Лаплас рассмотрел проблему теоретически и убедился, что нет никакой причины, которая могла бы вызвать такие большие последствия. Ось Земли, как и продолжительность суток, Должны быть неизменны при всех мыслимых перемещениях масс у поверхности Земли или в ее глубине.
Недавно наблюдения обнаружили систематическое колебание широт, для изучения которого советское правительство содержит одну из международных «широтных станций» (в Китабе, около Самарканда). Найденные перемещения полюса по земной поверхности происходят приблизительно по спирали и не выходят из пределов круга радиусом около десятка метров, с периодом несколько больше года. Эти незначительные колебания земной оси не противоречат выводам Лапласа и не являются серьезной угрозой для изменения климатов.
Фигура Луны, сопровождающей нас в беге Земли вокруг Солнца, должна быть еще сложнее, чем фигура Земли. Лаплас занимался и ею, в частности вопросом, который всегда так интересует школьников: почему Луна повернута к Земле одной и той же стороной? Работа Лагранжа недостаточно осветила это явление, и Лаплас нашел, что Луна должна быть слегка вытянута по направлению к Земле. Эта особенность вызывает во вращении Луны вокруг оси возмущения, обусловленные Землей и не позволяющие Луне покачнуться так, чтобы стала видна большая часть той отвернутой от нас ее половины, про которую Уэльс и другие писатели-фантасты написали увлекательные романы.
Теория приливов
Последнее явление, связанной с Луной и отраженное в трудах Лапласа, океанские приливы и отливы. Приливная волна дважды в сутки поднимается и затопляет берега прибрежных местностей. Во внутренних морях эта волна невелика, но в устьях рек, впадающих в обширный океан, она позволяет даже глубоко сидящим судам заходить далеко вверх по течению. Дважды же в сутки волна прилива спадает и уступает место отливу, когда корабли должны спешно выходить из реки обратно в море, чтобы не сесть на мель. Все чаще и чаще говорят о необходимости и даже пробуют использовать технически (для гидроэлектростанций) колоссальную энергию приливов. Все это требует возможности предсказывать время наступления приливов и их высоту.
Рис. 7. Схема смены приливов.
Но приливы изменчивы и капризны. Высота их на берегах открытого океана в зависимости от разных условий колеблется от 50 сантиметров до 21 метра, да и время их наступления чередуется по сложному закону. Даже в одной и той же местности высота и время приливов сильно меняются.
Ньютон указал, что приливы и отливы вызваны различием в притяжении Луной и Солнцем близких к ним и более далеких частей водной оболочки Земли. Все же Ньютон был очень далек от придания теории приливов формы, способной удовлетворить запросы мореплавания.
Луна, находясь на одной прямой с Солнцем и Землей (в новолунии и полнолунии), увеличивает высоту приливов, действуя совместно с Солнцем. Во время первой и последней четверти Луны, когда она видна с Земли под прямым углом к Солнцу, притяжение Солнца уменьшает прилив, вызванный Луной. Лунный прилив стремится быть наибольшим в той точке Земли и в то время, где и когда Луна видна в зените, т. е. прямо над головой. Однако из-за сложности лунного движения положение этой точки на Земле все время меняется. Если еще вспомнить о непрерывных изменениях расстояния между Землей, Луной и Солнцем и о многочисленных возможных комбинациях в их взаимном расположении, то получится некоторое представление о трудностях, с которыми сталкивается даже чисто астрономическая теория приливов.
Бернулли, Эйлер и Маклорен тщетно пытались создать теорию, сколько-нибудь годную для практических нужд. Они создали так называемую статическую теорию приливов, допуская для простоты расчетов, что поверхность воды в каждый данный момент мгновенно принимает фигуру равновесия под действием приложенных к ней приливных сил. При этом они считали, что земной шар целиком окружает океан одинаковой глубины и что вода идеально подвижна… Конечно, эти предположения не соответствуют действительности.
Лаплас повернул дело совсем по-новому и создал динамическую теорию приливов. Из всех сил, действующих на воду по направлению к Луне, Лаплас принял во внимание только силы, касательные к поверхности воды, так как лишь они играют в явлении приливов серьезную роль. Эти силы на рис. 8 изображены стрелками и заставляют воду образовывать выпуклость, направленную к Луне и от нее. (Солнце действует точно так же, но вызываемые им приливные силы вдвое меньше, чем в случае Луны). В полосе этих выпуклостей (А и В на рис. 7) и находятся приливы, которых, как мы видим, одновременно бывает два на противоположных сторонах земного шара. В остальных частях Земли (Д и С на рис. 7) происходит отлив. Положение Луны на рисунках отмечено буквой L.
Рис. 8.
Лаплас вынужден был также допустить для упрощения теории, что океан равномерно окружает всю Землю и имеет постоянную глубину. Поэтому можно было ожидать, что его теория будет применима лишь к островам, но не к берегам материков. Новизна исследований Лапласа заключалась, главным образом, в том, что он изучал, какую форму должна принять водная поверхность под действием так называемых вынужденных колебаний, т. е. колебаний всей водной массы под действием приливных сил.
Очень подробные изыскания проделаны Лапласом для различных глубин океана и сравнены с многолетними наблюдениями приливов в Брестском порту.
Результаты, полученные Лапласом, не дали практикам того удовлетворения, которого они домогались, но и сейчас нельзя еще предсказывать приливы на основе одной лишь чисто астрономической теории. Однако теоретическое значение работы Лапласа огромно и гораздо шире, чем задача предсказания приливов. Будущая теория, окончательно разрешая этот вопрос, не обойдется без упоминания имени Лапласа. Вот что сказал о нем на рубеже XX столетия лучший знаток теории приливов Джордж Дарвин: «Именно он (Лаплас) впервые выяснил всю трудность вопроса и показал, что вращение Земли является важнейшим фактором в решении задачи. Современная постановка вопроса о явлении приливов всецело дана Лапласом… Среди всех великих ученых работ, трактовавших этот вопрос, выделяется, во-первых, работа Ньютона, а за ним мы должны сейчас же поставить Лапласа. Какие бы оригинальные и важные труды по теории приливай в будущем ни появлялись, все они неизбежно должны основываться на выводах этих великих людей».
Лаплас сам прекрасно знал, в чем состоит основная трудность практических применений теории приливов.
Океаны не покрывают Землю сплошь. Берега материков препятствуют движению воды по направлению движения Луны. Глубина моря различна, и дно очень неровно. Это создает трение, тормозящее движение воды и даже вращение Земли в целом. Учесть все эти влияния, даже если бы был точно известен рельеф океанского дна и его геологический состав, – дело непосильное и для современной науки. Тем не менее, теория приливов и приливного трения, которому большое внимание уделил Энгельс в «Диалектике природы», была применена к об'яснению того, как родились Луна и двойные звезды, каково далекое будущее их и нашей Земли.
Вместе с тем Лаплас был первым, рассмотревшим приливы в земной атмосфере. Он рассеял своими исследованиями убеждение, что Луна влияет своим притяжением на показания барометра.
Природа тяготения
Занимаясь приложением теории тяготения к разнообразнейшим явлениям, Лаплас не прошел мимо проверки основных принципов тяготения.