Геоцентрическая система Аристотеля

Введение

 

Для усовершенствования теорий движений планет потребовалось  основательное знание геометрии, разработанной  в Греции (не раньше 4 в. до н. э.). В  это время Евдокс Книдский, предшественник Аристотеля, создал теорию гомоцентрических сфер (дошедшую до нас лишь в пересказе Аристотеля), согласно которой планета прикреплена к поверхности полой сферы, равномерно вращающейся внутри другой сферы, тоже вращающейся вокруг оси, не совпадающей с осью вращения первой сферы. В центре этих сфер находится Земля. Для представления сложного движения некоторых планет потребовалось несколько таких концентрических сфер, общее число которых доведено учеником Евдокса Калиппом до 55. Позже, в 3 в. до н. э., греческий геометр Аполлоний Пергский упростил эту теорию, заменив вращающиеся сферы кругами, и этим положил основу теории эпициклов, получившую своё завершение в сочинении древнегреческого астронома Птолемея (2 в. н. э.), известном под названием «Альмагест». Принималось, что все небесные светила движутся по окружностям и притом равномерно. Неравномерные движения планет, изменения направления их движения объясняли, предполагая, что они одновременно участвуют в нескольких круговых равномерных движениях, происходящих в разных плоскостях и с разными скоростями. Земля, о шарообразности которой учила уже Пифагорейская школа в 6 в. до н. э., считалась покоящейся в центре Вселенной, что соответствовало непосредственному впечатлению, создаваемому видом звёздного неба.

Геоцентрическая система мира - возникшее в древнегреческой  науке и сохранившееся вплоть до позднего средневековья представление о центральном положении Земли во Вселенной. В соответствии с ним все небесные светила (планеты, Солнце и другие) обращаются вокруг Земли по круговым орбитам.

 

1. Аристотелевская система мира

 
  Начиная с IV века до н. э. греческие мыслители строят геометрические модели мира, призванные объяснить движение небесных светил. Рождению новой космологической модели способствовал самый выдающийся ученый Древней Греции – Аристотель (384 – 322 гг. до н. э.). На основе достижений всей греческой науки он создал единую научную систему, сформировал детально разработанное мировоззрение. Аристотель превратил сведения о видимых небесных явлениях и движениях светил в стройную теорию – систему мира. Система мира по Аристотелю основывалась на четырех принципах, являвшихся синтезом всей греческой науки.

Принципы, лежащие  в основе геоцентрической системы  мира

Небесный свод (сфера неподвижных звезд) – опора  для звезд и граница между  небом и землей. Он за сутки делает полный оборот вокруг оси, соединяющей северный полюс неба с южным. Ось вращения пересекается с небесной сферой в двух неподвижных точках – полюсах мира. Принцип сохранился до Коперника.

Одухотворенность  небесных тел: звезды, как и другие небесные тела, обладают душой, приводящей их в движение.

Принцип небесного  совершенства:

“…космос как  единое целое, составленное из целостных  же частей, совершенное и непричастное дряхлению и недугам. Затем Бог  путем вращения округлил космос до состояния сферы, поверхность которой всюду равно отстоит от центра…” – Платон.

Небесное совершенство обусловлено несколькими обстоятельствами:

Небеса идеальны во всех отношениях. Они сами и их опоры состоят из вечной материи  – эфира. Эфир, согласно Аристотелю, - самый легкий элемент, который, лежит на границе между материальным и нематериальным. Эфир не может превращаться в другие элементы, следовательно, он не может ни возникать, ни уничтожаться. Потому для небесных тел и возможно движение, которое недоступно ничему земному. Поэтому и небо не могло возникнуть, и, следовательно, мир существует вечно.

Все небесные тела и Земля шарообразны. Шар и  сфера, идеальные геометрические фигуры. Шар при вращении вокруг собственной  оси всегда занимает одну и ту же часть пространства. Сфера – геометрическое тело, все точки поверхности которой равноудалены от центра. Концепция шарообразной формы тел во Вселенной и самой Вселенной вошла в основу всех последующих конструкций Вселенной.

В небесах реализуется  только совершенное движение: совершенное  движение – это вечное, равномерное круговое движение.

Музыка сфер: в основе небесных явлений лежат  математические закономерности. Существование  восьми небесных сфер и такого же числа  тонов музыкальной гаммы подтверждали это. Каждая сфера поет свою ноту, и  восемь нот сливаются в гармонию – музыку неба.

