Глава II. Астрономия дает ответ

История физики задает немало загадок исследователям. Есть такие загадки и в истории скорости света. С высот, достигнутых наукой нашего времени, кажется очевидным, что в XVII в. вопрос о конечности скорости света мог быть решен лишь с помощью астрономии. К тому времени именно в астрономии были развиты наиболее точные методы измерений. Кроме того, лишь измерения времени, требуемого для прохождения расстояний астрономического масштаба, позволяли надеяться на получение хотя бы грубой оценки величины с. Между тем в XVII в. эта точка зрения не была общепризнанной. Только Декарту, как следует из его писем Бекману, такие соображения представлялись очевидными. В данном случае великий французский философ проявил удивительную физическую интуицию. Но почему именно Декарту пришла в голову мысль об использовании астрономических наблюдений для решения спора о величине скорости света? Ведь основные физические теории Декарта кажутся сейчас основанными более на фантазии, чем на анализе научных фактов. Почему эту идею не выдвинули Галилей или Гюйгенс, внесшие значительно больший вклад в развитие физики, чем Декарт? Эта загадка из области психологии научного творчества вряд ли будет когда-нибудь разгадана. Нам известен лишь итог - первое определение скорости света не стало результатом наблюдений, проведенных специально с этой целью. Оно оказалось "побочным продуктом", полученным при решении частной и, как мы бы теперь сказали, прикладной проблемы.

Вторая половина XVII в. - период, о котором сейчас пойдет речь, характеризовался организационным становлением науки. В это время появляются первые научные журналы, образуются научные общества и академии. От ученых - членов этих академий - требовалось в первую очередь решение актуальных практических задач. Одной из таких задач, на первый взгляд весьма далекой от интересующей нас проблемы, было определение географической долготы точек земной поверхности.

XVI век, по праву считающийся веком великих географических открытий, не только обогатил сокровищницу человеческих знаний о Земле, но и поставил перед исследователями новые практические проблемы. Значительно расширившаяся практика мореплавания требовала разработки быстрого и надежного способа определения широты и долготы точек на поверхности Земли. Широту места по высоте Солнца в полдень умели определять уже в III в. до н. э., а вот проблема нахождения долготы многие столетия не находила удовлетворительного практического решения, хотя принцип определения долготы был известен издавна: географическая долгота равна разности местного времени данного пункта и местного времени на исходном, принятом за нулевой, меридиане. Идея кажется очень простой и является основой для определения долготы в наши дни. Для ее применения на практике требуется лишь, чтобы в распоряжении мореплавателей были точные часы, которые, будучи установлены в порту с известной долготой, в течение длительного времени сохраняли равномерность хода. В любой точке Земли местное время можно определить с помощью астрономических наблюдений. Сравнение местного времени, определенного из наблюдений, и показаний часов позволяет найти долготу места, в котором находится наблюдатель. Однако в XVII в. еще не были созданы достаточно точные хронометры, и ученые должны были искать другой, обходной путь решения проблемы.

Идея этого "обходного" решения такова: если найти астрономическое явление, достаточно часто повторяющееся, время наступления которого в пункте отсчета долготы было бы известно и занесено в таблицы, то, определив местное время в пункте наблюдения в тот же момент, можно было бы определить долготу.

О важности этой проблемы можно судить хотя бы по тем суммам вознаграждения, которые предлагались за решение проблемы: испанский король Филипп III в 1604 г. предлагал 100000 экю, Генеральные штаты Нидерландов в 1606 г. назначили премию в 100000 флоринов, несколько позже Людовик XIV, король Франции, ассигновал для этой цели 100000 французских ливров, а английский парламент - 20000 английских фунтов. Естественно, что задача привлекала внимание многих ученых и любителей. Отметим, что работа над созданием и совершенствованием маятниковых часов, которой длительное время занимался Христиан Гюйгенс, была в значительной мере стимулирована этой проблемой.

Однако многие ученые того времени считали более перспективным чисто астрономический способ. Одним из астрономических явлений, подходящих для определения долготы, по их мнению, были затмения спутников Юпитера. Эти затмения в XVII в. привлекали не меньшее внимание астрономов, чем исследование квазаров в наши дни. Спутники Юпитера были открыты в 1610 г. Галилео Галилеем с помощью созданной им зрительной трубы. Галилей обнаружил четыре спутника, получившие названия в порядке удаления от Юпитера: Ио, Европа, Ганимед, Каллисто; всего же на сегодняшний день известно 16 спутников Юпитера. С точки зрения задачи определения долгот наиболее интересным оказался первый спутник - Ио. Период его обращения вокруг Юпитера составляет около 42,5 часа; периодически Ио, как и другие спутники, заходит в тень планеты и перестает быть видимым с Земли - наступает его затмение.

