Открывший конечность скорости света. Оле Рёмер (к 375-летию со дня рождения)

Оле (Олоф, Олаф, иногда Олай) Кристенсен Рёмер (Ole Christensen Romer) родился 15 сентября (25 сентября н. ст.) 1644 г. в Дании в портовом городе Аархус (Орхус, центральная Ютландия) на восточном побережье Дании, в семье небогатого купца Кристена Олесена Рёмера (переселившегося в Данию с острова Рем, откуда и фамилия) и его жены Анны. С 1665 г. при короле Фредерике III Дания была абсолютистской монархией, с 1670 г. ею правил Фредерик IV. Законом 1683 г. укреплялась централизация страны. В XVII в. зарождалась буржуазия – в ущерб аристократии (дворянства) появлялись городские сословия: состоятельные купцы, судовладельцы (развивалась морская торговля), первые промышленники (мануфактуристы). На государственные должности стали назначать представителей из сословия горожан, что впоследствии скажется и на судьбе, и на карьере О. Рёмера.

Получив начальное образование в местной латинской школе, Оле Рёмер уже в эти годы заинтересовался астрономией. Однако, поступив в 1662 г. в Копенгагенский университет, он не только слушал лекции профессора астрономии Ланге, но также изучал медицину и физику у знаменитого физика, последователя Рене Декарта, ректора Копенгагенского университета Эразма (Расмуса) Бартолина (1625-1698), открывшего в 1669 г. явление двойного лучепреломления в кристаллах исландского шпата. С 1669 г. Рёмер стал его помощником и даже жил в его доме, а в дальнейшем женился на его дочери.

В 1664 г. Э. Бартолину было поручено пересмотреть и издать неопубликованные наблюдения Тихо Браге, купленные датским королем у сына Иоганна Кеплера. Рёмер также принял участие в этой работе.

Встреча в 1671 г. с Ж.-Ф. Пикаром, направленным Парижской академией в Данию для уточнения координат обсерватории Тихо Браге, окончательно изменила жизненный путь Рёмера. Имя великого датчанина, память о его уникальных астрономических обсерваториях-замках Ураниенборг и Стьернеборг на острове Вен (в проливе Эресунн между Данией и Швецией) жили в памяти европейских астрономов. Но особый интерес к историческому месту проявил Пикар.

В 1671 г. Ж.-Ф. Пикар приехал в Данию с целью найти остатки и определить координаты обсерватории Тихо Браге, чтобы сравнивать наблюдения Тихо с новыми, выполненными в Париже. Бартолин и Рёмер включаются в это мероприятие. Рёмер становится ревностным помощником Пикара в поисках следов легендарной обсерватории Тихо. От блистательных Ураниенборга и Стьернеборга осталась к этому времени лишь… яма, наполненная мусором! Но координаты этого места, где почти век назад работал Браге, Пикар вместе с Рёмером в 1671-1672 гг. определили.

Пораженный энтузиазмом своего молодого помощника, его познаниями и начитанностью, Пикар увозит Рёме pa с собой в Париж, пригласив его работать в Парижской обсерватории у знаменитого французского астронома Дж.Д. Кассини. Пикар и сам стал ее сотрудником. Начинается основной, пятилетний период научной жизни Рёмера, завершившийся его главным достижением как астронома, которое стало одним из фундаментальных открытий в физике.

Две многовековые научные проблемы стояли тогда перед человечеством: в астрономии после Н. Коперника – обнаружить движение Земли (параллаксы у звезд), а в физике еще более ранняя – проникнуть в загадочную природу света, который, как показывали все наблюдения, распространялся от источника мгновенно. Если для решения первой задачи, возникшей с появлением гелиоцентрической теории мира (и окончательно решенной лишь в первой трети XIX в.), потребовалось достаточное развитие измерительной астрономической техники, то в решении второй главную роль сыграли не только наблюдения, но и острый, смелый аналитический ум Рёмера. Необходимым условием стали и первые успехи оптической астрономии, явно пошатнувшие основы геоцентрической картины мира с открытием Галилеем в 1610 г. спутников у другой, помимо Земли, планеты – Юпитера.

Школьные и студенческие годы Рёмера совпали со стремительным прогрессом в оптической астрономии. Это была первая эпоха расцвета рефракторов (первых настоящих телескопов – изобретение Кеплера, – сменивших пионерские, но непригодные для измерений зрительные трубы Галилея). Именно с ними были сделаны уже в XVII в. основные наблюдательные открытия, прежде всего, в Солнечной системе, в т.ч. имевшие большое практическое значение.

