НОВОЕ ТОЛКОВАНИЕ СТАРОГО ЗАКОНА

Шепелёв Виктор Васильевич

Гипотезы облегчают отыскание истины как плуг земледельца облегчает выращивание полезных растений.

Д.И. Менделеев

Каждая фундаментальная наука в процессе развития формирует свою систему понятий, которая вписывается в общую картину познания человечеством окружающего мира. Ведущее место среди других наук в создании научной картины мира принадлежит, безусловно, астрономии. Это одна из древнейших областей знания, имеющая почти трехтысячелетнюю историю. Современная астрономия – обширная научная область, включающая как целый ряд частных наук (астрометрия, космология, космогония, небесная механика, сравнительная планетология, метеоритика и др.), так и научные направления, развивающиеся на стыке с другими дисциплинами (астрофизика, космофизика, космохимия и др.).

За последние 50 лет астрономия, благодаря интенсивному развитию космических исследований, совершенствованию технических средств, методов наблюдений, достигла огромных успехов, существенно углубила и расширила наши представления об окружающем космическом пространстве и Вселенной в целом. Тем не менее, в этой науке имеется ряд нерешенных актуальных теоретических проблем, касающихся, прежде всего, Солнечной системы. Многие исследователи отмечают парадоксальный факт – удаленные от нас космические объекты (галактики, звезды, туманности) изучены более основательно в теоретическом отношении, чем Солнечная система [1-3].

Одной из актуальных проблем в изучении Солнечной системы является удовлетворительное объяснение определенного порядка в расположении планет и их спутников. Коротко остановимся на предыстории этой проблемы.

В 1766 г. немецкий физик и математик Иоганн Тициус (рис. 1) своем переводе с французского книги Шарля Боне «Созерцание природы» поместил примечание, в котором представил выведенную им формулу, определяющую расстояние планет от Солнца [4,5]:


Сначала на полученную Тициусом зависимость мало кто из астрономов того времени обратил внимание. Она приобрела широкую известность, благодаря немецкому астроному Иоганну Боде (1747-1826 гг.), который постоянно подчеркивал важность данной закономерности для Солнечной системы, излагая и комментируя ее в своих научных трудах. Именно по этой причине формула (1) стала называться законом или правилом Тициуса-Боде.

Всеобщее признание она получила в 1781 г., когда была открыта планета Уран, среднее расстояние которой от Солнца (19,18 а.е.) примерно соответствовало расчетам по правилу Тициуса-Боде (19,6 а.е.). В начале XIX в. между орбитами Марса и Юпитера были обнаружены первые крупные астероиды, что явилось хорошим подтверждением установленного правила.

По существу, формула (1) выражает геометрическую прогрессию: 0; 3; 6; 12; 24; 48 и т.д. Если к каждому члену этой прогрессии прибавить 4, а полученную сумму разделить на 10, то получается последовательность, числа которой с определенной погрешностью выражают средние расстояния планет от Солнца в астрономических единицах (табл. 1).


Как следует из табл. 1, расчет расстояний по правилу Тициуса-Боде дает большие погрешности для дальних планет Солнечной системы и особенно для Нептуна и Плутона. В связи с этим предпринимались многочисленные попытки его модифицировать. В формулу (1) вводились, например, дополнительные периодические функции, различные множители и коэффициенты, дробное основание степени и т.д. Одним словом, осуществлялась своеобразная подгонка зависимости Тициуса-Боде к получению известного результата. При этом наибольшее приближение к наблюдаемым данным дали уточнения, предложенные М. Блэггом [6], Д. Ричардсоном [7], Т. Хааром и А. Камероном [8]. Однако, как справедливо отмечают многие исследователи, сегодня важен не поиск путей дальнейшего усовершенствования правила Тициуса-Боде, а выяснение причин существования подобной закономерности, поскольку она, безусловно, связана с фундаментальными вопросами происхождения и эволюции Солнечной системы.

Следует сказать, что различных теорий, объясняющих зависимость типа Тициуса-Боде, было выдвинуто достаточно много. Обосновывалась, например, электромагнитная, гравитационная, небулярная и резонансная природа этого закона. Серьезный анализ предложенных теорий был проведен американским астрономом М. Ньето [8]. Вывод автора был неутешительным. По его мнению, ни одна из существующих теорий «…не может объяснить происхождение геометрической прогрессии для планетных расстояний и в то же время устоять перед всей критикой» [9, стр. 166].

Таким образом, проблема теоретического объяснения зависимости типа Тициуса-Боде пока далека от разрешения. Следовательно, необходим дальнейший поиск гипотез и теорий. Причем этот поиск должен быть основан на новых подходах, поскольку получить удовлетворительное разрешение данной проблемы в рамках старых представлений невозможно.

Предлагаемое автором настоящей статьи решение проблемы базируется на некотором отступлении от общепринятых в небесной механике представлений, рассматривающих взаимодействие небесных тел как материальных точек. Суть предлагаемого подхода заключается в следующем.

