Глава 2
Пионеры
В 1609 году, услышав, что в Голландии
сделано изобретение, посредством которого "даже самые далёкие от глаза
наблюдателя объекты были отчетливо видны, как будто вблизи", Галилео Галилей
(Galileo Galilei), профессор математики в Падуанском университете Республики
Венеции, смог понять принципы этого изобретения. Он вставил две линзы в свинцовую
трубу, и получился грубый телескоп, который увеличивал отдаленные объекты в
3 раза, а к августу 1609 усовершенствовал прибор до увеличений 8x или 10x и
показывал его сенаторам и другим благородным высокопоставленным людям Венеции.
Сначала Галилей, казалось, был заинтересован главным образом потенциальным коммерческим
применением нового прибора. Только в ноябре 1609 года, с новым увеличением телескопа
20x, он делает попытку посмотреть на небо. Вечером 30 ноября 1609, он направил
этот телескоп на четырехдневную Луну и увидел, что лунная поверхность грубая
и неровная, покрытая множеством долин и гор. К январю 1610 года он сделал первые
наблюдения спутников Юпитера, а также показал, что Венера может принимать вид
серпа — вещь, возможная в теории Коперника, но не Птолемея. Он объявил эти открытия
в небольшой увлекательной книге, Sidereus Nuncius (Звездный вестник), которую
он спешно написал и издал в марте 1610. Тем временем, он впервые направил свой
телескоп к Марсу, который был тогда около Солнца и на почти максимальном удалении
от Земли.
Начиная с 1597 года Галилей был убеждённым приверженцем теории Коперника. Коперник
показал, что Марс должен двигаться вокруг Солнца вне орбиты Земли. Если это
так, Марс не мог быть виден в форме серпа, как Венера, но мог находиться в промежуточной
стадии между кругом и полумесяцем, причём максимальная фаза, 47°, происходит,
когда Земля с Марса видна под наибольшим угловым расстоянем от Солнца. Марс
тогда выглядит примерно как Луна через три или четыре дня после полнолуния.
Весь 1610 год Галилей тщательно наблюдал Марс в свой маленький телескоп, надеясь
выяснить правду. Хотя диск был едва видим, и результаты остались неокончательными,
он написал отцу Бенедетто Кастелли, одному из своих прежних учеников, 30 декабря
1610 года: "у меня нет права провозглашать, что я видел фазы Марса; однако,
если я не обманываю себя, то думаю уже видел его не совсем круглым".
Потом Галилей сделал ещё одно открытие, которое он объявил в форме анаграммы
своим корреспондентам: отцу иезуиту из Collegio Romano в Риме и Йоханну Кеплеру
в Праге. Анаграмма состояла из следующих букв:
s m a i s m r m i l m e p o e t a l e u m i b u n e n u g t t a u i r a s
Как раз перед этим Кеплер поздравил Галилея с открытием четырёх спутников Юпитера:
"я настолько далёк от недоверия к этому открытию… и настолько восхищён
телескопом, чтобы ожидать от Вас, если получится, обнаружения двух спутников
Марса (чего пропорция, кажется, требует), шести или восьми — Сатурна, и возможно,
по одному для Меркурия и Венеры." Он предположил, что новейшее открытие
Галилея касалось спутников Марса, и переставил буквы анаграммы так:
Salue umbistineum geminatum Martia proles
Привет, приятели-двойняшки, дети Марса
Но Кеплер неверно истолковал сообщение; на самом деле анаграмма Галилея относилась
к Сатурну и была правильно перестроена так:
Altissimum planetam tergeminum observavi.
Высочайшую планету тройною наблюдал
Это было, фактически, объявление относительно астрономической загадки, решение
которой займёт половину столетия. Три пятна были на самом деле несовершенным
зрелищем Сатурна с ушками колец по бокам. Однако, изобретённые Кеплером два
спутника Марса продолжили жить своей жизнью. Его мнение, возможно, вдохновило
более поздние мечты Джонатана Свифта и Вольтера; и действительно, как мы теперь
знаем, планета реально имеет два спутника, хотя Кеплер не имел веских оснований
утверждать это и просто сделал удачливое предположение.
