Эволюция Вселенной и происхождение жизни

Теерикор Пекка

Сэр Исаак Ньютон сказал по поводу открытий знаменитую фразу: «Если я видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов».

«Эволюция Вселенной и происхождение жизни — описывает восхождение на эти метафорические плечи, проделанное величайшими учеными, а также увлекательные детали биографии этих мыслителей. Впервые с помощью одной книги читатель может совершить путешествие по истории Вселенной, какой она представлялась на всем пути познания ее природы человеком. Эта книга охватывает всю науку о нашем происхождении — от субатомных частиц к белковым цепочкам, формирующим жизнь, и далее, расширяя масштаб до Вселенной в целом.

«Эволюция Вселенной и происхождение жизни» включает в себя широкий диапазон знаний — от астрономии и физики до химии и биологии. Богатый иллюстративный материал облегчает понимание как фундаментальных, так и современных научных концепций. Текст не перегружен терминами и формулами и прекрасно подходит для всех интересующихся наукой и се историей.

 

Эволюция Вселенной и происхождение жизни

Предисловие

Золотой нитью сквозь историю человечества и даже сквозь его предысторию, когда еще не было письменности, проходит наше неутолимое желание понять. Мы написали эту книгу для каждого, кто заинтересован в поиске новых знаний или же хочет разобраться в основных идеях науки, изменившей наше представление о мире. Родившись в обществе, наполненном практическими плодами науки и техники, мы часто считаем это вполне естественным и не думаем о тех этапах, которые остались в прошлом и были пройдены еще до появления нашего сегодняшнего мира.

Мы приглашаем читателя в путешествие от сокровищ прошлого к рубежам современной науки, включая физику, космологию и астробиологию. Мы разделили наш рассказ на четыре части, соответствующие четырем основным этапам научного поиска — от прошлого до настоящего.

Первый этап, Расширяя границы познания, начавшийся в Античности и возродившийся в конце Средневековья, основывался на визуальном восприятии мира. Довольно многого удалось достичь тогда на основе наблюдений невооруженным глазом и с помощью простых приборов и рассуждений. Птолемей и даже Коперник жили в эту длительную эпоху. Около 1600 года, когда родилось и начало распространяться представление о гелиоцентрическом строении мира и был изобретен телескоп, Галилей и его последователи начали все глубже и глубже вглядываться в пространство. Кроме всего прочего, это привело к определению расстояний до Солнца и других звезд, тускло мерцающих на небе. В XX веке добрались и до далеких галактик, а для астрономических наблюдений помимо оптического окна открылись и новые спектральные окна. Параллельный этап, который мы назвали Физические законы природы, был отмечен экспериментальными и математическими достижениями физики. Начиная с того же Галилея и получив мощный импульс в работах Ньютона, физика достигла современного уровня. Этот этап знакомит нас с миром атомов и элементарных частиц и вместе с происходившими параллельно астрономическими работами в конце концов приводит к современному этапу исследования Вселенной, от самых ранних процессов ее рождения и расширения из сверхплотного состояния 14 млрд лет назад до современной Вселенной галактик.

В наше время, когда человечество научилось запускать аппараты и даже людей в космическое пространство, зародилось интереснейшее направление исследований, которое мы называем поиском Жизни во Вселенной. Здесь можно вспомнить слова Циолковского «планета есть колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели». До сих пор человек посетил только Луну, но многочисленные космические зонды обеспечивают нас обширной информацией о планетах, астероидах и кометах Солнечной системы и о самом Солнце. Стремительно развивается новая междисциплинарная наука — астробиология. Получив возможность исследовать широкий диапазон условий в пределах нашей планетной системы, мы может проверить, где помимо Земли могла бы возникнуть жизнь. В то же время благодаря усовершенствованию телескопов астрономы смогли обнаружить внесолнечные планеты, число которых сейчас исчисляется сотнями. Эти открытия позволяют судить о роли жизни и человечества во Вселенной.

Двадцать лет назад двое из авторов (П. Т. и М. В.) написали книгу на финском языке, опубликованную Астрономической ассоциацией «Медведица» (Ursa Astronomical Association) под названием «Космос — эволюция представлений о мире». Нынешняя книга унаследовала основную линию и дух того издания, но ее содержание отразило разнообразные интересы авторов и то новое, революционное, что произошло в развитии космологии, в исследованиях космоса и в астробиологии за прошедшие годы.

Работая над этой книгой, мы имели в виду широкий диапазон читателей — от просто любителей науки до студентов университетов, причем как гуманитарных, так и естественнонаучных специальностей. Даже профессиональные физики и астрономы могут заинтересоваться исторической частью и астробиологией, тогда как для биологов может оказаться полезным знакомство с соседними областями науки. Мы пытались писать доступным языком, избегая математических формул и чрезмерной детализации. Но все равно некоторые вопросы современной физики, космологии и биологии очень сложны, и их трудно объяснить простым языком. Такие темы мы либо пропускали, либо давали описание, требующее внимательного чтения. В конце некоторых глав мы кратко рассказываем о новых интересных направлениях исследований, чтобы читатель смог почувствовать, чем особенно интересуются сегодня ученые (странные явления микромира, многомерные пространства, темная энергия в космосе, зарождение жизни, парниковый эффект и т. д.).

Наконец, эта книга может быть полезна учителям, преподающим в старших классах, особенно тем, кто понимает, насколько тесно связаны традиционные области науки, а также тем, кто чувствует взаимосвязь между гуманитарными и естественными науками. С этой целью мы подготовили список адресов полезных интернет-сайтов по каждому из разделов книги, а также тестовые вопросы с выбором ответа, сгруппированные по темам: Evolving_UniverseWeb.doc.

Мы благодарны коллегам, прочитавшим некоторые части рукописи или каким-то иным образом помогавшим нам в этой работе, например предоставившим свои иллюстрации. Нашу особую признательность заслужили: Юрий Барышев, Андрей Бердюгин, Светлана Бердюгина, Люк Виатур, Иро Вилья, Петри Вяйсянен, Андреа Габриэлли, Дженифер Голдман, Измаэль Гоньярд, Майкл Джойс, Ханну Картгунен, Пертту Кейнянен, Билл Кил, Тапио Корхонен, Джон Лану, Жан-Пьер Люмине, Сеппо Маттила, Сеппо Миккола, Крис Михос, Марку Муйнонен, Сами Ниеми, Кари Нилссон, Паси Нурми, Юри Нярянен, Жорж Патурель, Сол Перлматтер, Лаура Портинари, Луциано Пьетронеро, Рами Рекола, Трэвис Ректор, Шейн Д. Росс, Джон Рул, Маркку Саримаа, Аймо Силланпяа, Франческо Силос Лабини, Аллан Сэндидж, Лео Такало, Мален Тиссен, Жиль Тюре, Энтони Фэйралл, Сезан Ховард, Пекка Хейнямяки, Яанне Холопай-нен, Том Яарретт, Андреас Яунсен.

Мы признательны Харри Блому, Дженни Волковицки и Кристоферу Кулину из издательства «Шпрингер» в Нью-Йорке за очень полезное сотрудничество и терпение при подготовке этой книги.

Мы также благодарим Прасада Сетумадавана из SPi Technologies в Индии.

Август 2008 Авторы

 

ЧАСТЬ I РАСШИРЯЯ ГРАНИЦЫ ПОЗНАНИЯ

Глава 1 Рождение науки

Томас Генри Хаксли (устар. Гекели), известный британский биолог XIX века, однажды написал: «Для каждого человека мир так же молод, как и в первый день». Эта мысль прекрасно отражает общность наших интересов с интересами древних людей. Все тот же мир удивляет нас и сейчас, хотя с помощью современных наземных и космических телескопов мы способны видеть на расстояния в миллиарды световых лет, а микроскопы и ускорители частиц позволяют нам проникать в невероятно малый микромир. Эти исследовательские возможности и наши нынешние знания о процессах во Вселенной возникли в результате длиной цепи научных изысканий, начиная с доисторических времен, когда единственным прибором служил невооруженный глаз, а окружающая среда была ближе к природе.

Доисторическая астрономия: наука о горизонте.

Древние египтяне отмечали звезды, видимые на небе при появлении Солнца утром на востоке. В разные сезоны это были разные звезды. Особенно интересовала египтян одна звезда — Сириус, самая яркая на ночном небе, расположенная в созвездии Большой Пес. В те времена, в третьем тысячелетии до нашей эры, эта «Собачья звезда» была видна каждое лето в восточной части неба перед рассветом. Тот день в году, когда она впервые появлялась над горизонтом в лучах восходящего Солнца, день ее гелиакического восхода, считался началом календарного года в Египте. Это важнейшее событие возвещало о начале разлива Нила, от которого зависело сельское хозяйство и вся жизнь египтян.

Древних людей буквально зачаровывал горизонт. Он казался им чем-то вроде границы мира. Наш «горизонт» происходит от греческого слова со значением «разграничивать». На финском языке эта линия носит романтическое название — «берег неба» (taivaanranta). Помимо ежедневного движения Солнца по небу, точки его восхода и захода на горизонте медленно смещаются в течение года. При переходе от зимы к лету эти точки передвигаются вдоль горизонта с юга на север. Солнце дольше остается на небе и к середине дня поднимается все выше и выше. Тот день, когда точки восхода и захода максимально смещаются к северу, а Солнце поднимается в полдень к наивысшей точке на небе, называют днем летнего солнцестояния. Существует и день зимнего солнцестояния, когда светлое время суток самое короткое и Солнце восходит и заходит в самых близких к югу точках. Эти и другие точки горизонта имеют как практическое, так и ритуальное значение. Например, древние люди из племени Хопи, живущие в своих поселениях на Амазонке, использовали и до сих пор используют горизонт с его пиками и впадинами как удобный сельскохозяйственный и церемониальный календарь. Например, положение восходящего Солнца указывает им время сева зерновых.

По всему миру археологические находки, датируемые прошлыми тысячелетиями, говорят о том, что предназначались они для поклонения, обозрения или предсказания некоторых небесных явлений. Пирамиды Египта могли быть построены как символ Бога Солнца, ежедневно возрождающегося в восточной части горизонта, в том месте, которое древние египтяне называли «ахет». Каждый из нас слышал о Стоунхендже, одном из чудес бронзового века, расположенном на равнине Солсбери, в сотне километров от современного Лондона (рис. 1.1). Он содержит концентрические круги из камней и ямок. Самая молодая часть этого сооружения с камнем высотой 6,5 метра датируется примерно 2000 годом до нашей эры. Этот довольно сложный комплекс окружен неглубоким круглым рвом диаметром 104 метра.

Рис. 1.1. Стоунхендж, впечатляющий памятник бронзового века, демонстрирующий интерес к небесным явлениям, наблюдаемым у горизонта. Фото: Harry Lehto.

Ось Стоунхенджа указывает направление на точку восхода Солнца утром в середине лета. Человеку, вставшему в центре этого сооружения, диск Солнца виден поднимающимся прямо над так называемым пяточным камнем на расстоянии 60 метров. Стоунхендж мог служить и для других астрономических целей. Вначале был сооружен его большой круг, и он мог быть связан с определенными точками горизонта. А поздние части, состоящие из больших камней, имели церемониальное значение и, возможно, также символизировали круг горизонта. Огромные усилия, которые требовались в то время для строительства Стоунхенджа, свидетельствуют о высоком значении горизонта.

Рис. 1.2. Схема большого круглого сооружения в местечке Госек (Германия). Возраст сооружения около 7000 лет. Двое южных ворот сориентированы так, что в день зимнего солнцестояния наблюдатель в центре круга мог видеть сквозь ворота восход и заход Солнца.

Несколько лет назад в Германии на пшеничном поле было найдено большое круглое образование, которое археологи определили как «обсерваторию горизонта» каменного века. В ту эпоху это 75-метровое сооружение имело трое ворот, одни из которых смотрели на север (рис. 1.2). Двое южных ворот были направлены так, что во время зимнего солнцестояния человек, стоящий в центре этого круга, видел в эти ворота восход и заход Солнца в самых южных точках горизонта. Это сооружение в местечке Госек (Goseck) имеет возраст около 7000 лет. Так что еще за 2000 лет до того, как начали строить Стоунхендж, люди на континенте сооружали круги, связанные с горизонтом.

Археоастрономы находят следы «науки о горизонте» по всему миру. Например, на острове Пасхи в середине Тихого океана знаменитые каменные истуканы, стоящие на огромной платформе, часто ориентированы в направлении астрономически значимых точек горизонта. Для коренных жителей этот остров был «глазом, смотрящим в небо». Повсюду люди восхищались регулярно повторяющимися небесными явлениями, терпеливо отслеживали их ритмы и даже согласовывали с ними свою жизнь. Таким образом наши предки прокладывали дорогу современной астрономии, современной науке и даже современной жизни.

Письмена на небосводе и на глиняных табличках.

В каждый момент истории человечество старалось преобразовать окружающий мир так, чтобы улучшить собственную жизнь. При изменении условий, например во время ледниковых периодов, люди находили новые возможности приспособиться. Иногда возникало что-то совершенно неожиданное. Пример этого дает образование плодородной области в дельте между реками Тигр и Евфрат, впадающими в Персидский залив. Когда закончился последний ледниковый период, уровень Персидского залива постепенно поднялся на десятки метров, течение этих двух рек замедлилось, и весь регион превратился в область, благоприятную для земледелия. Но когда примерно в 3500 году до н. э. климат стал суше, важное значение приобрели ирригационные сооружения, и все производительные силы стали концентрироваться в шумерских городах. Жизнь сосредоточилась вокруг храмов, посвященных богу каждого города. Храмы стали крупными административными и экономическими центрами, возглавляемыми духовенством. Политеистическую религию Шумера унаследовал Вавилон примерно в 1500 году до н. э.

Письменность была изобретена в Шумере примерно в 3000 году до н. э., в результате чего началась бурная и неожиданная культурная эволюция. Клинопись вначале была очень удобна для хранения информации в экономических центрах, храмах, но постепенно она нашла применение и в других областях жизни, включая и наблюдения неба. Движение небесных светил и в древности, и сегодня позволяет нам вести счет времени. Мы знаем, что шумерское духовенство следило за Луной для создания лунного календаря; все сведения записывались на глиняных табличках.

Однако его прямые потомки — вавилонские жрецы — интересовались только тем, какое будущее предвещают небеса их руководителям и государству. Для них небо было огромным экраном с «текстом», который мог интерпретировать только специалист. Так с развитием государства рождалась астрология. Интерес к туманному будущему был велик, и появлялись разные методы предсказаний, например по полету птиц. В отличие от нынешних дней, в те времена астрология была довольно рациональным изобретением: так как звезды считались богами или представителями богов, логично искать связь между небесными явлениями и событиями на Земле. Но постепенно выяснялись и реальные связи: в ту пору уже было известно, что смена сезонов определяется перемещением Солнца на фоне звезд, а приливы управляются Луной. Благодаря почти полному отсутствию искусственного света, мешающего ночным наблюдениям, древние люди были гораздо более внимательными наблюдателями неба, чем большинство наших современников.

В Месопотамии фазы Луны использовались для создания лунного календаря. Каждый месяц начинался вечером того дня, когда после захода Солнца впервые появлялся на небе растущий серп Луны. В наше время в своей повседневной жизни мы в основном пользуемся солнечным календарем, учитывающим сезонные изменения, но лунный календарь все еще сохранил свое значение в некоторых религиях.

Из-за годичного цикла Солнца в разные сезоны на вечернем небе видны разные созвездия. Вид ночного неба в наше время почти такой же, как и тысячи лет назад. Многие созвездия носят названия, присвоенные им в древности пастухами или мореплавателями. Фигуры из звезд на небе отождествлялись с изображениями реальных животных, богов и героев мифов. Но, кроме того, расположение созвездий создает карту, на которой можно определить место какого-либо интересного небесного явления. В современной астрономии небо поделено на 88 созвездий с четкими границами. Например, когда комета Галлея в последний раз появилась на нашем небе, в газетах можно было прочитать, что в декабре 1985 года комета окажется в созвездии Рыб, к югу от созвездия Пегас. При наличии такой информации комету легко было найти с помощью простого бинокля. Суточное вращение Земли служит причиной совместного перемещения кометы и созвездий по небесной сфере, но их относительное положение при этом не меняется.

Вавилонские астрологи прекрасно знали, что не все небесные объекты движутся вместе со звездами. Луна каждый день смещается относительно звезд на 13°, или на 26 собственных диаметров. Чтобы вернуться примерно на то же место среди звезд, Луне требуется немногим более 27 дней. И Солнце передвигается относительно звезд, хотя его сияние и затмевает их слабый блеск. Но в течение года разные созвездия видны сразу после захода и незадолго до восхода Солнца. Из этих наблюдений был сделан вывод, что перемещение Солнца в течение года происходит на фоне разных созвездий. Астрологи разделили путь Солнца, или эклиптику, на 12 равных частей, в каждой из которых Солнце проводит около месяца. По именам созвездий получили название и соответствующие знаки зодиака. Слово «эклиптика» означает путь Солнца, на котором случаются затмения (греч. ekleipsis — затмение).

Созвездия и знаки зодиака.

Примерно 2000 лет назад знаки зодиака (используемые и сегодня для составления гороскопов) и реальные созвездия на небе совпадали. Но сейчас это уже не так. По вашему гороскопу вы можете быть Овном, но это не значит, что Солнце было в созвездии Овен, когда вы родились! Весьма вероятно, что Солнце в это время было в созвездии Рыб. Причина такого расхождения в том, что при составлении гороскопов используются книги по астрологии, написанные астрономом Птолемеем примерно 2000 лет тому назад. Начальной точкой ряда знаков зодиака служит точка весеннего равноденствия. Это та точка, в которой Солнце пересекает 21 марта небесный экватор, переходя из южного полушария небесной сферы в северное. Но эта точка не стоит на месте, а медленно движется относительно звезд и созвездий. За прошедшие 2000 лет смещение произошло примерно на одно созвездие. Это движение завершает полный круг примерно за 26 000 лет, и открыл его путем наблюдений греческий астроном Гиппарх (около 190–120 до н. э.) Сегодня мы знаем, что смещение начальной точки обусловлено медленным изменением направления земной оси, которое вызвано гравитационным влиянием Луны и Солнца на слегка уплощенную Землю. Чтобы прочитать гороскоп, соответствующий вашему «сегодняшнему» знаку зодиака, просто прочитайте в газете на один знак выше того, с которым вы обычно консультируетесь. После этого можно выбрать, какой из них вам больше нравится.

Вавилоняне регулярно наблюдали планеты, которые всегда движутся недалеко от эклиптики. Они знали Венеру, Юпитер, Сатурн, Марс и Меркурий и интерпретировали их поведение как важный знак того, что случится на Земле. Переменчивое движение планет, их сближения друг с другом и с Луной, их исчезновение и появление, постепенное угасание и повышение яркости — все это служило пищей для интерпретаторов, не знающих о реальных причинах этих явлений (рис. 1.3). Вавилонские астрологи, которые тоже были жрецами в больших храмах, интересовались состоянием государственных дел, развитием экономики и сельского хозяйства, здоровьем государя, успехами в войне и т. д. Лишь позже, в Греции, появились личные гороскопы, основанные на дате рождения.

Рис. 1.3. Солнечная карета бронзового века в Дании, отражающая веру древних в то, что Солнце проезжает по небу каждый день. В это же верили, к примеру, и египтяне, и вавилоняне, хотя кареты у них были другими. Изготовленный более 3000 лет назад, этот экспонат хранится в Национальном музее Дании. Фото: с любезного разрешения Malene Thyssen.

Астрологи заметили, что планеты в основном следуют по пути Солнца по эклиптике, но они могут замедлить свое движение и даже остановиться и сделать несколько шагов назад, прежде чем продолжить свой обычный путь с запада на восток. Попятное движение планет и было тем явлением, которое требовалось объяснить и грекам, и позже Копернику при создании математической модели движения планет.