Известно, что такие небесные тела, как звезды, планеты и их спутники являются сферическими. Это связано с тем, что сфера, обладающая наименьшей поверхностью, полной симметрией и максимальной емкостью, наиболее энергетически выгодная геометрическая форма самоорганизации материи. К тому же, практически все сферические небесные тела имеют отчетливую оболочечную структуру. Так, в строении Земли выделяются внешняя оболочка (земная кора), верхняя и нижняя мантийные оболочки, оболочка ядра и ядро (рис.2). Атмосфера нашей планеты также состоит из различных газовых оболочек (тропосфера, стратосфера, мезосфера и т.д.). Подчеркивая подобную структуру Земли и ее атмосферы, В.И. Вернадский, например, отмечал, что «…эти концентрические оболочки находятся в устойчивом динамическом равновесии…, которое в отличие от механизма можно назвать организованностью планеты» [10, стр. 111].


Аналогичными многослойными оболочками обладают внутренние и внешние сферы Солнца и других планет. При этом каждая оболочка имеет присущие только ей свойства, а также характерные для нее параметры (радиус кривизны, толщину, скорость вращения и т.д.). Однако есть одно общее свойство для всех сферических оболочек - их замкнутость [11]. Это означает, что внешние напряжения, действующие на оболочку, как бы уравновешивают сами себя ввиду сферичности ее формы. Следует также отметить, что многослойность оболочек порождает новые свойства их системы в целом.

Внешние оболочки Солнца и планет, безусловно, существенно отличаются от внутренних. К сожалению, в теоретическом отношении подобные оболочки практически не изучены. В связи с этим можно лишь выделить следующие их главные особенности.

1. Внешние оболочки формируются в среде с очень малой плотностью.

2. Толщина этих оболочек значительно меньше радиуса их кривизны, т.е. они являются относительно тонкостенными. При этом толщина их возрастает пропорционально радиусу кривизны.

3. Скорость вращения внешних оболочек вокруг оси центрального притягивающего тела существенно превышает скорость собственного вращения этого тела.

4. Внутри отдельных оболочек гравитационное воздействие Солнца не сказывается. В них создаются свои внутренние гравитационные поля, под влиянием которых осуществляется концентрация вещества с образованием планет, спутников, астероидов и газопылевых сгущений. При этом основная часть формирующихся небесных тел сосредоточивается в определенной плоскости, проходящей через центр сферы. Эта особенность является следствием того общего свойства, которое приобретает система оболочек в целом под влиянием в основном магнитных и центробежных сил, возникающих в данной многослойной системе.

5. Скорость вращения внешних оболочек вокруг оси уменьшается с увеличением радиуса их кривизны и не зависит от массы вещества, содержащегося в них.

Таким образом, планеты Солнечной системы, как и их спутники приурочены к определенным сферическим оболочкам. Следовательно, зная их особенности и свойства, можно по-новому подойти к разрешению проблем происхождения и эволюции небесных тел в космическом пространстве и, в частности, к выяснению закономерностей их расположения и взаимосвязи.

Обратимся к пятой указанной особенности внешних сферических оболочек Солнца и планет. Она свидетельствует о том, что масса и форма концентрации вещества в той или иной оболочке не оказывают влияния на ее основные параметры и характер взаимодействия с центрально притягивающим телом. Это означает, что систему «Солнце-планета», например, нельзя рассматривать как две материальные точки. Ее следует представлять как систему, в которой Солнце взаимодействует с соответствующей внешней оболочкой, внутри которой находится данная планета. Положение центроида (центра тяжести) в такой системе можно определить, воспользовавшись второй теоремой Паппа [12]. Из нее следует, что дуга, имеющая длину L, при вращении вокруг оси, образует поверхность с площадью


Поскольку сфера образуется путем вращения полуокружности с радиусом кривизны R, то по формуле (2), получаем, что центроид сферической оболочки в системе «Солнце-планета» располагается на расстоянии R (2/p) от оси вращения. При этом получается, что величина δ для данной сферической оболочки совпадает с радиусом кривизны соседней с ней оболочки, расположенной ближе к центру их вращения. Так, для системы «Солнце-Венера», центр тяжести оболочки этой планеты находится на траектории орбиты Меркурия, а центроид системы «Солнце-Земля» - на орбите Венеры и т.д. Приуроченность центроида каждой внешней оболочки Солнца к положению соседней с ней оболочки меньшего радиуса связывает эту многослойную систему в единое целое и наделяет ее общими свойствами, характерными для Солнечной системы в целом. Каждая внутренняя оболочка в этой системе является как бы опорой или основой для следующей за ней внешней. В результате этого создается как бы сквозной силовой каркас, связывающий отдельные оболочки между собой и с Солнцем.

