Эволюция Вселенной и происхождение жизни

Теерикор Пекка

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.