Как уже говорилось, для использования затмений при определении долгот требовалось составить подробные таблицы затмений, наблюдаемых в каком-то определенном пункте. Эту задачу и поставили перед собой два астронома, работавшие во второй половине XVII в. в Парижской обсерватории, - Жан Пикар (1620-1682) и Джованни Доменико Кассини (1625-1712). Кассини, по происхождению итальянец, некоторое время работал на родине, в Болонье. Именно там ему удалось составить и опубликовать первые удовлетворительные таблицы движений спутников Юпитера. Вскоре после этого, в 1668 г. Людовик XIV пригласил Кассини возглавить только что построенную Парижскую обсерваторию. К моменту прибытия Кассини в Париж там уже работал Пикар, которому принадлежат первые наблюдения спутников Юпитера, выполненные в Париже.

На новом месте Кассини продолжил наблюдение спутников.

В Парижской обсерватории занимались очень широким кругом проблем, анализировали результаты, полученные другими астрономами, вели большую издательскую деятельность. В рамках обширной программы исследований была запланирована поездка в Данию, имевшая целью уточнить географические координаты знаменитой обсерватории Тихо Браге (1546-1601), где этот выдающийся датский астроном провел большинство своих наблюдений. Необходимость такого уточнения диктовалась тем, что без надежного знания координат обсерватории невозможно пользоваться данными наблюдений. Кроме того, парижские астрономы хотели провести одновременные наблюдения затмений первого спутника Юпитера в Париже и на острове Вен, где находилась обсерватория Браге. Выполнение этой задачи было поручено Пикару. В июле 1671 г. он отбыл из Парижа в Копенгаген.

В то время европейской известностью пользовался профессор математики Копенгагенского университета Эразм Бартолин (1625-1698). В историю науки он вошел прежде всего благодаря открытию в 1669 г. двойного лучепреломления в исландском шпате. Естественно, что Пикар по приезде в Копенгаген обратился за помощью в осуществлении задуманного французскими астрономами проекта именно к Бартолину. На остров Вен они отправились вместе; их сопровождал молодой человек, ученик Бартолина, Олаф (Оле) Рёмер. Этому начинающему ученому и суждено было сыграть главную роль в истории первого определения скорости света.

Оле Рёмер родился в местечке Ааргузе в Ютландии 25 сентября 1644 г. в семье не очень удачливого купца. Начальное образование мальчик получил в местной соборной школе, а с 1662 г. продолжил учебу в Копенгагенском университете. Сначала он изучал медицину, а затем стал учеником Эразма Бартолина. Отношения ученика и учителя были весьма близкими: Оле жил в доме Эразма Бартолина, а через некоторое время стал его зятем.

К тому времени, когда Пикар прибыл в Данию, обсерватория Браге была почти полностью разрушена. Тем не менее, с помощью искусных помощников Пикару удалось провести запланированные наблюдения. На французского астронома, по-видимому, произвели большое впечатление энергия и способности молодого датчанина. Пикар решил пригласить его во Францию для работы в Парижской обсерватории.

Олаф Рёмер (1644-1710)

Рёмер принял приглашение Пикара. После переезда Рёмера в Париж, кроме непосредственных обязанностей сотрудника обсерватории, на него возлагается еще одно ответственное поручение - обучение математике дофина - наследника французского престола. Но и этим не ограничивается деятельность Рёмера. В Париже он занимается разнообразными инженерными проблемами, в частности, участвует в устройстве фонтанов в Версале и Марли. В области астрономии получают известность изобретенные им планисферы - модели, с помощью которых можно было проследить за движением одного небесного тела вокруг другого; планисфера Юпитера (Йовилабиум) сыграла значительную роль в определении нерегулярностей в видимых движениях спутников Юпитера. Для измерения угловых расстояний между близкими небесными объектами Рёмер усовершенствовал микрометр (рис. 4). Его прибор представлял собой систему из двух рамок, с натянутыми на них нитями (А). При измерениях одна рамка (L) оставалась неподвижной, а вторая (PQ) перемещалась с помощью винта Н. Смещение нитей подвижной рамки определялось по шкале, нанесенной на винт. Высокая точность измерений достигалась благодаря использованию двух систем нитей. По своим качествам этот микрометр настолько превосходил использовавшиеся до этого измерители малых смещений, что очень скоро стал общеупотребительным. Одним словом, в Париже Рёмер сразу приступил к активной научной работе. Будучи сотрудником Кассини, он неизбежно занялся решением задач, интересовавших руководителя обсерватории. Одной из таких задач, как мы помним, было составление таблиц движений спутников Юпитера.

Рис. 4. Микрометр Рёмера

Проблемой движения спутников Юпитера интересовался не только Кассини, но и его племянник Ж. Ф. Маральди. Именно Маральди ввел в научный обиход термин "неравенство", обозначающий какое-либо отклонение видимого движения планет от периодичности. При этом Маральди различал "первое неравенство", являвшееся следствием эллиптичности орбиты планеты, и "второе неравенство", которое обусловлено тем, что наблюдение ведется не с Солнца, а с Земли. Пользуясь этой классификацией, Кассини в августе 1575 г. высказал предположение, что "второе неравенство (в движении первого спутника Юпитера. - С. Ф.) может быть обусловлено тем, что свету требуется некоторое время, чтобы дойти от спутника до нас, и ему требуется от десяти до одиннадцати минут, чтобы пройти расстояние, равное половине диаметра земной орбиты". Так что же, загадка скорости света была разгадана? Но тогда при чем здесь Рёмер? Вопросы вполне справедливые, они не раз возникали у историков науки.

