Как Вы думаете – что общего между планетой Нептун, несуществующей планетой Вулкан и темной материей? На самом деле ничего. Но истории, связанные с открытием и поиском планет/темной материи весьма и весьма интересны. И они наглядно показывают нам, как работает наука, если существующая теория не работает должным образом.
Великий час небесной механики
Урбен Жан Жозеф Леверье был одним из величайших астрономов 19 века. Этот человек был отличным теоретиком, и много занимался движением небесных тел и расчетом их положения. В какой-то момент Леверье понял, что у него есть проблемы с Ураном. Потому что расчетные значения всегда отличались от наблюдаемых положений планеты на небе. Астроном точно установил, что это произошло не из-за неточностей в наблюдениях. И не из-за неверных расчетов. Расхождение между теорией и наблюдениями никак не удавалось устранить.
Когда теория не согласуется с наблюдениями, возможны две причины:
1) теория неверна, и должна быть изменена или полностью отброшена.
2) не все параметры известны. И причиной несоответствия являются неучтенные влияния.
Леверье был полностью убежден в правильности теории тяготения Ньютона. Проводя свои исследования, он обнаружил, что она прекрасно работает по всей Солнечной системе. И отказ от этой теории был бы последним делом для ученого. Поэтому, опираясь на постулат о незыблемости работ Ньютона Леверье предположил, что на движение Урана влияет какая-то неизвестная планета. Это гравитационное влияние ранее не принималось во внимание. И поэтому наблюдения и теория не согласовываются между собой.
Неизвестная планета
Леверье начал вычислять параметры этой неизвестной планеты по отклонениям Урана от предсказанного положения. В этом деле он соперничал с англичанином Джоном Коучем Адамсом. Который тоже производил подобные расчеты.
По сути, продолжалось извечное соперничество между Францией и Британией. Поиски неведомой планеты стали делом государственной важности. Газеты постоянно сообщали о прогрессе в проводимых работах. Леверье и Адамс и их поиски новой планеты были хорошо известны всем образованным людям того времени. Хотя сегодня их имена уже почти никто не помнит, кроме самих астрономов.
Наконец, в 1846 году Леверье передал результаты своих расчетов немецкому астроному Иоганну Готфриду Галле. Дело происходило в Берлине. Ученый попросил его взглянуть на вычисленную им точку неба. И о чудо! Там действительно оказалась неизвестная ранее планета!
Конечно, в этой истории не обошлось без небольшого элемента удачи. Теперь-то мы знаем, что и Леверье, и Адамс сделали несколько неточные предположения о неизвестной планете. Они, конечно, рано или поздно нашли бы Нептун именно таким образом. Но тот факт, что Галле действительно обнаружил небесное тело именно там, где его предсказывал Леверье, объясняется счастливым случаем.
Еще одна новая планета?
Леверье оказался прав насчет Нептуна. Однако он использовал ньютоновскую теорию гравитации, которая в данном конкретном случае оказалась верна. Однако все остальные особенности работы гравитации тогда были просто еще не известны.
Вычислив Нептун, Леверье впечатляюще продемонстрировал, насколько могущественной на самом деле может быть теория. Ведь ученый нашел новую планету, по сути, не вставая со своего стула. Используя только карандаш и бумагу.
Вот почему Леверье потирал руки в предвкушении решения следующей загадки. Оказалось, что ближайшая к Солнцу планета Меркурий ведет себя не так, как предсказывали теоретики. Расчетные параметры движения планеты не совпадали с наблюдаемыми.
И снова выбор стоял между отказом от теории или поиском ранее неизвестных влияний. И снова Леверье остановился на ньютоновской теории тяготения. Основываясь на своем успехе с Нептуном, он также подозревал, что какая-то неизвестная планета влияет на орбиту Меркурия. Эта планета должна была оказаться еще ближе к Солнцу и получила название «Вулкан».
Неуловимый Вулкан
Леверье был известным и уважаемым астрономом. И впечатляюще продемонстрировал свои способности, объясняя отклонения орбиты Урана. Поэтому неудивительно, что его новая гипотеза быстро распространилась по всему научному миру. К сожалению, никому так и не удалось реально наблюдать планету Вулкан.
Сначала предполагалось, что это связано с трудными условиями наблюдений. Ведь такую планету, находящуюся близко к Солнцу, обнаружить крайне сложно. Были предприняты попытки наблюдать прохождение планеты Вулкан перед солнечным диском. Все безуспешно.
Эта загадка не была решена до 1915 года, когда Альберт Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности. И оказалось, что на этот раз Леверье принял неверное решение. Ньютоновская теория тяготения на самом деле не смогла достаточно хорошо объяснить движение Меркурия. Это сделал Эйнштейн со своей теорией относительности. С ее помощью движение Меркурия можно было описать без влияния неизвестной гипотетической планеты.
Но позже астрономия снова оказывалась перед выбором: отвергнуть существующую теорию, или искать неизвестные влияния. И опять проблема возникла с движением небесных тел.
Космос и темная материя
В 1933 году швейцарский астроном Фриц Цвикки изучал движение галактик в скоплении Волос Вероники. Ученый обнаружил, что эта группа, состоящая примерно из 1000 галактик, на самом деле вообще не должна существовать! Исследователь сделал такой вывод на основе своих наблюдений. Он выяснил, что отдельные галактики двигаются слишком быстро, чтобы оставаться членами скопления, поскольку гравитационное притяжение всей массы скопления слишком слабое, чтобы не дать галактикам просто «разлететься». Получалось, что материи там должно быть больше, чем можно наблюдать. Только в этом случае дополнительный гравитационный эффект обеспечил бы сцепление галактик между собой.
Цвикки сделал вывод, что в скоплении Волосы Вероники есть некая дополнительная ненаблюдаемая материя. Однако эта гипотеза не прижилась в научном мире. Но несколько десятилетий спустя с той же проблемой столкнулась американский астроном Вера Рубин.
Однажды она наблюдала за звездами в Галактике. Женщина была в курсе, что скорость, с которой звезды движутся вокруг центра Галактики, зависит от общей массы Галактики. И Вера Рубин с удивлением обнаружила, что звезды движутся не совсем так, как это предсказывается теоретически!
Опять же, было два способа разрешить несоответствие: либо в галактиках больше массы, чем можно увидеть (эта масса объяснила бы наблюдаемую скорость своим гравитационным воздействием), или есть проблемы с теорией.
После открытия Веры Рубин к проблеме стали относиться серьезнее. Особенно когда позже она проявилась при наблюдениях сверхскоплений галактик. Повсюду во Вселенной — от звезд в галактиках, до скоплений галактик — небесные тела, казалось, двигались не так, как предсказывали существующие теории. Они двигались так, как будто находились под влиянием большего количества материи. Гораздо большего, чем мы можем наблюдать.
Казалось, что помимо «нормальной» материи существует какая-то «темная материя». Что-то, что оказывает гравитационное воздействие, но не излучает и не отражает электромагнитное излучение.
Космологи также обнаружили, что их теории начинают больше соответствовать действительности, если учитывать, что во Вселенной существует большое количество темной материи.
Темная материя представляет собой путь, выбранный Леверье в 1846 году: ошибочна не теория, а неизвестное до сих пор влияние. Тогда это был Нептун, теперь это темная материя. Но вполне может быть, что различие между наблюдением и теорией решится так же, как Эйнштейн решил проблему движения Меркурия в 1915 году: с помощью новой теории.
Однако к настоящему времени никакой более или менее правдоподобной теории, объясняющей наблюдаемые явления, пока нет.