В 20-кратный прибор, который Галилей имел обыкновение использовать для первых
астрономических открытий, Марс, даже будучи ближе всего к Земле, виден с таким
же угловым размером, как горошина, которую держат на расстоянии 2.4 м. Этот
и другие ранние телескопы использовали простую выпуклую линзу как объектив и
вогнутую линзу как окуляр, и имели неудобно маленькое поле обзора даже при малых
увеличениях. Кроме того, они ужасно страдали от сферических и хроматических
аберраций. Когда свет проходит через сферически искривлённую линзу, лучи около
периферии имеют тенденцию сосредотачиваться в точке ближе к линзе чем те, что
около центра — таким образом, изображение никогда не может быть принесено точно
в фокус. Это — сферическая аберрация. Хроматическая аберрация происходит, потому
что свет, проходящий через линзу, расщепляется на все цвета спектра, и лучи
различных цветов фокусируются в различных точках. Это производит радужные отблески
вокруг ярких объектов типа Луны или Венеры. Оба типа аберраций более значимые
в свете, который проходит через внешние части линзы. По этой причине, и также
потому что его линзы были не так уж точно отшлифованы, Галилей обратился к использованию
картонных колец перед стеклами объектива, чтобы свет прошёл только через центральную
часть линзы, где всё было в основном в порядке.
Другие пытались улучшить телескоп и избавить его от этих ошибок. Был огромный
энтузиазм в то время, и многие надеялись подражать открытиям Галилея. Уже в
1611 году Кеплер в своём Dioptrice предложил использовать выпуклую линзу вместо
вогнутой для окуляра. Это — основная идея астрономического телескопа, в отличие
от галилеевского, или голландского телескопа. Поле обзора в астрономическом
телескопе намного большее, и хотя изображение перевёрнуто, это не так уж важно
в астрономических наблюдениях; в любом случае, это может быть исправлено, если
добавить другую линзу. К сожалению, Кеплер не пытался строить такой телескоп
на практике, и его идеи остались малоизвестными. Очевидно, первый человек, который
стал использовать астрономический телескоп, был иезуитский астроном по имени
Christoph Scheiner в 1617 году; другие телескопы построил в течение 1630-ых
Франческо Фонтана (Francesco Fontana), неаполитанский адвокат и острый любительский
астроном.
С одним из его телескопов, Фонтана в 1636 произвел схематичный рисунок Марса.
На этом рисунке виден совершенно круглый диск, и в центре — темное пятно, похожее
на черную пулю. Эта черная пуля иногда принималась за одно из всамделишних мест
на поверхности планеты, но это не так. Фонтана позже рисовал подобное темное
пятно на Венере (он даже использовал то же самое слово, описывая это), так что
можно не сомневаться, что пятно было результатом оптического дефекта в его телескопе.
Двумя годами позже, 24 августа 1638 года, Фонтана сделал другой рисунок Марса.
На нём диск был виден в промежуточной стадии между кругом и полумесяцем — причём
гораздо ближе к полумесяцу, чем Марс вообще бывает, и черная пуля появляется
снова, только более сплюснутая.
Хотя работы Фонтаны имели немного значения, его рисунки Марса отмечают начало
того, что Камилл Фламмарион в La Planete Mars назвал первым периодом истории
планеты. Рисунки, сделанные в течение этого первого периода, который продолжался
до 1830, примитивны и не дают никаких реальных сведений относительно физической
природы планеты. Мы можем поражаться медленному прогрессу в наблюдениях, но
нельзя забывать, что Марс — трудный объект для созерцания. Он — маленькая планета,
его диаметр 6780км, только половина земного, и он находится в 140 раз дальше
от Земли, чем Луна. Кроме периодов противостояния, его диск всегда маленький,
и детали видеть нелегко.
Хотя Фонтана не смог увидеть ни одну настоящую деталь на Марсе, другие, используя
лучшие телескопы, преуспели, делая так. Дразнящий проблеск был получен неаполитанским
иезуитом по имени отец Бартоли, который 24 декабря 1644 описал два пятна в нижней
части диска. Большее количество наблюдений пятен было проделано в 1651, 1653,
и особенно в июле и августе 1655 года, когда Марс был около перигелийного противостояния,
Джамбаттистой Риччиоли (Giambattista Riccioli) и Франческо Гримальди (Francesco
Grimaldi), иезуитами из Collegio Romano. Но истинный прорыв сделал Христиае
Гюйгенс (Christiaan Huygens), великий голландский астроном.