Для вавилонских астрологов прогноз попятного движения мог быть важным для предсказания будущих событий на Земле. Также было бы желательно предсказывать устрашающие затмения Луны и Солнца. Ассирийцы собрали точную статистику лунных затмений и нашли определенную закономерность в этом явлении. В Вавилоне искусство предсказания затмений продвинулось еще дальше. Было замечено, что лунные затмения имеют большой период, после которого они повторяются. Эта периодичность называется «саросом» и составляет немногим более 18 лет (18 лет И 11⅓ суток). Это позволяет составить таблицы вероятных дат лунных затмений в далеком будущем. Астрологи обнаружили периодичность в движении планет и могли предсказывать положения планет в будущем искусными математическими методами.

Таким образом, древние наблюдатели неба учились не только интерпретировать происходящие небесные явления, но и предсказывать важнейшие явления на небе в будущем. Вавилонская астрология/астрономия достигла своего пика за несколько столетий до Рождества Христова. Когда библейские «мудрые люди с востока», возможно — вавилонские астрологи, прибыли поклониться новорожденному после того, как увидели его звезду, вавилонская культура была уже в упадке. Какими бы впечатляющими ни стали их предвидения, это собрание наблюдений не было научным в том смысле, какой мы вкладываем в это понятие сегодня. Не хватало нескольких основных элементов. Постановка вопроса и исследовательский взгляд, которые позднее были признаны источником настоящих знаний, в то время отсутствовали. Современные астрономы наблюдают небесные объекты и явления, чтобы понять, какова природа небесного тела и как оно рождается и развивается (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Ярчайшая неподвижная звезда небосвода — Сириус из созвездия Большой Пес, расположенного рядом с Орионом, почитался древними египтянами. Появление «Собачьей звезды» на утреннем небе предвещало разлив Нила. На другой стороне полосы Млечного Пути находится Процион — ярчайшая звезда Малого Пса. Для современных наблюдателей неба эти светящиеся точки являются материальными объектами космоса, и нам интересно, насколько они далеки и что заставляет их светиться.

Образ мыслей ионийцев

Семена современной науки были посеяны на восточном побережье Малой Азии, где ионийские греки жили в своих процветающих колониях. В VII веке до н. э. ионические города, включая Милет и Эфес, были средоточием греческой культуры и экономики. В этих центрах торговли и обмена информацией рождался новый тип мышления, характеризующийся смелой индивидуальностью, в отличие от традиционных, практических поисков вавилонских жрецов. Для греков-ионийцев обдумывание и дискуссия были основным путем к пониманию природных явлений. Простые, но точные ежедневные наблюдения давали материал («данные») для дискуссии. Мы мало знаем о первых ионийских философах, которые не оставили никаких записей. Аристотель, живший на 250 лет позже, рассказывает, как эти мыслители начали поиск основополагающих принципов, то есть тех характеристик мира, которые объединяют совершенно разные вещи. Это дало бы возможность понять все разнообразие, существующее вокруг нас, и предсказывать явления, которые раньше считались подконтрольными лишь воле богов. Как писал Аристотель: «…это они считают элементом и началом вещей. И потому они полагают, что ничто не возникает и не исчезает, ибо такое естество всегда сохраняется…Относительно количества и вида такого начала не все учили одинаково. Фалес — основатель такого рода философии — утверждал, что начало — вода» (Аристотель. Соч. в 4 т. М.: Мысль, 1975. Т. 1. С. 71).

Мы видим, что эти первые философы уже тогда имели в виду сохранение материи, и это предшествовало важнейшим в современной физике законам сохранения. Они дискутировали и об основном элементе Аристотеля. Фалес (624–547 до н. э.) предполагал, что это вода, в то время как его друг Анаксимандр (611–546 до н. э.) думал, что основным элементом является нечто настолько далекое, что ничего из окружающего нас для этого не подходит. Немного позже Анаксимен (585–526 до н. э.) предположил, что этим элементом является воздух, но в более широком смысле, чем смесь газов, которым мы дышим. Он считал, что это среда, которая связывает весь мир. Она может иметь различную плотность, которая и объясняет возникновение различных форм материи. Ход его мыслей был шагом вперед к физике.

Эти ионийские философы не знали, что Земля имеет сферическую форму. Фалес и Анаксимен считали ее плоской и плавающей на основном элементе (воде или воздухе). Анаксимен предложил интересную идею. Согласно ей, Земля покоится в центре всего, в воздухе, и никуда не движется, поскольку нет преимущественного направления! В этой идее он использовал принцип изотропии, важнейший в современной космологии. Аристотель шутил, что это похоже на голодного человека, окруженного едой и вином и при этом голодающего, поскольку он не может решить, с какой стороны брать еду. Средневековым наследником этого бедняги стал Буриданов осел, страдающий от голода между двух огромных и вкусных стогов сена.

Насколько известно, Анаксимандр был первым, кто начал использовать модели и аналогии. Например, суточное движение Солнца он объяснял, используя механическую модель в виде полого кольца. Это кольцо было заполнено огнем, видным сквозь круглую дыру. Когда огромное кольцо вращается, светящаяся дыра (Солнце) движется вместе с ним. Анаксимандр считал, что Солнце в течение ночи передвигается под Землей, а не проползает от запада к востоку где-то неглубоко под горизонтом.

Анаксимен выдвинул идею о том, что звезды закреплены на сферическом небесном своде (или, по крайней мере, на полусфере). Это был блестящий пример мировоззрения ионийцев. Одна вращающаяся сфера могла объяснить суточное обращение тысяч звезд (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Уже давно известно, что звезды кажутся вращающимися вокруг одной точки на небе — северного полюса мира. В Древней Греции это движение объясняли вращением гигантской сферы на поверхности, которой закреплены звезды. Это фото с экспозицией в несколько минут показывает северный полюс мира, который в наше время находится недалеко от Полярной звезды. На переднем плане башня телескопа в обсерватории Туорла (Финляндия). Фото: Aitno Sillanpaa и Perttu Keinanen.

Пифагор изобретает космос.

Пифагор Самосский (около 572–500 до н. э.) был влиятельной, но довольно темной фигурой в истории. Говорят, Фалес оказался так удивлен талантами молодого человека, что рекомендовал ему поехать в Египет для обучения у тамошних жрецов. Согласно другой легенде, Пифагор получил образование, будучи пленником в Вавилоне. В возрасте около 40 лет Пифагор переехал в Южную Италию, где вместе с женой Феано основал школу в греческой колонии Кротон. Школа была настоящей религиозной общиной, где под руководством учителя изучались математика, философия и другие предметы.

К кандидатам в первоосновы Пифагор добавил еще один объект — число. Космос, «упорядоченная Вселенная», управляется математикой. Эта идея имеет далеко идущие последствия, ощутимые даже в современной науке: разумное существо может судить о структуре Вселенной, не посещая каждый уголок этого мира. Приверженцы Пифагора рассматривали Землю как такую же сферу, как и звездное небо. Планеты, Солнце и Луна прикреплены каждый к своей сфере, вращающейся вокруг Земли. Разумеется, тогда уже были свидетельства сферичности Земли (например, путешественники знали, что вид звездного неба меняется при перемещении с севера на юг), но, вероятно, подобные эмпирические знания всего лишь усиливали веру в первичную природу совершенной, прекрасной сферической формы. Нужно отметить, что один из сторонников Пифагора Филолай (около 450 до н. э.) говорил, что Земля и другие космические тела обращаются вокруг огня, горящего в центре мира, причем этот огонь — не Солнце. Так что описанная Филолаем система не была гелиоцентрической. Но она показывает, что было возможно представить Землю движущейся в пространстве, хотя мы не можем чувствовать этого, находясь на Земле. Филолай полагал, что мы не видим центрального огня, поскольку Земля всегда повернута к нему одной и той же стороной (как Луна по отношению к Земле).

Пифагор создал теорию чисел и доказал знаменитую теорему' Пифагора о площадях прямоугольников, построенных на сторонах прямоугольного треугольника. Целые числа были основой пифагорейского видения мира. Пифагорейцы считали, что целые числа (или их отношения), которые были единственным типом чисел, известным в то время, могут измерить все что угодно во всем мире. Например, они думали, что линия состоит из большого числа точек, расположенных рядом, и поэтому отношение длин любых двух отрезков линии должно быть рациональным. И они были потрясены, обнаружив при использовании теоремы Пифагора, что отношение диагонали и стороны квадрата (= √2) не может быть выражено целым числом. Наряду со старыми числами («рациональными») требовалось вводить новые числа («иррациональные»). В конце концов, это было необходимо для дальнейшего развития математики.

Иррациональные числа послужили полезным намеком на то, что мир не так прост, чтобы простейших математических понятий было достаточно для его описания и понимания. Тем не менее современные ученые с симпатией относятся к усилиям Пифагора рассматривать космос как гармоническое целое. Нам тоже хотелось бы верить, что в основе своей мир прост и постижим.

Примерно в 500 году до н. э. произошло нападение на Кротон: дом Пифагора был сожжен и некоторые члены общины убиты, а другие бежали. Сам Пифагор переехал в Тарент (Италия), но многие перебрались в города самой Греции, например в Афины, где начали возникать и развиваться новые идеи.

 

Глава 2 Наука в Афинах

В V веке до н. э. город-государство Афины, разбив Персидскую империю, стал центром греческой культуры и науки. Этот полис с населением от силы 300 ооо человек породил изумительно богатую культуру, влияние которой до сих пор сильно ощущается в жизни западных стран. Скульптура и архитектура процветали. Мастера трагедии Эсхил, Софокл и Еврипид создали драму. Фукидид основал критическую историографию. Сократ (469–399 ДО н. э.) бродил по улицам Афин и веселил или злил людей своими необычными вопросами.

Анаксагор делает небесные тела подобными земным.

Афины были центром новых идей, касающихся природы. Считается, что Анаксагор (около 500–428 до н. э.) перенес натуральную философию из Малой Азии в Афины. Возможно, первый ученый в современном значении этого слова, Анаксагор был рожден в городе Клазомен, он пожертвовал своим большим состоянием и посвятил жизнь науке. На вопрос, для чего рождаются люди, он отвечал, что для того, чтобы «изучать Солнце, Луну и небеса». Примерно в 40 лет Анаксагор прибыл в Афины. Здесь среди его друзей был политик Перикл, а автор трагедий Еврипид стал одним из его учеников.

Анаксагор придерживался тех же взглядов, что Анаксимен из Милета, считая, что Земля плавает в воздухе. Но это не мешало ему проводить важнейшие наблюдения небесных объектов. Он полагал, что источником лунного света служит Солнце, и правильно истолковывал лунные и солнечные затмения. Анаксагор считал, что можно объяснить небесные явления, если предположить, что небесные тела состоят из того же вещества, что и земные объекты. Поэтому он рассматривал Солнце как горячую светящуюся массу или же как горящий камень, а Луну с ее равнинами и оврагами считал похожей на Землю. Большое впечатление на Анаксагора произвел метеорный дождь, который он объяснял «землетрясением», произошедшим на некоем небесном теле. Большинству людей не были понятны такие идеи, ибо звезды и планеты обычно считались богами. Анаксагора обвинили в нечестивости. Перикл помог ему бежать из Афин в город Лампсак в Ионии. Там Анаксагор основал школу и до конца жизни пользовался большим уважением.

Другим знаменитым мыслителем того времени был Эмпедокл (около 494-34 до н. э.). В основном мы помним об этом человеке из Агригента (Южная Сицилия) благодаря теории четырех элементов. Огонь, воздух, вода и земля сохраняли свою роль в науке на протяжении двух тысячелетий. Эмпедокл первым сделал шаг к пониманию важности физических сил. В своих философских поэмах он использовал аллегорические имена Любви (филия) и Ненависти (нейкос) для противостоящих сил, поддерживающих равновесие в природных явлениях. В переводе на наш прозаический язык это были силы притяжения и отталкивания.

Древние идеи о том, почему элементы ведут себя определенным образом, образуя все окружающие нас предметы, фактически были качественной, описательной физикой. Но учение об атомах, впервые сформулированное примерно в это же время, не включало силы в свой теоретический арсенал. Чтобы объяснить формирование разных структур в мире, авторы этого учения пошли по другому пути.

Учение об атомах.

Одна из важнейших древних систем мышления — атомная теория — родилась в Малой Азии, в недрах ионийской натуральной философии (то есть естествознания). Основная идея этой теории звучала так: «В мире нет ничего кроме атомов и пустоты». Левкипп из Милета считается автором учения об атоме. Учение было развито Демокритом (около 460–370 до н. э.), родившимся в городе Абдер (Фракия), но долгое время жившим в Афинах.

Согласно теории атомов, основным элементом, который так усердно искали философы Малой Азии, была не какая-то всеобъемлющая материя, а крохотное неделимое и очень твердое тело — атом (от греч. «неделимый»). Каждый отдельный атом не обладает никакими свойствами. У него нет цвета, запаха, вкуса; но, собравшись вместе, атомы могут сформировать любое вещество. Левкипп предполагал, что космические тела, количество которых неограничено, рождаются, когда атомы из бесконечности падают в некоторую пустоту и, встречаясь друг с другом, образуют вихрь. И наша Земля тоже сформировалась в центре такого вихря.

Атомная теория кажется нам очень знакомой, и мы склонны рассматривать древних сторонников атомизма как соратников по духу современных ученых. Но важнее внешнего сходства то, что древние атомисты понимали — данный нам в ощущениях «макро»-мир можно объяснить при помощи невидимых атомов из «микро»-мира. Их способ перехода от видимого в невидимому очень похож на то, что происходит в современной науке (даже при том, что в деталях их рассуждения нередко были ошибочными). Хорошим примером объяснения атомистами видимых явлений служат их рассуждения о белье, вывешенном на дворе для просушки. Мокрое белье сохнет на солнце, но мы не видим сырость, покидающую белье, потому что она расщепляется на мельчайшие части, рассуждали атомисты.

Основной элемент атомной теории заключался в утверждении, что крупные тела образуются совершенно случайно из атомов, летящих сквозь пустоту. Этот процесс не имеет определенной цели и не управляется кем-либо. Бесконечное пространство и бесконечное время гарантируют, что рано или поздно атомы смогут собраться и сформировать целые миры, одним из которых является и наш мир. Это значит, что и люди состоят из атомов, и даже наша душа, отлетающая после смерти, тоже состоит из них. На основе этих материалистических идей Эпикур (341–270 до н. э.) с острова Самос создал теорию о мире и жизни, привлекшую многих последователей. Его страстный римский поклонник Лукреций (около 98–55 до н. э.) позже создал большую поэму De Regum Natura (О природе вещей), где описал эпикуреизм. Поэтическим языком в ней подробно рассказано о том, как были придуманы атомы для объяснения природных явлений и рождения человеческих чувств. В то же время поэма отражает энтузиазм, с которым некоторые люди воспринимают рациональное представление о природе, — показан путь рассеяния страха перед сверхъестественным.

Представления атомистов о мире отличались от взглядов Платона и Аристотеля, которые мы обсудим ниже. Для атомистов случайные столкновения атомов были единственным «законом природы». Как и Анаксагор, атомисты лишили небесные тела их божественной природы. Однако нужно сказать, что их успехи в астрономии оказались не столь впечатляющими. Например, Демокрит все еще верил, что Земля плоская, а Эпикур вообще не интересовался объяснением небесных явлений. Хоть это и удивительно, но важнейший шаг в превращении астрономии в точную науку сделал Платон, который верил в божественную природу небесных тел. А дело вот в чем: он считал, что регулярные движения небесных светил управляются высшим разумом и поэтому подаются рациональному объяснению.

Платон основывает Академию.

Великий мыслитель Платон (427–347 до н. э.) родился в богатой афинской семье. В юности он мечтал о карьере политика и стал последователем Сократа. Но после казни Сократа Платон отказался от своих планов и уехал за границу на десять лет. Он жил в Египте и в Италии, где познакомился с мировоззрением Пифагора.

После возвращения в Афины Платон основал общину талантливых учеников. Они собирались за пределами Афин, в священной роще, названной в честь мифического героя Академа. В этом тихом месте Платон вместе с учениками рассуждал о философии и науке. Здесь и родилась в 387 году до нашей эры Академия Платона, знаменитый центр образования, действовавший на протяжении девяти веков, пока император Юстиниан не закрыл его в 529 году н. э. Группа Платона обладала большим влиянием. Среди его учеников были философ и ученый Аристотель, а также математики Евдокс, Каллипп и Теэтет.

Особое значение философ Платон придавал не наблюдениям, а обдумыванию и рассуждениям в попытках объяснить неполную и неясную картину нашего мира. Для него истинной реальностью был мир идей. Это могло быть отражением взглядов пифагорейцев на реальность чисел (тоже весьма абстрактная концепция). Ясно, что эти два взгляда на мир отличались от материальной основы реальности, которая была у ионийцев и атомистов.

Достижения Платона в изучении природы проявились в астрономии. В диалоге «Государство» он представил образовательную программу, пригодную для философов его идеального города-государства. Цель этого учебного плана состояла в том, чтобы облегчить человеческому разуму путь к достижению объективного знания о неизменном мире идей. В диалогах Платона Сократ говорил о математике (арифметике, геометрии) как о способе изучения неизменной истины. Другим способом была астрономия, хотя в современном смысле это что-то далекое от нас.

Собеседник Сократа Главкон определенно признает астрономию полезной для сельского хозяйства и мореплавателей. Однако Сократ резко осуждает эту точку зрения как непригодную для философов. Затем Главкон с надеждой заявляет, что все астрономические явления заставляют душу взирать вверх, вдаль от вещей низменных. Но Сократ вновь не соглашается. Для него «вверх» означает «в направлении материального неба», а не в направлении царства идей, и выражено это такими словами: «Глядит ли кто, разинув рот, вверх или же, прищурившись, вниз, когда пытается с помощью ощущений что-либо распознать, все равно, утверждаю я, он никогда этого не постигнет, поскольку ни один из органов чувств не воспринимает знания, и душа человека при этом смотрит не вверх, а вниз, хотя бы он даже лежал лицом вверх на земле или плыл по морю на спине».

Главкон вынужден признать, что был неправ. Но он недоумевает: «Каким же способом, отличным от нынешнего, нужно изучать астрономию для наших целей?» Сократ допускает, что «вон те узоры на небе» более прекрасны и совершены, чем все, что мы видим, но все же они уступают вещам истинным с их перемещениями друг относительно друга, происходящими с подлинной быстротой или медлительностью, согласно истинному числу и во всевозможных истинных формах, по причинам, скрытым в них самих. Это постигается разумом и рассудком, но не зрением.

И Сократ продолжает объяснять свою мысль:

«Значит, небесным узором надо пользоваться как пособием для изучения подлинного бытия, подобно тому как если бы нам подвернулись чертежи Дедала или какого-нибудь иного мастера или художника, отлично и старательно вычерченные. Кто сведущ в геометрии, тот, взглянув на них, нашел бы прекрасным их выполнение, но было бы смешно их всерьез рассматривать как источник истинного познания равенства, удвоения или каких-либо иных отношений» (Платон. Государство, кн. 7).

Сократ и Платон считали, что регулярные движения небесных тел лишь приблизительно отражают законы идеального мира движений, подобно тому как вычерченные рукой геометрические фигуры лишь приблизительно согласуются с математическими законами, которым они подчиняются. Однако простое созерцание или даже внимательные наблюдения не приводят к настоящим знаниям по геометрии — это должно быть подтверждено вычислениями, в которых визуальное восприятие или измерение точного рисунка не может быть частью доказательства. Например, можно сделать много рисунков в разном масштабе для приближения к доказательству теоремы Пифагора, но нельзя быть уверенным в результате без строгих геометрических рассуждений (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Теорема Пифагора. Площадь квадрата, построенного на гипотенузе прямоугольного треугольника, равна сумме площадей квадратов, построенных на катетах. Вы можете попробовать проверить эту древнюю теорему, для этого существует много способов.