Все принципы подчинены  главной концепции древних греков: миром правит гармония. Примером небесной гармонии являются Платоновы тела. Существует всего пять правильных выпуклых многогранников разной формы. Впервые  исследованные пифагорейцами, эти пять правильных выпуклых многогранника были впоследствии подробно описаны Платоном и стали называться в математике платоновыми телами. Все грани многогранников – одинаковые правильные многоугольники, все многогранные углы равны. С помощью треугольников Платон строит четыре правильных многогранника, ассоциируя их с четырьмя земными элементами (землей, водой, воздухом и огнем). И лишь последний из пяти существующих правильных многогранников – додекаэдр, всеми двенадцатью гранями которого служат правильные пятиугольники, претендует на символическое изображение небесного мира. Честь открытия додекаэдра (или, как полагалось, самой Вселенной, этой квинтэссенции четырех стихий, символизируемых, соответственно, тетраэдром, октаэдром, икосаэдром и кубом) принадлежит Гиппасу, впоследствии погибшему при кораблекрушении. В этой фигуре запечатлено множество отношений золотого сечения, поэтому ему отводилась главная роль в небесном мире.

1.1. О понятиях

Часто даже профессиональные астрономы путают два понятия: гелиоцентрическая система мира и гелиоцентрическая система отсчета.

Гелиоцентрическая система отсчета  это просто система отсчета, где  начало координат размещено в  Солнце. Гелиоцентрическая система  мира это представление об устройстве мироздания. В узком смысле этого слова, оно заключается в том, что Вселенная ограниченна, Солнце расположено в её центре, а Земля совершает два вида движения: поступательное вокруг Солнца и вращательное вокруг оси; звезды неподвижны относительно Солнца. Термин гелиоцентрическая система мира часто используется в более широком смысле слова, когда Вселенная считается неограниченной и не имеющей центра. Тогда смысл этого термина заключается в том, что звезды в среднем неподвижны относительно Солнца, т.е. Солнце хотя бы с кинематической точки зрения является одной из звезд. Гелиоцентрическую систему мира можно рассматривать в какой угодно системе отсчета, в том числе геоцентрической, в которой Земля выбирается в качестве начала координат. В этой системе отсчета Земля неподвижна и Солнце вращается вокруг Земли, но система мира все равно остается гелиоцентрической, поскольку взаимная конфигурация Солнца и звезд остается неизменной.   Наоборот, даже если рассматривать геоцентрическую систему мира в гелиоцентрической системе отсчета, она по прежнему будет геоцентрической системой мира, поскольку звезды будут совершать в ней движение с периодом в один год.

2. Планетные конфигурации

Планеты солнечной системы  делятся на два вида: внутренние (Меркурий и Венера), наблюдаемые  только на сравнительно небольших угловых расстояниях от Солнца, и внешние (все остальные), которые могут наблюдаться на любых расстояниях. В гелиоцентрической системе это различие связано с тем, что орбиты Меркурия и Венеры всегда находятся внутри орбиты Земли (третьей от Солнца планеты), в то время как орбиты остальных планет находятся вне орбиты Земли.

Попятные движения планет (особенно наглядно наблюдаемые у внешних  планет), которые были главной загадкой астрономии с древнейших времён, в  гелиоцентрической системе объясняются тем, что угловые скорости планет уменьшаются с увеличением расстояния от Солнца. В результате, когда планета наблюдается в той же части неба, что и Солнце, она совершает видимое движение относительно звёзд в том же (прямом) направлении, что и Солнце: с запада на восток. Однако когда Земля проходит между Солнцем и планетой, она как бы опережает планету, в результате чего последняя движется на фоне звёзд в обратном направлении, с востока на запад. Отсюда следует, что планеты совершают попятные движения вблизи противостояний, когда планеты находятся наиболее близко к Земле и, как следствие, являясь наиболее яркими при наблюдении с Земли.

В гелиоцентрической системе устанавливается  следующее соотношение между  синодическими и сидерическими  периодами обращений внешних планет:

- где  продолжительность земного (звёздного) года. Отсюда следуют соотношения, эмпирически полученные астрономами Древнего Вавилона (так называемые целевые годовые периоды):

Например, для Марса, Юпитера, Сатурна.

С точки зрения геоцентрической  системы, эти соотношения являются загадкой. Но они автоматически следуют  из вышеприведённой формулы, полученной в рамках гелиоцентризма, поскольку по определению (это такое целое количество земных лет, за которые планета делает целых оборотов по эклиптике) и величины, и обратно пропорциональны, соответственно, величинам.

