Antonio Duran Guardeno - Ньютон. Закон всемирного тяготения. Самая притягательная сила природы.
В 1543 году в Нюрнберге была опубликована книга De revolutionibus orbium coelestium («О вращении небесных сфер»), название которой возвестило начало эпохи научных потрясений; не зря период с этого момента и до конца XVII века – времени публикации «Математических начал натуральной философии» Ньютона – назвали научной революцией. Эта революция затронула самые разные области знания и поставила под сомнение прежнюю суть науки, возведя в новую степень важность практического опыта и подчинив теоретические достижения экспериментальным данным. В конце этого процесса (и Ньютон наряду с Коперником, Кеплером, Галилеем и Декартом был одним из его великих мастеров) возникла новая наука в своей теперешней форме.
Автором упомянутой книги-прорыва был Николай Коперник (1473-1543). Легенда гласит, что первый напечатанный экземпляр De revolutionibus он держал в руках на своем смертном одре, готовясь покинуть этот мир 24 мая 1543 года.
До этого момента астрономия, унаследованная от Античности, утверждала, что Земля неподвижна и располагается в центре Вселенной. Вокруг нее обращаются семь планет: Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер и Сатурн (по расстоянию до Земли, от меньшего к большему, хотя не было единого мнения по тому поводу, в каком порядке следовало расположить Меркурий, Венеру и Солнце), а также неподвижные звезды, расположенные на сферической поверхности, которая представлялась крайним пределом Вселенной.
Неподвижные звезды совершают ежедневный оборот вокруг Земли без видимых различий между одними сутками и другими, чего не происходит с промежуточными телами. Например, Солнце не проходит каждый день один и тот же путь, хотя кажется, что каждые 365 дней он повторяется. Если каждый день на закате Солнца мы отметим на фоне звездного неба точное место, где светило коснулось горизонта, мы увидим, что эта точка будет продвигаться примерно на один градус на восток, совершая полный цикл к концу года. Этот ежегодный путь Солнца, вокруг которого группируются зодиакальные созвездия, называется эклиптикой, и она была воображаемой базовой линией, которая использовалась в птолемеевской астрономии для объяснения движения Солнца, Луны и планет. Хотя движение последних не зависело друг от друга и сопровождалось сложными отклонениями, например ретроградацией.
Если я и мог смотреть вдаль, так это потому, что стоял на плечах гигантов.
Исаак Ньютон в письме 1676 года Роберту Гуку
Большой астрономический сборник с подробным описанием движения планет имел название «Альмагест» и был составлен греческим ученым Птолемеем. Для физического объяснения планетарного движения использовалась аристотелевская космология: каждая планета вписывалась в кристаллическую сферу, которая без остановок вращалась вокруг Земли.
Это космогоническое представление было полностью воспринято средневековыми схоластами. Во Вселенной у каждой вещи есть свое место и у каждого места – своя вещь. Существование пустоты не признавалось; так, ад находился в центре Земли, а Эмпирей, где физически пребывает Бог, прямо за сферой неподвижных звезд. Аристотелево-схоластическое восприятие космоса было воспето Данте Алигьери в «Божественной комедии». Эта эпическая поэма описывает Рай, разделенный на девять небес, расположенных по ангельской иерархии: Луна (обитель исполняющих обеты), Меркурий (обитель честолюбивых), Венера (обитель возлюбленных), Солнце (обитель мудрых), Марс (обитель воителей за веру), Юпитер (обитель справедливых правителей) и Сатурн (обитель созерцателей). Перводвигатель – самая дальняя из всех сфер, ее наполняют статичные звезды, а ее движение управляется Богом. Вокруг всего этого располагается Эмпирей, «обитель Бога и всех избранных» – место, не ограниченное пространством, не созданное из материи и вечно неподвижное.
Это космологическое объяснение устанавливало четкую границу между неизменным и идеальным небесным миром – Вселенной, которая тянется далеко за пределы земной атмосферы, и переменчивым и неидеальным земным пространством, находящимся под атмосферой. Естественно, этими мирами управляли разные физические законы.
ПЕРИГЕЛИЙ, АФЕЛИЙ И ЭКЛИПТИКА
Перигелий – это ближайшая к Солнцу точка орбиты небесного тела. И наоборот, афелий – это самая удаленная от Солнца точка орбиты (рисунок 1). Например, Земля достигает своего перигелия каждый год в начале января, когда расстояние до Солнца составляет примерно 147 миллионов километров, в то время как при достижении афелия это расстояние составляет около 152 миллионов километров. Феномен наблюдается только на эллиптических орбитах, когда Солнце находится в одном из фокусов эллипса, а не на круговых, где Солнце находится в центре.