Гипотеза Кассини не привлекла внимание ученых. Кассини по отношению к собственной идее проявил беспринципность, которая, следует отметить, была характерна для всей его научной деятельности. По иронии судьбы глава одной из крупнейших обсерваторий мира по всем важнейшим астрономическим вопросам того времени придерживался ошибочных взглядов. Кассини не настаивал на своей (правильной!) гипотезе. Более того, когда Рёмер подтвердил ее наблюдениями и расчетом, Кассини от нее отказался и стал одним из самых упорных противников Рёмера. Такой ход событий позволяет предположить, что замечание Кассини было более или менее случайным, а гипотеза - лишь одной из многих, приходивших ему в голову. Рёмер вел себя иначе.

Проанализировав результаты многолетних наблюдений, датский астроном в сентябре 1676 г. выступил перед членами Парижской Академии наук с докладом, в котором предсказал, что затмение первого спутника Юпитера, которое должно было бы по расчетам произойти 9 ноября того же года в 5 ч 25 мин 45 с, в действительности будет наблюдаться на десять минут позже. Это запаздывание он объяснял конечностью скорости распространения света: по мнению Рёмера, свету необходимо около 22 минут, чтобы пройти расстояние, равное диаметру земной орбиты. Наблюдение ноябрьского затмения блестяще подтвердило предсказание ученого. Это дало ему возможность выступить 21 ноября того же года с докладом о своих наблюдениях и выводах из них. В декабре изложение доклада было напечатано в "Журнале ученых" - первом в истории периодическом научном издании, выходившем в Париже. Летом 1677 г. перевод работы Рёмера был опубликован в "Философских трудах" Лондонского Королевского общества.

Для того чтобы лучше понять ход рассуждений Рёмера, приведем отрывок из первого сообщения о его открытии.

"Пусть А (рис. 5) будет Солнце, В - Юпитер, С - первый спутник Юпитера, который входит в тень планеты; он выходит из нее в точке D; пусть EFGHLK - положение. Земли на различных расстояниях от Юпитера.

Рис. 5. Рисунок из работы Рёмера, касающейся скорости света

Теперь предположим, что с Земли, находящейся в точке L..., виден первый спутник в момент его выхода из тени в точке D; примерно 42½ часа спустя (т. е. после одного оборота этого спутника) с Земли, находящейся в точке К, виден спутник, возвратившийся в точку D. Ясно, что если свету требуется время, чтобы пройти расстояние LK, спутник будет виден возвратившимся в точку D позже, чем если бы Земля по-прежнему находилась в точке L...".

Далее Рёмер делает оценку времени запаздывания, считая, что свету требуется одна секунда для прохождения расстояния, равного диаметру Земли. Оценка дает время запаздывания 3,5 минуты. Поскольку при приближении Земли к Юпитеру в соответствующих точках орбиты (F и G) будет наблюдаться такое же опережение выхода спутника из тени, то общая разность периодов обращения, найденных из наблюдений, сделанных на противоположных сторонах орбиты Земли, составит 7 минут. Однако, говорит Рёмер, такое различие не регистрируется. И тут же добавляет: но из этого не следует, что свету не требуется времени для распространения. Именно в этом состоит коренное отличие подхода Рёмера от рассуждений Декарта. Рёмер понял, что взятая им для оценки скорость света может быть слишком малой, и это может привести к завышению величины разности периодов. Если эффект не наблюдается, это означает одно - скорость света больше ожидаемой. Но как же тогда её определить? Рёмер дает ясный ответ: "...то, что незаметно для двух обращений, становится весьма значительным для многих (обращений. - С. Ф.), взятых вместе".

Попробуем провести расчет, подобный тому, что сделал Рёмер. Пусть истинный период обращения спутника вокруг Юпитера равен Т. Допустим, что отсчет времени на Земле начинается в тот момент, когда спутник выходит из тени Юпитера, а Земля находится в точке орбиты, ближайшей к Юпитеру. Будем отсчитывать видимые затмения спутника до того момента, когда Земля пройдет через наиболее удаленную от Юпитера точку земной орбиты. Таким образом, наблюдения закончатся в момент времени t, когда завершится n-е затмение спутника.

Если бы Земля была неподвижна относительно Юпитера, то можно было бы записать условие:

Ясно, что пользуясь формулой (II.1), можно заранее рассчитать время окончания (начала) любого наперед заданного затмения.