Истинные космические движения живут в мире идей, таких как «истинная скорость» и «истинный период», и проявляются в наблюдаемых движениях небесных тел только как искаженное отражение в зеркале чувств. Наблюдая эти искаженные явления, вы не можете получить правильные знания, и «значит, мы будем изучать астрономию так же, как геометрию, с применением общих положений, а то, что на небе, оставим в стороне, если мы действительно хотим освоить астрономию». Современная астрономия, изучая удивительные открытия, сделанные путем наблюдений, вряд ли согласится с утверждениями Сократа. Возможно, Платон такие взгляды понимал не буквально. На самом деле, в своей более поздней космологической работе «Тимей» Платон благодарит наше зрение за то, что оно сделало доступным нашим чувствам небесные движения: «Это я считаю главным благом, полученным от зрения».

Необычная программа по астрономии, обрисованная Платоном, служит ясным напоминанием того, сколь долгий путь с той поры прошло наше представление о науке. Мы склоняемся к мысли, что законы природы не возникали независимо от природных явлений, даже если кто-то мог сформулировать их, используя точный язык математики. В любом случае, мы неспособны представить, что можно было открыть эти законы без наблюдений. Искажающие факторы и ненадежные наблюдения могут повлиять на точность окончательного результата, но это не смертельно. Платон стремился к непоколебимым знаниям о мире, используя метод чистого размышления. Мы же счастливы, получая приблизительные знания, извлекаемые при помощи наблюдений и опытов. Наш опыт, которого не было у древних людей, показывает, что это плодотворный путь для постепенного накопления знаний о законах природы, путь приближения к истине.

Говорят, что Платон давал своим ученикам задание определить, какого типа простые и равномерные движения могут объяснить видимые перемещения звезд и планет. Это задание вдохновило Евдокса на формулирование его знаменитой теории гомоцентрических сфер (обсудим это в следующей главе). Идея Евдокса подтолкнула и других людей к созданию моделей движения планет, что имело огромное значение для развития науки. Более важным, чем взгляды самого Плутона на правильные научные исследования, было то, что вокруг себя он собрал много талантливых учеников, которых стимулировала уникальная интеллектуальная атмосфера Академии Платона. Отношения между ними и другими важными фигурами древней науки приведены на рис. 2.2 и художественно изображены (с элементами фантазии) на рис. 2.3.

Рис. 2.2. Древние философы и ученые, расположенные на шкале времени. Города, где они жили, указаны сверху крупными буквами. Часто мы не знаем точных дат их жизни.

Вселенная Аристотеля.

Самым известным среди учеников Платона стал Аристотель (384–322 до н. э.). Он родился в городе Стагира в Македонии. Аристотель посещал лекции Платона два десятилетия, вплоть до смерти учителя. Затем он переехал сначала в Малую Азию, а позже — в Пеллу, столицу Македонии, где семь лет служил воспитателем королевского сына, в будущем — Александра Великого. Примерно в 50 лет Аристотель вернулся в Афины и основал там свою школу. У него была привычка гулять с учениками, обучая их и дискутируя с ними (отсюда и название — «школа прогуливающихся», перипатетиков). Интересно, что не так давно археологи нашли место в Афинах, где располагался знаменитый Лицей — школа Аристотеля.

Аристотель написал множество книг, но ни одна из них полностью не сохранилась. Все, что осталось, это «наброски лекций» и конспекты, но и они были потеряны на двести лет, пока их не нашли в погребе потомков одного из его учеников. Наша связь с прошлым очень слаба!

Аристотель был универсальным гением, мечтавшим создать систему знаний обо всем на свете. Он занимался многими вещами, в том числе разделил науку на отрасли, изучил природу научных знаний и стал основоположником логики. Как основатель зоологии, он был ревностным наблюдателем поведения животных и описал примерно 500 различных видов. В физике он был первым, создавшим теорию динамики, которая пыталась объяснить движение различных предметов вокруг нас. Его физика имела космологический масштаб. Она была тесно связана с его представлениями о Вселенной, которые оказывали огромное влияние на европейскую научную мысль вплоть до Средних веков.

Вселенная Аристотеля имела конечный размер, фактически это была конечная сфера, вне которой не имелось ничего, даже пустоты. Аристотель выдвигал несколько аргументов в пользу конечности против бесконечности. Например, он утверждал, что «каждое вращающееся тело обязательно конечно». Если бесконечное тело вращается, его огромная часть должна пройти за конечное время бесконечное расстояние, а это невозможно, утверждал Аристотель. И делал вывод, что, поскольку суточное вращение неба является космологическим свойством Вселенной, то она должна быть конечной. А тот факт, что тела стремятся упасть в точку, расположенную в центре Земли, приводил Аристотеля к мысли о сферичности Земли, и ему казалось, что в таком случае эта точка должна быть центром Вселенной. Аристотель утверждал, что только конечная Вселенная может иметь центр.

Аристотель соглашался с Эмпедоклом, что «здесь» мы имеем четыре элемента, одним из них является твердый материал, из которого состоит Земля. Основной мыслью динамики Аристотеля было утверждение, что движение тел определяется их стремлением к своему «естественному месту». Естественное положение элемента земля и есть центр Вселенной, и отсюда естественное движение «вниз». Огонь является противоположным земле, и его естественное движение — «вверх». Также вода и воздух стремятся разместиться на разных уровнях, и вода ниже, чем воздух.

Однако физика небесных объектов, по Аристотелю, не такова. Во-первых, небесные тела состоят из особого элемента — эфира. Он был предложен раньше как очень разреженная среда, заполняющая вакуум, но Аристотель поднял эфир на небеса и придал ему статус пятого элемента. Эфир вечен, поэтому звезды и планеты, состоящие из эфира, никогда не разрушатся. Во-вторых, Вселенная как целое неизменна и вечна, и это отражается в регулярных круговых движениях небесных тел. Круговые движения особенные: тело всегда возвращается в свое первоначальное положение, поэтому здесь видимые изменения или движения, как ни странно, свидетельствуют о постоянстве. В подлунном мире изменений естественными движениями являются «вверх» и «вниз», но на небе естественное движение круговое.

Динамика Аристотеля была основана на наблюдениях земной среды, которая может дать обманчивую картину того, чем управляется и поддерживается движение. Трение и сопротивление воздуха серьезно затрудняют построение правильной теории движения, но Аристотель не учитывал эти факторы. И хотя его идеи были ошибочными, они дали важный импульс средневековым мыслителям для построения теории движения.

Аристотель утверждал, что мы можем понять явление только в том случае, если знаем его причину. Это звучит вполне привычно, но Аристотель предполагал особую, окончательную причину, цель (telos). Это как если бы некая сила из будущего влияла на сегодняшнее событие. Мы знаем окончательную причину, когда можем сказать, почему происходит данное явление. Например, камень падает вниз потому, что его целью является его естественное место в центре Вселенной. Аристотель был специалистом в биологии, а там, на первый взгляд, окончательные или теологические мотивы кажутся естественным путем объяснения. Так почему же этого нельзя делать в любой другой области? Аристотель не знал других категорий причин, и окончательная причина была наиболее существенной для понимания природных явлений.

Современная наука считает другие причины важными для объяснения физических явлений, а окончательная причина перестала быть основной. Обусловленность заменила собой окончательность. Современная наука начинает свои объяснения с прошлого, с определенного начального состояния, и следует по цепи причин и следствий в попытке понять, что же произойдет в будущем. Когда мы задаем вопрос, почему что-то случилось, мы имеем в виду: какие условия и законы природы привели к этому явлению? Мы не задаем вопрос об их цели.

Поэтому неудивительно, что в этой первой теории динамики движение падения к центру Вселенной (Земли) было настолько важным. Теперь мы понимаем, что это явление (падение камня), которое кажется таким важным, есть лишь частное проявление универсального закона гравитации. И это случается вблизи любого небесного тела. Аристотель знал только один такой пример, нашу Землю.

Аристотель, «мозг Академии Платона», был уверен, что только он может получить надежные знания о мире. Вопреки тому, что говорил его учитель Платон, Аристотель подчеркивал важность наблюдений (рис. 2.3). Детально наблюдая природные явления, ученый может интуитивно прийти к фундаментальным понятиям науки, абсолютной истине. Из таких начальных истин, представляющих собой наивысший уровень знаний, можно путем логической индукции вывести другие истинные положения о мире, и это будут научные знания, основанные на строгих принципах.

Как для Аристотеля, так и для Платона истинные знания должны быть действительно верны и окончательны, что-то вроде математической истины. Однако вековой опыт показывает, что такие очень строгие требования делают невозможным применение науки. Вероятно, наука является приближением к истине, и в таком случае это делается путем «неполных истин» и временных допущений. Накопление научных знаний гораздо более сложный процесс, чем это мог представить Аристотель, и его надежность ограничена и временна. Тем не менее если взять точку зрения Аристотеля на науку, то можно увидеть проблеск двух основных процессов, являющихся основным инструментом любой современной науки: индукция, или открытие основных законов на основе наблюдений, и дедукция, или построение логических последовательностей, например для предсказания того, что произойдет в результате опыта.

Рис. 2.3. Фреска Рафаэля, изображающая философа Платона со своим самым знаменитым учеником Аристотелем во время дискуссии в Афинской Академии. Платон указывает пальцем вверх, на небо, а подход Аристотеля более приземлен. Гипатия (жившая несколькими веками позже), одетая в белое платье, стоит внизу слева, одна, повернувшись к зрителям, в окружении мужчин.

 

Глава 3 Сферы планет и размер Вселенной

Вавилонские наблюдатели неба знали о блуждающих небесных объектах (планетах; в то время это понятие было более широким, чем сейчас). Один из них, Солнце, всегда движется на фоне звезд по эклиптике к востоку. Это его годичный путь по зодиакальным созвездиям. Луна, не удаляясь значительно от эклиптики, делает один оборот по звездному небу примерно за месяц. Остальные планеты гоже большую часть времени медленно перемещаются к востоку, оставаясь недалеко от эклиптики. Требуется определенное время, чтобы планета сделала полный оборот от некоторого созвездия в зодиаке к тому же самому месту (ее сидерический период). Но, в отличие от Солнца и Луны, прочие планеты иногда замедляют движение, останавливаются и некоторое время движутся в обратном направлении, а затем вновь останавливаются и возвращаются к своему нормальному движению (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Обратное движение Марса в 2003 году. Его синодический период в 780 суток отделяет одну петлю от другой, которые располагаются в разных эклиптикалъных созвездиях. Это было основньш явлением, которое древние ученые и позже (более успешно) Коперник пытались объяснить с помощью моделей движения. Рисунок: NASA/JPL–Caltech.

Существует определенная регулярность в этом необычном попятном движении. У каждой планеты свой синодический период — промежуток времени между двумя последовательными попятными петлями. Синодический период отличается от сидерического, и поэтому каждая следующая остановка происходит в ином созвездии зодиака. В табл. 3.1 приведены синодические и сидерические периоды планет (из которых Уран, Нептун и Плутон не были известны в древности).

Таблица 3.1. Синодический и сидерический периоды планет (включая планеты, открытые в недавнее время).

* Согласно современному определению, Плутон не является большой планетой: это карликовая планета. Обратите внимание, что с увеличением сидерического периода синодический период становится все ближе к нашему году (можете объяснить, почему?).

Теория концентрических сфер.

Греческие философы начали использовать новый подход, выходящий за рамки астрологии: они пытались рационально объяснить видимое движение планет. Их идеалом небесных движений были сферы и круговые движения (и этот идеал продержался два тысячелетия). Сфера и окружность как геометрические фигуры были хорошо изучены греческими математиками. Кроме того, при идеальном круговом движении точка всегда возвращается в исходное положение, а это, очевидно, подходит для небесных объектов, которые если и не божественные существа, то, по крайней мере, вечные; а небесная сфера, судя по наблюдениям, вращается совершенно равномерно.

Платон спрашивал своих учеников, какого типа простое движение может объяснить сложные движения планет. Евдокс (около 408–355 до н. э.) принял вызов. Среди прочих достижений Евдокса был метод вывода формулы для вычисления площадей и объемов, похожий на современное интегральное исчисление.

Теория Евдокса о сферах, концентрических по отношению к Земле, стала первой математической моделью, объясняющей некоторые детали небесных движений, включая и сбивающие с толку попятные движения. В этой модели рассматривались сферы, вращающиеся вокруг своей оси с различными, но постоянными скоростями. Ось каждой внутренней сферы упиралась в следующую сферу, и все они были наклонены друг к другу под определенным углом. За пределом всех планетных сфер располагалась небесная сфера неподвижных звезд, вращающаяся равномерно вокруг Земли с периодом в одни сутки. Мы надеемся, что наше краткое объяснение не ошеломило читателя! Ряд взаимосвязанных сфер обеспечивал каждой планете ее собственное особое движение. Довольно равномерное движение Солнца и Луны можно смоделировать всего лишь тремя сферами для каждого из объектов. Основная идея этой теории схематически представлена на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Упрощенная диаграмма концентрических сфер Евдокса. Сферы вращаются вокруг своих осей с различными, но постоянными скоростями. Оси соединяют каждую внутреннюю сферу со следующей, внешней, и они наклонены друг к другу на определенные углы. Поэтому траектория планеты, видимая с Земли, не круговая, а более сложная.

Первая сфера вращается вокруг оси север-юг и дает суточное движение. Один полный поворот второй сферы, наклоненной к первой на угол наклона эклиптики к небесному экватору, обеспечивает сидерический период. Наконец, третья сфера моделирует вращение по орбите, наклоненной к эклиптике. В случае Луны и Солнца достаточно трех сфер (Евдокс ошибочно считал, что Солнце движется не точно по эклиптике). Планеты с обратными петлями — Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн — для объяснения их более сложного движения требуют наличия четырех сфер у каждой. Таким образом, полное количество сфер составляет (2 х 3) + (5 х 4) = 26, и все они концентрически вложены друг в друга.

С помощью своей модели Евдокс мог неплохо объяснить движения планет, известные в то время. Однако Марс оказался крепким орешком, и его движение было почти невозможно описать с помощью этой модели. Видимо, Евдокс рассматривал свою модель не как реальную физическую конструкцию, а как чисто математическое построение, где ряд сфер одной планеты никак не влияет на сферы другой, хотя все они вложены одна в другую.

Развитием модели Евдокса стала планетная модель Аристотеля, включавшая 56 сфер с Землею в центре. Возможно, Аристотель рассматривал сферы как физические объекты, типа небесного кристалла. Однако он отвергал идею Пифагора о музыке сфер. Наоборот, он рассматривал тишину небес как доказательство наличия сфер. Шума можно было бы ожидать, если бы небесные тела неслись сквозь какую-то среду. Число сфер возросло, поскольку Аристотель хотел соединить ряд сфер каждой планеты с дополнительными сферами, так чтобы основное суточное движение внешней сферы неподвижных звезд передавалось сверху вниз.

Теория эпициклов.

Планетная модель Евдокса не смогла объяснить некоторые наблюдательные данные, и это обнаружил Автолик из Питаны (около 360–290 до н. э.). Когда планеты делают петлю на западе, они ярче, чем в остальное время, что означает, что в этот момент они к нам ближе. В моделях, где центр сфер расположен на Земле, планеты всегда остаются на одном и том же расстоянии от Земли. Это несоответствие было устранено Аполлонием Пергским (около 265–176 до н. э.). Он работал в новом мировом научном центре — в Александрийском музее. Аполлоний был учеником Евклида и был известен своими исследованиями геометрических кривых — эллипса, гиперболы и параболы. Гораздо позже эти кривые сыграли важную роль в изучении планетных орбит. Аполлоний разработал новый, хотя и основанный на тех же идеальных окружностях, способ представления планетных движений.

В его модели планета не укреплена на своей сфере, а движется по маленькой окружности — эпициклу, центр которого закреплен на равномерно вращающейся главной сфере. Когда планета перемещается в обратном направлении по эпициклу, она находится в наиболее близком к нам положении, и этим объясняется ее поярчание при совершении обратной петли на небе (рис. 3.3). Движение по большому кругу — дифференту происходит с сидерическим периодом планеты, в то время как по эпициклу она вращается с синодическим периодом. Вращение в обоих случаях происходит с постоянной скоростью. Эпицикл объяснял изменение блеска каждой планеты и ее движение по небу, заменяя две сферы для обратного движения. Эта схема использовалась и совершенствовалась до конца Средневековья.

Рис. 3.3. Схематическое изображение модели эпициклов. Планета движется по малому кругу (эпициклу), центр которого движется по большому кругу (деференту), а в центре его расположена Земля.

Гиппарх обнаруживает медленное покачивание небесной сферы.

Мы практически ничего не знаем о жизни Гиппарха (около 190–120 до н. э.), и его труды почти полностью утеряны, но все же нет никаких сомнений, что это был великий астроном, живший на острове Родос и в других местах. Он разработал тригонометрию, необходимую для астрономии, где в вычислениях используются треугольники. Кроме того, он создал каталог звезд, включающий более 8оо светил, описание их положения на небе и их яркости, выраженной в звездных величинах, единицах, используемых до сих пор. Самым ярким звездам Гиппарх приписал первую величину. Для звезд, с трудом различимых на небе невооруженным глазом, была указана шестая звездная величина, а для остальных звезд диапазон звездных величин составил от 2 до 5.

Позже римский писатель Плиний Старший (23–79 н. э.) выразил свое восхищение каталогом Гиппарха: «Он сделал то, что было бы смело даже для богов, — он пересчитал звезды и созвездия, имея в виду будущие поколения, и дал им имена. Для этого он создал приборы и с их помощью определил положение и размер каждой звезды. Благодаря этому теперь будет легко узнать не только, рождаются ли звезды и умирают ли они, но и передвигаются ли они со своего места и становятся ли ярче или тусклее».

Каталоги звезд и других небесных объектов были и остаются очень важными для изучения Вселенной. Именно сравнивая свой каталог с измерениями двух александрийских астрономов, проделанными за полтора века до него, Гиппарх обнаружил медленное движение неба. Он использовал координаты для определения положения звезд. Это аналоги широты и долготы на сферической Земле. Для определения двух данных координат требуются основной круг, делящий сферу на две равные части, и фиксированная нулевая точка на нем. На Земле это экватор и его пересечение с меридианом (линия север-юг), проходящим через Гринвичскую обсерваторию близ Лондона. Например, долгота корабля на Земле равна числу градусов от Гринвича вдоль экватора до того места, где проходящая через корабль линия север-юг пересекает экватор. Широта корабля равна количеству градусов вдоль этого круга к северу или к югу от земного экватора.

За год Солнце обходит небесную сферу по эклиптике, наклоненной на 23° к небесному экватору, проходящему прямо над земным экватором. Поэтому Солнце пересекает небесный экватор дважды, в точках, разделенных на 180°. Один раз — весной, в момент весеннего равноденствия, переходя из южного полушария неба в северное; второй раз — осенью, в день осеннего равноденствия, при переходе с севера на юг. Гиппарх использовал эклиптику в качестве основного круга, от которого измеряется небесная широта к северу или югу. Он выбрал положение Солнца 21 марта как точку весеннего равноденствия и нулевую точку на эклиптике. Угол, отсчитываемый от этой нулевой точки к востоку, считается небесной долготой. Сравнивая старые координаты со своими измерениями, он обнаружил, что долгота звезд за прошедшие 150 лет уменьшилась на 2°, а широта не изменилась. Гиппарх понял, что точка весеннего равноденствия не остается неподвижной, а медленно перемещается по эклиптике к западу, в направлении, противоположном движению Солнца. Точки пересечения постепенно сдвигаются вдоль зодиака от одного созвездия к другому в течение тысяч лет.

Как позже объяснил Коперник, это медленное, но заметное явление (как мы упоминали в главе 1, заставляющее сдвигаться знаки зодиака) отражает медленное конусообразное качание земной оси с периодом 26 000 лет. Но в древности это считалось загадочным, особым движением небесной сферы. Оно приводит к интересному следствию, о котором знал Гиппарх, а именно — что существует два чуть-чуть различающихся определения года (см. врезку 3.1).