 

3. Строение геоцентрической системы мира

 

  Аристотелевская модель Вселенной имела четкое строение. Она напоминала луковицу.

У Вселенной  есть центр. Это – неподвижная Земля.

“Неподвижность  Земли в центре Мира я просто постулировал, чтобы обосновать реальность суточного  вращения всего небосвода. По кинематическому  принципу относительности движения, если Земля неподвижна, то небо движется. Поскольку шарообразность Вселенной была "видна" простым глазом (форма небосвода, круговое суточное движение небесных светил), в такой ограниченной Вселенной обязательно должен существовать центр как точка, равноудаленная от периферии. Центральное положение Земли следовало из общих свойств Вселенной: самый тяжелый элемент – “земля”, в основном составляющий земной шар, не может не быть всегда в центре Мира”- Аристотель

Вокруг Земли  обращаются прозрачные твердые сферы  с прикрепленными к ним небесными  телами (планеты) в следующей последовательности: Луна, Солнце, Венера, Меркурий, Марс, Юпитер, Сатурн.

Первичной причиной движения служит вращение сферы неподвижных  звезд. Движение первой сферы передается другим сферам – все ниже и ниже вплоть до Земли. Вся модель содержала  в общей сложности 55 сфер, как бы вложенных друг в друга и передающих движение друг другу.

“Подлунный” мир, т. е. область между орбитой Луны и центром Земли, есть область  беспорядочных неравномерных движений. Круговое движение ей не свойственно  и есть для нее нечто насильственное. Все тела в этой области состоят из четырёх низших элементов: земли, воды, воздуха и огня. Земля как наиболее тяжёлый элемент занимает центральное место, над ней последовательно располагаются оболочки воды, воздуха и огня.

“Надлунный” мир, т. е. область между орбитой Луны и крайней сферой неподвижных звёзд, есть область вечно равномерных движений, а сами звёзды состоят из пятого – совершеннейшего элемента – эфира.

За последней  сферой мира пребывает только бог. Никакого другого бытия, запредельного миру, не может быть.

Телам, которым  свойственны определенные движения. Это движение по направлению к  центру мира, к его периферии и  круговое движение. Но все эти виды движения возможны только в сфере. А  так как за границами сферы  не существует ничего, то за ней не может существовать и пустота. Мир объемлет в себе не только все место, но и все время. Само по себе время – мера движения. Так как движение не распространяется на область, запредельную миру, то не распространяется на нее и время.

 

 

4. Птолемеевская система мира

 
  Попытка решения трудностей в модели Аристотеля была предпринята выдающимся александрийским ученым Клавдием Птолемеем. Клавдий Птолемей (90–168 г.г. н. э.) – выдающийся греко-египетский астроном, астролог, математик, географ и оптик, вероятно, родом из Птолемиады в Среднем Египте. В своей работе “Великое построение”, известной под своим арабским именем “Альмагест”, Птолемей опирался на открытия своих предшественников, в частности Аристарха Самосского и Гиппарха. Опираясь на глубокую традицию греческой геометрии, Птолемей преобразовал космологию Аристотеля в математическую модель Вселенной. Для каждой планеты он разработал свою теорию, состоящую из разнообразных геометрических приемов. Было предположено, что планеты одновременно участвуют в двух независимых, но “совершенных” движениях. Наблюдаемое “несовершенное” движение есть результат сложения совершенных движений (Евдокс Книдский 406 г. до н. э.). Идея разложения движения планет на две составляющие положила начало успешному решению вышеупомянутых проблем. Для согласования геоцентрической модели с наблюдениями, Птолемей перестроил геометрическую модель Вселенной Аристотеля используя комбинацию

деферентов (лат. deferentis – несущий),

эксцентров (смещенный  центр)

и эпициклов (лат. epi kyklos – на круге).

Деферент –  главная несущая окружность каждой планеты. По деференту равномерно движется не сама планета, а центр Sвторой окружности меньшего диаметра – эпицикла. Сама планета равномерно движется по эпициклу. Центры эпициклов нижних планет лежали на прямой, соединяющей Землю и Солнце.

 

Заключение

 

Астрономия в  средние века. «Альмагест» Птолемея, в котором были подытожены астрономические  знания того времени, оставался в  течение многих веков фундаментом  геоцентрической системы мира. Возникновение христианства с его догматизмом, нашествия варваров привели к упадку естествознания и, в частности, в средние века.