В 1652 г. итальянский физик и астроном Джиованни Баттиста Ходиерна (1597-1660, Сицилия) открыл в системе Юпитера явление затмений его спутников. В 1665 г. итальянец Джованни А. Борелли (1608-1679) создал первую теорию движения спутников Юпитера.

В 1668 г. Дж.Д. Кассини составил первые точные таблицы движения спутников Юпитера с расчетом моментов их затмений (входа в тень и выхода из тени Юпитера). Эти таблицы стали опорой нового метода определения долготы на море – из сравнения моментов затмений спутников Юпитера, отмеченных на корабле, с их моментами, рассчитанными для долготы Парижа (от которого тогда отсчитывались долготы). Земля поворачивается в своем осевом вращении с запада на восток на 15° за 1 час. Различие момента начала затмения спутника Юпитера на месте (в море) и его табличного значения, вычисленного для Парижа, измеренное в часах и умноженное на 15, покажет долготу места. Подобный метод был предложен для определения долгот на море еще Галилеем (по разнице моментов покрытия спутников Юпитером), оказавшись, однако, трудным (из-за качки корабля). Но с развитием настоящего телескопостроения и после открытия затмений спутников Юпитера^ новый метод сменил прежний, менее точный метод «лунных расстояний» – определения долготы по различию моментов одинакового расстояния определенной звезды от Луны, предложенный немецким астрономом и математиком Региомонтаном (1436-1476).

Однако и этот многообещающий метод принес неожиданный сюрприз. Рёмер и Пикар, еще работая на острове Вен, а Кассини в Париже, отмечая моменты затмений первого спутника Ио (наиболее близкого к Юпитеру с наименьшим периодом оборота вокруг него), обнаружили их расхождения с табличными, вычисленными данными. Уточнение таблиц затмений спутников Юпитера стало одной из важных практических задач астрономии, чем и занялись Кассини и Рёмер, с 1672 г. новый помощник Кассини в Парижской обсерватории. Кассини и Рёмер обратили при этом внимание на различие самих расхождений: запаздывание или опережение наблюдаемых моментов затмений. Кассини даже заподозрил было в этом не бесконечную скорость света и опубликовал в 1675 г. пару коротких статей по данному факту. Но затем отказался от своей гипотезы: для него эффект так и остался загадкой.

Намного более тщательно исследовал его Рёмер. И тут помогло… достаточно скромное состояние тогдашней оптической астрономии: телескопы XVII в. не улавливали «излишней» информации, открывая астрономам только главные черты Солнечной системы – крупные спутники планет. Первый после галилеевых спутников у Юпитера, пятый спутник Амальтея был открыт только в 1892 г., почти через 300 лет! К концу XX в. у Юпитера открыли с помощью межпланетных автоматических станций более 60 спутников, а в настоящее время их известно уже 79! В такой мешанине малых тел вокруг Юпитера могли затеряться особенности движения четырех его главных «лун».

Восстановить непростой путь Рёмера к своему открытию помог уникальный исторический документ – обнаруженная в библиотеке Копенгагенского университета в 1913 г. страничка рукописи с записями Рёмера своих наблюдений затмений Ио. Этот путь воспроизведен в статье датского профессора К. Ролфса, опубликованной в 1974 г., где приведена и схема из публикации Рёмера (1676 г.), с помощью которой он поясняет свой анализ загадочного эффекта.