Однако расстояние между Юпитером и Землей меняется. Поэтому свет, отраженный от спутника Юпитера, проходит до Земли большее расстояние в конце наблюдений, чем в начале. Дополнительный путь, проходимый светом, очевидно, приближенно равен диаметру земной орбиты d. Поэтому на Земле окончание n-го затмения будет зарегистрировано в момент t′, спустя промежуток времени Δt = d/c после момента t, рассчитанного по формуле (II.1). Таким образом,

и

Конечно, подобные рассуждения могут дать лишь приближенную величину с: здесь мы не учли смещение Юпитера, происходящее за время t, допустили, что свету от спутника при окончании наблюдений требуется пройти расстояние большее, чем в начале наблюдений, в точности на величину диаметра земной орбиты и т. д. Кроме того, мы пока ничего не сказали о том, как определить истинный период обращения спутника вокруг Юпитера. Не касаясь всех допущений, скажем лишь, что период обращения, определенный при наблюдении одного оборота спутника, незначительно отличается от истинного (на это обратил внимание сам Рёмер). Все перечисленные допущения следует иметь в виду, если мы хотим получить возможно более точное значение с. Но перед Рёмером такая задача не стояла. Ему важно было получить оценку с по порядку величины и тем самым доказать конечность скорости света. А для этого годится и такое грубое рассуждение, как наше.

Рёмер был осторожен. В первом сообщении о своем открытии он вообще не привел конкретного значения скорости света. Эта осторожность была вполне оправдана, поскольку в то время диаметр земной орбиты был определен лишь приближенно. Величина с = 214000 км/с, которую часто приводят как скорость света, вычисленную Рёмером, есть не что иное, как результат более поздних оценок, выполненных на основе сохранившихся наблюдений Рёмера. У нас нет никаких оснований сетовать на погрешность первого определения скорости света, поскольку главная цель - доказательство ее конечности - была достигнута!

Далеко не все современники Рёмера оценили его работу положительно. Мы уже знаем, что Кассини выступил против объяснения запаздывания затмений, данного Рёмером. Он предложил множество причин, вследствие которых могли наблюдаться эти запаздывания. Среди них были и вытянутость орбиты спутника, и неравномерность его движения по орбите, вызванная неизвестными причинами. При публикации собственных данных наблюдений спутников Юпитера Кассини даже решился объявить те из них, которые подтверждали вывод Рёмера, "ненадежными".

На оценке работы Рёмера отрицательно сказалась и "семейственность", царившая в Парижской обсерватории - все члены семьи Кассини были настроены против идеи о конечности скорости света. По-видимому, лишь один довод семейства Кассини заслуживал серьезного внимания - отсутствие аналогичных четко выраженных закономерностей в движении других спутников Юпитера. Ответ на этот вопрос Рёмер не мог дать в силу неразработанности теории движения спутников больших планет, испытывающих взаимное влияние, - ведь его работа появилась за десять лет до выхода в свет ньютоновских "Математических начал натуральной философии" (1687 г.), в которых был сформулирован закон всемирного тяготения.

Выводы Рёмера были положительно восприняты за рубежом: X. Гюйгенсом в Голландии, И. Ньютоном, Дж. Флемстидом, Дж. Брадлеем, Э. Галлеем в Англии, Г. В. Лейбницем в Германии, и только в стране, где было сделано открытие, - во Франции, оно не получило признания. Положение Рёмера осложнялось еще двумя факторами. Во-первых, он не был формально членом Парижской Академии наук (он стал ее иностранным членом лишь в 1699 г., в один год с Ньютоном). Во-вторых, Рёмер был протестантом. Его пребывание в католической Франции терпели, пока действовал так называемый Нантский эдикт, подписанный королем Франции Генрихом IV в 1598 г. и регламентировавший взаимоотношения протестантов и католиков. В конце 70-х годов XVII в. политическая и религиозная обстановка во Франции стала меняться, вследствие чего положение ученых-протестантов перестало быть прочным, и они стали покидать страну. Даже такому выдающемуся ученому, как Гюйгенс, одному из первых членов Парижской Академии наук и ее фактическому руководителю, пришлось уехать на родину, в Голландию. Рёмер не стал дожидаться отмены Нантского эдикта (1685 г.) и в 1681 г. вернулся в Копенгаген, где ему давно предлагали университетскую кафедру математики. В дальнейшем судьба Рёмера складывалась весьма необычно.

Вскоре после возвращения ученого на родину датский король Христиан V назначил его королевским астрономом. Благодаря этому Рёмер получил возможность пользоваться обсерваторией, располагавшейся в Круглой башне и основанной в первой половине XVII в. Король вскоре понял, насколько сведущий в технике человек находится у него на службе, и на Рёмера посыпался поток назначений.

Но Рёмер был не только прекрасным астрономом и инженером, он, по-видимому, обладал и незаурядными организаторскими способностями. Видимо, благодаря Фредерик IV, сменивший на датском престоле короля Христиана V, сделал Рёмера сенатором, а затем главой Государственного совета. Кажется, что в таких условиях просто некогда было заниматься наукой. Но нет, живя на родине, Рёмер ничуть не ослабил своей научной активности. Более того, он даже расширил сферу ее применения.