Начиная с 1655 года,
когда ему было двадцать шесть, Гюйгенс начал экспериментировать с новыми путями
расчета линз для микроскопов и телескопов. В ходе этих экспериментов, он изобрел
первый составной окуляр, всё ещё известный как гюйгенсовский. К марту 1655 он
построил хороший 5.1-сантиметровый телескоп с 3.2-метровым фокусным расстоянием
и 50x увеличением и обнаружил самую большую луну Сатурна, теперь известную как
Титан. Вскоре он смог решить загадку, представленную Галилео, показывая, что
Сатурн окружен кольцом. Он также наблюдал Марс, но хотя планета только что прошла
перигелийное противостояние в июле 1655 года, он очевидно не возвращался к нему
до следующего противостояния — он не смог ничего увидеть на диске за исключением
того, что он, казалось, был "пересечён мрачной полосой."
Занятый другими проектами, включая совершенствование маятниковых часов и написание
книги о кольцах Сатурна, Гюйгенс не делал никаких других наблюдений Марса до
1659 года. 28 ноября, в 7:00 пополудни, он направил свой телескоп к планете,
которая находилась вблизи точки противостояния и имела диск 17.3" в поперечнике.
Были пятна на диске, и Гюйгенс сделал эскиз, показывая V-образный знак, в котором
любой мало-мальски разбирающийся в Марсе человек немедленно опознает Большой
Сирт, Syrtis Major (в течение долгого времени известный более описательно как
Море Песочных Часов). Гюйгенс смог обнаружить небольшое движение знака в течение
времени наблюдения, и когда он направил свой телескоп на планету снова 1 декабря,
он нашел, что
знак возвратился к почти тому же самому месту на диске. Из этого он сделал в
своём журнале вывод: "вращение Марса, подобно таковому Земли, кажется,
имеет период 24 часа."
Главный конкурент
Гюйгенса насчёт телескопической славы в то время был Джованни Доминико Кассини
(Giovanni Domenico Cassini). Кассини был рожден в 1625 в Perinaldo, около относившейся
в то время к Италии Ниццы, поэтому, согласно Фламмариону, он был "характером
гораздо больше итальянец, чем француз". Французский писатель Bernard le
Bovier de Fontenelle позже отдал ему окончательный комплимент, связывая его
с Галилеем: "Эти двое великих людей," — он написал, — "сделали
так много открытий в небе, что они напоминают Tiresias, который отдал зрение,
чтобы увидеть некоторые тайны богов" — намек на факт, что и Галилео и Кассини
ослепли в старом возрасте.
В 1648, Кассини был приглашен маркизом Корнелио Мальвазией, богатым астрономом-любителем
для работы в частной обсерватории в Panzano, около Болоньи. Это дало ему доступ
к телескопам, с которыми он мог сделать полезные исследования, и в то же самое
время он закончил своё образование под иезуитами Риччиоли и Гримальди. Двумя
годами позже, он унаследовал после Cavalieri пост председателя астрономии в
Болонском Университете и ознакомился с квалифицированным римским изготовителем
приборов Джузеппе Кампани (Giuseppe Campani).
В 1664 году Кассини направил изготовленный Кампани телескоп с 5.2-метровым фокусным
расстоянием к планетам, с замечательными результатами. На Юпитере он увидел
не только темные пояса, но также и различные временные пятна, по которым он
определил период вращения планеты — всего лишь десять часов. Он также обратил
внимание на затмения спутников Юпитера и их нахождение в тени, по которым он
составил точные таблицы их движений. В 1666 году он отметил пятна на Венере
и заключил — довольно двусмысленно — что она "закончила своё движение вращения
или либрации за меньше чем день, так что через двадцать три дня, приблизительно,
она покажет тот же самый аспект."
В тот же самый период Кассини обнаружил детали на поверхности Марса, несмотря
на факт, что планета была не очень благоприятно помещёна для наблюдения — её
противостояние 19 марта 1666 года было афелийным. Его рисунки примитивны, и
пятна, среди которых наиболее заметное в форме гантели, трудно отождествить
с известными на планете. Подобно Гюйгенсу, он отметил их медленный дрейф поперек
диска, и нашел, что они возвратились к тем же самым положениям в тот же самый
час ночи через тридцать шесть или тридцать семь дней, из чего следовал период
вращения в 24 часа 40 минут. Так как более ранние результаты Гюйгенса никогда
не были изданы, определение Кассини было полностью независимо, и оно очень близко
к действительной величине. Это доказало бы, если любое доказательство было необходимо,
что детали, за которыми он следил, не были иллюзорными.
