Книга: Чем мир держится?

Фигура леди Земли

Фигура леди Земли

Давным-давно, издеваясь над педантами, от их лица изрекли: не Шекспир важен, а комментарии к нему. Между тем комментарии к Шекспиру тоже важны. Такая, казалось бы, вневременная и при чтении в XX веке безобидная и даже легкомысленная комедия «Сон в летнюю ночь» до отказа набита намеками, в том числе весьма злыми, на конкретных современников автора, как его друзей и знакомых, так и просто знаменитостей. Зрители шекспировского театра «Глобус», наверное, встречали дружным хохотом напоминания о недавних скандалах и аплодисментами — реплики, по сути, обращенные не к тем, кто играл на сцене, а к тем, кто сидел в зале или присутствовал в это время на приеме в королевском дворце.

И Свифтовы «Путешествия Гулливера» тоже можно читать без комментариев. Но стоит ли? Возьмем, к примеру, борьбу тупоконечников и остроконечников в Лилипутии, развернувшуюся вокруг проблемы, с какого конца надо разбивать яйцо. При некотором умственном напряжении и без примечаний можно догадаться, что великий сатирик обращает свое жало против религиозных войн. Но Свифт отличался умением поражать сразу несколько целей. И современники, безусловно, видели в партиях тупоконечников и остроконечников еще и намек на шедшую в то время борьбу двух научных партий, каждая из которых по-своему определяла фигуру нашей планеты.

Какова форма Земли? Это сегодня мы знаем, что она сплющена у полюсов (а значит, победили тупоконечники, возглавляемые самим Исааком Ньютоном). Но вот итальянский астроном и математик Джованни-Доменико Кассини, ставший во Франции Жаном Домеником и директором Парижской обсерватории (а также основателем династии французских астрономов), считал, что Земля сплющена у экватора и удлинена по направлению к полюсам. Так полагал и его сын Жак Кассини.

Проблема фигуры Земли стала полем научного сражения между двумя мощными научными школами, для каждой из них это был лишь сугубо частный вопрос, деталь в картине мира, рисуемой обеими школами по-своему. По «теории вихрей» великого французского философа Декарта Земле надлежало быть вытянутой. Спор был чисто научным, но длился так долго, что приобретал для обеих сторон политический и даже — увы! — национальный оттенок. Франция, постепенно уступавшая Англии место ведущей державы Западной Европы, жаждала реванша хотя бы на поле научной битвы.

Чтобы решить вопрос, надо было «просто» измерить Землю. Или, говоря точнее, измерить хотя бы кусочки дуг меридиана на разных широтах и посмотреть, как соотносятся расстояния, приходящиеся на один градус. Собственно говоря, измерять эти расстояния во Франции начали еще до того, как мир узнал о ньютоновском законе всемирного тяготения. В 1679–1680 годах эту работу начал астроном Пикар, к 1715 году ее закончил Жак Кассини. Измерения дали результат, говоривший в пользу «остроконечников», — не потому ли, что измерения были организованы последователями Кассини? Нет, здесь даже мысли не может быть о намеренной фальсификации вычислений, но история науки знает немало случаев, когда ученые получали именно те результаты, которые им хотелось получить.

Первый из династии Кассини (его потомки вплоть до правнука наследовали пост директора Парижской обсерватории в течение ста двадцати четырех лет, пока этот пост не был ликвидирован) вошел в историю науки как составитель подробной карты Луны, открыватель четырех спутников Сатурна и многого другого. Немало сделал и его сын. Оба были настоящими учеными. А за «тупоконечниками» стоял не только Исаак Ньютон, который учел действие на форму Земли центробежной силы, растягивающей планету у экватора и сплющивающей у полюсов, но и его великий оппонент по некоторым другим вопросам Гюйгенс. При этом Ньютон принял для удобства расчета, что Земля однородна и состоит из жидкости, свободно перетекающей внутри ее фигуры под действием сил тяготения и центробежной. Если правы были «остроконечники», то градусы меридиана тем длиннее, чем они ближе к экватору и дальше от полюса. Так и получилось у Кассини, но длину обоих градусов измеряли под Парижем, где разница между ними, кто бы ни был прав, не могла быть достаточно велика для точных измерений. Споры приняли такой размах (только в 1733 году и только во Франции вышли из печати шесть работ по проблеме фигуры Земли), что Парижская академия при поддержке морского министра отправила в 1735 году экспедицию в Перу, на экватор, а несколько позже — другую, в Лапландию, поближе к полюсу.