Врезка 3.1. Звездный и тропический годы.

Звездный, или сидерический, год — это интервал времени между двумя прохождениями Солнца через неподвижную точку на звездной сфере, скажем, через неподвижную звезду на эклиптике. Тропический год — это время от одного весеннего равноденствия до другого. Тропический год короче звездного, так как Солнце приходит в медленно перемещающуюся ему навстречу точку весеннего равноденствия на 20 минут раньше, чем «по расписанию». Звездный год — это истинный период обращения Земли вокруг Солнца (около 365,2564 суток). Тропический год, как следует из его названия, связан со сменой сезонов (определяемой положением Солнца относительно экватора); он равен приблизительно 365,2422 суток. В нашей повседневной жизни мы привыкли думать, что 365 дней составляют год (который иногда бывает високосным ц содержит 366 суток). Наш григорианский год, введенный в 1582 году папой Григорием XIII, содержит 365,2425 суток, тогда как использовавшийся до него юлианский год, введенный Юлием Цезарем в 46 году н. э., содержал 365 + 1/4 = 365,25 суток. Заметим: когда мы говорим, что нам столько-то лет, мы имеем в виду тропический, а не звездный год (хотя на самом деле различие между ними не имеет никакого значения для практической жизни).

Узнав о разных определениях года, вы можете поинтересоваться, а какой же год имеют в виду, когда говорят о световом годе, используемом для измерения расстояний?

В действительности астрономы не пользуются этой единицей для измерения космических расстояний; они употребляют парсек (см., например, врезку 8.1). Так что выбор длины года не столь уж важен. Наиболее удобной единицей измерения является юлианский год продолжительностью ровно 365,25 суток (каждые ровно по 86 400 секунд). Это приводит к световому году длиной 9 460 730 472 580,8 км (если принять современное значение скорости света равное 299792,458 км/с).

Здесь мы имеем пример очень медленно происходящих природных процессов, для выявления которых требуются долговременные точные наблюдения (и возможность записывать их!). Быстротечность человеческой жизни и наш ограниченный жизненный опыт не позволяют заметить колебания земной оси и многие другие важные явления.

Птолемей.

Последним великим астрономом Древней Греции был Клавдий Птолемей, живший в Александрии примерно в 100–178 годах н. э. Он собрал астрономические знания того времени в своей книге, известной по ее более позднему арабскому названию Альмагест (Великая Книга). Мусульманские астрономы сохранили этот труд до конца Средневековья, дополнив его своими результатами. Когда в Европе возродилась астрономия, книга была переведена с арабского на латынь, а перевод с греческого появился только в XV веке.

Птолемей усовершенствовал теорию эпициклов. Еще Гиппарх добавил в эту модель эксцентрические окружности: эпициклы равномерно движутся по большим окружностям деферентов, центры которых немного смещены относительно центра Земли. Это дополнение позволило ему достаточно точно описать наблюдаемое изменение скорости годичного движения Солнца. А Птолемей ввел следующее дополнение: эквант, точку внутри эксцентрической окружности. Центр эпицикла должен двигаться вдоль эксцентрической окружности с переменной скоростью, такой, чтобы для наблюдателя в экванте видимая угловая скорость оставалась постоянной. Эта уловка позволила в будущем лучше описывать движения планет. Однако она приводила к отказу от традиционного кругового движения. Позже Коперник, во всем остальном большой поклонник Птолемея, не мог признать эквант и остался верен идее равномерного кругового движения.

Размер сферической Земли.

Способы измерения астрономических расстояний своими корнями восходят к Фалесу, который, как утверждают, определял высоту пирамиды, дожидаясь момента, когда длина тени от вертикально стоящего шеста становилась равной длине самого шеста. В этот момент он измерял длину тени, отбрасываемой пирамидой. Это простая, но искусная процедура показывает, как сочетание наблюдений с математикой может привести к неожиданным результатам в изучении окружающего мира. Основы измерений космических расстояний были заложены в стране пирамид, в Александрии, где Эратосфен (около 275–195 до н. э.), хранитель библиотеки знаменитого Музея, измерил размер Земли, используя ее сферическую форму и, опять-таки, Солнце и тень.

Как географ, он собирался построить карту мира и нуждался в масштабе для ее координатной сетки. Его метод был очень прост: если известно расстояние между двумя точками, измеренное по искривленной поверхности Земли, и если известно угловое расстояние между ними, то можно прямо вычислить окружность Земли. Например, угловое расстояние от полюса до экватора равно одной четверти полной окружности, так что, умножив это расстояние на 4, мы получим длину окружности Земли.

Эратосфен взял две опорные точки: Александрию, где он жил, и Сиену (ныне Асуан), которые располагаются примерно на одной долготе (линия север-юг). Он знал, что в Сиене в день летнего солнцестояния в полдень исчезают тени, а значит, Солнце находится точно над головой. В это же время в Александрии Солнце расположено немного южнее зенита, поэтому тени видны. Угловое расстояние между этими двумя городами по его измерениям составляет около 7°, или 1/50 полной окружности в 360°. Следовательно, умножив линейное расстояние между Александрией и Сиеной 5 на 50, можно получить длину окружности Земли (схема измерений показана на рис. 3.4). Неизвестно, как Эратосфен определил расстояние 5, но он мог использовать время, которое требуется гонцу для преодоления этого пути. Так или иначе, он принял S = 5000 стадий и получил длину окружности Земли равную 250 000 стадий.

Рис. 3.4. (а) Схема измерения Эратосфена, где R — радиус Земли, S — расстояние от Александрии до Сиены, α — угловое расстояние Солнца от зенита в Александрии, а также угол при центре Земли. Большой круг — окружность Земли, (б) Схема триангуляции, где R — расстояние от наблюдателя до объекта, а — угловой размер объекта. Большой круг радиуса R с центром в точке наблюдения.

Стадия использовалась в соревнованиях греческих атлетов, но в ходу было несколько единиц с этим названием и разной длины. Мы точно не знаем, какую из этих единиц использовал Эратосфен, когда говорил о 5000 стадий. Короткая единица длиной 157,5 м (часто употребляемая историками) дала бы немного меньшее значение окружности Земли, а длинная единица в 185 м переоценила бы размер Земли: ее окружность имела бы длину либо 39 375, либо 46 250 км. Современное значение окружности Земли равно 39 942 км (полярное) и 40 075 км (экваториальное). Впрочем, здесь важно то, что еще в Античности, задолго до Колумба, были известны форма и размер Земли. Эратосфен показал, что можно измерить размер Земли, притом что увидеть ее целиком невозможно, используя измерения на поверхности и учитывая сферическую форму. Даже современные космологи применяют подобный способ для всей Вселенной.

Способ, которым Эратосфен измерил Землю, представляет собой частный случай триангуляции, использующий равнобедренный треугольник (с двумя равными сторонами). Как показано на врезке 3.2, в астрономии встречаются два подобных случая: когда базовой стороной треугольника служит размер далекого объекта, расстояние до которого мы определяем; либо когда базовая сторона находится «здесь», а далекий объект расположен в вершине треугольника.

Примером первого типа триангуляции может служить определение расстояния до Солнца, исходя из его углового размера (примерно полградуса). Если бы его истинный диаметр был бы известен, скажем, в километрах, можно было бы легко вычислить расстояние до него. Но даже в наше время мы не можем определить истинный размер с достаточной точностью, независимо от его расстояния. Не могли этого сделать и в древности. Анаксагор смело предположил, что Солнце — это светящийся камень размером с Пелопоннес (около 150 км). В этом случае метод триангуляции дает значение 17 000 км, тогда как правильное значение примерно в 10 000 раз больше (поскольку Солнце во много раз больше Пелопоннеса). Расстояние до Солнца никак не могли измерить в течение долгого времени, и только в XVII веке были сделаны довольно точные измерения.

Если базовая сторона «здесь», то она сама становится естественной единицей измерения, независимо от того, какова его длина в метрах или стадиях. С древности и до XVIII века радиус Земли служил основной единицей измерений в Солнечной системе. Как мы увидим ниже, расстояние Земля-Солнце используется как естественная база при измерении расстояний до ближайших звезд.

Врезка 3.2. Треугольники и расстояние.

Посмотрим на рис. 3.46. Если у нас равнобедренный треугольник (две стороны равны R), то, зная угол α при его вершине, между двумя равными сторонами, и длину базовой стороны S, мы легко можем вычислить высоту треугольника.

При астрономической триангуляции обычно астроном может измерить угол α, и, как правило, этот угол весьма мал, меньше нескольких градусов. Поэтому высота в треугольнике почти равна R.

Очертив воображаемую окружность радиусом R с центром в вершине треугольника, мы получим ту же картинку, что и Эратосфен, но в нашем случае R — это расстояние до объекта, а S — его физический размер. Длина воображаемой окружности равна S, деленной на ту часть, которую от 360° составляет угол α.

Расстояние R равно длине окружности, деленной на 2π. Обычно встречается два характерных случая.

• Предположим, что базовая сторона является определяемым расстоянием до далекого объекта. Отметим, что объект может быть очень далеким, если он велик, но если он близок, то может быть и мал (когда вы смотрите на палец своей вытянутой руки, его угловая толщина равна угловому размеру Луны, но Луна гораздо больше и дальше вашего пальца!). Ясно, что для вычисления расстояния R по измеренному угловому размеру объекта на небе (угол α в вершине треугольника) нам нужно знать размер этого объекта (S) в километрах. Но как вычислить его истинный размер, не зная расстояния до него? Это одна из самых трудных задач астрономии — найти «стандартный отрезок» для измерения больших расстояний за пределами нашей Галактики.

• Было бы легче, если бы базовая сторона была бы «здесь», у наблюдателя, а далекий объект находился бы в вершине треугольника. Подобно Эратосфену, мы бы измерили S и угол α (каким-то иным методом), а затем вычислили бы расстояние R до объекта. В сущности, используя этот метод, Эратосфен вычислил расстояние до недостижимого центра Земли.

Аристарх Самосский — Коперник Античности, расширивший Вселенную.

Наряду с моделями мира, в центре которого расположена Земля, в древности были и «диссидентские» взгляды, выражавшие сомнения в некоторых базовых установках господствовавшей космологии. Гераклид Понтийский (388–315 до н. э.), ученик Платона, считал, что Земля вращается вокруг собственной оси, а суточное вращение неба — это всего лишь кажущееся явление для наблюдателя на вращающейся Земле. Гераклида чуть было не выбрали главой Академии после смерти Спевсиппа, преемника Платона, но выиграл Ксенократ с перевесом в несколько голосов. Можно предположить, что к вопросу о движении Земли отношение в Академии стало бы более внимательным, если бы выбрали Гераклида.

Аристарх Самосский (310–230 до н. э.) придумал способ определения размеров и расстояний Луны и Солнца. Он использовал Луну как промежуточный шаг к более далекому Солнцу. Сохранилась только одна его работа О размерах и расстояниях Солнца и Луны. В этой книге Аристарх объясняет, как можно измерить (а) отношение расстояний Солнца и Луны и (б) размеры Солнца и Луны, принимая радиус Земли как единицу длины. В основе метода (б) лежит затмение Луны (используется тень, отбрасываемая Землей). Требуется также знать отношение расстояний, которое определяется способом (а), по наблюдениям Луны в одной из четвертей.

В чем причина лунных фаз и лунных затмений, понял еще Анаксагор за два столетия до этого (и подробно объяснил Аристотель). Аристарх считал, что Луна — это сфера, светящаяся лишь отраженным солнечным светом. Поэтому в фазе первой или последней четверти, когда освещена половина лунного диска, Земля, Луна и Солнце составляют прямоугольный треугольник с Луной при прямом угле (рис. 3.5). Если в этот момент измерить угол между Луной и Солнцем, то можно узнать и величину оставшегося угла треугольника. После этого легко вычислить расстояние Земля-Солнце в единицах расстояния Луны от Земли. При наличии простейшего современного калькулятора вычисления не представляют никакой трудности, но для Аристарха они были трудны из-за скучных геометрических построений. Угол между Луной и Солнцем в его вычислениях был принят 87°, и он показал, что отношение расстояний до Солнца и до Луны больше чем 18:1, но меньше чем 20:1. Вычисления с помощью калькулятора дают около 19:1.

Аристарх оценил размер Луны в сравнении с Землей весьма изощренным методом, используя затмения Луны. Мы опишем его в упрощенном виде. Представим, что Солнце очень далеко; тогда за Землей образуется цилиндрическая тень, диаметр которой равен диаметру Земли. Во время затмения легко увидеть, что земная тень больше Луны, а по продолжительности затмения нетрудно вычислить относительный размер Луны и Земли. Аристарх определил, что размер Луны составлял 1/3 размера Земли. Современное значение ближе к 1/4. Солнце и Луна имеют примерно одинаковый угловой размер, равный 1/2°. Если Солнце в 19 раз дальше Луны, которая в три раза меньше Земли, то получается, что Солнце в 19/З ≈ 6 раз больше Земли. Современные данные дают другие значения: в 400 раз дальше и в 400/4 = 100 раз больше Земли.

Немного странно, что Аристарх не определил расстояние до Луны и Солнца, ведь их было бы легко вычислить в единицах радиуса Земли. Может быть, он это сделал в работе, которая не сохранилась. В таком случае, с теми данными, которые у него были, он должен был получить: (1) расстояние до Солнца равное 1500 радиусам Земли, (2) расстояние до Луны равное 80 земным радиусам. Правильные данные таковы: 23 500 и 60 земных радиусов соответственно. Математические расчеты Аристарха были верны, откуда же такое отличие? Угол Солнце-Луна во время четвертей Луны близок к 90° (89,85°), поэтому даже крошечная ошибка в измерениях дает большую погрешность в определении отношения расстояний.

Позже Гиппарх и Птолемей определили методом триангуляции расстояние до Луны в 60 земных радиусов. Таким образом, древние астрономы хорошо знали и размер спутника, и расстояние до Луны. Но расстояние до Солнца так и оставалось недооцененным до нынешней эпохи. Даже Коперник придерживался мнения, что расстояние до Солнца равно 1142 земным радиусам, ошибаясь при этом в 20 раз.

Рис. 3.5. Земля, Луна и Солнце образуют прямоугольный треугольник, когда Луна видна в фазе одной из четвертей.

Аристарх определил, что Солнце во много раз больше Земли. Вероятно, это привело его к предположению, что маленькая Земля обращается вокруг Солнца. Его собственный труд по этому вопросу потерян, но у нас есть надежный источник — его современник Архимед (287–212 до н. э.). После обучения в Александрии этот великий математик вернулся на свою родную Сицилию, где служил советником царя Гиеро II. Он понял, что если тяжелое тело помещено в сосуд, полный воды, то количество перелившейся через край воды равно объему тела. Поэтому вес тела, деленный на вес вылившейся воды, равен плотности вещества, из которого состоит тело. Не повредив изящную корону, он смог обнаружить мошенничество ювелира, использовавшего при ее изготовлении золото низкой пробы.

В книге Архимеда «Исчисление песчинок» упоминается о потерянной работе Аристарха, посвященной размеру Вселенной. Здесь Архимед представляет новую систему счисления, предназначенную для операций с большими числами. В этой связи он предполагает, что диаметр Вселенной меньше чем 10 млрд стадий (что лишь немногим больше орбиты Юпитера). Архимед вычислил самое большое из возможных чисел — количество песчинок, которыми можно было бы заполнить всю Вселенную. В результате у него получилось 1063, то есть единица с 63 нулями.

Отметив «общее мнение», высказанное астрономами, Архимед переходит к тому, что он считает по-настоящему альтернативной точкой зрения:

«Но Аристарх опубликовал книгу, состоящую из определенных гипотез, которые содержат ряд предположений о том, что Вселенная во много раз больше рассмотренной нами «Вселенной». Он полагает, что неподвижные звезды и Солнце не меняют своего положения в пространстве, что Земля движется по окружности вокруг Солнца, находящегося в центре ее орбиты, и что центр сферы неподвижных звезд совпадает с центром Солнца, а размер этой сферы таков, что окружность, описываемая, по его предположению, Землей, находится к расстоянию неподвижных звезд в таком же отношении, в каком центр шара находится к его поверхности» (перевод по: Thomas Heath «Aristarchus of Samos»).

Даже при отсутствии деталей эта запись свидетельствует о том, что в потерянной работе Аристарха были предположения о гелиоцентрической системе. Мы не знаем, что думал Аристарх о других планетах. В приведенном выше отрывке упоминаются только Земля, Солнце и неподвижные звезды. Неизвестно, использовал ли он движение Земли для объяснения остановок и обратных движений планет, как это сделал Коперник (см. главу 5). Архимед упоминает, что, согласно Аристарху, сфера неподвижных звезд намного превышает расстояние до Солнца. Это объясняет, почему не наблюдается годичных изменений в положениях звезд (параллакс), чего можно было бы ожидать при обращении Земли вокруг Солнца.

Модель мира Аристарха была радикальной для своего времени. Теперь мы знаем, что она верна, но в то время еще не было возможности отстаивать свои взгляды, противоречащие общепринятой космологии. Только один ученый поддержал эту модель. Это был Селевк, живший в Вавилоне спустя сто лет. И это неудивительно, если учесть, насколько точные требуются наблюдения для того, чтобы убедиться в реальном движении Земли. Подобные эффекты (аберрация света, звездные параллаксы) настолько малы, что были обнаружены только через два тысячелетия.

Что касается «размера Вселенной», то есть расстояния до самой далекой звездной сферы, то в ту эпоху не было надежных способов его измерения. Птолемей ограничился минимумом, у него орбиты планет упакованы предельно плотно, между ними не оставлено никакого пространства, так что максимальное расстояние, на которое удалялась планета на своем эпицикле, было равно минимальному расстоянию до следующей планеты. Таким способом он определил расстояние до самой далекой планеты Сатурн, и оно получилось равным 19 865 земных радиусов (современное значение превышает 200 000). Таким же было и расстояние до загадочной звездной сферы, за которой ничего нет.

На пути к Солнечной системе.

Переход от плоской Земли к измерению нашей сферической планеты был радикальным шагом в мировоззрении. Это пример того, как локальными наблюдениями, подкрепленными математическими рассуждениями, можно в буквальном смысле охватить земной шар, измерить расстояние до Луны и определить ее размер. Мы также увидели первые попытки поместить Землю на ее истинное, подчиненное место в Солнечной системе.

Мы увидели, что некоторые античные астрономы рассматривали эпициклы и дифференты как вычислительный метод, а не реальный космический механизм. Главным для них было объяснить видимые движения планет как комбинацию идеальных равномерных круговых движений, а вовсе не понять их физическую природу, что для нас сейчас выглядит несколько странным. Но подход древних ученых к наблюдениям и позиции, с которых они исследовали мир, сильно отличались от современных. Не считая робких (и порой опасных) предположений, например о том, что Солнце — это раскаленный каменный шар или что Луна светит отраженным солнечным светом, рассуждения о физической природе планет и звезд и об их истинном движении оставались за пределами деятельности древних астрономов.

 

Глава 4 Средневековая космология

Великолепный Александрийский музей в Египте был основан примерно в 300 году до н. э. одним из генералов Александра Великого. В нем хранилось до полумиллиона рукописей (рулонов папируса), которыми пользовались ученые, занимавшиеся литературой, математикой, астрономией и медициной. Птолемей был последним великим ученым Александрии. Он жил, когда культурное наследие Греции уже пришло в упадок. В течение следующих нескольких столетий творческая активность затухала во всей разрушающейся Римской империи.

В 312 году н. э. Константин Великий принял христианство, которое и стало официальной религией империи. Церковь в первые века своего существования либо была равнодушна к науке, либо же выступала против нее. Имелись и экстремисты, противостоявшие классической культуре и нападавшие на Александрийскую библиотеку и ее сотрудников. При этом в 415 году н. э. была убита математик Гипатия, которая, как принято считать, наряду с другими работами помогала своему отцу Теону составлять комментарии к «Альмагесту». Многие ученые сочли, что безопаснее будет переехать на работу в Афинскую академию или же в Константинополь, который тогда был столицей Восточной Римской империи.