То же самое противостояние наблюдал Роберт Гук (Robert Hooke) из Королевского
Общества в Лондоне, в канун большого пожара, который уничтожил большую часть
города в том году. В 11-метровый телескоп, который он использовал, Гук нашел,
что Марс был почти такого размера, как Луна, видимая невооружённым глазом. Однако,
он написал, ему было трудно из-за неустойчивостей в воздухе: “такое было плохое
состояние воздуха в течение нескольких ночей, что из более чем 20 наблюдений,
которые я сделал с тех пор, как движение Марса стало попятным, я не нашёл ничего
удовлетворительным, хотя часто воображал, будто вижу детали, хотя это были изменчивые
струи воздуха (если можно так назвать те части, которые, пересыпаясь вверх и
вниз, имели большую или меньшую преломляющую мощность, чем прилегающий воздух,
с которым они смешивались), делающие всё расплывчатым и сверкающим, так что
я не смог сделать никаких выводов.”
Он упорствовал и в конечном счете насладился несколькими ночами прозрачного
и устойчивого воздуха, когда диск Марса стал "очень хорошо определенным,
и круглым, и чётким." При этих условиях он смог ясно определить некоторые
детали, и его рисунки, хотя примитивные по любому стандарту, оказались среди
немногих случаев показа Большого Сирта и других марсианских объектов в распознаваемой
форме.
Очевидно, телескопы конца 1600-ых давали горестно неадекватную чёткость. Кроме
того, другой фактор вступил в дело, который в настоящее время мы называем "seeing",
атмосферные условия, при которых наблюдения сделаны. Гук ясно описал его роль
в планетарном наблюдении, и Гюйгенс также знал это. Он отметил, что звезды мерцали
и края Луны и планет дрожали в телескопе, даже когда по всем признакам атмосфера
казалась спокойной и безмятежной. Столь часты были плохие ночи, что Гюйгенс
предупреждал против слишком торопливого обвинения телескопа в отсутствии результата.
Приглашённый королём Луи XIV, который хотел увеличить славу Academie des Sciences,
Гюйгенс променял Голландию на Париж в 1666 году и получил квартиру в Bibliotheque
de Roi. В течение следующих пятнадцати лет он оставался во Франции наиболее
престижным членом Acadеmie des Sciences. Тремя годами позже, Кассини был также
оттянут во Францию Королем-Солнцем, чтобы возглавить недавно основанную Парижскую
Обсерваторию.
По прибытии в Париж Кассини нашел, что детализированные планы обсерватории уже
составлены Клодом Перо, архитектором, ответственным за разработку нового фасада
в Лувре. Кассини, имевший скорее глаз астронома, чем архитектора, настоятельно
возражал против этих планов. В конечном счете была устроена встреча между Кассини
и Перо, королем и его министром финансов, Жаном-Батистом Кольбером. Правнук
Кассини, Jean Dominique Cassini IV, позже описал встречу: “Перо в красивых выражениях
красноречиво защищал свой план и архитектурный стиль. Мой прадед говорил французский
язык очень плохо, и в защите причин астрономии он потряс уши Короля, Кольбера
и Перо до такой степени, что Перо в защитном порыве сказал Королю: "Сэр,
этот пустозвон не знает того, о чем говорит." Мой прадед хранил молчание
и это было хорошо. Король согласился с Перо и это было плохо. В результате обсерватория
не имела никакого разумного смысла”.
Неустрашимый, Кассини установил 5.2-метровый телескоп Кампани, который он привёз
с собой из Италии во внутреннем дворе вне обсерватории и принялся за работу
— с блестящими результатами. В 1671 году с этим телескопом он обнаружил спутник
Сатурна, Япет. Годом позже, в 10.4-метровый телескоп Кампани он увидел другой,
Рею, хотя эти телескопы, должно быть, были трудны в обращении. Кассини установил
линзы Кампани в легких деревянных трубах, которые он прикрепил к высокой мачте
на террасе обсерватории. Позже он стал использовать даже более длинные телескопы
с фокусным расстоянием 30.4 и 41.5 метров, установленные наверху старой деревянной
водяной башни, которую он перевёз в обсерваторию, и в 1684 году обнаружил ещё
два спутника Сатурна, Диону и Тефию. Башня была оборудована лестницей и также
имела балкон вокруг вершины, чтобы уберечь его помощников от падения в темные
ночи!
