Универсальный закон всемирного тяготения, сформулированный Исааком Ньютоном в XVII веке, стал первой в истории человечества по-настоящему научной теорией, объяснившей движение небесных тел. До этого планеты просто «блуждали» по небу согласно сложным геометрическим моделям. Ньютон же заявил: яблоко падает на Землю и Луна обращается вокруг нее по одной и той же причине — гравитации. Это была научная революция, сравнимая по масштабу с открытием огня.
Гравитация как космический дирижёр
Ньютон описал силу притяжения между любыми двумя телами во Вселенной простой и элегантной формулой. Она гласит: сила притяжения прямо пропорциональна массам этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Проще говоря, чем массивнее объекты и чем ближе они друг к другу, тем сильнее они «тянутся» друг к другу.
Применив этот закон к Солнечной системе и добавив к нему свои три закона движения, Ньютон математически доказал: планеты должны обращаться вокруг Солнца не по идеальным кругам, как думали древние, а по эллипсам. Солнце при этом находится в одном из фокусов этого эллипса. Так была объяснена знаменитая первая поправка Кеплера, которая до Ньютона была просто результатом наблюдений.
Расчёты, основанные на этой теории, с поразительной точностью предсказывали положение всех известных тогда планет, возвращение комет (как знаменитой кометы Галлея) и даже позволяли открывать новые миры. Проанализировав возмущения в орбите Урана, учёные вычислили положение ранее неизвестной планеты — Нептуна. Это был триумф. Казалось, Ньютон разгадал главный секрет космоса.
Непослушный Меркурий и маленькая нестыковка
Однако в самом сердце системы, у самой близкой к Солнцу планеты, теория Ньютона начала давать сбой. Астрономы ещё в XIX веке заметили, что орбита Меркурия ведёт себя не совсем так, как предписывают расчёты. Его эллиптическая орбита не просто вращается вокруг Солнца — она сама по себе медленно поворачивается, или прецессирует. Точка максимального сближения с Солнцем (перигелий) смещается с каждым оборотом.
Часть этой прецессии легко объяснялась гравитационным влиянием других планет, в первую очередь Венеры и Юпитера. Но когда учёные скрупулёзно учли все эти возмущения, оставался крошечный, но упрямый избыток смещения — около 43 угловых секунд за столетие. Это всё равно что заметить смещение монетки на расстоянии в километр. Но для безупречной механики Ньютона это была фатальная погрешность. Учёные предполагали всё: от неоткрытой планеты внутри орбиты Меркурия (её даже назвали Вулкан) до лёгкого сплющивания Солнца. Но ничего не помогло.
Почему теория Ньютона «сломалась»?
Ключ к разгадке оказался не в ошибке, а в границах применимости самой ньютоновской теории. Она прекрасно работала в условиях «обычных» скоростей и гравитационных полей. Но Меркурий, вращающийся в самом мощном гравитационном поле Солнечной системы и движущийся с огромной скоростью, оказался той самой природной лабораторией, где эффекты, предсказанные позже общей теорией относительности Эйнштейна, становились заметными.
Согласно Эйнштейну, гравитация — это не просто сила, а искривление самого пространства-времени массивными телами. Солнце своей массой создаёт вокруг себя как бы воронку. Меркурий, двигаясь по такой искривлённой геодезической линии, получает то самое дополнительное смещение перигелия. Расчёт по формуле ОТО дал значение ровно 43 угловых секунды за столетие, идеально совпавшее с наблюдениями.
Ньютоновская механика не оказалась «неправильной». Она стала частным случаем более общей и точной теории. Для отправки зондов к Марсу или расчёта траектории спутников мы до сих пор с успехом используем формулы Ньютона — они проще и точности их достаточно. Но для описания экстремальных условий — у чёрных дыр, нейтронных звёзд или вблизи Солнца — нам нужна уже карта Эйнштейна.
Это история о том, как гений одного человека смог описать почти весь космос, а упрямство одной маленькой планеты указало человечеству путь к пониманию того, что Вселенная устроена ещё более странно и чудесно, чем можно было представить.