Проведя в 1671-1676 гг. длинный ряд наблюдений моментов затмений ближайшего спутника Юпитера Ио, зафиксированных с точностью до секунды, Рёмер выделил в нем два периода. В течение одного отмечались моменты окончания затмений (выход спутника из тени Юпитера – Emersion), в течение другого – моменты их начала (вхождение в тень планеты – Immersion). Рёмер наблюдал шесть моментов конца затмения Ио с 9 h 22 m 0 s 18.04.1673 до 8 h 30 m 41s 4.08.1673. За этот промежуток времени имел место 61 оборот Ио, так что на один его оборот приходился 1 d 18 h 28 m 46 s. А за предыдущий период – с 28.11.1672. 9 h 37 m 5 s по 24. 03.1673. 12 h 24 m 30 s им наблюдалось 9 моментов погружения Ио в тень от Юпитера, и для одного оборота Ио Рёмер получил значение 1 d 18 m 27 s. Таким образом, средний оборот Ио оказался на этом интервале наблюдений на 1 m 19 s короче. Далее К. Ролфс цитирует пояснения Рёмером своей схемы затмений Ио: «Пусть А – Солнце, В – Юпитер, С – первый спутник, который входит в тень Юпитера, чтобы выйти bD, и EFGHLK – Земля на разных расстояниях от Юпитера. Предположим, что Земля, будучи в L (во второй квадратуре Юпитера), увидела первый спутник при его выходе из тени в D; а потом спустя около 42,5 часов (время одного оборота этого спутника), когда он вернется в D, Земля перейдет в К. Ясно, что если свету требуется время, чтобы пересечь промежуток LK, возвращение спутника мы увидим позже, чего не было бы, если бы Земля оставалась в L, так что период обращения этого спутника, наблюдаемый по его появлениям из тени, будет длиннее на столько, сколько времени свет будет проходить из L в К». Истинное орбитальное время для Ио получается как среднее за синодический период Юпитера (399 дней). Такой период, по наблюдениям Рёмера, прошел между 14 марта 1672 г. и 18 апреля 1673 г., что дает для периода Ио – 1 d 18 h 28 m 31 s, то есть время в 61 оборот Ио на интервале наблюдений LK должно было бы составить 107 d 22 h 59 m 31 s. Но, по наблюдениям Рёмера, оно оказалось равным 107 d 23 h 14 m 55 s, то есть общая задержка (конца затмений Ио) на этом интервале времени составила 15 m 24 s. За второй интервал времени наблюдений затмения в среднем наблюдались чаще табличных значений, не запаздывая, а опережая их. Отбросив мысль об изменении орбитальной скорости спутника (да еще таком «упорядоченном» и с противоположными знаками!), Рёмер убедился, что причина обоих эффектов в изменении расстояния между Землей и Юпитером,о чем уже догадывался Кассини. Рёмеру были известны и догадки Галилея о конечности скорости света и даже его попытки доказать это на опыте по наблюдениям двух отдаленных на несколько км друг от друга наблюдателей с фонарями, как и категорическое отрицание Декартом не мгновенности распространения света (иногда то же приписывают английскому естествоиспытателю и изобретателю Роберту Гуку). Опережение затмений, как стало понятно из последующего объяснения Рёмером эффекта, свидетельствовало о том, что таблицы Кассини составлял вскоре после прохождения Землей точки (Н) противостояния с Юпитером, когда период обращения спутника был наименьшим, совпадающим со средним за синодический период Юпитера (399 дней).

Рудольфинские таблицы Кеплера показывали, что расстояние между Землей и Юпитером (LK) за указанный промежуток времени увеличилось на 1,38 радиуса орбиты Земли. Для преодоления расстояния в 1 радиус земной орбиты свету понадобилось бы: 15 мин 24 с: 1,38 = 11 мин 09 с. (В литературе пишут иногда ошибочно, что Рёмер определил непосредственно время, необходимое свету для преодоления диаметра земной орбиты в 22 мин, откуда следовало для преодоления ее радиуса – 11 мин. Но в этот момент Юпитер находится в соединении с Солнцем и не наблюдаем с Земли!) По первой реалистической оценке солнечного параллакса Кассини в 1672 г. (9,5″) радиус земной орбиты (расстояние Земли от Солнца, или астрономическая единица) был оценен Кассини в 140 млн км, откуда Рёмер впервые получил конечное значение скорости света – 140 млн км: 11 мин 09 с = 209268 км/с.

В субботу 21 ноября 1676 г. Рёмер доложил о своем открытии в Парижской академии наук. Маститые физики-академики не только не поверили столь необычному, немыслимому результату, но и чуть ли не высмеяли его. Кассини также усомнился в интерпретации Рёмера и отказался от своей же первоначальной гипотезы, оставаясь до конца жизни противником объяснения Рёмером «загадочного эффекта» в затмениях спутников Юпитера.

Лишь нидерландский астроном Христиан Гюйгенс – один из первых членов Парижской академии наук – сразу оценил результат Рёмера, назвав его «великолепным открытием» в письме осенью того же 1676 г. к Ж.-Б. Кольберу – основателю и попечителю Парижской академии.