О том, когда была разрушена библиотека и кто ее разрушил, существуют разные мнения. Одна из причин, возможно, в том, что помимо основной библиотеки, в другой части города, в храме Сераписа, был ее «филиал». По рассказу римского историка Плутарха, основной фонд библиотеки сгорел, когда в городе возник пожар при завоевании Юлием Цезарем в 48 году до н. э. Но возможно, это случилось при нападении на город императора Аврелия в III веке н. э. Эдвард Гиббон в книге «Упадок и разрушение Римской империи» ссылается на источники, утверждающие, что патриарх Александрийский Феофил разрушил библиотеку, когда храм Сераписа был превращен в церковь в 391 году н. э. Наконец, последним, кого подозревают в уничтожении библиотеки, стал мусульманский халиф Омар, который, по словам епископа Григория (записанным спустя боо лет), сжег книги библиотеки для нагрева воды в многочисленных городских банях после завоевания им города в 642 году н. э. Таким образом, виноватыми могут быть и язычники, и христиане, и мусульмане. Ясно одно: когда сталкиваются идеологии, в защите нуждаются не только люди, но и книги. Однако после волны мусульманской экспансии, хлынувшей в Европу через ее «ворота» — Испанию, новая исламская империя стала хорошо относиться к классическим наукам.

Сокровища прошлого.

В 529 году н. э. император Юстиниан закрыл Академию Платона — самый долгоживущий институт высшего образования, действовавший девять веков. В Европе после вторжения гуннов рухнула Римская империя и настали темные времена. Шли века, а в науке не происходило ничего интересного. В бедности, при беспорядках и в отсутствие богатых культурных центров научная работа не может процветать.

В христианских монастырях монахи копировали классические тексты, но у большинства мыслителей возникали иные идеи. Святой Августин (354–430) был образованным человеком, ценившим достижения древней науки. Но в своей «Исповеди» он предостерегал от «болезни любопытства… которая толкает нас к попыткам открыть секреты природы, лежащие за пределами нашего понимания. Я уже не мечтаю о звездах». Он считал, что даже если кто-то способен что-то понять в природе физических явлений, то жизнь настолько коротка, что лучше посвятить ее углубленному поиску Бога. Сегодня у нас есть историческая перспектива: если с кем-то происходит худшее и он умирает, постижение законов природы не останавливается, а углубляется, хотя и медленно. Научные знания накапливаются, и каждое поколение может наслаждаться и дальше развивать это наследие и даже находить в этом цель своей жизни.

К счастью, империя Мухаммеда, процветавшая в 700-1200 годах, сделала очень много для сохранения сокровищ прошлого. К астрономии и медицине относились с большим уважением. Ученые, работавшие в роскошных дворцах мусульманских правителей, переводили на арабский язык греческие тексты, пережившие трудные времена. Например, в IX веке мусульмане в результате мирного договора с Византийской империей получили основную работу Птолемея, которую мы теперь знаем под ее арабским названием «Альмагест».

Космология Средних веков.

Темное Средневековье было долгим периодом, «мрачность» которого в разных областях культуры в Европе часто переоценивают. В разгар Высокого Средневековья, в XII веке, люди начали переводить греческие тексты на латынь, в основном с арабского языка. Работы Аристотеля и других были с энтузиазмом приняты учеными Европы. Астрономы начали постигать наследие Птолемея, сохраненное и развитое арабскими учеными. Слова Бернарда из Шартра, французского ученого XII века, передают впечатление, какой им открылся клад: «Мы карлики, поднявшиеся на плечи гигантов. Вот почему мы видим больше и дальше, чем они: не потому, что наше зрение острее или же мы выше, а потому, что они подняли нас ввысь своим гигантским ростом…» Спустя несколько веков Исаак Ньютон использовал похожие слова, чтобы отдать дань своим предшественникам.

Вначале церковь не была в восторге от рациональных взглядов Аристотеля на космос и законы природы, ибо они ставили под сомнение всесилие божественной воли. Их неоднократно запрещали преподавать в Парижском университете. Но затем работавший в этом университете святой Фома Аквинский (1225–1274) объединил Писание с классическими идеями. В результате была создана уникальная средневековая космология, которая властвовала и над учеными, и над мирянами. Она включала в себя Бога и Человека, Небеса и Землю. Это учение превратило физику и космологию Аристотеля в официальную доктрину, которая преподавалась в школах и университетах. Вселенная сфер уже не противоречила догмам католической церкви. Бог создал неподвижную Землю, и все остальное обращается вокруг Человека, грешного, но все же венца Творения.

В своей «Божественной комедии» Данте Алигьери (1265–1321) изобразил впечатляющую картину средневековой космологии. Он написал поэму, когда по политическим мотивам был изгнан из родного города Флоренции. Он описывает визит в ад, чистилище и рай. Ад представляет собой конус, простирающийся вниз к центру Земли. Чистилище — это коническая гора с противоположной стороны. Посетив не очень приятные места (где он обнаружил своих политических противников!), Данте наконец поднимается в рай и через все более приятные уровни (планетные сферы) достигает Эмпиреев, места обитания Бога. Прямо под этими благословенными местами находится сфера Primum Mobile, или «перводвигатель». Эту новую часть к небесному механизму добавили арабские астрономы для объяснения медленного колебания восьмой сферы неподвижных звезд (движение точки весеннего равноденствия обсуждалось в предыдущей главе).

Небесный мир резко отличается от земного, поэтому смертные там жить не могут. Но если кто-то как-то сможет вырваться за его пределы, то увидит изменение физической реальности, пространство и время потеряют свои привычные свойства. Данте представляет, что «расстояние не может мгновенно уменьшиться и не увеличиться в том мире, которым управляет Бог, но там этот закон Природы не действует».

Данте не интересовался эпициклами и прочими математическими подробностями, которые изучают астрономы. Для него был важен смысл общей структуры Вселенной в связи с человеком. У человечества всегда было два конкурирующих естественных направления движения. Баланс между материальной и духовной составляющими человека определяет, попадет ли он в Ад или вознесется на Небеса. Это единение науки с верой вело к укреплению позиций гуманизма, приобретающего космическое значение, и кое-что из этого было потеряно в период коперниканской революции (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Средневековый космос был ограничен сферой Primum Mobile, перводвигателя. Эта сфера располагалась сразу же за сферой неподвижных звезд.

Схоластика — средневековая наука.

Наука Средневековья, схоластика, больше интересовалась мнениями и взглядами, чем самим физическим миром. Поэтому последнее слово всегда было за Аристотелем. В попытке что-либо понять люди обращались к созданной Аристотелем логике. Например, главной проблемой той эпохи был вопрос, являются ли классы предметов, такие как кошки или звезды, сами по себе реальными предметами или всего лишь названиями, придуманными человеком (что привело к жестокой борьбе между «реалистами» и «номиналистами»).

Сухой анализ — пресловутая схоластика — привел к обсуждению вопросов о физической доктрине. В XIV веке в Парижском университете Жан Буридан (около 1297–1358) и его ученик Николай Орем (он же Орезмский) критически изучили понятие силы Аристотеля, «все, что в движении, должно чем-то двигаться». Стрела летит вперед, толкаемая воздухом. Но во всем этом была интересная загадка, и Буридан предположил, что нечто, названное им impetus, присоединяется к телу, когда оно запущено на свою траекторию, и поддерживает движение тела. Импетус стал предтечей теории о сохранении импульса, столь важного в современной физике. В XV веке теория импетуса заменила механику Аристотеля и стала основной точкой зрения на физику движения.

Удивительно, что Буридан применил прозаическую теорию импетуса к вращающимся небесным сферам. Принято было считать, как в «Божественной комедии» Данте, что ангелы вращают внешние звездные сферы. Гигантские планетные сферы вращались под действием силы, исходящей от движимой ангелами сферы звезд. Однако, — рассуждал Буридан, — Библия ничего об этом не говорит. Возможно, Бог привел сферы в движение при творении. Сохраняя свой импетус, они вращаются до сегодняшнего дня. Это равномерное движение происходит без трения, что позволяет нам наблюдать импетус в чистом виде — и днем, и ночью прямо над головой. Этот замечательный шаг продемонстрировал близость перемен, когда будет обнаружено, что небеса следуют тем же физическим законам, которые действуют на Земле.

Если движение не нуждается в подталкивающей силе, то, возможно, мы можем двигаться, не осознавая этого? Может быть, и Земля вращается? Николай Орем (около 1320–1382) не поверил доказательствам Аристотеля о неподвижности Земли. Он возражал, что всякое движение относительно. Земля может вращаться вокруг своей оси (как уже предполагал Гераклид), создавая впечатление, что вращается небо, «как человек на плывущем корабле думает, что это деревья на берегу движутся». Аристотель знал об этой альтернативе, но выступал против, указывая, что камень, подброшенный прямо вверх, падает вниз в ту же точку. По мнению Аристотеля, если бы Земля вращалась, то место, из которого был брошен камень, должно было бы сместиться к моменту возвращения камня. А Орезм видел в этом работу импетуса: камень сохраняет свою долю импетуса, которая поворачивает его вместе с Землей. Поэтому и камень, и поверхность вращающейся Земли сдвигаются одинаково при возвращении камня на землю.

Может показаться странным, что после таких рассуждений Буридан и Орем пришли к выводу, что Земля неподвижна. Как настоящие схоласты они считали, что истину можно отстаивать только неотразимыми аргументами. Но теперь мы понимаем, что их анализ идей Аристотеля о физическом движении немного приблизил их к современной точке зрения на покой, равномерное движение и относительность.

Труды Аристотеля подтолкнули к размышлениям о том, что же такое наука. Вспомним, что его наука начинается с абсолютно верных аксиом, от которых в результате логических рассуждений можно прийти к новым истинам. Но как найти первые правильные аксиомы? Аристотель говорил, что нужно наблюдать природные явления и пользоваться интуицией. Роберт Гроссетест (около 1168–1253) и его ученик Роджер Бэкон (около 1214–1292), изучавшие в Оксфорде философию и богословие, думали о способах решения этой проблемы. Они предположили, что прежде, чем принять любое утверждение и объяснение, полученное с помощью наблюдения природных явлений, его нужно проверить. Например, могут быть два различных объяснения одного явления, но с помощью эксперимента можно отбросить неправильное или найти подтверждение для правильного. В этом рассуждении можно заметить зерна современной экспериментальной науки, расцвет которой спустя четыре века пришелся на времена Галилея.

Говорят, что авторитет Аристотеля замедлил развитие науки в Европе. Но эта точка зрения выглядит весьма узкой, если учесть, что в целом научная активность веками оставалась «на задворках». Она возродилась вместе с текстами Аристотеля и других классиков. Разумеется, Аристотель не виноват, что последователи читали его книги как истину в последней инстанции, не понимая, что наука — это деятельность, способная к самоорганизации, которая изменяет смысл таких книг. Идеи Аристотеля, даже ошибочные, стимулировали независимое мышление. Постепенно люди начали готовиться к чтению «книги природы» вместо древних книг.

Бесконечность там, где центр везде…

Конечная сферическая Вселенная, которая была популярна и во времена Античности, и в Средневековье, имела центральную точку и, поскольку была окружена гигантской внешней сферой, обладала некоторой степенью локальной изотропии: расстояние от центра до сферы было одинаковым во всех направлениях. Но на практике измерить расстояние до сферы было невозможно, поэтому вывод о нашем расположении в центре мог быть сделан лишь на основе видимого вращения небесных тел вокруг нас. Вспомним: Анаксимандр утверждал, что Земля неподвижно находится в центре мира, где нет предпочтительных направлений. И Аристотель тоже утверждал (см. главу 2), что вращение свидетельствует о том, что размер мира конечен, иначе его бесконечно далекие части двигались бы с невероятной, бесконечной скоростью. Таким образом, космическое вращение, наличие центра и конечный размер Вселенной были взаимосвязаны.

Еще в III веке «неоплатоник» Плотин (205–270) описал свою духовную космологию в книге «Эннеады». В разделе «Вращение небес» он писал: «Небеса по своей природе могут быть неподвижными или вращаться». И затем следуют удивительные слова: «Центр круга определенно является неподвижной точкой: если бы внешняя окружность не двигалась, Вселенная была бы не чем иным, как безбрежным центром». Другими словами, если бы не было всемирного вращения, то не было бы абсолютного центра, и Вселенная могла бы быть беспредельно большой.

По прошествии более чем двенадцати столетий, около 1440 года, немецкий кардинал Николай Кузанский (1401–1464) написал примерно то же самое в своем философском трактате «Ученое незнание»: «Вселенная — это сфера, центр которой везде, а окружность — нигде». Он пришел к этому космологическому принципу, пытаясь охарактеризовать непостижимость беспредельного Бога. Любопытно, что в контексте этого утверждения была относительность движения, тема, постоянно всплывающая в истории физики. Николай Кузанский утверждал, что, поскольку абсолютного покоя не может быть вне Бога, то даже Земля должна каким-то образом двигаться: «Каждому человеку, будь он на Земле, на Солнце или на другой планете, всегда будет казаться, что все остальные предметы движутся, а сам он находится в неподвижном центре». Поэтому «окажется, что машина мира будет как бы иметь повсюду центр и нигде окружность, ибо ее окружность и центр есть Бог, который повсюду и нигде».

На современном языке мы могли бы сказать, что каждый равномерно движущийся наблюдатель во Вселенной может считать себя неподвижным, а всех прочих — движущимися. В этом смысле равномерно движущийся наблюдатель может приписать себе особый статус: быть в покое, быть в центре. Однако для Николая Кузанского круговое движение было естественным (в отличие от прямолинейного), поэтому даже вращающийся наблюдатель, не ощущая вращения, мог чувствовать себя находящимся неподвижно в центре. Этот центр определяется видимым вращательным движением вокруг этого наблюдателя.

Говоря, что Вселенная — это сфера, центр которой везде, мы переходим от конечного сферического мира к такому миру, где из каждой точки наблюдатель в любом направлении видит одинаковую картину (изотропия). Сегодня, будучи знакомы с неевклидовой геометрией, мы знаем, что даже такой мир может быть конечным и безграничным. Но средневековые мыслители, разумеется, имели в виду бесконечный мир. Сам Николай Кузанский (рис. 4.2) отстаивал истинную, абсолютную бесконечность только Бога и писал: «Хотя мир и не бесконечен, его нельзя представлять как конечный, ибо у него нет границ, в которые он заключен».

Рис. 4.2. Николай Кузанский (слева) и Джордано Бруно, полагавшие, что мир бесконечен, и предвидевшие современный космологический принцип, согласно которому «центр везде».

Хотя Николай Кузанский не предлагал детальную модель мира, он освободил Вселенную от абсолютного центра. Он утверждал, что число звезд, одной из которых является Земля, бесконечно. Он считал естественным наличие жизни и жителей на этих звездах, но добавлял, что мы не знаем, на кого они похожи. Он утешал тех, кто боялся, что существа, живущие на звездах крупнее Земли, знатнее нас, говоря, что самое главное — это уровень интеллекта.

…Или там, где нет центра.

Джордано Бруно (1548–1600) в юности ушел в доминиканский монастырь. Но оригинальность мышления привела его к противостоянию с настоятелем, который заподозрил, что юноша из Нолы (ныне Неаполь) — сторонник еретических идей. В возрасте 28 лет Бруно бежал и несколько лет скитался по Европе, преподавая философию в университетах, и все время его обвиняли в богохульстве и ереси.

В 1591 году Бруно принял роковое решение вернуться в родную Италию. Его пригласил молодой аристократ, который, как казалось, страстно хотел изучать философию, но на самом деле гнался за экзотикой. Разочарованный ученик сдал Бруно в руки инквизиции. Бруно арестовали и обвинили в ереси. Он не только заявил, что господствующая точка зрения на Вселенную ошибочна, но — и это более важно! — что он считает Бога пантеистическим духом (попросту — что Природа и Бог едины) и отрицает такие основные доктрины церкви, как пресуществление и непорочное зачатие. После семилетнего тюремного заключения в феврале 1600 года Бруно сожгли на костре в Риме на площади Цветов (Campo dei Fiori).

Хотя Бруно жил после Коперника и полностью был с ним согласен в том, что Земля не является центром Вселенной, мы считаем, что должны рассказать о его идеях, поскольку они возникали у него на фоне средневекового мышления. Бруно был знаком с трудами Николая Кузанского. Помимо представления о том, что Бог присутствует как творческий дух во всех элементах Вселенной, Бруно утверждал — и это сделало его знаменитым, — что безграничная сила Бога воплощается в бесконечности Вселенной.

Джордано Бруно совершил гигантский интеллектуальный прорыв к новой крупномасштабной картине космоса. За несколько десятилетий до этого Коперник поместил Солнце в центр Вселенной, но он — как и все до Джордано Бруно — считал, что Вселенная ограничена хрустальной сферой с неподвижными звездами. Единственным исключением был английский астроном Томас Диггес (1543–1595)» опубликовавший в 1576 году карту Вселенной, где звезды были отделены от сферы и рассыпаны в пространстве. Но Диггес все же оставил в центре бесконечной звездной Вселенной особое место для Солнца. Бруно стал первым, кто придал звездам физический статус далеких солнц. Возможно, он был первым, кто доказывал, что звезды, эти слабые пятнышки на небе, на самом деле являются такими же большими и яркими, как наше Солнце.

Интересно, что корни наших нынешних споров о том, что считать планетой (будет обсуждаться во врезке 31.1), уходят к Бруно, который ясно определил, в чем отличие планеты от звезды: звезда светит собственным светом, а планета — отраженным светом своего солнца.

В соответствии со своей космологической теорией Бруно описывал Вселенную такими словами: «Во Вселенной нет ни центра, ни границы, но центр присутствует везде». Это напоминает нам Николая Кузанского и означает, что все области Вселенной равноправны. Это полностью противоречит старой космологии, где был центр, занятый Землей. В современной космологии отсутствие какого-либо предпочтительного центра служит естественной отправной точкой.

Еще одним космологическим принципом Бруно считал универсальность земных законов и то, что небесная материя похожа на земную. Он писал, что звезды, похожие на Солнце, разбросаны по бесконечному пространству: «Поскольку Вселенная бесконечна… можно предположить, что там бесчисленное количество солнц, многие из которых видны нам в виде маленьких тел; и многие из них могут быть видны нам как маленькие звезды». Бруно считал, что Земля не может быть единственной планетой с живыми существами, так как это поставило бы ее в особое положение, этакий центр Вселенной. Нам эта мысль кажется естественной теперь, когда современная астробиология работает над универсальными законами, управляющими как живой, так и неживой материей в природе.

В своей книге «О бесконечности, Вселенной и мирах» Бруно мечтал о временах, когда появится возможность исследовать глубины Вселенной: «Откроются для нас врата, сквозь которые мы сможем взглянуть на бесчисленные, повсюду схожие звездные миры». Всего через несколько лет после гибели Бруно Галилей «открыл эти врата», направив свой телескоп на звездное небо.

Хотя Бруно не был астрономом, он понимал, какие трудности встают при наблюдении далеких небесных тел. Звезды — это те же солнца, но они так далеки, что выглядят тусклыми пятнышками света. Рядом со звездами тоже есть планеты, но они недоступны нашему зрению. К тому же Бруно считал, что и в Солнечной системе могут быть планеты, которые мы не видим, поскольку они очень далеки, или же очень малого размера, или слабо отражают солнечный свет. Строя свою космологию на скудных наблюдениях, Бруно говорил, что отсутствие прямых доказательств для его выводов есть лишь результат ограниченных наблюдательных возможностей. Еще и сегодня эти проблемы мешают астрономам поглубже заглянуть в космическое пространство.

Но так ли важны для науки представления о мире Николая Кузанского или Джордано Бруно, не опиравшиеся на современные наблюдения? Да, важны, поскольку наука опирается не только на наблюдения, но и на концепции. Иногда новая идея побуждает к пересмотру старых наблюдений, открывает их новый смысл. Это ясно видно на примере Коперника, о чем мы поговорим в следующей главе.

