Строение Вселенной

Еще более смелых взглядов придерживался  Аристарх Самосский (ок. 310 - 230 гг. до н. э.). Выдающийся древнегреческий ученый Архимед (ок. 287 - 212 гг. до н.э. ) в своем сочинении «Псаммит» («Исчисление песчинок»), обращаясь к Гелону Сиракузскому, писал о взглядах Аристарха так:

«Ты знаешь, что по представлению некоторых  астрономов мир имеет форму шара, центр которого совпадает с центром  Земли, а радиус равен длине прямой, соединяющей центры Земли и Солнца. Но Аристарх Самосский в своих  «Предложениях», написанных им против астрономов, отвергая это представление, приходит к заключению, что мир  гораздо больших размеров, чем только что указано. Он полагает, что неподвижные звезды и Солнце не меняют своего места в пространстве, что Земля движется по окружности вокруг Солнца, находящегося в его центре, 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».

VI. Система Птолемея

Становление астрономии как точной науки началось благодаря работам выдающегося  греческого ученого Гиппарха. Он первый начал систематические астрономические  наблюдения и их всесторонний математический анализ, заложил основы сферической  астрономии и тригонометрии, разработал теорию движения Солнца и Луны и  на ее основе - методы предвычисления затмений.

Гиппарх обнаружил, что видимое движение Солнца и Луны на небе является неравномерным. Поэтому он стал на точку зрения, что эти светила движутся равномерно по круговым орбитам, однако центр круга  смещен по отношению к центру Земли. Такие орбиты были названы эксцентрами. Гиппарх составил таблицы, по которым можно было определить положение Солнца и луны на небе на любой день года. Что же касается планет, то, по замечанию Птолемея, он «не сделал других попыток объяснения движения планет, а довольствовался приведением в порядок сделанных до него наблюдений, присоединив к ним еще гораздо большее количество своих собственных. Он ограничился указанием своим современникам на неудовлетворительность всех гипотез, при помощи которых некоторые астрономы думали объяснить движение небесных светил».

Благодаря работам Гиппарха астрономы отказались от мнимых хрустальных сфер, предположенных Евдоксом, и перешли к более сложным построениям с помощью эпициклов и деферентов, предложенных еще до Гиппарха Аполлоном Пергским. Классическую форму теории эпициклических движений придал Клавдий Птолемей.

Главное сочинение Птолемея «Математический  синтаксис в 13 книгах» или, как  его назвали позже арабы, «Альмагест»(«Величайшее») стал известным в средневековой Европе лишь в XII в. В 1515 г. он был напечатан на латинском языке в переводе с арабского, а в 1528 г. в переводе с греческого. Трижды «Альмагест» издавался на греческом языке, в 1912 г. он издан на немецком языке.

«Альмагест» - это настоящая энциклопедия античной астрономии. В этой книге Птолемей сделал то, что не удавалось сделать  ни одному из его предшественников. Он разработал метод, пользуясь которым  можно было рассчитать положение  той или другой планеты на любой  наперед заданный момент времени. Это  ему далось нелегко, и в одном  месте он заметил:

«Легче, кажется, двигать самые планеты, чем постичь их сложное движение...»

«Установив» Землю в центре мира, Птолемей представил видимое сложное и неравномерное  движение каждой планеты как сумму нескольких простых равномерных круговых движений.

Согласно  Птолемею каждая планета движется равномерно по малому кругу - эпициклу. Центр эпицикла в свою очередь равномерно скользит по окружности большого круга, названого деферентом (рис.1.). Для лучшего совпадения теории с данными наблюдений пришлось предположить, что центр деферента смещен по отношению к центру Земли. Но этого было недостаточно. Птолемей был вынужден предположить, что движение центра эпицикла по деференту является равномерным ( т. е. его угловая скорость движения постоянна), если рассматривать это движение не из центра деферента О и не из центра Земли Т, а с некоторой «выравнивающей точки» Е, названной позже эквантом.

Комбинируя  наблюдения с расчетами, Птолемей методом  последовательных приближений получил, что отношения - радиусов эпициклов  к радиусам деферентов для Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера и Сатурна  равны соответственно 0.376, 0.720, 0.658, 0.192 и 0.103. Любопытно, что для предвычисления положения планеты на небе не было необходимости знать расстояния до планеты, а лишь упомянутое отношение радиусов эпициклов и деферентов.