7 декабря 1676 г. в академическом «Журнале наук» появилась первая краткая публикация Рёмера о конечности скорости света – DEMONSTRATION TOUCHANT LE MOUVEMENT de la lumiere trouve par M. Romer de 1 Academie Royale des ciences («Демонстрация, касающаяся движения света, представленная г-ном Рёмером из Королевской академии наук»). В публикации, в частности, сообщалось: «В течение длительного времени философы пытаются в тех или иных опытах решить, переносится ли действие света мгновенно, на каком бы расстоянии ни находился [источник], или это требует времени. Г-н Рёмер из Королевской академии наук показал на основании наблюдений первого спутника Юпитера, что для преодоления расстояния около 3000 льё, равного размеру земного диаметра, свету не требуется и секунды времени».

Благодаря высокому научному авторитету Гюйгенса, академия (за исключением Кассини) спустя два года признала открытие Рёмера. В 1678 г. в отчете Кольберу Парижские академики докладыва-ли: «С помощью новых наблюдений, господин Рёмер смог подтвердить свое понимание скорости света, утверждая, что это движение не мгновенное… Кассини находит трудности, чтобы принять такое объяснение, и это часто обсуждалось на наших собраниях. Академия, однако, считает, что этот метод… лучший и самый разумный из всего, что было предложено до сих пор».

Крупнейшие ученые того времени: И. Ньютон, Э. Галлей, Г.В. Лейбниц также приняли открытие Рёмера и ссылались на него.

По своей роли в истории естествознания и в развитии общей картины мира открытие Рёмера сравнимо с открытиями, сделанными на основании астрономических наблюдений: всемирного тяготения Ньютоном в 1666 г. и инфракрасного излучения В. Гершелем в 1800 г..

Но Рёмера ожидали новые сюрпризы. По своим наблюдениям затмений Ио в 1671, 1672,1673 гг. он получил несколько различное время преодоления светом радиуса земной орбиты; 10 мин 45 с, 11 мин 09 с, 11 мин 28 с. Оценки скорости света колебались: 217054 км/с (140 млн км: 10 м 45 с); 209268 км/с (140 млн км: 11 м 9 с); 203488 км/с (140 млн км: 11 м 28 с). Рёмер перепроверил свои результаты для скорости света как мог и подтвердил их верность. Заниженный общий результат Рёмера объяснялся все еще завышенной в его время оценкой параллакса Солнца и, следовательно, заниженной для величины а.е. Но причина небольших колебаний в запаздывании затмений, отразившаяся на оценках скорости света Рёмером, оказалась реальной (хотя тогда еще необъяснимой), подтвердив высочайшую точность его наблюдений!

Лишь спустя почти три четверти века стала открываться эта дополнительная, небесно-механическая причина различий в оценках Рёмера скорости света по запаздыванию затмений Ио. Новые наблюдения показали, что три соседних внутренних спутника Юпитера (Ио, Европа и Ганимед) имеют почти соизмеримые орбитальные периоды (PI = 1,769 сут, РII = 3,551 сут, РIII – 7,155 сут), следовательно, имеют сильное влияние друг на друга. Шведский небесный механик П.В. Варгентин в 1746 г., а затем английский астроном Дж. Брадлей в 1749 г. обнаружили, что взаимное положение трех указанных спутников Юпитера через 436,7 сут с большой точностью повторяется после 247 оборотов первого спутника или 123-х второго или 61-го третьего. Местоположение спутников на их орбитах, таким образом, в течение этого периода нарушается, и время входа или выхода из тени может сместиться на величину до 3 мин 20 с. Французский астроном П.С. Лаплас в конце XVIII в. завершил исследование эффекта, открыв тройной резонанс в движении Ио, Европы и Ганимеда (законы Лапласа). А его проявление впервые открыл Рёмер, доказав и реальность загадочного эффекта.

Но никакие научные достижения не могли противостоять жесткой нетерпимости католической королевской Франции XVII в.! Великие астрономы-протестанты Оле Рёмер, как и Христиан Гюйгенс, в конце века должны были ее покинуть. Вернувшись в 1681 г. в Данию, Рёмер получил высокую оценку от короля Фредерика IV – стал профессором астрономии в университете Копенгагена и королевским математиком, создал Королевскую обсерваторию, оснастив ее новыми инструментами своей конструкции.