Эклиптикой называется воображаемая линия движения Солнца за год по отношению к неподвижному полю звезд. Образуется пересечением проекции земной орбиты с небесной сферой. Когда солнечный свет падает перпендикулярно 23°27‘ северной широты, он попадает на Тропик Рака (21 июня), когда падает перпендикулярно 23°27‘ южной широты – на Тропик Козерога. Это максимальный и минимальный угол, который занимает Солнце, двигаясь по небу. Эклиптика определяет воображаемую плоскость земной орбиты. Она наклонена на 23°27‘ по отношению к экватору Земли (рисунок 2). Другие планеты не расположены в этой плоскости.
РИС. 2
Аристотелева физика основывалась на доктрине о четырех элементах греческого философа Эмпедокла. Эта теория подразумевала, что существуют четыре основные субстанции: огонь, земля, воздух и вода, на которые действуют любовь, их объединяющая, и ненависть, которая их разделяет. Четыре элемента, смешанные в различных пропорциях, создают все сложные вещи и материи, существующие в подлунном мире, а то, что находится на небе, – это пятая субстанция, или эфир. Таким образом, каждый из элементов имеет свое естественное положение во Вселенной: место земли, например, в центре Вселенной, в то время как место огня – промежуточное между атмосферой и сферой, которую занимает Луна. Элементы, из которых состоит любое тело, стремятся вернуться на свое изначальное место. Твердые вещества, над которыми главенствует земля, падают вниз, потому что земля стремится к своему естественному расположению, в центр Вселенной, а, например, пламя, над которым главенствует огонь, поднимается вверх, также в поиске своего естественного места, которое в этом случае находится в верхних слоях атмосферы.
В своей книге «О вращении небесных сфер» Коперник предлагал новую астрономию, основанную на неподвижном Солнце, расположенном в центре Вселенной, в то время как Земля и другие планеты оборачиваются вокруг своей оси каждый день, и вокруг Солнца – раз в год. Единственная планета, которая вращается вокруг Земли, – это Луна. В теории Коперника оставалась звездная сфера, но теперь она была неподвижной. Однако подобный подход ставил множество вопросов как в области астрономии и космологии, так и в физике.
Коперник попытался дать ответ на некоторые из них в своем труде «О вращении небесных сфер», используя при этом аргументы Аристотеля. Вероятно, по-другому быть не могло: чтобы полностью перевернуть концепцию мира, необходимы совместные усилия многих ученых. Коперник дал первый импульс, предложил альтернативу птолемеевой астрономической модели. После этого пришло время решать проблемы, возникшие как последствия космологических и физических теорий, и преодолевать неизбежное противостояние с католической церковью, развязанное идеей о движущейся Земле.
Требовалось время, чтобы астрономические идеи Коперника пробили себе дорогу в науке. Ему приходилось бороться с религиозными предубеждениями, и в этом сражении легко было проститься с жизнью. Сначала против ученого выступили воинствующие протестанты: неподвижное Солнце и блуждающая Земля противоречат Библии. Однако вскоре они заняли более прагматическую позицию: предложение Коперника – это всего лишь рабочая гипотеза, которая может и не подтвердиться. Однако за этим последовал взрыв гнева в католической церкви и инквизиции. Книга Коперника вошла в перечень запрещенных, Джордано Бруно за поддержку его теории был сожжен на костре, а Галилею едва удалось спастись. До сих пор существуют трения между наукой и религией, особенно в части новых открытий, которые могут противоречить традиционному прочтению Библии, Корана или какой-либо еще священной книги.
РЕТРОГРАДАЦИЯ ПЛАНЕТ
Одним из преимуществ теории Коперника по сравнению с идеями Птолемея была простота. Новая теория объясняла необыкновенный феномен – кажущуюся ретроградацию планет. При наблюдении с Земли планеты движутся с запада на восток, за исключением кратких периодов, когда они меняют направление с востока на запад, как будто пятясь назад по своему пути – это то, что называется ретроградным движением планет. Такая ретроградация происходите определенной периодичностью: Меркурий становится ретроградным каждые 116 дней, Венера – каждые 584 дня, Марс – 780, Юпитер – 399, а Сатурн – 378 дней. В птолемеевой системе требовалось бы множество геометрических действий, чтобы вписать планетарную аномалию в картину неба. А по теории Коперника эта нерегулярность движения была лишь кажущейся, результатом наблюдения с Земли, которая сама находится в движении. Коперник объяснил, что ретроградация – не что иное, как наблюдаемый эффект, видимый, но не соответствующий действительности. Он связан с тем, что планеты, более близкие к Солнцу, чем Земля, проходят свои орбиты за меньший отрезок времени и обгоняют при этом Землю, а затем начинают движение по орбите в обратном направлении, что и видится с нашей планеты как возвратное движение.