Если за начальную поверхность отсчета в подобной многослойной системе принять границу, разделяющую внутреннюю и внешнюю сферы Солнца, то радиус кривизны внешних его оболочек Rn можно определить по формуле:


Результаты расчета по формуле (3) для внешней сферы Солнца при r0=0,6956•10 в 9 м, или 4,656•10 в -3 а.е., представлены в табл. 2.


Средняя абсолютная погрешность расстояний планет от Солнца, рассчитанная по формуле (3), значительно меньше погрешности, получаемой с использованием зависимости Тициуса-Боде. При этом наибольшая абсолютная погрешность получается для массивных планет и, прежде всего, для тех, которые обладают обратным вращением, то есть не совпадающим по направлению с движением их по орбите (Уран, Нептун).

Своеобразием выявленной закономерности является то, что между орбитами Марса и Юпитера она выделяет два пояса астероидов, а не один, как следует из зависимости типа Тициуса-Боде. Это в принципе соответствует наблюдаемым данным, если учесть существование двух основных групп метеоритов - каменных и железных. В табл. 2 указано также расчетное расстояние, на котором возможно обнаружение новых небесных тел в Солнечной системе.

Формулу (3) можно применить и для спутниковых систем. В этом случае за величину r0 следует принимать радиус соответствующей планеты (ri). Все результаты расчета по формуле (3) в графическом виде представлены на рис. 3.


Полученный график свидетельствует о том, что большие полуоси орбит всех известных планет и спутников имеют строгую нормированность. Параллельность линий связи в рассматриваемой зависимости указывает на единый механизм образования планетных и спутниковых систем. Особый интерес представляет совпадение числа n у некоторых спутников и планет. Так, для спутников Ганимед, Титан, Титания, Тритон и Харон n = 6, несмотря на то, что они принадлежат разным планетам и располагаются от них на разных расстояниях. Наша планета с n = 12 имеет в этом отношении свои аналоги - спутника Сатурна Фебу и спутника Нептуна Нереиду. Подобное совпадение n для небесных тел с различными по диаметру орбитами свидетельствует о сходных условиях их формирования. Так, все указанные выше пять спутников, для которых n=6, являются самыми крупными для своих планет, а Ганимед, Титан и Тритон - рекордсмены по размерам и массе среди всех спутников Солнечной системы. Несмотря на разную удаленность от планет, все они имеют примерно одинаковый период обращения и равное отношение радиуса орбиты к радиусу планеты. Аналогичное сходство отмечается и у Земли с Нереидой и Фебой. Примечательно, что период обращения Нереиды вокруг планеты Нептун составляет 360,2 суток, т.е. практически равен времени оборота Земли вокруг Солнца (365,2 сут.).

Таким образом, принципиально новый подход, примененный автором для теоретического обоснования зависимости типа Тициуса-Боде, выявил более определенную закономерность в размещении небесных тел в Солнечной системе и в характере их взаимосвязи. Этот подход, основанный на представлении об оболочечной структуре окружающего космического пространства, возможно, позволит по-новому подойти к разрешению таких фундаментальных проблем астрономии, как происхождение, эволюция и устойчивость спутниковых, планетных и звездных систем в нашей Галактике.


Литература

1. Демин В.Г. Судьба Солнечной системы. - М.: Наука, 1975. - 264 с.

2. Маров М.Я. Планеты Солнечной системы. - М.: Наука, 1986. - 256 с.

3. Сафронов В.С. Происхождение Земли. - М.: Знание, 1987- 48 с.

4. Ленг К. Астрофизические формулы. Руководство для физиков и астрофизиков. В 2-х ч. - М.: Мир, 1978. - Ч. 2. - 389 с.

5. Климишин И.А. Астрономия наших дней. - М.: Наука, 1986.- 560 с.

6. Blagg M. On a suggested substitute for Bode's Law. - Mon. Not. Roy. Astron. Soc. - № 73. - Р. 414 - 422 (1913).

7. Richardson D.E. Distances of planets from the Sun and of satellites from their primaires in the satellite systems of Jupiter, Saturn and Uranus. - Pop. Astron. - № 53. - Р. 14-26 (1945).

8. Ter Haar D., Cameron A.G.W. Historical review of theories of the solar system. - New York, Academic Press, 1963.

9. Ньето М. Закон Тициуса-Боде. История и теория. - М.: Мир, 1976. - 188 с.

10. Вернандский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. - М.: Наука, 1965. - 375 с.

11. Андреев Л.В. В мире оболочек. - М: Знание, 1986. - 176 с.

12. Берс Л. Математический анализ. Т. II. - М.: Высшая школа, 1975. - 544 с.


Шепелёв Виктор Васильевич
доктор геолого-минералогических наук, профессор, заслуженный деятель науки РС(Я), заместитель директора по науке Института мерзлотоведения СО РАН, главный редактор журнала «Наука и техника в Якутии»


`На
`Институт
Яндекс.Метрика