Средневековье закончилось Возрождением, расцвет которого пришелся на XV и XVI века. В искусстве и в других областях культуры повеяло свежим ветром, когда люди вновь обратили свой пытливый взгляд на классическую литературу, философию и науку. Исследователи физической и духовной природы человека, путешественники, проникающие в неизведанные края, стали символом гуманизма и Возрождения. Такие художники, как универсальный гений Леонардо да Винчи (1452–1519), начали изображать человека более реалистично, чем это делали их предшественники в эпоху жесткой схоластики. Диапазон их интересов простирался от полета птиц до Луны (рис. 4.3). В глазах художников, изобретателей и ученых Природа приобрела новый, более важный смысл.

Прогресс науки зависит не только от размышлений и наблюдений. Уже неоднократно в своем рассказе мы жаловались на потерю важных работ. Отчасти это случилось потому, что даже в эпоху их создания изготавливалось мало экземпляров этих трудов. Немецкий ювелир и печатник Иоганн Гутенберг (около 1396–1468) произвел революцию в деле распространения знаний, изобретя подвижную литеру. Первой книгой, напечатанной этим способом в Майнце в 1451 году, была латинская грамматика. И хотя процесс печатания был медленным (примерно 15 страниц в час), он оказался гораздо быстрее ручного многомесячного копирования 200-страничной книги. Всего за несколько десятилетий изобретение Гутенберга значительно ускорило распространение научных знаний в Европе.

Рис. 4.3. Леонардо да Винчи описал детали поверхности Луны и верно объяснил причину, по которой мы видим «пепельный свет» между кончиками лунного серпа: это свет от освещенной Солнцем Земли, слабо отражающийся от лунной поверхности. Обратите внимание на огромную разницу в яркости между освещенной Солнцем частью Луны и той ее частью, где едва заметен пепельный свет. Фото: Harry Lehto.

 

Глава 5 Корни коперниканской революции

Ренессанс ворвался в научную жизнь вместе с работой Николая Коперника. Он родился в 1473 году в городе Торунь, в центре Польши, и был младшим среди четырех детей купеческой семьи. Когда Копернику исполнилось 9 лет, его отец умер, и мальчика взял к себе дядя со стороны матери — Лука Ватцельроде, священнослужитель, ставший впоследствии епископом Вармийской епархии.

Знаменитый Краковский университет был основан в 1365 году, а в 1491 году в нем стал учиться юный Коперник. Университет принимал студентов со всей Европы, где латинский язык был языком преподавания и науки. Учебный план был составлен по средневековому образцу семи гуманитарных наук. Тривиум состоял из латыни, риторики и диалектики, тогда как следующий за ним квадривиум содержал арифметику, геометрию, астрономию и музыку.

Годы, проведенные под солнцем Италии.

После трех лет обучения в Кракове Коперник продолжил свое образование в Италии, где в течение нескольких лет в Болонском университете изучал церковное право, а также греческий язык и астрономию. В 1501 году он вернулся к своей работе церковного администратора во Фрауенбурге (ныне Фромборк в Польше). Но вскоре он опять направился в Италию и на этот раз занялся изучением медицины в университете Падуи. Степень доктора права он получил в университете Феррары. Когда в 1506 году Коперник вернулся на родину, ему было уже 33 года, он провел в Италии 9 лет и стал «человеком Возрождения» со знаниями во многих областях науки.

Этот тихий и застенчивый служитель католической церкви был также решительным и трудолюбивым, пишущим на разные темы, включая денежную реформу. Кроме того, до конца своей жизни он давал медицинские консультации. Но за этой публичной личностью скрывалась тикающая бомба, взорвавшая науку того времени. Постепенно даже за пределами Фрауенбурга и даже в кругах, никак не связанных с астрономией, стали распространяться слухи, что священник из Фрауенбурга выдвигает странную идею о том, что Земля движется, в то время как Солнце и звезды остаются неподвижными.

Коперник умалчивал об источнике его мыслей о Вселенной, в центре которой Солнце. Неизвестно, насколько сильно повлияли на него более ранние астрономические идеи о центральном положении Солнца. «И хотя это мнение казалось нелепым, — писал Коперник, — однако, зная, что и до меня другим была предоставлена свобода изобретать какие угодно круги для объяснения явлений звездного мира, я полагал, что и мне можно попробовать (предположив какое-нибудь движение Земли) найти более надежное объяснение для вращения небесных сфер». Эти нелепые идеи наделе оказались астрономическим кладом (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Коперник и его вселенная. Она ограничена снаружи сферой неподвижных звезд, которая сама «immobilis», неподвижна. Это рисунок из книги «De Revolutionibus».

Мысли Коперника о космосе, в центре которого неподвижно располагается Солнце, могли возникнуть еще в Италии. Но начал он писать свою великую книгу «De Revolutionibus Orbitum Coelestium» (О вращениях небесных сфер), видимо, уже после возвращения из Италии в 1506 году. Рукопись могла быть завершена в 1530 году. До этого Коперник написал конспект, который стал циркулировать среди астрономов, одним из них был юный математик Ретик (1514–1576) из университета в Виттенберге. Он приехал к Копернику, желая убедить его опубликовать работу целиком. Этот визит затянулся почти на два года! Благодаря стараниям Ретика и еще одного друга Коперника — епископа Тидемана Гизе, Коперник согласился опубликовать свою работу. Другим представителем католической церкви, который несколькими годами ранее просил Коперника сделать это, был Николас Шёнберг, кардинал Капуи. Есть мнение, что Шёнберг действовал по настоянию самого папы Клемента VII, большого поклонника астрономии.

De Revolutionibus опубликована: миссия завершена.

Рассказывают, что, когда 70-летнему Копернику доставили только что напечатанный экземпляр его книги, он был уже смертельно болен и не смог ее прочитать. Это уберегло его от знакомства с предисловием «К читателю, о гипотезе, представленной в этой книге», которое добавили без его ведома. Неподписанное, оно было сочинено другом Ретика, теологом Озиандером, который следил за печатанием книги, пока Ретик был занят другими делами. Озиандер, видимо, боялся, что противники книги попытаются исказить идеи Коперника. Поэтому он подчеркивал, что теория Коперника — не что иное, как новый метод вычисления положений планет на небе, и что его теория не утверждает, будто Солнце находится в центре космоса. Прежде чем сурово осудить Озиандера, мы должны вспомнить, что его можно рассматривать как приверженца традиции, о которой мы упоминали в конце главы 3. Согласно этой традиции, математическая астрономия отделялась от реальных физических движений небесных тел. Средневековые последователи Аристотеля не придавали настоящего значения эпициклам. Ретик был зол на Озиандера за навязанное им предисловие, но собственное предисловие Коперника к «De Revolutionibus» однозначно показывало, что он предлагает новую физическую модель мира, в которой Земля действительно движется в пространстве.

Почему отказались от Старого доброго мира? Почему Коперник и почему в XVI веке?

Новая система в некотором отношении была не намного проще старой. Она все еще базировалась на многочисленных кругах и эпициклах и, в принципе, предсказывала положения планет на небе ненамного точнее старого геоцентрического механизма. Но, с точки зрения математического мышления, такого как у Ретика, она была очень привлекательна, поскольку могла объяснить просто и естественно основные движения на небе. Даже Птолемей писал «хорошая идея объяснить явления наиболее простой гипотезой, поскольку ничего в наблюдениях не обещает серьезных препятствий этой процедуре». Коперник придавал главное значение тому, что если в центр системы помещено Солнце, то «одного движения достаточно для объяснения большого число видимых изменений». Теперь перечислим основные небесные движения и их отношение к тому, как, когда и почему возникла теория Коперника.

• Суточное движение звездного неба.

• Ежегодное движение Солнца по небу и наличие сезонов года (рис. 5.2).

• Наиболее важные, регулярно повторяющиеся обратные петли планет без эпициклов (рис. 5.4).

Рис. 5.2. Сезоны и изменение высоты Солнца в течение года стали понятны как результат наклона оси вращения Земли, притом что направление оси в пространстве не изменяется. Об этом простом, но глубоком объяснении не всегда помнят. Часто ошибочно считают, что летом Земля ближе к горячему Солнцу (на самом деле летом Северное полушарие гораздо дальше от Солнца!)

Что касается суточного вращения всех небесных объектов, то Коперник подчеркивал, что легче представить вращение маленькой Земли вокруг своей оси с периодом в сутки, чем вращение огромной небесной сферы с ошеломляющей скоростью: 9000 км/с для звезд на экваторе, если радиус небесной сферы равен 20 000 радиусов Земли по предположению Птолемея. Такое быстрое движение могло бы стать причиной разлета сферы на части! Это сильный физический аргумент, если отвлечься от вопроса о точности гелиоцентрической системы по сравнению с геоцентрической. Годичное движение Земли вокруг Солнца очень просто объясняет годичное перемещению Солнца по небу вдоль эклиптики. И не нужно заставлять Солнце крутиться вокруг Земли.

Историк науки Томас Кун (1922–1996) считает коперниканскую революцию важнейшим примером своей концепции «смены парадигм», утверждающей, что развитие науки в спокойные длительные периоды «нормальной науки» разделено научными революциями. В период революции рушится парадигма, грубо говоря, основание науки своего времени. В астрономии Птолемея основанием служило центральное положение Земли и принцип равномерного кругового движения, ведущий к увеличению числа эпициклов. Кун считал, что к XVI веку старая система пришла к кризису. Получился чудовищно сложный «монстр», слишком неуклюжий, чтобы оставаться жизнеспособным. Как раз в это время для развития религии и философии перенос Солнца в центр мира мог быть только на пользу.

Рисунок 5.3 показывает, в какую эпоху творил Коперник, рядом с какими выдающимися фигурами Возрождения.

Рис. 5.3. Время жизни знаменитых личностей Возрождения.

Однако финский математик и историк науки Раймо Лехти считает, что в XVI веке не было никакого кризиса в космологии. Систему Птолемея не считали такой сложной конструкцией, какой мы видим ее сегодня. Признание идей Коперника скорее было вызвано интересными особенностями модели, которая обещала новое объяснение раздражающих обратных движений планет. Как утверждалось в «Альмагесте» Птолемея, планеты, в отличие от Солнца и Луны, временами имеют обратное (с востока на запад) движение. Меркурий и Венера показывают обратное движение, когда они видны в том же направлении, что и Солнце, а Марс и другие планеты — когда Солнце в противоположной стороне неба. Хотя система геоцентрическая, создается впечатление, что Солнце управляет танцем планет. Вполне вероятно, что Коперник начал думать о центральном положении Солнца, исходя из этих явлений, которые традиционно рассматривались как чудо, сотворенное Господом. В старой геоцентрической системе каждому обратному Движению требовался индивидуально подобранный небольшой эпицикл, прикрепленный к большому деференту каждой планеты. В гелиоцентрической модели они стали простым следствием движения Земли (см. рис. 5.4).

Рис. 5.4. Через регулярные интервалы времени планета демонстрирует петли на фоне неподвижных звезд. В модели мира Птолемея этот танец планет описывается подходящими эпициклами, тогда как в модели Коперника это ключевое явление естественно вытекает из движения Земли и других планет вокруг Солнца.

Обратное движение получается, когда Меркурий и Венера проходят между Солнцем и Землей. Оно возникает также и в том случае, когда Земля проходит между Солнцем и остальными планетами. Таким образом, гелиоцентрическая модель ликвидировала эпицикл и специальную «настройку» у каждой планеты — а это большое упрощение.

Старое и новое.

Модель мира Коперника все еще основывалась на старом принципе равномерного кругового движения и сохраняла сложный механизм деферентов и эпициклов для объяснения нерегулярностей, накладывающихся на основные попятные движения. Она содержала и внешнюю сферу с прикрепленными к ней звездами. Но теперь эта сфера была неподвижной и образовывала гигантский «экран», на фоне которого становились заметными любые движения.

Как уже говорилось, Коперник ввел два вида движения Земли: орбитальное движение вокруг Солнца и вращение Земли вокруг оси. Сезоны года объясняются отклонением земной оси на 23° от перпендикуляра к плоскости земной орбиты. Подобно острию детской юлы, земная ось в процессе годичного движения постоянно направлена в одну сторону. Тот факт, что ось вращения Земли сохраняет свое направление в пространстве, следует из закона сохранения момента импульса в рамках механики Ньютона. Но Коперник не знал законов движения Ньютона. По его мнению, было бы нормально, если бы в ходе орбитального движения земная ось сохраняла свое направление относительно Солнца (то есть была бы всегда направлена к Солнцу либо от Солнца), но тогда не было бы сезонов. Поэтому Коперник ввел третье движение Земли, заставляющее ее сохранять ориентацию относительно плоскости орбиты в течение года. После этого оставался лишь маленький шаг до того, чтобы включить в это движение и смещение точки весеннего равноденствия, сделав это третье движение чуть более медленным, чем требуется для поддержания неизменной ориентации земной оси в пространстве. Заметим: до Коперника считалось, что сдвиг точки весеннего равноденствия вызван медленным движением небесной сферы. В Средние века была добавлена еще одна внешняя сфера для управления этим дополнительным движением.

Таким образом, Коперник был вынужден ввести в свою модель весьма сложное «очень медленное» третье движение. Разумеется, это заметили и даже высмеяли противники новой системы: раньше Земля была неподвижной, а теперь ей требуется целых три движения — одно суточное и два годичных. В популярном тогда стишке говорилось о «тех клириках, которые думают (думают — какая нелепая шутка), что небеса и звезды вообще не вращаются […], и о том [Коперник], который, чтобы объяснить видимую картину звезд, придал Земле тройное движение».

Последователи Коперника, Кеплер и Галилей, указывали, что годичная часть третьего движения совершенно не нужна. В своем Диалоге (1632) Галилей сравнивает Землю с шаром, плавающим в сосуде с водой. Когда вы начинаете вращаться «на цыпочках», держа в руках сосуд, кажется, что шар вращается в обратную сторону относительно сосуда. Но что же происходит на самом деле? Галилео отмечал, что шар без всяких усилий со своей стороны остается неподвижным относительно своего окружения. Галилео видел в поведении Земли инерцию — понятие, введенное Ньютоном и неизвестное Копернику.

Орбита Земли иллюстрирует, насколько сложно в модели Коперника учесть наблюдаемые вариации в движении Солнца по эклиптике. Центральная точка этой круговой орбиты вращается с постоянной скоростью по маленькому кругу, центр которого вращается вокруг Солнца. Эти три круговых движения необходимы для учета изменений в годичном движении Солнца. Для объяснения всех наблюдаемых движений в Солнечной системе Копернику понадобилось более 30 окружностей, что сделало его систему такой же сложной, как и система Птолемея. Как бы то ни было, эти математические сложности, вызванные использованием равномерных круговых движений, не смогли изменить того факта, что эта модель стала прорывом к правильным законам движения планет, которые Кеплер открыл через семьдесят лет.

Масштаб и строение Солнечной системы.

Астрономия в значительной степени — наука о космических расстояниях; с этой точки зрения модель Коперника в сравнении со старой моделью имела большие преимущества. Стало возможным из наблюдений установить порядок планет и определить их относительные расстояния от Солнца. Эти расстояния можно было определить в единицах расстояния от Земли до Солнца и этой новой естественной единицей (астрономическая единица) заменить радиус Земли.

В системе Птолемея расстояние до планеты определяется довольно произвольно: важно только установить размер эпицикла относительно деферента, так чтобы видимое движение планеты соответствовало наблюдаемому. Но в гелиоцентрической модели, напротив, порядок планет и их расстояния до Солнца становятся четко определенными. Не вдаваясь в детали, заметим, что расстояние Солнце-планета можно определить в момент, когда треугольник, образованный Землей, Солнцем и планетой, становится прямоугольным.

Коперник выделил Луну из группы планет и сделал ее спутником Земли. Он определил порядок и расстояния планет, как показано в табл. 5.1 (единицей служит среднее расстояние Солнце-Земля, астрономическая единица, или а. е,). Следует подчеркнуть, что, после того как круги и эпициклы совпали с наблюдениями, Коперник не обнаружил, что планеты имеют круговые орбиты. Он вычислил минимальное, среднее и максимальное расстояние каждой планеты от Солнца. Таблица показывает, что теперь максимальное расстояние «нижележащей» планеты не равно минимальному расстоянию следующей за ней «вышележащей» планеты. В отличие от того, что предполагал Птолемей, теперь между планетными орбитами было много пустого места. В системе Коперника сфера неподвижных звезд оказалась просто гигантской, поэтому годичное движение Земли никак не могло стать причиной смещения положений звезд на небе. И так оставалось вплоть до XIX века, пока эти смещения не были наконец открыты. В табл. 5.1 следует также подчеркнуть большие значения отношений максимального к минимальному расстояний для Меркурия и Марса. Это отражает сильную вытянутость их орбит, которая позднее позволит Кеплеру сделать вывод о том, что в действительности Марс движется по эллипсу. В противоположность этому, расстояния Венеры и Земли от Солнца меняются очень мало.

Мы, как и Коперник, можем заметить, что его система была менее произвольной, чем система Птолемея. Уже только это делало гелиоцентрическую систему более привлекательной. Но еще важнее, что будущие наблюдения могли проверить предсказанный порядок планет и их расстояния.

Таблица 5.1. Значения Коперника для минимального, среднего и максимального расстояния между Солнцем и планетами.

Принцип Коперника.

Имя Коперника связано с двумя идеями. Говоря о коперниканской революции, мы обычно имеем в виду рождение гелиоцентрической модели в 1543 году. Естественно, что процесс окончательного установления этой новой астрономической картины Солнечной системы длился в течение двух столетий. Потребовалось много наблюдений и теоретических работ, пока движение Земли не стало восприниматься столь же естественно, как ее неподвижность — в древние времена.

Но коперниканская революция породила еще и космологический принцип Коперника, утверждающий, что мы не находимся в особом или предпочтительном положении во Вселенной. Правда, сам Коперник думал, что Солнце расположено в центре Вселенной или рядом с ним, что никак не соответствует Принципу Отсутствия Центра, провозглашенному Бруно. Тем не менее изгнание из центрального неподвижного положения Земли, получившей статус обычной планеты, стало настолько крутым изменением, что оно оправдывает название «Принцип Коперника». Космолог из родного Копернику Краковского университета Кондрад Рудницки сформулировал это более современным языком: «Вселенная, наблюдаемая с любой планеты, выглядит одинаково». Сегодня мы можем заменить слова «с любой планеты» словами «из любой галактики».

Коперник не рассуждал о мире, лежащем позади далекой материальной сферы звезд. Но он придал мощный импульс новому взгляду на звезды. Диггес родился через несколько лет после смерти Коперника, а Бруно еще позже. И они поняли, что звезды не прикреплены к сфере, а распределены в бесконечном пространстве.

Книга Коперника «De Revolutionibus» не шла нарасхват и сразу не обратила на себя большое внимание. Некоторый энтузиазм проявили те математики, кто смог продраться сквозь трудный текст. Вначале католическая церковь оставалась довольно равнодушна; возможно, это в какой то мере было обусловлено предисловием Озиан-дера, и, как мы уже упоминали, некоторые должностные лица даже поддерживали опубликование новой теории. Православная церковь считала, что движение Земли как планеты не имеет никакого значения. Первые протесты были выражены лютеранами. Только через 70 лет после публикации книги Коперника, в 1616 году, Святая палата начала действовать. В течение этого времени произошло многое. Прожили свою жизнь и уже умерли Томас Диггес и Джордано Бруно. Тихо Браге, Иоганн Кеплер и Галилео Галилей создали новую астрономию и экспериментальную физику. Был изобретен телескоп. Даже само небо, похоже, отметило коперниканскую революцию. Заметная комета 1557 года и две сверхновых звезды (последние сверхновые, наблюдавшиеся в нашей Галактике в историческое время) продемонстрировали, что небо не остается неизменным. И в середине этих событий Шекспир написал: «Есть многое на свете, друг Гораций, что и не снилось нашим мудрецам».