После смерти Рёмера в его личной обсерватории было найдено 54 изобретенных им инструмента. Важнейшими из них по праву считаются пассажный инструмент и меридианный круг - приборы, используемые для астрономических исследований и в наши дни. За изобретательский талант Рёмера справедливо прозвали "северным Архимедом". Авторитет Рёмера в деле организации астрономических наблюдений был столь велик, что сам Лейбниц обращался к нему за советами по вопросу устройства обсерватории.

О результатах астрономических наблюдений Рёмера, сделанных в Дании, известно мало - большая часть его записей сгорела во время пожара в 1728 г. Такая судьба наследия Рёмера тем более достойна сожаления, что по некоторым оценкам объем проведенных им наблюдений не уступал объему наблюдений Тихо Браге, но наверняка они были выполнены с гораздо большей точностью. Та ничтожная часть записей Рёмера, которую удалось спасти при пожаре его преданному ученику Питеру Горребу, была обработана немецкими астрономами в середине XIX в. Это лишний раз свидетельствует о значимости наблюдений выдающегося датского астронома. Рёмер умер 19 сентября 1710 г., так и не дождавшись подтверждения открытия, обессмертившего его имя.

Открытие многих физических явлений и законов явилось результатом длительных и целенаправленных поисков. Но история науки знает много случаев, когда поиски некоторого эффекта приводили к совершенно неожиданным результатам. Именно так обстоит дело с открытием астрономического явления, названного аберрацией света (от латинского слова aberratio - уклонение), позволившим независимым путем подтвердить вывод Рёмера о конечности скорости света.

Так уж случилось, что сам Рёмер в последние годы жизни работал над проблемой, поиски решения которой в конечном итоге привели к независимому подтверждению его вывода о конечности скорости света. Проблема эта, также относящаяся к астрономии, - обнаружение параллакса звезд.

Видимое изменение положения небесного светила вследствие перемещения наблюдателя называют параллактическим смещением. Поскольку наблюдатель, находящийся на Земле, участвует в годичном движении вокруг Солнца, направление на звезду в течение года должно меняться: звезда как бы должна описывать на небе некоторую замкнутую траекторию. Форма траектории (рис. 6) зависит от положения звезды относительно плоскости эклиптики. Для характеристики параллактического смещения в астрономии введена величина, называемая годичным параллаксом, - угол (обозначается π), под которым со звезды был бы виден средний радиус земной орбиты при условии, что направление на звезду перпендикулярно к радиусу. Ясно, что Δ = a₀/sinπ, где Δ - расстояние от Солнца до звезды, а а₀ - радиус земной орбиты. Поскольку а₀ << Δ, можно считать Δ = а₀/π.

Рис. 6. Параллактическое смещение звезд (С - Солнце). Показана форма видимых с Земли траекторий звезд в зависимости от их положения по отношению к плоскости эклиптики

Поиск параллакса звезд начался сразу же после распространения идей Коперника о строении Солнечной системы. Это естественно: существование параллакса могло быть наиболее впечатляющим доказательством движения Земли вокруг Солнца. Однако проходили годы, затем десятилетия, а обнаружить параллакс не удавалось. Почему?

Дело в том, что в действительности без знания годичного параллакса звезды нельзя было определить расстояние от нее до Солнца. Это означает, что заранее провести оценку точности, с которой необходимо проводить наблюдения для обнаружения параллакса, нельзя, поскольку в соотношении Δ = а₀/π два неизвестных: Δ и π. Для ближайшей к Солнцу, звезды - Проксимы Центавра π = 3,6 ⋅ 10^-6 рад = 0″,76 (Δ = 4,04×10¹³ км, a₀ = 1,5⋅10⁸ км). Поэтому чтобы обнаружить годичный параллакс, необходимо проводить в течение года измерения с точностью, лучшей 1″ дуги. Но ученые XVII в. не могли знать об этом, и хотя астрономические приборы того времени не обладали достаточной точностью, астрономы вели наблюдения в надежде обнаружить параллактические смещения звезд.

Время от времени из разных стран поступали сообщения о "наблюдении" параллакса. Так, уже знакомый нам Пикар в 1671 г. сообщил об изменении положения Полярной звезды на 40″, но после анализа результатов наблюдений пришел к выводу, что эффект не может быть связан с параллаксом. В 1674 г. подобные измерения проводили выдающийся английский ученый Р. Гук (1635-1703). Он считал обнаруженное смещение параллаксом. С 1689 г. по 1697 г. поисками параллакса занимался первый директор Гринвичской обсерватории в Англии Дж. Флемстид (1646-1719). В интерпретации результатов наблюдений он сходился с Гуком. Однако уже в 1695 г. Дж. - Д. Кассини доказал, что параллактические смещения звезд должны выглядеть иначе, чем в наблюдениях Гука и Флемстида. Вопрос о существовании параллакса оставался открытым.