Два самых великих астронома-наблюдателя того времени иногда наблюдали небо вместе,
и оба сделали важные наблюдения Марса в перигелийном противостоянии в сентябре
1672. Гюйгенс сделал ещё один рисунок планеты, безошибочно показывающий Большой
Сирт, а также нарисовал первую ясную картину блестящей южной полярной шапки.
(Часто говорят, что за открытие полярных шапок заслуживает похвалы Кассини,
потому что один из его рисунков 1666 года показывает яркие пятна на полюсах;
однако, я не убежден в этом, так как тот же самый рисунок показывает яркие пятна
того же самого сорта и на краях диска по экватору). Кассини больше интересовался
измерением положения планеты относительно звезд, чем наблюдениями ее поверхности.
Сравнивая его результаты с полученными другим французским астрономом, Jean Richer,
который путешествовал в Кайенну во французской Гвиане, Кассини определил параллакс
Марса, который в 1672 году был два с половиной раза больше, чем таковой Солнца.
Это дало расстояние к Марсу, и из закона гармоний Кеплера (который, как отмечено
ранее, связывает расстояния от Солнца до планет с их периодами обращения) он
смог определить величину астрономической единицы, то есть расстояние от Земли
до Солнца. Фактически, в измерениях были большие ошибки, но Кассини был удачлив:
расстояние, которое он вычислил, 140 миллионов км, было очень близко к настоящему
значению (149 597 870км).
В 1680-ых Гюйгенс возвратился в Голландию, чтобы избежать преследования протестантов,
которые возникли во все более и более воинственной католической Франции. (Кассини,
который остался хорошим католиком, никогда не был в опасности; действительно,
до конца своей жизни — он умер в 1712 — он остался сторонником скорее системы
Тихо, чем Коперника, которая была осуждена церковью.) В Голландии Гюйгенс обосновался
в Hofwjick, около Гааги, и продолжил свои усилия, чтобы улучшить телескоп.
Хроматическая аберрация была чумой наблюдателей со времен Галилея. Приборные
изготовители естественно хотели произвести телескопы с большими апертурами,
но когда они пытались сделать это, они нашли, что хроматическая аберрация стала
даже худшей. В конечном счете, обнаружилось, что, делая искривление линзы меньшим,
а фокусное расстояние большим, эффект хроматической аберрации мог быть уменьшен.
Таким образом телескопы стали всё более и более длинными. Гюйгенс произвел несколько
из первых длинных телескопов, и его открытия вдохновили даже более длинные телескопы
Яна Гевелия (Johannes Hevelius), пивовара и члена городского совета Данцига
(теперь Гданьск), который достиг длин 18.2, 21.3, и даже 45.7 метров; они были
разрушены большим пожаром в Данциге в 1679. Такие телескопы были чрезвычайно
трудно поворачивать и вообще использовать, и сам Гюйгенс решил направить своё
внимание к телескопам без трубы, или “воздушным”, в которых стекло объектива
было установлено на вершине высокой мачты, а наблюдатель держал канаты, которые
могли использоваться, чтобы направить стекло объектива в любом желаемом направлении.
Яркие объекты вроде планет могли быть найдены или получая их изображения на
белом кольце картона, установленном вокруг окуляра, который наблюдатель держал
рукой, или, более удобно, получая их изображения на смазанном маслом полупрозрачном
бумажном экране (наблюдение более слабых объектов очевидно встречало намного
большие трудности). Стекло объектива освещалось фонарем, и наблюдатель искал
отражение фонаря, чтобы установить линзы на одной прямой. В 1686 Гюйгенс произведел
объективы с диаметрами 19, 20, и 22 см; их фокусные расстояния были 37.5, 51.8,
и 64 метров, соответственно. Он использовал их, чтобы наблюдать перигелийное
противостояние Марса в 1686 году, хотя его эскизы показывают не больше деталей,
чем зарегистрированные в его более ранних рисунках, сделанных с более скромными
приборами. Его последний набросок планеты был сделан 4 февраля 1694 года, когда
Марс был в афелийном противостоянии. Умер Гюйгенс в 1695 году.