Вселенная Коперника все еще оставалась королевством кругов и эпициклов. Следующим шагом коперниканской революции стала замена наивного предположения о круговом движении представлением о более реалистических замкнутых орбитах. Этот решающий шаг сделал Иоганн Кеплер, для чего ему понадобились очень точные наблюдения Тихо Браге. Следующая глава посвящена их работе.

 

Глава 6 Открытие истинных законов движения планет

Средневековый космос подчинялся строгим взаимосвязям внутри своей сферической границы, с четкими законами кругового движения своих небесных сфер, в то время как повседневные законы и даже беспорядок господствовали вблизи Земли. Хотя геоцентрический взгляд глубоко укоренился в обществе, после Коперника границы этого взгляда начали размываться. Даже астрономы не сразу приняли гелиоцентрическую систему мира. Но все же поиск универсальных законов космического порядка и стремление к рациональному мышлению, идущее от ионийской революции, уже возродились.

Новая звезда Тихо Браге освещает путь.

Среди этих ищущих умов Тихо Браге (1546–1601) был блестящим исследователем ночного неба, собравшим прекрасный наблюдательный материал, необходимый астрономам. В течение многих лет он проводил аккуратные визуальные наблюдения планет, определяя их положение на небе с точностью в одну минуту дуги (1'), тогда как раньше астрономы удовлетворялись точностью в 10'. Тихо достиг нового уровня точности, построив свой собственный большой угломерный инструмент, работая каждую безоблачную ночь и учитывая различные систематические ошибки, влияющие на измерения положений звезд, включая рефракцию (изменение направления) светового луча в земной атмосфере (см. рис. 6.2).

Браге был старшим сыном в аристократической семье, жившей на юге Швеции (эта часть Швеции тогда принадлежала Дании). На его характер могла повлиять смерть его брата-близнеца в юном возрасте и то обстоятельство, что его воспитывали бездетные тетя и дядя. Талантливый юноша поступил в Копенгагенский университет, чтобы изучать риторику и философию. Здесь он заинтересовался звездами. Приехав в 1562 году в Лейпциг, чтобы изучить право, он решил заняться астрономией. Наряду с любовью к астрономии, Браге отличался вспыльчивым характером. Еще в студенческие годы он ввязался в дуэль на шпагах с другим аристократом и потерял в этом сражении часть носа. Всю оставшуюся жизнь Браге старался скрывать недостаток своей внешности при помощи искусственного металлического носа.

В 1576 году Браге получил в дар от короля Дании остров Вен. Там он построил великолепную обсерваторию Ураниборг и имел постоянное обеспечение. Дело в том, что приемный отец Тихо Браге заболел и умер после того, как спас утопающего короля. Все это было довольно дорого: несколько процентов национального дохода Дании уходило на «Небесный замок» и было сравнимо по стоимости и технологическому оснащению (по меркам той эпохи) с аналогичными параметрами космического телескопа «Хаббл».

Но деньги попали в хорошие руки. Уровень наблюдений был поднят на небывалую высоту, хотя обсерватория и была построена до изобретения телескопа. Эти наблюдения готовили вторую фазу коперниканской революции, поскольку Кеплер использовал именно наблюдения Браге.

Еще до создания обсерватории на о. Вен Тихо Браге провел наблюдения новой яркой звезды, появившейся в ноябре 1572 года. Он писал: «Изумленный ее удивительным видом, как сраженный ударом молнии, тихо стоял я некоторое время, уставившись на эту звезду. Она была вблизи звезд, которые с античных времен причислены к астеризму Кассиопея». Вначале звезда была такой же яркой, как Венера, а затем стала постепенно тускнеть, пока совсем не исчезла через полтора года (рис. 6.1).

Уже давно было замечено, что Луна довольно близка к Земле, поскольку она смещается относительно звезд при изменении положения наблюдателя в результате вращения Земли. Точные наблюдения Браге показали, что «новая» звезда не сдвинулась относительно звезд Кассиопеи ни в течение суток, ни за более длительное время. Браге решил, что (1) эта звезда расположена гораздо дальше Луны и (2) фактически она находится на сфере неподвижных звезд. Он написал книжечку об этом явлении, где говорилось, что вначале он не поверил собственным наблюдениям, так как философы, последователи Аристотеля, утверждали, что не может быть никаких изменений в эфирной зоне небес. Несмотря на это, новая звезда ясно показала, что небеса не остаются неизменными! Это важное наблюдение прославило Тихо Браге. Он продолжил свои исследования, которые сыграли критическую роль для коперниканской революции.

Рис. 6.1. Сверхновая, вспыхнувшая в 1572 году в созвездии Кассиопея. Тихо Браге пришел к выводу, что эта ・・Stella nova・・ (новая звезда) должна располагаться на сфере звезд, следовательно, эта сфера не может быть неизменной, как считалось прежде. Современные наблюдения гораздо более далеких сверхновых также привели к важнейшим космологическим выводам.

Комета 1557 года еще сильнее подорвала веру в идеальное небо. Наблюдения Браге убедили его, что комета блуждает гораздо дальше Луны и даже движется по траектории, которая проходит прямо сквозь хрустальную сферу, несущую Солнце. Все это противоречило традиционному мнению. Новая звезда, комета и сделанные после этого выводы показали, что довольно простые наблюдения вместе с вычислениями и рассуждениями могут снабдить нас новыми знаниями о космосе.

Система мира Тихо Браге.

Хотя Тихо Браге и не соглашался с новой моделью Коперника, но признаком эпохи перемен стала предложенная им новая система мира, отличающаяся от системы Птолемея. Земля оставалась фиксированной в центре, и вокруг нее обращались Луна и Солнце. Но все другие планеты уже не обращались вокруг Земли, а двигались вокруг Солнца, и это удерживало их вблизи Земли. Математически модель Тихо была эквивалентна модели Коперника. Тогда зачем нужно столь сложное построение? Для Браге, педантичного наблюдателя, трудность модели Коперника заключалась в том, что годичное движение Земли по орбите вокруг Солнца должно было бы вызывать периодические изменения видимого положения неподвижных звезд, так называемые параллактические смещения. Но этих изменений не видно, следовательно, либо расстояния до звезд очень велики, либо Земля неподвижна. Браге полагал, что если бы звезды действительно были так далеки, то их размер оказался бы фантастически велик (в ту дотелескопическую эпоху он считал угловой размер звезд равным примерно 1 минуте дуги, что всего в 30 раз меньше солнечного диска). Но если Земля неподвижна, то нет и проблемы гигантских звезд. Кроме того, нет необходимости в огромных «бесполезных» пустых пространствах, возникающих в гелиоцентрической модели мира.

Рис. 6.2. Тихо достиг высочайшей точности в своих визуальных астрономических наблюдениях. На этом рисунке из книги Тихо (1598) показан его стенной квадрант. Два ассистента помогают наблюдателю фиксировать время и записывать данные.

Этот парадокс гигантских звезд служил одним из аргументов против теории Коперника и был устранен, когда Галилей показал, что звезды гораздо мельче, чем это кажется невооруженному глазу. Он протянул веревку на фоне звездного неба и проверил, на каком расстоянии веревка закрывает находящуюся за ней звезду. Галилей пришел к выводу, что звезды имеют ширину 5 секунд дуги (то есть 1/12 минуты дуги). В действительности угловой размер звезд намного меньше, но атмосфера Земли размывает их изображения.

Космографическая тайна Кеплера.

Иоганн Кеплер был великим строителем мировой системы, вероятно, последним, кто полагал, что математические модели Платона служат идеальным отражением физической реальности. Его семья в Германии, по-видимому, оказалась далеко не идеальной для будущего серьезного ученого. Отец его был авантюристом и наемником; он исчез навсегда, когда Иоганну исполнилось 17 лет. Его матери, эксцентричной личности типа ведьмы, грозила смерть на костре за колдовство. Ее освободили из тюрьмы лишь благодаря многолетним стараниям сына, который к тому времени стал уважаемым астрономом. Семья была бедной, но Кеплер получил стипендию для обучения в школе — даже тогда существовали стипендии для бедных, но одаренных детей. Затем он поступил в университет Тюбингена для изучения теологии. Там от математика Михаэля Местлина он узнал о новой системе мира и стал пылким поклонником Коперника. Особое впечатление произвело на него то, как движение Земли объясняло попятное движение планет.

Когда Кеплеру было 24 года, ему предложили должность профессора математики в протестантском университете города Грац, созданном несколькими годами ранее. После недолгих сомнений он согласился, хотя изучение им теологии еще не было завершено. В Тюбингене теологи могли чувствовать, что Кеплер слишком критичен для того, чтобы проповедовать. В любом случае, эта работа давала ему некоторую экономическую свободу и время для изучения космологии (рис. 6.3).

В университете молодой лектор не был популярен. В первый год преподавания у него на лекциях присутствовало всего несколько студентов, а в следующем году не оказалось ни одного. Но кроме преподавания в его обязанности входила подготовка календаря с астрономической информацией и астрологическими прогнозами.

В своем первом календаре он предсказал необычно холодную зиму и турецкое вторжение в Австрию. Предсказания сбылись, и это сделало его знаменитым.

Рис. 6.3. Иоганн Кеплер (1571–1630) на портрете 1610 года.

Кеплер был увлечен исследованием структуры Вселенной, которая в то время ограничивалась Солнечной системой, окруженной сферой неподвижных звезд. Под влиянием традиции пифагорейцев он считал, что должен существовать математический закон для последовательности расстояний планет от Солнца. Было ли ключом к космической архитектуре то, что количество известных в то время планет (шесть) на единицу превосходило число правильных тел, известных Платону? В конце первого года преподавания Кеплер выдвинул блестящую идею: сферы, по которым движутся планеты, должны быть такими, чтобы внутри и снаружи на них можно было построить тела Платона (правильные выпуклые многогранники). Поэтому-то их и шесть. Он начал работать над своей первой книгой «Космографическая тайна» с описанием новой модели, согласно которой Великий Архитектор создал Вселенную с помощью пяти идеальных тел (рис. 6.4).

Каждый правильный многогранник состоит из одинаковых правильных многоугольников. Вот эти тела: куб можно собрать из шести квадратов, а три идеальных тела состоят из равносторонних треугольников — тетраэдр (4 треугольника), октаэдр (8) и икосаэдр (20). А додекаэдр состоит из 12 пятиугольников. Если одну сферу плотно вложить внутрь куба, а другую описать вокруг куба, то отношение их радиусов будет равно 0,577. Октаэдр дает такое же соотношение.

Сферы икосаэдра и додекаэдра дают отношение 0,795, а сферы тетраэдр — 0,333. Эти числа чем-то напоминают отношения расстояний от Солнца соседних планет. Хотя соответствие и было далеко не идеальным, Кеплер считал, что он на верном пути. Позднее стало ясно, что идеальные тела вряд ли имеют что-то общее со строением Солнечной системы. Кроме того, увеличилось число планет. Тем не менее первая попытка Кеплера подойти к космосу с геометрических позиций сыграла важную роль в его карьере.

Рис. 6.4. В Академии Платона было доказано, что существуют лишь пять правильных многогранников. Для Платона они представляли огонь, землю, воздух, воду и небесное вещество. Кеплер видел в этих формах возможную основу архитектуры Вселенной (в это время Солнечная система ограничивалась сферой неподвижных звезд).

Пути Кеплера и Браге пересекаются.

В 1588 году Тихо Браге потерял своего благодетеля: король Фредерик II умер. В последующие годы его отношения с королевским двором ухудшались. В 1596 году, после коронации преемника престола Кристиана, хозяина острова Вен лишили ежегодных выплат. После этого Тихо уже не мог оставаться на своем острове. Он покинул Данию навсегда и вначале жил в Гамбурге, а несколько последних лет своей жизни провел в Праге. Он умер в 1601 году, как говорят, после обильного ужина с возлиянием. Лежа на смертном одре, он повторял один и тот же вопрос — была ли его жизнь хоть чем-то полезна? И как живой ответ на этот отчаянный вопрос, у его постели стоял молодой человек — Иоганн Кеплер.

Тихо Браге получил книгу «Космографическая тайна» в подарок от Кеплера в 1597 году. Он понял, что автор должен быть очень талантливым юношей. Когда в 1600 году император Германии Рудольф II назначил Браге на должность императорского математика в Праге, Тихо решил пригласить Кеплера. Впервые они встретились в феврале в замке Бенатек близ Праги, через несколько дней после казни Джордано Бруно на костре в Риме. Кеплер остался у Браге до лета, затем вернулся в Грац и узнал, что больше не нужен университету. Он вернулся в Прагу и начал помогать Браге. Так начался один из важных периодов в жизни Кеплера. После смерти Браге в 1602 году он стал императорским математиком с зарплатой вдвое меньшей зарплаты предшественника. Проделав кропотливый анализ наблюдений Браге за планетой Марс, Кеплер открыл законы движения планет вокруг Солнца. Можно сказать, что так была решена задача Платона, поставленная за два тысячелетия до этого.

Новые законы космического порядка.

Долго можно рассказывать о том, как Кеплер пришел к своим новым, революционным взглядам на движение планет. Впервые посетив Тихо Браге, он очень заинтересовался получением от Тихо более точных значений минимального и максимального расстояний планет на их орбитах. Ему очень хотелось продолжить свои попытки подогнать планетные орбиты к идеальным телам. После некоторых сомнений Тихо позволил Кеплеру собрать все его наблюдения Марса.

Вначале Кеплер пытался понять движение Марса, следу я старому принципу кругового движения. После года борьбы с кругами и эпициклами он пришел к выводу, что с их помощью нельзя объяснить движение Марса. Фактически все упиралось в небольшое отклонение в 8 упрямых минут дуги, которые Кеплер никак не мог объяснить с помощью кругов. Кеплер ясно понимал, насколько важно проверить теоретические выводы с помощью точных наблюдений. Точность Тихо, равная 2', была выше, чем отклонение. Кеплер отмечал, что «эти 8 минут дуги, которые я не могу отбросить, приведут к полному изменению астрономии».

Затем, вопреки вековой традиции, он использовал эллиптическую орбиту для объяснения движения Марса. Эллипсы были известны еще со времен Аполлония (см. главу 3), изучавшего эти кривые наряду с другими коническими сечениями — гиперболой и параболой. Любопытно, что он же был и автором теории эпициклов в движении планет. Ему, как и всем остальным до Кеплера, не приходило в голову, что планеты могут двигаться по эллипсам. Эллипс является вытянутой замкнутой орбитой, тогда как окружность — лишь частный невытянутый вариант эллипса.

Работа всей жизни Кеплера выразилась в трех законах. Два первых появились в его книге «Новая астрономия» (1609), а третий закон — в книге «Гармония мира» (1619). Представленный выше первый закон формулировался так.

1. Планеты обращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, причем в одном из фокусов эллипса расположено Солнце.

На самом деле Кеплер открыл свой второй закон раньше первого. Он обнаружил, что Земля медленнее движется по своей орбите, когда она дальше от Солнца, и быстрее — когда ближе. Скорость перемещения по траектории не остается постоянной при движении по эллипсу вокруг Солнца, а ведет себя так:

2. Радиус-вектор, соединяющий Солнце с планетой, заметает одинаковые площади за одинаковое время.

Чтобы понять второй закон, представим заметаемую область в виде треугольника с вершиной у Солнца и основанием в виде короткой дуги, по которой планета перемещается по орбите за единицу времени. Треугольник будет узким и вытянутым, когда планета вдали от Солнца, и широким — когда она близко, но площади обоих треугольников будут равны (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Первый закон Кеплера: планеты обращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам. Солнце расположено в одной из двух фокальных точек. Второй закон Кеплера: планета движется с переменной скоростью, так что радиус-вектор заметает равные площади за равные интервалы времени (то есть чем ближе к Солнцу, тем быстрее движется). Третий закон Кеплера: период обращения планеты вокруг Солнца зависит от размера ее орбиты так, что квадрат периода пропорционален кубу среднего расстояния от Солнца.

Третий закон Кеплера сравнивает размеры орбит и орбитальные периоды любых двух планет. Обычно их сравнивают с Землей, поэтому для любой планеты используют в качестве единицы времени земной год, а в качестве единицы длины — расстояние от Земли до Солнца (а. е.). Размер орбиты (а) равен половине большой оси эллипса. Размеры орбит и продолжительность полного оборота планеты по орбите (Р) связаны следующим образом:

3. Квадраты орбитальных периодов планет пропорциональны кубам полуосей их орбит.

Интересно посмотреть, с какой точностью Кеплер мог проверить свой третий закон, используя имеющиеся значения, приведенные в «Гармонии мира». В табл. 6.1 верхний ряд представляет квадрат орбитального периода Р для каждой планеты: Р2 = Р х Р (единица измерения — год). А нижний ряд точно так же представляет кубы «а» — среднего расстояния от Солнца: а3 = ах ах а (в единицах среднего расстояния Земли = 1 а. е.). Соответствующие наблюдательные ошибки в верхнем и нижнем рядах практически одинаковы.

Таблица 6.1. Значения орбитальных параметров, вычисленные Кеплером для проверки его третьего закона.

#imgDE31.png

Кеплер работал в Праге до 1612 года. Это было самое плодотворное время в его карьере, несмотря на непрерывные экономические проблемы и личную трагедию (умерли его жена и маленький сын). В дополнение к «Новой астрономии» он опубликовал три книги по оптике (около четверти из опубликованных им работ посвящены свету и оптике).

В 1612 году его покровитель император Рудольф II умер, и Кеплер переехал в Линц работать преподавателем, примерно на таких же условиях, как и в Граце. После этого он вновь женился, и его юная жена родила ему семерых детей, из которых двое умерли в младенчестве. В 1626 году Кеплер покинул Линц по религиозным соображениям. Кеплер являл собой пример человека, способного решать сложные научные задачи, несмотря на множество невзгод. В последние годы жизни Кеплер писал о своих страданиях, которые уготовила ему странная судьба, постоянно сталкивая его с трудностями. И во всем этом он не видел своей вины.

Вместе со своей большой семьей Кеплер поселился в Ульме, где и опубликовал свою последнюю крупную работу «Рудольфовы таблицы», содержащую астрономические таблицы, основанные на наблюдениях Браге, новые законы движения планет и рекомендации для вычисления положений небесных объектов в любой момент времени.

Конец жизни Кеплера был унизительным. Несколько лет он пытался получить у императора Фердинанда II недоплаченное ему жалование, но безрезультатно. Надеясь получить свои и 817 гульденов, он даже прослужил два года астрологом у генерала Валленштейна, героя Тридцатилетней войны. Потеряв всякую надежду, Кеплер сел на лошадь и поехал в Регенсбург, где заседал рейхстаг Священной Римской империи. Это был ноябрь 1630 года; долгий путь верхом в плохую погоду по разрушенной войной Германии оказался слишком труден для слабого здоровья 58-летнего Кеплера. До города он доехал уже больным, продал свою худую лошадь всего за 2 гульдена и свалился в постель с высокой температурой. Спустя несколько дней он умер. Кеплера похоронили за городом, на лютеранском кладбище. В годы следующей долгой войны его могила была разрушена вместе с кладбищем.

Орбиты и силы.

Многих удивляла способность планет двигаться по замкнутым орбитам. Как они находят свой путь обратно к той же точке в пространстве и повторяют ту же вытянутую траекторию? Чтобы объяснить физику этого движения, Кеплер привлек две силы: одна из них ведет планету по кругу, а вторая, типа «магнетизма», заставляет ее отклоняться от круга. Эти две силы каким-то образом так точно согласованы, что получается идеальный эллипс. Как мы увидим ниже, через 50 лет после смерти Кеплера Ньютон показал, что одной лишь силы гравитации достаточно для объяснения замкнутой формы планетных орбит.

