Александр Петров - Гравитация. От хрустальных сфер до кротовых нор
Рис. 2.1. Николай Коперник
На самом деле, на всем протяжении развития физики, начиная со времен Аристотеля, высказывались идеи о возможном устройстве мира, в центре которого находится Солнце. Впервые об этом прямо заявил древнегреческий астроном, математик и философ Аристарх Самосский (ок. 310–230 г. до н. э.), но в те времена доказать это было невозможно. Коперник еще студентом познакомился с подобными доктринами. В результате он пришел к убеждению, что наблюдаемые движения небесных тел лучше всего объясняются двумя движениями Земли: ее вращением вокруг своей оси и обращением вместе с другими планетами вокруг Солнца. В этой системе планеты располагались в следующем порядке по мере удаления от Солнца: Меркурий, Венера, Земля (с Луной), Марс, Юпитер, Сатурн. Далее, как предполагалось, расположена сфера неподвижных звезд (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Гелиоцентрическая система мира Коперника
Каковы же были предпосылки для построения гелиоцентрической системы? Птолемеевская система, кроме громоздкости, страдала явной несистематичностью, отсутствием целостности. Каждая планета рассматривалась сама по себе, имела отдельные, фактически собственные, законы движения.
Установка на поиск внутреннего единства была той основой, вокруг которой концентрировалось стремление создать гелиоцентрическую систему. Ее построение, в определенной мере, было связано и с необходимостью реформы юлианского календаря, в котором моменты наступления равноденствий и фаз Луны, установленные еще в рамках птолемеевского «Альма-геста», вернее звездного каталога, включенного в это сочинение, потеряли связь с современными календарными датами.
Папа Лев X предложил Копернику принять участие в подготовке реформы календаря, но тот отказался, поскольку считал, что продолжительность года, лежащая в основе календаря, определяется недостаточно точно из-за неудовлетворительной теории движения Солнца и Луны. Однако это предложение стало для Коперника одним из мотивов совершенствования геоцентрической теории. Была и общественная потребность, стимулировавшая поиски новой теории движения планет, связанная с мореходной практикой и нуждами астрологии, как это ни парадоксально сейчас звучит.
Гелиоцентрическая система Коперника концептуально была существенно проще системы Птолемея. Признание вращения Земли вокруг оси устраняло необходимость говорить о суточном движении звездной сферы и всех небесных тел; обращение же Земли вокруг Солнца объясняло и годовое перемещение Солнца по небесной сфере, и петли обратного движения планет. Коперник, однако, твердо придерживался представлений об идеальном движении светил, которые, следуя многовековым догмам, должны двигаться по окружности с постоянной скоростью. Поэтому для более точного объяснения наблюдаемых перемещений планет Копернику опять же требовались эксцентры и эпициклы. В окончательном виде его система насчитывала 34 круговых движения – меньше, чем система Птолемея, но все равно много. Более того, Коперник еще строже, чем Птолемей, следовал догме идеального движения по окружности, поскольку не допускал неравномерного движения по экванту.
Концепция гелиоцентрической системы была опубликована в книге «О вращении небесных сфер» в 1543 году, незадолго до смерти ученого. Протестантов эта работа привела в ярость сразу. Со стороны же католической церкви она поначалу не подверглась осуждению, возможно потому, что Коперник посвятил ее римскому папе Павлу III. Книга вызвала живой интерес и многочисленные дискуссии. В те времена было трудно представить, каким преследованиям со стороны Ватикана будут подвергнуты в дальнейшем последователи учения Коперника, в частности, Галилей.
Астроном-наблюдатель Тихо Браге
Система мира Коперника имела среди ученых много сторонников, но было также и много противников. Опуская многое, необходимо упомянуть датского астронома Тихо Браге (1546–1601), рис. 2.3, самого замечательного наблюдателя своего времени. Он не поддерживал идею о движении Земли, а вместо этого выдвинул собственную модель, согласно которой Земля жестко закреплена в центре мира. Планеты в системе Тихо Браге обращались по круговым орбитам вокруг Солнца, которое, в свою очередь, совершало движение вокруг Земли. Несмотря на то, что теория Тихо Браге значительно упрощала систему Птолемея, она не получила поддержки у астрономов и не оказала особого влияния на их исследования.