Восемь лет в Кордильерах французские ученые измеряли дугу длиной в три градуса восемь минут. В Лапландии условия были немногим легче. Экспедиция получила в свое распоряжение военные отряды, которые прорубали просеки в лесах, обеспечивая возможность измерений. Сами измерения совершали с помощью сосновых жердей с выверенной длиной в десять метров. К большому удивлению членов северной экспедиции, длина градуса оказалась на целых два километра больше, чем полагалось «по Кассини». Запоздавшее сообщение из Перу стало только подтверждением результатов, полученных при сравнении данных из Лапландии со старыми измерениями дуги градуса под Амьеном. Чем ближе к полюсу, тем длиннее становился градус.

Руководитель лапландской экспедиции Мопертюи писал: «Вернувшись, мы столкнулись со значительными раздорами: Париж, жители которого не могут остаться безразличными ни к какому вопросу, разделился на два лагеря: одни приняли нашу сторону; другие же считали, что для чести нации невозможно, чтобы у Земли осталась иностранная фигура, которую придумали один англичанин и один голландец».

Вольтер в письмах именовал Мопертюи «тем, кто сплющил Землю и всех Кассини».

Какое отношение имеет борьба «тупо»- и «остроконечников» к теме книги?

Да дело в том, что, по определению Н. П. и А. Н. Грушинских, авторов книги «В мире сил тяготения», теория фигур планет (и Земли в том числе) опирается на те же постулаты, имеет те же принципы и законы, что небесная механика, изучающая движение тел в поле всемирного тяготения. Обеим им равно положили начало работы Галилео Галилея и открытие Ньютоном закона всемирного тяготения.

Но две науки, родившиеся из одного корня, развивались дальше каждая своими путями, которые, впрочем, часто пересекались, порою сливаясь; науки-сестры обогащали друг друга. И если небесная механика обрела практический смысл относительно недавно, когда в ее проблематику полноправно вошло движение искусственных спутников Земли, то физическая геодезия, она же геодезическая гравиметрия, стала работать на практику еще во второй половине XIX века…

Впрочем, надо сразу сделать оговорку, что слово «практика» здесь в обоих случаях понимается исключительно в узком смысле. Давно сказано, что нет ничего практичнее хорошей теории. И потому небесная механика оплодотворяла своим воздействием многие науки еще триста лет назад.

И если спор «тупоконечников» и «остроконечников» был решен чисто геометрически, то, как пишут Н. П. и А. Н. Грушинские, сама постановка его возникла из гравиметрических понятий — из теории тяготения Ньютона и понятия силы тяжести как равнодействующей двух сил — притяжения и центробежной.

Недаром именно один из «измерителей дуг» — Алексис-Клод Клеро, ставший в восемнадцать лет академиком, вывел теорему зависимости силы тяжести в определенной точке от положения этой точки на земном эллипсоиде. Иными словами, теорема Клеро довольно точно позволяет определить зависимость силы тяжести от широты. И если тут приходится говорить не «точно», а только «довольно точно», так в этом виноват не Клеро, а сама планета Земля. Она ведь состоит не из однородной жидкости, как условно принял Ньютон, и не из слоев, каждый из которых хотя бы внутри однороден, как предположил Клеро.

Долгая и богатая идеями и открытиями история того, как уточняли фигуру Земли, останется за пределами книги. Хотя в этой истории огромную роль сыграли все новые и новые измерения силы тяготения. Из шара Земля стала эллипсоидом и потом получила имя единственной в своем роде геометрической фигуры — геоида. Геоид — значит «подобный Земле». С какой же точностью надо было провести исследования, чтобы полученные результаты нельзя было даже подогнать к чему-то, кроме нашей планеты… И все это — первоначально — делалось без какой-либо надежды на чисто практическую отдачу. Должно было пройти почти двести лет с начала спора между «тупоконечниками» и «остроконечниками», чтобы появились гравиметрические методы геологической разведки. Естественно, там, где под поверхностью Земли скрыты запасы тяжелых металлов, сила тяжести больше, чем обычно; там, где есть пустоты, заполненные нефтью или газом, она меньше, чем по соседству.