В 1725 г. проблемой измерения параллакса заинтересовался английский астроном-любитель Сэмьюэль Молине, человек состоятельный, обладатель весьма совершенных для того времени астрономических приборов. Не чувствуя себя достаточно компетентным для проведения столь сложных измерений, Молине пригласил для совместной работы еще довольно молодого, но уже достаточно опытного в астрономических наблюдениях профессора Джеймса Брадлея^*.

^* (Здесь используется традиционная транскрипция имени ученого; по-английски его фамилия пишется Bradley, и его правильнее было бы назвать Брэдли.)

Джеймс Брадлей родился в 1693 г. в Шербурне. Судьба не сразу привела его к занятиям астрономией. По семейным традициям Брадлей изучал богословие в Оксфорде и в 1719 г. стал дьяконом в местечке Уэнстед. Однако уже начиная с 1715 г. Брадлей приобщился к астрономическим наблюдениям. Астрономии он обучался у своего дяди Дж. Паунда. Хотя Паунд был священником, многие годы он считался лучшим астрономом-наблюдателем Англии. Ученик оказался способным - уже через два года после начала занятий знаменитый астроном, позже ставший директором Гринвичской обсерватории, Эдмунд Галлей (1656-1742) ввел его в английские научные круги. Успехи Брадлея превзошли самые смелые ожидания, и в 1721 г. выпускник-богослов Оксфорда приглашается в свою alma mater в качестве профессора астрономии.

Джеймс Брадлей (1693-1762)

История наблюдений, проведенных Брадлеем, как личных, так и совместных с Молине, в результате которых была обнаружена аберрация света, весьма поучительна. К счастью, мы имеем возможность проследить за всеми деталями исследования, поскольку первое сообщение об открытии было сделано Брадлеем в форме письма к своему старшему другу и коллеге Галлею. Письмо - не научная статья, в нем можно не только изложить результаты, но и описать этапы исследования, отмечая даже допущенные ошибки и заблуждения, исправленные впоследствии. Брадлей всегда с удивительным упорством и последовательностью работал над заинтересовавшим его вопросом. Поэтому письмо к Галлею, в полной мере отражающее эту основательность научного стиля, читается с неослабевающим интересом.

Прежде всего Брадлей сообщает Галлею, что непосредственной причиной, побудившей его заняться наблюдением "неподвижных" звезд, было желание проверить выводы Гука, утверждавшего, что он обнаружил параллакс. Брадлею казалось, что наблюдение этого явления требует большей точности, чем та, которой достиг Гук. Далее он отдает должное Молине как инициатору наблюдений, а также Джорджу Грэхему, лондонскому оптику, "которому любители астрономии многим обязаны как создателю замечательных астрономических инструментов".

Для того чтобы наблюдения могли проводиться с достаточно высокой точностью, телескоп следовало очень жестко укрепить в стене обсерватории, предварительно направив его на интересующую наблюдателя часть неба. Закрепление телескопа необходимо для предотвращения ничтожных ошибок, которые могут возникнуть при многократном наведении телескопа на объект наблюдения. Таким образом, исследователи собирались определять изменения положения звезды в поле зрения телескопа, который в течение длительного времени (несколько месяцев) должен был оставаться абсолютно неподвижным.

Приборы Молине были подготовлены к наблюдениям в его доме в Кью в конце ноября 1725 г., и 3 декабря с их помощью впервые наблюдалась "звезда в Голове Дракона" - γ Дракона. Наблюдатели выбрали эту звезду неслучайно. Дело в том, что расположение этой звезды на небесной сфере таково (она находится вблизи полюса эклиптики), что ожидаемое годичное параллактическое смещение должно было иметь вид окружности (см. рис. 6). Это обстоятельство позволяло надеяться, что в случае обнаружения смещения можно будет с большей уверенностью утверждать, что оно связано с параллаксом.

Наблюдения у Дракона были проведены затем 5, 11 и 12 декабря, причем никакого заметного смещения обнаружено не было. Казалось, что новые наблюдения в это время года не нужны, так как положение звезды не позволяло надеяться обнаружить заметное параллактическое смещение. Только любопытство, как признается Брадлей, заставило его подготовиться к наблюдениям 17 декабря. И вдруг - неожиданность! Звезда обнаружена чуть южнее того места, где она наблюдалась ранее. Первое предположение ученых относительно этого эффекта состояло в том, что он обусловлен ошибками измерений. Еще одно наблюдение, 20 декабря, показало увеличение смещения у Дракона к югу. Это заметное смещение тем более удивило Брадлея и Молине, что оказалось перпендикулярным к тому, которое можно было ожидать как следствие годичного параллакса. Поскольку теперь эффект не мог быть полностью отнесен за счет ошибок наблюдений, ученые выдвинули гипотезу об изменении свойств материалов, из которых сделаны инструменты. Однако проверка заставила отказаться и от этого предположения. Более того, все полученные результаты заставляли искать систематическую причину эффекта.

