапласа было очень велико. Современники были потрясены величественной картиной мироздания, развернутой Лапласом. Он, как и Кант, правильно подметил основные, известные в то время характерные черты Солнечной системы, которые должна объяснить теория их происхождения. Эти черты следующие:

• Подавляющая часть массы системы (749/750) сосредоточена в Солнце.
• Планеты обращаются по почти круговым орбитам и почти в одной и той же плоскости.
• Все планеты обращаются в одну и ту же сторону; в ту же сторону обращаются вокруг планет их спутники, и сами планеты вращаются вокруг своей оси.

Лаплас начинает рассмотрение развития Солнечной системы  с гигантской газовой туманности, уже вращающейся вокруг своей оси, хотя и очень медленно. Она вращалась как твердое тело и в центре имела сгусток — «зародыш» будущего Солнца. Притяжение к центру частиц туманности, простиравшейся сначала за орбиту наиболее далекой из планет, заставляло ее сжиматься. Уменьшение размеров по законам механики должно было вести к ускорению вращения. Наступал момент, когда на экваторе туманности, где линейные скорости частиц при вращении больше всего, центробежная сила уравнивалась с тяготением к центру. В этот момент вдоль экватора туманности отслаивалось газовое кольцо, вращавшееся в ту же сторону, в какую вращалась туманность. Продолжавшееся сжатие и ускорение вращения приводили к отслоению кольца за кольцом. В силу неизбежной неоднородности каждого кольца какой-либо сгусток в нем притягивал к себе остальное вещество кольца, и образовывался один газовый клубок — будущая планета. Наружные части кольца, а впоследствии сгустка, при обращении забегали как бы вперед и приводили его во вращение вокруг оси в ту же сторону, куда двигался зародыш планеты. При сжатии сгустков вследствие тяготения они сами могли отслаивать кольца и порождать себе спутников. Если же в подобном кольце не было резко преобладающего сгустка, «пожирающего» остальные, то оно разбивалось на множество мелких тел; так, например, образовалось кольцо Сатурна. Охлаждаясь, газовые сгустки затвердели, покрылись корой и превратились в современные планеты, а центральный сгусток породил Солнце.[1]

Простоте и логичности этой схемы (бывшей общепризнанной более  столетия) были впоследствии противопоставлены  серьезнейшие возражения. Выяснились, например, следующие обстоятельства, неизвестные во времена Лапласа:

• Плотность воображаемой газовой туманности Лапласа должна была быть так мала, что она не могла бы вращаться, как твердое тело.
• Отрыв вещества происходил бы не кольцами, а непрерывно.
• Кольца с массой, равной массе планет, не могли бы сгуститься, а рассеялись бы в пространство.
• Существуют  планеты  и  спутники,   вращающиеся  или  обращающиеся навстречу обращению планет около Солнца.
• Один  из  спутников  Марса обращается вокруг  планеты  быстрее,  чем вращается сам Марс, чего не может быть по теории Лапласа.

Возник ряд и других теоретических возражений против теории Лапласа. Многие пытались подправить эту теорию, но безуспешно. Наука лучше познала свойства Солнечной системы и законы природы — пришлось искать новое объяснение происхождению этой системы.

В 1919 г. английский астрофизик Джине выдвинул предположение, что  Солнечная система — игра редкого  случая сближения Солнца с какой-либо звездой. Пройдя в далеком прошлом близко от Солнца и снова исчезнув в безвестной дали, пришлая звезда возбудила на Солнце мощную приливную волну. Притягиваемое ею вещество вырвалось из Солнца и потянулось к звезде длинной струёй, в форме сигары. Солнце уже тогда состояло из плотных газов, так что, когда выброшенная струя распалась на куски, то они, будучи плотными, не рассеялись, а охладились и, застыв, образовали планеты. Однако встреча двух звезд на близком расстоянии может произойти лишь чрезвычайно редко. Миллионы звезд возникнут и потухнут, ни разу не испытав такой встречи. Как указал американский астроном Рессел, большая часть вещества, исторгнутого из Солнца, либо упала бы на него обратно, либо увлеклась бы вслед за звездой, но не образовала бы ничего похожего на существующую систему планет.[5]

Появились и другие попытки  объяснить появление Солнечной  системы с научной точки зрения; одной из наиболее разработанных является гипотеза нашего соотечественника Отто Юльевича Шмидта.

2.3.Гипотеза  О.Ю.Шмидта

О. Ю. Шмидт исходил из того, что метеоритное вещество как в форме более или менее крупных кусков, так и в форме пыли в изобилии встречается во Вселенной. Еще недавно это метеоритное вещество было известно только в пределах Солнечной системы, но теперь оно обнаруживается в огромных количествах и в межзвездном пространстве. Большей частью метеоритное вещество собрано в колоссальные космические облака —светлые и темные туманности, содержащие также много газа. Совокупность газово-пылевых облаков вместе со звездами заполняет нашу звездную систему — Галактику. Вместе со звездами газово-пылевые облака участвуют во вращении Галактики вокруг оси. Наряду с этим вращением вокруг центра Галактики и звезды, и газово-пылевые облака имеют свои собственные движения, которые приводят к тому, что и звезды и облака то сближаются друг с другом, то расходятся. Иногда та или другая звезда погружается на время в газово-пылевую туманность и пролагает в ней себе дорогу - газово-пылевое облако — не препятствие для движения звезды, так как ее путь в туманности направляется законом тяготения. Многие пылинки упадут на звезду в течение ее скольжения сквозь туманность, а другие, изменив свои орбиты вследствие мощного притяжения звезды, могут быть ею захвачены и сделаются ее спутниками (в подобной звезде, окруженной линзообразным газово-пылевым облаком, О. Ю. Шмидт видел наше Солнце, в пору, предшествовавшую образованию планет).