Сейчас для измерения фигуры Земли и силы тяжести в ее точках используют уже не сосновые жерди десятиметровой длины, а приборы, установленные на спутниках. Сжатие Земли, например, удалось после запуска спутников определить в сотню раз точнее, чем прежними способами. Каждый спутник сам по себе — это прибор для измерения поля земного притяжения, ведь его траекторию прежде всего определяет именно это поле. Но по-прежнему в чести и совсем простые на вид приборы для определения силы тяжести, приборы самого земного характера, о которых речь пойдет в следующей главе.

Не только общие очертания фигуры Земли определяются силой тяготения и центробежной силой. Советский ученый Б. Л. Личков рассматривает такое грандиозное явление, как горообразование, в качестве части процесса переформирования фигуры Земли при изменениях скорости ее вращения. С увеличением или уменьшением скорости вращения планеты изменяется ведь и степень ее сжатия.

Главное проявление гравитации в современной «внешней» жизни нашей планеты в том, что она удерживается Солнцем на своей орбите. Следующее, пусть не по значению, а по очевидности, — то, что мы тащим с собой вокруг Солнца собственную спутницу — Луну.

Но и Луна в свою очередь влияет на процессы, происходящие на Земле, чему доказательство — приливы и отливы. Мировой рекорд по максимальной высоте прилива более тринадцати с половиной метров делят два залива у побережья Канады. В Англии в заливе Северн высота прилива достигает тринадцати метров десяти сантиметров, во Франции в бухте Мон-Сен-Мишель— двенадцати метров шестидесяти сантиметров. Однако приливы и отливы бывают не только в океанах и морях; Луна и Солнце вызывают приливы и в земной коре. В районе экватора максимальные колебания земной поверхности по этой причине достигают примерно полуметра, а на широте Москвы до сорока сантиметров. К счастью, приливные волны в земной коре — очень длинные и очень медленные; в отличие от океанских приливов, их можно обнаружить только с помощью специальных приборов.

Однако сейчас ряд специалистов пытается связать с гравитационным воздействием Солнца и Луны… землетрясения или по крайней мере значительную их часть.

Еще в прошлом веке было замечено и подтверждено проверкой и новыми наблюдениями, что землетрясения чаще всего происходят в моменты новолуний и полнолуний, причем тогда, когда сама Луна находится вблизи перигея, то есть той точки своей орбиты, которая наиболее близка к Земле. Считать это случайностью трудно.

Сейчас многие сейсмологи отводят приливным волнам в земной коре двойную роль, обе стороны которой в равной степени неприятны для нас, землян. Во-первых, приливные волны играют роль провокаторов, они расшатывают равновесное состояние масс, слагающих земную кору, способствуют возникновению смещений этих масс и тектонических разрывов. Энергетический вклад приливных волн в эти процессы относительно очень мал, однако и «капля дробит камень не силой, но частым падением», как знали еще древние римляне. Во-вторых, когда равновесие окажется нарушенным и на большом участке планеты возникает возможность землетрясения, «та же самая» приливная волна выступает в роли спички, поджигающей здание, последней соломинки, ломающей спину верблюда.

Нет, испытывать чужое притяжение, как и притягивать самому, — вещь и для космических тел хоть и необходимая, но не безопасная.

Прослеживается связь фаз Луны и ее относительной близости к Земле с извержениями вулканов. Есть гипотеза, по которой энергия приливов в твердой оболочке Земли частично идет на подъем магмы из глубинных ее очагов к жерлам вулканов, да и вообще ближе к поверхности Земли. Не исключено, что часть энергии таких волн тратится на расплавление и превращение в магму некоторых количеств твердого вещества в земной коре.

Беспокойная соседка — эта Луна! Правда, гравитационное влияние Земли на Луну относительно больше, пропорционально перевесу пашей планеты в массе. «Мы» своим тяготением развернули Луну, поворотили ее к Земле одной стороной, вызвали серьезные изменения в фигуре своей спутницы, земные приливы в твердом веществе Луны сильнее, чем соответствующие лунные приливы на Земле… Не нам жаловаться.

Сейчас ряд ученых разрабатывает гипотезы, связанные с влиянием на Землю центров тяготения, куда более отдаленных, чем Солнце. Ставится такой вопрос: случайно ли самый высокий материк нашей планеты, Антарктида, находится в районе южного полюса? Ведь сейчас наша планета обращена именно Южным своим полушарием в сторону центра Галактики. Нет ли здесь проявления некой закономерности?..