Автор еще одной статьи о Рёмере копенгагенский профессор астроном С.Э. Стрёмгрень подчеркивает, что Оле Рёмер изобрел и, главное, при этом еще и построил первые современные широко известные ныне астрономические инструменты: пассажный инструмент, меридианный круг, два прообраза универсального астрономо-геодезического инструмента (с азимутальной и экваториальной монтировкой, последний был позднее, в 1808 г. изготовлен И.Г. Репсольдом (1770-1830) для Гамбургской обсерватории как телескоп-экваториал) и др. В книге по истории астрономии Г. Форбса подробно описывается второй из них: «В 1681 году Рёмер… построил первый транзитный круг [в дальнейшем названный меридианным кругом – для наблюдений звезд в меридиане в момент их кульминации] на подоконнике своего дома. Железная ось имела пять футов в длину и полдюйма в толщину, а телескоп был закреплен на одном конце с помощью контрпаузы. Труба телескопа представляла собой двойной конус, предотвращающий [ее] прогибание. В фокусе использовались [помещались] три горизонтальных и три вертикальных нити [для фиксирования положения звезды]. Они освещались с помощью зеркальца, отражающего свет от фонаря, установленного над осью близ линзы объектива (the object-glass), для чего верхняя часть трубы телескопа была частично вырезана, чтобы пропускать свет. Для считывания склонений был предусмотрен разделенный круг с указателем и микроскопом для чтения»16.

Стрёмгрен особенно отмечает как существенный вклад Рёмера – новую монтировку комплекса из двух его первых инструментов – на горизонтальной оси, причем у второго (пассажного инструмента, на рис. справа) предусматривалась возможность перекладывать инструмент, меняя положения его горизонтальной оси в опорах на противоположные, что исправляет ошибку за неточную ортогональность по отношению к ней трубы. Отмечается им и остроумие Рёмера: расчеты в относительных, а не в абсолютных величинах, например, астрономических расстояний. Следует упомянуть, что Рёмеру принадлежит изобретение и ряда физических приборов, например термометров. В «Старых мемуарах парижской академии» были напечатаны некоторые сообщения Рёмера о его изобретениях. Общее число его изобретений оценивают едва ли не в 50 инструментов и приборов. Недаром Рёмера называли «северным Архимедом»!

Все рукописи Рёмера, а также инструменты погибли во время трехдневного пожара в Копенгагене в 1728 г., но сохранились их описания в книге его ученика Педера Горребоу «Основания астрономии» (1735). Они и положили начало оснащению европейских обсерваторий первыми современными точными измерительными инструментами. В 1913 г., как уже говорилось, нашлась в библиотеке Копенгагенского университета и страничка рукописи с наблюдениями затмений спутника Юпитера (использованная в дальнейшем профессором Ролфсом).

В традиционных поисках параллаксов у звезд Рёмер в течение 18 лет наблюдений в Копенгагене определил склонения и прямые восхождения более 1000 звезд, составив их каталог. К счастью, он уцелел при пожаре (возможно, был уже в напечатанном виде!) и был в дальнейшем использован для определения собственных движений у первых десятков звезд после открытия его в 1718 г. у первых трех Эдмундом Галлеем.

Оле Рёмер дважды был ректором Копенгагенского университета. Будучи королевским математиком, по поручению короля он разработал национальную систему мер и весов для Дании, которую ввели 1 мая 1683 г. В 1705 г. Рёмер был назначен на должности полицеймейстера и бургомистра Копенгагена, которые занимал до конца жизни. Он, в частности, предложил поставить уличные фонари на улицах Копенгагена. Рёмер провел первые градусные измерения в Дании и установил вехи (верстовые столбы) вдоль главных дорог. Наконец, Рёмеру принадлежит заслуга введения в Дании в 1710 г. Григорианского календаря. После возвращения Рёмера на родину в печати (видимо, помимо его звездного каталога) появились два его сочинения в Miscellanea Berolinensia: Descriptio luminis borealis («Описание северного сияния»), 1,1710 и De instrumento astronomicis observationibus inserviente a se invento (об изобретенных им астрономических инструментах) III, 1727 (посмертно).

Умер Оле Рёмер 19 сентября (н. ст.) 1710 г. от «каменной болезни» (камней в почках), не дожив 6 дней до своего 66-летия.

Стрёмгрен называет Тихо Браге и Оле Рёмера – двумя эпохальными личностями в истории Дании по их вкладу не только в отечественную, но и в мировую наблюдательную астрономию. Мемориальная табличка с текстом о великом открытии О. Рёмера помещена на здании Парижской обсерватории. В 1935 г. Международный астрономический союз присвоил имя Рёмера древнему кратеру на Луне. Среди бесчисленных памятников в Копенгагене с множеством памятников Тихо Браге и даже Кеплеру, памятника Рёмеру найти не удалось. Но, по некоторым сведениям, недавно в малоизвестном местечке Врислёсемагле (Дания) был установлен скромный памятник молодому Оле Рёмеру.