В период жизни Кеплера его работы не получили того признания, которого они заслуживали. Он так и не узнал истинную ценность своих работ. Для Кеплера Вселенная все еще была конечной, со звездами, прикрепленными к внешней сфере. Внутри этой сферы был наш мир, источник математических законов Природы. Такой была миссия Кеплера — стоять одной ногой в прошлом, составляя гороскопы, а другой — прокладывать путь к современной астрономии. Он уже не верил в материальность планетных сфер. Планеты движутся в пустом пространстве под воздействием разных сил. Наблюдая за ними, мы с восхищением вспоминаем законы Кеплера. Изучение этих закономерностей и поиск гармонии во Вселенной сделали Кеплера предшественником современной космологии и теоретической физики. Когда Ньютон разрабатывал свою механику и теорию гравитации, он, по его словам, «стоял на плечах гигантов». Одним из этих гигантов был Кеплер, а вторым — Галилей, о котором мы расскажем в следующей главе.

 

Глава 7 Галилео Галилей и его последователи

Галилео Галилей родился в Пизе, в дворянской семье. Его отец Винченцо преподавал музыку (и разрабатывал ее математическую теорию), а также помогал семье жены в их небольшом бизнесе. Он желал своему сыну лучшей, чем их скромная, если не сказать бедная, жизни. Но вместо того, чтобы делать карьеру в бизнесе, как советовал ему отец, 17-летний Галилео поступил в Пизанский университет, собираясь изучать медицину. Спустя четыре года он покинул университет без диплома, но с багажом знаний по математике и физике Аристотеля. Возвратившись домой к родителям, которые в то время жили во Флоренции, Галилео начал писать работы по математике, давать частные уроки и читать публичные лекции. Он помогал своему отцу в музыкальных опытах со струнами различной длины, толщины и натяжения. Интересно, что основатель экспериментальной физики занимался опытами, похожими на первые известные количественные опыты ранних пифагорейцев, обнаруживших, что при целочисленном отношении длин струн у лиры повышается ее благозвучие.

Галилей познакомился с трудами Архимеда, переведенными на латинский язык в XVI веке. Это побудило его к изучению разделов статистической механики, например вопроса о центре тяжести тела. Благодаря небольшой работе, написанной на эту тему, он был временно назначен на должность профессора математики в Пизанском университете. Через три года в возрасте 28 лет он переехал в Падую для преподавания математики и астрономии. Галилей прожил там 18 лет, проделав большинство своих знаменитых работ по изучению движения тел (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Галилео Галилей (1564–1642), основатель экспериментальной физики и первый наблюдатель небесных объектов с помощью телескопа.

Наблюдение и эксперимент.

Книги Галилея демонстрируют современный подход к изучению природы. В древности очень ценились наблюдения, но не возникало идеи проведения эксперимента с определенной целью. Вспомним главу 2: Аристотель утверждал, что мы понимаем явление только в том случае, если знаем его особую причину, окончательную цель. Только зная «мотивацию», мы можем сказать, почему это случилось. Например, камень падает, потому что его цель — приблизиться к своему естественному положению, к центру Вселенной. По мнению Аристотеля, наблюдение случайных, а не специально созданных процессов важно для их понимания.

Современная наука, напротив, считает, что если известно начальное состояние системы и все действующие силы, то можно понять, каким будет последующее состояние, не предполагая какого-либо естественного конца. Эта причинная связь делает эксперимент эффективным средством изучения природы. Изменяя в эксперименте начальное состояние, можно изучить законы, связывающие причину с результатом. Важнейшей задачей эксперимента является проверка теории, пытающейся объяснить явление. Эксперимент и теория идут рука об руку в том смысле, что хорошая теория имеет практическое значение, поскольку способна предсказывать ход природных явлений в разных ситуациях. Если говорить о прикладном значении, то взять хотя бы телевизор: мы подтверждаем лежащую в его основе теорию каждый раз, когда нажимаем кнопку «Вкл.».

Основные результаты опытов Галилея в области динамики можно сформулировать в виде нескольких законов.

1. Свободное горизонтальное движение происходит с постоянной скоростью, без изменения направления.

В нашей повседневной жизни на Земле трение всегда останавливает движение любого тела, например катящегося по ровной поверхности шара. Но благодаря своим экспериментам и интуиции Галилей пришел к заключению, что шар никогда бы не остановился, если бы трение можно было полностью устранить, то есть если бы движение было «свободным».

2. Свободно падающее тело испытывает постоянное ускорение.

Ускорением называют изменение скорости тела за единицу времени. У равномерно ускоряющегося тела, которое вначале было неподвижным, через некоторое время скорость и становится равной ускорению а, умноженному на время t (v = at). Для тела, падающего у поверхности Земли, ускорение равно 9,8 м/с2. Через 1 секунду скорость тела будет равна 9,8 м/с, через 2 секунды — 19,6 м/с, и т. д. В результате исследований в колледже Мертон (Оксфорд) еще в XIV веке возникло предположение, что расстояние s, пройденное равномерно ускоренным телом за время t равно половине произведения ускорения на квадрат времени (s = 1/2 at2). Галилео показал, что эта формула верна, изучая движение шара, катящегося с малым ускорением вниз по наклонной плоскости. Экстраполируя этот опыт на случай вертикального движения, он пришел к выводу, что свободно падающее тело подчиняется этому же закону, то есть имеет постоянное (но большее) ускорение. Вернемся к ускорению 9,8 м/с2. Через 1 секунду тело упадет на 4,4 м. Через 2 секунды оно уже пройдет расстояние 17,6 м, вчетверо большее, чем за первую секунду, и т. д.

3. Все тела падают одинаково быстро.

Результат, обычно приписываемый опыту Галилея, бросавшего предметы с наклонной Пизанской башни, в действительности был получен раньше датско-бельгийским математиком Симоном Стевином. В 1586 году он заявил, что тела с различными массами падают с одинаковым ускорением. Галилей был согласен с этим мнением и мог попытаться провести подобный эксперимент с двумя плотны-ми телами различной массы. Конечно, если бы можно было убрать воздух, то молоток и перо падали бы с одинаковой скоростью и одновременно упали бы на землю. Астронавты из экспедиции «Аполлон» на безвоздушной поверхности Луны доказали, что это действительно так.

4. Принцип относительности Галилея. Траектория и скорость движения тела зависят от системы отсчета, в которой они наблюдаются.

Одним из аргументов, которые приводились против вращения Земли, было утверждение, что если бы Земля вращалась, то тело, брошенное с вершины башни, не должно было бы упасть прямо к подножию, поскольку поверхность вращающейся Земли должна немного передвинуться за время падения. Обоснованность этого аргумента можно проверить в аналогичной ситуации, бросив камень с верхушки мачты плывущего корабля. Отклонится ли траектория камня к корме корабля? Французский философ Пьер Гассенди (1592–1655) проделал такой опыт и обнаружил, что камень всегда падает на палубу рядом с основанием мачты и никакого отклонения нет! Даже падая, объект перемещается вместе с кораблем. Галилей заключил, что наблюдатель, участвующий в равномерном движении, не может обнаружить это движение в эксперименте со свободным падением. Интересно, что, с точки зрения наблюдателя, стоящего на берегу, падающий камень движется по параболической траектории. Какая же из этих траекторий «настоящая» — прямая вертикальная линия или кривая парабола? Галилей говорил, что обе траектории правильные, так как они зависят от системы отчета, которую можно связать либо с берегом, либо с равномерно движущимся кораблем, в зависимости от положения наблюдателя.

Во времена Галилея важность этих законов движения определялась двумя обстоятельствами. Во-первых, они четко отрицали старые взгляды, основанные на физике Аристотеля. Во-вторых, они помогали понять, что Земля может быть подвижной без каких-либо драматических последствий кроме ежедневных восходов и заходов Солнца и других небесных светил. Атмосфера может двигаться вместе с Землей, не производя сильного ветра и не улетая в космос.

Первые шаги в глубокий космос.

Уже то было замечательно, что Галилей показал, как можно использовать эксперименты для проверки философских идей о материи и движении и как они могут открывать новые законы природы на Земле. Но это было еще не все. Он смог взглянуть на небо с помощью нового инструмента, возможности которого намного превысили способность невооруженного глаза и позволили обнаружить новые явления во Вселенной.

Галилео услышал, что в Нидерландах шлифовщик линз построил прибор, приближающий далекие объекты. Летом 1609 года он сам сделал такой же инструмент, который мы теперь называем телескопом. В первую очередь Галилей думал о том, что прибор может быть использован моряками и что продажа телескопов могла бы улучшить его материальное положение. Он показал свой инструмент правителям Венеции, которые с удивлением обнаружили, что можно увидеть далекий корабль в Венецианском заливе и еще до его приближения распознать, друг это или враг. Галилео представил свой телескоп верховному правителю Венеции — дожу. Тот был настолько впечатлен, что продажи Галилея увеличились вдвое, а его временная должность профессора стала пожизненной. Два телескопа, изготовленные Галилеем, демонстрируются в Музее истории науки (Institute е Museo di Storia della Scienza) во Флоренции. Линзы их объективов имеют диаметры 16 и 26 мм. По современным стандартам телескоп Галилея был, конечно, не самым лучшим. Но он радикально усилил возможности человеческого глаза при наблюдении небольших, тусклых и далеких объектов. Направив телескоп в небо, Галилей сделал неожиданные открытия. В книге «Звездный вестник», опубликованной в 1610 году, Галилей рассказал о своих новых космических открытиях.

• Луна, которая кажется ровной сферой, в действительности имеет неровную поверхность с горами, ямами и долинами, наряду с большими плоскими районами.

• Многие новые звезды, невидимые невооруженным глазом, появляются на небе при наблюдении в телескоп, особенно Млечный Путь — огромное облако тусклых звезд.

• У Юпитера четыре обращающихся вокруг него спутника.

Позднее, в 1610 году, Галилей совершил новые открытия.

• Венера имеет фазы наподобие Луны.

• На Солнце есть пятна, движение которых по диску отражает его вращение с периодом около месяца (возможно, это открытие независимо сделали и другие астрономы).

Все это было настолько ново и радикально, что многие не смогли сразу принять и согласиться, тем более что кроме слов самого Галилея никаких других доказательств не было. А наблюдение в телескоп не очень-то помогало: размазанное дрожащее изображение первых телескопов не пользовалось доверием. Современный маленький бинокль дает гораздо лучшее изображение. Быть может, вам захочется с помощью бинокля найти на небе Юпитер и заметить один из его четырех крупных спутников. В конце концов вам, вероятно, удастся увидеть один или даже несколько спутников, но для этого понадобится прочный и устойчивый современный штатив, вроде тех, что у фотоаппаратов.

Открытия Галилео стали сенсацией, а его книга — бестселлером. Бе первые 550 экземпляров оказались быстро распроданы. Слава автора не ограничилась Европой: через четыре года книга была издана в Китае священником-иезуитом, описывающим новые небесные явления, открытые в далекой экзотической Италии.

Рис. 7.2. Фазы Венеры ясно показывают, что она действительно обращается вокруг Солнца, а не бродит туда-сюда между Землей и Солнцем, как утверждалось в древней системе мира. Рисунок: NASA.

Открытия Галилея, сделанные при помощи телескопа, поддержали идею Коперника. Ее оппоненты утверждали, что если бы Земля обращалась вокруг Солнца, то Луна должна была бы отстать. Теперь же стало видно, что спутники Юпитера обращаются вокруг него и не отстают при движении Юпитера по орбите. Венера, как и Луна, меняет фазы, и это означает, что она при движении вокруг Солнца выходит из-за Солнца и оказывается между Землей и Солнцем (рис. 7.2). Наконец, кратеры на Луне и солнечные пятна указывают, что эти тела состоят из вещества, похожего на вещество «несовершенной» Земли (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Галилей был одним из первых, кто заметил пятна на Солнце. Это современное фото показывает группу огромных пятен, наблюдавшихся на Солнце в 2001 году. Солнечные пятна — это временные образования: одни пятна со временем исчезают, другие появляются. Теперь мы знаем, что причиной появления пятен служат сильные магнитные поля, выходящие из внутренних областей Солнца. Пятна кажутся темными, потому что они немного холоднее окружающей поверхности.

Кеплер и Галилей были совершенно разными людьми, и это отразилось в их подходе к науке. Кеплер был тихим, глубоким теоретиком, с хрупким здоровьем и слабым телом. Галилей, крупный и здоровый, имел горячий нрав, ясный ум и острый язык. Поэтому он часто конфликтовал с другими учеными. Хотя Галилей не принял кеплеровскую теорию движения планет (он рассматривал круговые движения как естественные), их работы дополняли друг друга на протяжении всего времени, пока мостилась дорога к новой физике Земли и небесных объектов.

Борьба на два фронта.

В 1616 году католическая церковь объявила учение о движении Земли абсурдным и еретическим. Этому предшествовала сложная цепь событий. Определенную роль сыграли зависть малограмотных профессоров, споры между вспыльчивым Галилеем и начальством университета, а также желание втянуть Галилея в спор о системе мира и положениях Библии. В результате книга Коперника и ряд других книг были «задержаны, пока не будут исправлены». Ну а, к примеру, книга Фоскарини была вообще запрещена — монах ордена кармелитов пытался доказать, что движение Земли не противоречит Библии. В 1620 году были запрещены и «все другие книги, утверждающие то же самое». И так было вплоть до издания «Индекса запрещенных книг» 1835 года, после которого идеи Коперника более не преследовались.

Один из веских аргументов в пользу запрета — как со стороны религии, так и со стороны науки — состоял в том, что движение Земли все еще не было доказано. Эта чрезвычайно смелая теория вынуждена была вести борьбу на двух взаимосвязанных фронтах — в науке и в обществе. В 1632–1633 годах перед трибуналом инквизиции в Риме состоялся суд над Галилеем. Причиной судебного разбирательства послужила книга «Диалог о двух главнейших системах мира». Папа Урбан VIII, который проявлял интерес к космологии, уговорил своего друга Галилея написать новую книгу. Но он сказал Галилею, что система Коперника должна быть представлена только как гипотеза (это позволял Декрет 1616 года), и Галилей согласился. Но когда книга была издана, оказалось, что в ней Галилей пытается доказать, что Земля движется. Положение усугубилось еще и тем, что не очень умный персонаж книги — Симпличио, приверженец геоцентрической картины мира, был явной карикатурой на папу. Вердикт суда принудил Галилея публично объявить, что Земля неподвижна. К счастью, во время суда с 70-летним ученым обращались хорошо, его не поместили в камеру и не пытали.

Злоключения Галилея, подобно казням Сократа и Бруно, стали символом борьбы за свободу мысли. Но было бы слишком просто считать это столкновением науки и религии. Революционеры в науке — Коперник, Кеплер и Галилей, а затем и Ньютон — верили в Бога, как и большинство их современников в Европе, и не утверждали, что Библия противоречит науке. Новые идеи были враждебно встречены религиозными лидерами, которые приспособили систему Птолемея для своих догм, что позже назвали «незаконным браком науки и религии».

Картезианская физика

Суд над Галилеем стал частью коперниканской революции и вынудил учен. ых искать дополнительные доказательства в пользу новой системы мира. Однако история с Галилеем заставила на некоторое время прекратить открытые дискуссии на эту тему. Одним из тех, кого в 1633 году встревожили новости из Рима, был Рене Декарт (1596–1650), французский философ и математик, только что закончивший работу «Мир». В этой книге он представил свою физическую систему мира, включающую гелиоцентризм. Декарт решил отложить рукопись, и она была опубликована лишь после его смерти.

Впрочем, Декарт сделал и многое другое, что повлияло на философию, физику и математику еще при его жизни. Отправной точкой «картезианской физики» был закон инерции. Он обсуждался Галилеем, но только Декарт сформулировал его для идеальной частицы в бесконечном пространстве. Если частица не соприкасается с другой частицей, то она будет либо сохранять начальное состояние покоя, либо двигаться с постоянной скоростью по прямой. Закон Декарта о движении свободной частицы по инерции очень похож на первый закон движения Ньютона, который мы обсудим позднее. Однако, в отличие от гравитационного притяжения сквозь пустое пространство, в физике Декарта ничего не происходит, пока частица не отклонится при столкновении с другой частицей; иными словами — изменения в нашем мире вызываются столкновениями. Нет загадочного взаимодействия на расстоянии; все тела постоянно находятся в контакте с другими телами. Даже пространство между звездами не пустое, а заполнено частицами эфира.

Исходя из этих предположений, Декарт объяснял различные явления, включая движение планет: вместо гравитации их движение вызвано частицами эфира, роящимися вокруг Солнца. Подобные же вихри существуют и вокруг других звезд. Солнечный вихрь смог захватить оказавшиеся поблизости мертвые звезды, так появились планеты, в том числе и Земля.

Описывая движение планет, картезианская физика смогла предложить только качественное, туманное объяснение этого явления. Ньютон же с помощью своих новых законов движения, включая гравитационное притяжение сквозь пустое пространство, смог построить количественную математическую физику, которая заменила декартовскую физику. Тем не менее исследовательская позиция Декарта влияла на научное мышление в течение всего периода коперниканской революции. Декарта часто называют отцом современной математики. Он объединил геометрию с алгеброй, создав аналитическую геометрию, в которой положение точки на математической плоскости определяется двумя координатами — x и у. Говорили, что корни этой идеи уходят в его детство, когда он наблюдал за мухой, ползавшей по потолку над его кроватью. Как описать путь мухи? Это можно сделать, если каждую точку потолка описать парой чисел (x:, у). В качестве примера можно привести прямоугольную систему координат. В ней расстояние между любыми двумя точками можно определить просто из разности координат: (расстояние)2 = (расстояние по x)2 + (расстояние по y)2.

Введение точного времени.

Время в современном смысле ввел в науку Галилей. В своих опытах с шаром, катящимся вниз по наклонной плоскости, он вместо часов использовал биение собственного сердца. Кроме того, он измерял время, взвешивая воду, вытекшую через отверстие в сосуде, но затем он понял, что для этой цели можно использовать маятник. Рассказывают, что в возрасте 20 лет, когда он оказался на мессе в кафедральном соборе, его внимание привлекли люстры, свисающие с потолка на длинных цепях. От сквозняка они величественно раскачивались. Люстры были подвешены на цепях одинаковой длины, но имели разный вес. Однако раскачивались они при этом с одинаковой частотой. Это подтолкнуло Галилея к опыту, показавшему, что в действительности период качания зависит не от веса груза у маятника, а от его длины. Галилею пришла идея, что можно собрать часовой механизм, используя постоянные колебания маятника, если умудриться поддерживать эти колебания и механически считать их количество. С уменьшением длины маятника период становится короче, поэтому можно точно измерять короткие интервалы времени.

Идею маятниковых часов реализовал голландский физик Христиан Гюйгенс (1625–1695). В его маятниковых часах была решена проблема поддержания колебаний, а измерение времени происходило с ошибкой около 10 секунд в сутки, в отличие от существовавших до этого механических часов, дававших ошибку около 15 минут в сутки.

Возвращаясь к вопросу о движении Земли и имея в виду более поздние работы Ньютона по гравитации, укажем, что именно Гюйгенс в 1659 году определил, каким должно быть ускорение к центру, чтобы тело двигалось по круговой орбите. Он показал, как вычислить ускорение к центру: нужно разделить квадрат круговой скорости на радиус окружности. Например, на экваторе Земли скорость равна 464 м/с, а радиус Земли равен 6,380 x 106 м. Таким образом, центростремительное ускорение, необходимое для того, чтобы удержать воздух у поверхности Земли, равно (464 х 464)/6 380 000 = 0,0337 м/с2. С другой стороны, притяжение Земли придает телу центростремительное ускорение 9,8 м/с2, что гораздо больше необходимого значения. Прежде боялись, что вращение Земли может стать причиной ветра и сдуть воздух в космическое пространство. Приведенные выше вычисления показывают, что ускорение, вызванное гравитацией, гораздо больше, чем требуется для удержания воздуха у поверхности вращающейся Земли. Поэтому нет никакого риска, что воздух улетит в космос.

Эволюция телескопа.

Первые астрономические наблюдения Галилея показал