Но главным вкладом Тихо Браге в науку были результаты астрономических наблюдений, проводившихся им в течение всей жизни, они позволили сделать следующий шаг в развитии представлений о Вселенной.
Рис. 2.3. Тихо Браге
Его страсть к наблюдениям проснулась очень рано. В возрасте примерно лет 15-ти он обнаружил, что данные известных тогда эфемерид (таблиц планетарных координат) существенно расходятся, как между собой, так и с данными его юношеских наблюдений. Для него это было нестерпимо! В это же время родители отправили его изучать «свободные искусства» в Лейпциг. Вот как он сам описывает свои занятия временем чуть позже:
«Позднее, в 1564 году (17–18 лет!), я тайно приобрел деревянный астрономический «посох Якова»[1], изготовленный по указаниям Геммы Фризия. Бартоломей Скультет, живший в то время в Лейпциге, с которым я поддерживал дружеские отношения на почве общих интересов, снабдил этот инструмент точными делениями с трансверсальными точками. Скультет почерпнул принцип трансверсальных точек у своего учителя Гомелия. Заполучив посох Якова, я не упускал ни одного удобного случая, когда ночь выдавалась звездной, и неустанно производил наблюдения. Нередко я проводил в бдении всю ночь напролет. Мой гувернер, ничего не подозревая, мирно спал, поскольку я производил наблюдения при свете звезд и заносил полученные данные в специально заведенную книжечку, которая сохранилась у меня поныне. Вскоре я заметил, что угловые расстояния, которые по показаниям посоха Якова должны были совпадать, превращенные посредством математических выкладок в числа, не во всем согласуются друг с другом. После того как мне удалось обнаружить источник ошибки, я изобрел таблицу, позволившую мне вносить поправки и тем самым учитывать дефекты посоха. Приобрести же новый лимб все еще не представлялось возможным, поскольку гувернер, державший в своих руках завязки от кошелька, не допустил бы подобных трат. Вот почему я, живя в Лейпциге, и позднее, по возвращении на родину, произвел при помощи этого посоха множество наблюдений».
Среди результатов Браге особенно нужно отметить данные наблюдений движения планет, а также его сотрудничество с Кеплером. Но об этом чуть позже, а сейчас, как пример, приведем исследование им сверхновой 1572 года, вспыхнувшей в созвездии Кассиопеи. Ее яркость была сравнима с яркостью Венеры. Попытки определить параллакс сверхновой оказались безуспешными, а это означало, что она находится далеко за пределами лунной сферы. Но звезда не участвовала и в движениях планет. Тогда Тихо Браге заключил, что она принадлежит звездной сфере, что противоречило догме Аристотеля об абсолютной неизменности сферы неподвижных звезд.
Также, изучая одну из комет, Тихо Браге обнаружил, что она движется по орбите вокруг Солнца, причем отстоит от него дальше, чем Венера. Так разрушалось еще одно представление Аристотеля, который предполагал, что кометы – это атмосферные явления. Но, несмотря на эти очевидные противоречия со стандартными представлениями, Тихо Браге не смог отказаться от того, что тяжелая Земля должна покоиться.
Галилей
Ученый, сверстник Галилея,
был Галилея не глупее.
Он знал, что вертится Земля,
но у него была семья.
Итальянского ученого Галилео Галилея (1564–1642), рис. 2.4, по праву считают основателем современной физики, в рамках которой законы природы должны подтверждаться экспериментально. Его труды по исследованию движения стали базисом, основываясь на котором Ньютон построил непротиворечивую механику и теорию гравитации. Возможно, многим Галилей наиболее известен тем, что первым применил телескоп для астрономических наблюдений.
Рис. 2.4. Галелео Галилей
Исследуя какую-либо проблему досконально и многосторонне, Галилей почти каждый раз приходил к выводам, противоречащим утверждениям учения Аристотеля. Нельзя не отметить, что на протяжении столетий то один, то другой исследователь высказывал «крамольные» идеи или утверждения. Но они были, как правило, основаны на интуиции. Возражения же Галилея были обоснованы как математически, так и наблюдениями и опытами. Поэтому, конечно, Галилея можно считать одним из главных разрушителей многовековых догм. Неудивительно, что Галилей был и в числе самых известных сторонников системы Коперника. Поначалу эта система показалась Галилею неубедительной. Но шаг за шагом он все больше проникался идеями великого поляка.