В начале марта 1726 г. звезда наблюдалась уже на 20″ южнее положения, которое она занимала в начале наблюдений. Отсутствие видимого движения звезды в это время навело Брадлея на мысль, что звезда достигла максимального отклонения к югу. Действительно, в середине апреля она начала движение к северу и в начале июня находилась на том же расстоянии от полюса эклиптики, что и в декабре. Быстрое изменение положения звезды в это время (оно менялось на секунду дуги за три дня) свидетельствовало о том, что теперь звезда будет продолжать отклоняться к северу. В сентябре ее положение было почти стационарным - на 20″ севернее июньского. Затем γ Дракона начала снова смещаться к югу.

К этому времени стало окончательно ясно, что видимое смещение звезды не связано с ошибками наблюдений. Однако и тогда, прежде чем высказать гипотезу о какой-либо новой причине смещения, Брадлей проанализировал возможные известные причины. Наиболее очевидной из них была нутация земной оси^*. Однако если смещение у Дракона приписывалось этой причине, то не находили объяснения результаты наблюдений других звезд. Строгая периодичность эффекта указывала на возможную связь с положением Солнца, но Брадлею не удавалось сформулировать какую-либо правдоподобную гипотезу. Между тем проблема все более захватывала ученого. Он уже не мог удовлетвориться совместными с Молине измерениями - ведь для проведения наблюдений ему каждый раз приходилось ездить в Кью, где была установлена аппаратура. Поэтому Брадлей решил разместить более совершенные приборы, изготовленные в соответствии с его указаниями тем же Грэхемом, у себя в доме, в Уэнстеде. Собственные наблюдения Брадлей начал 19 августа 1727 г.; их точность ученый оценивал величиной 0″,5. Для выдвижения гипотезы относительно видимого смещения γ Дракона требовалось провести наблюдения и других звезд. Именно этим и занялся Брадлей в своей обсерватории. Через несколько месяцев у него сформировалось четкое убеждение: эффект смещения имеет общий характер и должен наблюдаться для всех звезд. Чем больше данных получал Брадлей, тем больше фактов говорило о роли движения Земли в видимом смещении звезд. Упорство Брадлея поражает: он искусственно сдерживает себя, стараясь избежать поспешности в формулировке гипотезы: "...в это время я отринул все мысли о причине описанных выше явлений, надеясь, что мне будет легче установить ее, когда у меня будут для этого лучшие средства". И эта осторожность принесла свои плоды - выводы и доказательства Брадлея однозначны и убедительны даже для самого строгого критика.

^* (Нутацией называются небольшие колебания земной оси, обусловленные притяжением Солнца и Луны. )

Лишь по окончании годичных наблюдений Брадлей приступил к анализу полученных данных. Снова и снова он перебирал возможные причины: нутация земной оси, отклонение отвеса от вертикали, астрономическая рефракция. Нет, ни одна не давала согласующихся с наблюдениями результатов. И наконец, новая, собственная гипотеза: видимое смещение звезд связано с движением Земли по орбите и конечностью скорости света. Но предоставим слово самому Брадлею.

"Я рассматриваю этот вопрос следующим образом. Положим, что СА - луч света, падающий перпендикулярно к линии BD (рис. 7). Тогда, если глаз находится в покое в точке А, объект должен наблюдаться в направлении АС независимо от того, распространяется ли свет во времени или мгновенно. Однако если глаз движется от В к А, а свет распространяется во времени со скоростью, которая относится к скорости движения глаза как СА относится к ВА, тогда ... частица (света. - С. Ф.), благодаря которой наблюдается объект в тот момент, когда глаз в своем движении оказывается в точке А, находится в точке С в тот момент, когда глаз проходит точку В. Соединяя точки В и С, я полагаю, что линия СВ - это труба (наклоненная к линии под углом DBC) такого диаметра, что она пропускает только одну частицу света. Тогда легко понять, что частица света, находившаяся в точке С, с помощью которой объект должен быть воспринят глазом, когда он вследствие движения попадает в точку А, должна пройти через трубу ВС... и что она не может попасть в глаз, помещенный за такой трубой, если последняя наклонена к линии BD под каким-либо другим углом. Аналогично, если глаз движется в противоположную сторону - из точки D к точке А - с той же скоростью, то труба должна быть наклонена под углом ВDС... Если бы мы предположили, что свет распространяется мгновенно, то разность между действительным и видимым положением объекта... была бы бесконечно малой. Но если свет распространяется во времени (что, я думаю, с готовностью допускает большинство ученых нашего времени), то из предыдущего рассуждения следует, что между видимым и действительным положением объекта всегда будет различие, если только глаз не движется непосредственно к объекту или от него. И в любом случае синус разности между действительным и видимым положениями объекта... будет относиться к синусу угла видимого наклона объекта к линии, вдоль которой движется глаз, как скорость глаза к скорости света".

Рис. 7. Рисунок из работы Брадлея, поясняющий возникновение аберрации света

Таким образом, объяснение явления изменения положения светил у Брадлея вполне аналогично объяснению появления в безветренную погоду косых следов дождя на стенке движущегося поезда.