Когда Гюйгенса не стало, большое столетие открытий завершилось. Астрономия сделала
огромные успехи, хотя Марс был изучен ещё мало. Было известно, что на нём есть
различные темные и светлые области, и были намеки, что они могут изменяться
со временем. Уже в 1666 году Кассини предложил, что, видимая с большого расстояния,
наша планета будет напоминать другие. Развивая замечание Галилея, он предсказал,
что моря будут казаться тёмными, потому что они поглощают солнечный свет, а
континенты будут яркими. Однако, он резко остановился от применения этого объяснения
к увиденным различиям на марсианской поверхности. В 1686, Bernard le Bovier
de Fontenelle впервые издал свои очаровательные Entretiens sur la pluralitй
des mondes (Беседы о множественности миров), в которых размышлял об условиях
жизни и природе обитателей Луны, Меркурия, и Венеры. Однако, он уделил Марсу
лишь поверхностное внимание, говоря только, что "Марс не имеет ничего любопытного,
о чём я знаю; его день меньше чем на час длиннее нашего, а его год длится как
два наших. Он меньше, чем Земля, там Солнце не такое большое и яркое, как у
нас; в сумме, Марс не стоит того, чтобы останавливаться там." Это очень
далеко от богатых предположений, которые собрались бы вокруг планеты в следующих
столетиях! Пока ещё Марс, замеченный через примитивные телескопы той эры, казался
слишком бесполезным объектом, чтобы возбудить много интереса.
В последние годы своей жизни Гюйгенс попытался сформулировать собственные идеи
о внеземной жизни, и, "как они вошли в его голову,... вытащить их на всеобщее
обозрение." В результате появился Kosmotheoros, который был закончен к
январю 1695, хотя смерть его автора шестью месяцами позже задержала его публикацию
до 1698. Гюйгенс объявлял, что планеты должны иметь растительность и животных,
потому что без такой жизни "мы должны опустить их ниже Земли в Красоте
и Достоинстве — вещь, которую никакая Причина не разрешит." Хотя Марс,
из-за его большего расстояния от Солнца, мог быть намного холоднее Земли, Гюйгенс
думал, что жители могут приспособиться к таким условиям. Его вращение, он писал,
установленное без сомнений по движению пятен, даёт сутки почти такой же длины,
как на Земле, в то время как ось Марса, казалось, была только слегка наклонена
к плоскости его орбиты, так, что не будет много различия в сезонах для его жителей.
Кроме этого, мало что можно было сказать о планете.
Ситуация, увы, не могла измениться очень быстро. Воздушные телескопы, используемые
Гюйгенсом в последние годы семнадцатого столетия, практически не были усовершенствованы
после этого, и не достигли большего, чем в руках их изобретателя, и они были
тяжелы и трудны в использовании. Гюйгенс завещал свои воздушные телескопы Королевскому
Обществу в Лондоне, но они едва ли когда-либо использовались. 37.5-метровый
телескоп однажды протёрли от пыли, но результаты не были ободрительными. "Те
здесь, кто впервые пробовал использовать это стекло," — один из членов
написал в примечании к Философским Транзакциям Королевского Общества в 1718,
— “находя из-за отсутствия практики некоторые трудности в управлении телескопом,
случайно откладывали его дальнейшее использование в течение некоторого времени.
Впоследствии по предложению доктора Хука его решили зафиксировать перпендикулярно
земле для наблюдений звезд, проходящих через зенит, с целью определения параллаксов,
но в этом мы также потерпели неудачу, из-за отсутствия места достаточной высоты
и твердости, где можно было бы установить стекло объектива, поэтому он лежал
пренебрегаемый в течение многих лет”.
Ясно, что воздушные телескопы не поощряли длительные наблюдения, поэтому не
стоит удивляться, что результаты были настолько скудны за следующие три четверти
столетия — период, который заслуживает быть расцененным как "длинная ночь"
в изучении Марса.
c 1996 Аризонский Пульт Регентов
--------------------------------------------------------------------------------
--------------------------------------------------------------------------------
назад на главную страницу
Сайт управляется системой
uCoz