Однако чтобы такой  захват произошел, необходимо наличие  особых благоприятных условий —  уменьшение относительной скорости пылинок благодаря притяжению близкой звездой или благодаря столкновению пылинок друг с другом. В подобном «удачном» случае огромное множество этих «приобретенных» спутников звезды, по гипотезе Шмидта, не покидает ее и после выхода из туманности. Звезда оказывается окруженной огромным облаком частиц газа и пыли, описывающих вокруг нес различные орбиты. Потеря движения сталкивающихся частиц, как показывают расчеты, вела к тому, что шарообразное облако постепенно сплющивалось и наконец стало похожим по форме на блин. Но, когда частички приблизились к одной плоскости, расстояния между ними стали меньше и они начали заметно притягивать друг друга, объединяться, уплотняться, причем особенно быстро росли в размере и весе крупные частички. Они притягивали к себе сильнее и с ними столкнуться было легче.

Постепенно большая  часть пылинок в линзоподобном  облаке таким путем собралась в несколько гигантских комков вещества, которые стали планетами. Ком - будущий Юпитер "пожирал" страшно много вещества со стороны, ближайшей к Солнцу, и мешал частичкам соединиться вместе : он притягивал их к себе. По другую сторону от будущего Юпитера, дальше от Солнца и от Юпитера, образовался вскоре другой крупный ком – будущий Сатурн, который соперничал с "зародышем" Юпитера в поглощении мелких частиц. Поэтому рядом с Юпитером, ближе к Солнцу, не возникло большой планеты, а образовалось много мелких и разрозненных: возникли астероиды, или малые планеты.

Впрочем, они могли образоваться и в результате того, что возникшая  все же здесь сравнительно небольшая планета по какой - то причине распалась на части. 
Так, по крайней мере, предполагают некоторые ученые. О.Ю.Шмидту удалось рассчитать, что в середине планетной системы должны были возникнуть самые крупные планеты, а ближе к Солнцу - более мелкие и далее всего от него – тоже мелкие, такие, как Плутон. Чем больше возникающая планета, тем больше вещества она должна вобрать в себя из "окрестностей". Эта гипотеза позволила О.Ю.Шмидту, а потом Василию Григорьевичу Фесенкову (крупнейший советский астроном, автор важных исследований по разным вопросам 
астрофизики, гипотезы о происхождении звезд путем сгущения газово-пылевых туманностей, гипотезы происхождения солнечной системы)³ теоретически обосновать существующие расстояния планет от Солнца и расстояния между планетами, что раньше сделать никому не удавалось. О.Ю.Шмидту впервые удалось доказать расчетами, что при косом падении частичек на зародыши планет последние станут вращаться непременно в ту же сторону, в какую они обращаются вокруг Солнца, как это и есть в действительности. Только для самых далеких планет вращение под действием косых ударов может принять обратное направление. При собирании пыли и газа в планеты происходило одно важное явление, о котором раньше тоже не догадывались. Лишь  только   потом     ученые  нашли,  что   вследствие   нагревания   Солнцем пылинок из них выделялись газы. Наиболее легкие и летучие из них, в особенности водород, рассеивались в пространство навсегда, чему помогало давление солнечных лучей, точно так же, как солнечные лучи отталкивают газовые частицы кометных хвостов. Но так было лишь вблизи Солнца, которое прогревало толстый слой пыли до некоторой глубины. Дальше, где находился Юпитер, солнечные лучи не проникали сквозь толстый слой пыли, и там водород уцелел. При сильном холоде, который был в этой части облака, водород намерзал на пылинках, оседал на них, подобно инею. Поэтому в состав планет, формировавшихся вблизи Солнца, например в состав Земли, водород почти не вошел, а вдали от Солнца гигантские планеты, наоборот, оказались очень богатыми водородом(в среднем вещество, из которого состоят дальние планеты, гораздо легче, чем вещество планет, близких к Солнцу). Конечно, не одно наше Солнце могло испытать такую встречу с газово-пылевой туманностью. Множество звезд, быть может большинство, должны были пережить такое же приключение, а другим оно еще предстоит в будущем. Тем лучше, значит, кроме нашей Солнечной системы, в Галактике должно быть еще множество планетных систем. Этот неизбежный вывод из данной теории дает ей преимущество по сравнению со многими другими космогоническими гипотезами, в которых возникновение солнечных систем было редким явлением.[1]