В письме Брадлея за объяснением явления аберрации света следует подробный анализ проведенных наблюдений на основе предложенной гипотезы. Оказалось, что вычисленные смещения звезд с высокой точностью совпадают с наблюдениями: ни в одном из 29 приведенных Брадлеем случаев различия между расчетом и наблюдением не превосходили 2″ при максимальных величинах смещения порядка 35″^*.

^* (Ясно, что для оценки точности расчета следует брать именно максимальные смещения, поскольку относительная погрешность измерения в этом случае минимальна.)

В итоге Брадлей приходит к выводу: "Поэтому, я полагаю, что он (угол DCB на рис. 7. - С. Ф.) равен 40 2/3″ или, что то же самое, что свет движется и проходит расстояние от Солнца до нас за 8 минут 13 секунд. Близкое совпадение многих моих наблюдений привело меня к мысли, что максимальное измеренное значение угла (DCB. - С. Ф.) ... не может отличаться от истинного более, чем на секунду. Поэтому, вероятно, что время, которое затрачивает свет на движение от Солнца до нас, определено с помощью этих наблюдений с точностью от 5 до 10 секунд; это такая точность, какой мы не можем надеяться достигнуть, наблюдая затмения спутников Юпитера."

Итак, Брадлей дал новую оценку времени прохождения светом отрезка, равного радиусу земной орбиты. Напомним, что по мнению Рёмера свету для прохождения расстояния, равного радиусу земной орбиты, требуется 11 минут. Таким образом, величина с по данным Брадлея должна быть примерно в 1,4 раза больше, чем это следует из результатов Рёмера. Однако обратите внимание на осторожность обоих ученых: ни один из них не привел абсолютной величины скорости. Это сделано не случайно. Для получения абсолютной величины с, как уже отмечалось, требуется знание среднего радиуса орбиты Земли. Эта величина во времена Рёмера и Брадлея была определена недостаточно точно, поэтому численное значение с могло быть найдено со значительно большей погрешностью, чем время распространения света от Солнца до Земли. Осторожность Брадлея вознаграждена по достоинству: по современным данным свету требуется для движения от Солнца до Земли 8 минут 19 секунд и, следовательно, мы можем с полной уверенностью утверждать, что Брадлей совершенно правильно оценил точность своих измерений (≈ 2 %)^*. Отметим, что оценка погрешности измерений - дело настолько тонкое, что даже сейчас очень редко последующие измерения фундаментальных констант дают величину, лежащую в пределах точности предшествующих измерений.

^* (Из расчетов Брадлея следует, что точность определения времени движения света от Солнца до Земли Δt = 10 с, следовательно, при среднем времени движения t = 8 мин 13 с относительная погрешность ε = Δt/t составляет около 2%.)

Судьба открытия Брадлея оказалась куда счастливее судьбы работы Рёмера. После обнаружения аберрации света в конечности скорости света уже никто не сомневался. Кроме того, определение скорости света по Брадлею уже не назовешь оценкой: 2% - точность вполне удовлетворительная для XVIII в. Блестящая работа Брадлея способствовала и его личным успехам. В 1729 г. его пригласили читать лекции по "экспериментальной философии" (физике) в Оксфордском университете, в котором Брадлей раньше читал курс астрономии. Преподавательской деятельностью Брадлей занимался до 1760 г. Авторитет ученого среди физиков и астрономов был чрезвычайно велик. Никого не удивило, что после смерти Галлея именно Брадлей стал его преемником на посту королевского астронома-директора Гринвичской обсерватории. В 1748 г. ему была присуждена одна из высших наград Лондонского Королевского Общества - медаль Копли; удостаивался он и других наград. Научное наследство Брадлея огромно - свыше 60 тысяч наблюдений. Более сотни звезд, положение которых впервые определил Брадлей, были позднее включены в звездные каталоги. Кроме аберрации света, важнейшим вкладом ученого в астрономию является открытие нутации земной оси. Умер ученый 13 июля 1762 г.

Итак, открытием. Брадлея завершился первый этап измерений скорости света. Каковы же его итоги? Было достоверно установлено, что скорость света конечна. Ее величину определили, пользуясь данными Брадлея о времени движения света от Солнца до Земли и результатами расчета радиуса земной орбиты по наблюдениям годичного параллакса Солнца: с = 284000 км/с. Близость результатов Рёмера и Брадлея позволила последнему сделать важный вывод о том, что при отражении от спутников Юпитера свет существенно не изменяет своей скорости. Кроме того, с современной точки зрения кажется очень удачным, что первые измерения величины с пришли из астрономии - это дало возможность определить скорость света в вакууме, т. е. действительно "мировую" постоянную. Однако все ли вопросы относительно скорости света были разрешены? Конечно, нет. Напомним, что пока вопрос о скорости света оставался вне связи с проблемой природы света. Положение изменилось с началом нового этапа развития оптики.