При построении своей геометрической модели мира Птолемей учитывал тот факт, что  в процессе своего движения планеты  несколько отклоняются от эклиптики. Поэтому для Марса, Юпитера и  Сатурна он «наклонил» плоскости  деферентов к эклиптике и плоскости  эпициклов к плоскостям деферентов. Для Меркурия и Венеры он ввел колебания  вверх и вниз с помощью небольших  вертикальных кругов. В целом для  объяснения всех замеченных в то время  особенностей в движении планет Птолемей ввел 40 эпициклов. Система мира Птолемея, в центре которой находится Земля, называется геоцентрической.

Кроме отношения радиусов эпициклов и  деферентов для сопоставления теории с наблюдениями необходимо было задать периоды обращения по этим кругам. По Птолемею, полный оборот по окружности эпициклов все верхние планеты  совершают за тот же промежуток времени, что и Солнце по эклиптике, т. е. за год. Поэтому радиусы эпициклов  этих планет, направленные к планетам, всегда параллельны направлению  с Земли на Солнце. У нижних планет - Меркурия и Венеры - период обращения  по эпициклу равен промежутку времени, а течении которого планета возвращается к исходной точке на небе. Для периодов обращений центра эпицикла по окружности деферента картина обратная. У Меркурия и Венеры они равны году. Поэтому центры их эпициклов всегда лежат на прямой, соединяющей солнце и Землю. Для внешних планет они определяются временем, в течении которого планета, описав полную окружность на небе, возвращается к тем же звездам.

Вслед за Аристотелем Птолемей попытался  опровергнуть представление о возможном  движении Земли. Он писал:

«Существуют люди, которые утверждают, будто  бы ничто не мешает допустить, что  небо неподвижно, а земля вращается  около своей оси от запада к  востоку, и что она делает такой  оборот каждые сутки. Правда, говоря о  светилах, ничто не мешает для большей  простоты допустить это, если принимать  в расчет только видимые движения. Но эти люди не сознают, до какой  степени смешно такое мнение, если присмотреться ко всему, что совершается  вокруг нас и в воздухе. Если мы согласимся с ними, - чего в действительности нет, - что самые легкие тела вовсе  не движутся или движутся так же , как и тела тяжелые, между тем как, очевидно, воздушные тела движутся с большей скоростью, чем тела земные; если бы мы согласились с ними, что предметы самые плотные и самые тяжелые имеют собственное движение, быстрое и постоянное, тогда как на самом деле они с трудом движутся от сообщаемых им толчков, - все - таки эти люди должны были бы сознаться, что Земля вследствие своего вращения имела бы движение значительно быстрее всех тех, какие происходят вокруг нее, ибо она совершала бы такую большую, окружность в такой малый промежуток времени. Таким образом, тела, которые поддерживали бы Землю, казались бы всегда движущимися по противоположному с ней направлению, и никакое облако, ничто летящее или брошенное никогда не казалось бы направляющимся к востоку, ибо Земля опередила бы всякое движение в этом направлении».

С современной точки зрения можно  сказать, что Птолемей слишком переоценил роль центробежной силы. Он также придерживался  ошибочного утверждения Аристотеля, что в поле тяжести тела падают со скоростями, пропорциональными их массам...

В целом же, как заметил А. Паннекук, «Математическое сочинение» Птолемея «было карнавальным шествием геометрии, праздником глубочайшего создания человеческого ума в представлении Вселенной.. труд Птолемея предстает перед нами как великий памятник науки античной древности...».

После высокого расцвета античной культуры на европейском континенте наступил период застоя и регресса. Этот мрачный  промежуток времени продолжительностью более тысячи лет был назван средневековьем. Ему предшествовало превращение христианства в господствующую религию, при которой не было места для высокоразвитой науки античной древности. В это время произошел возврат к наиболее примитивным представлениям о плоской Земле.

И лишь начиная с XI в. под влиянием роста торговых сношений, с усилием в городах нового класса - буржуазии. Духовная жизнь в Европе начала пробуждаться. В середине XIII в. философия Аристотеля была приспособлена к христианской теологии, отменены решения церковных соборов, запрещавших натурфилософские идеи великого древнегреческого философа. Взгляды Аристотеля на устройство мира вскоре стали неотъемлемыми элементами христианской веры. Теперь уже нельзя было сомневаться в том, что Земля имеет форму шара, установленного в центре мира, и что вокруг него обращаются все небесные светила. Система Птолемея стала как бы дополнением к Аристотелю, помогающим проводить конкретные расчеты положений планет.

Основные  параметры своей модели мира Птолемей определил в высшей степени искусно  и с высокой точностью. Со временем, однако, астрономы начали убеждаться в том, что между истинным положением планеты на небе и расчетным существуют расхождения. Так, в начале 12 века планета  Марс оказалась на два градуса  в стороне от того места, где ей надлежало быть по таблицам Птолемея.

Чтобы объяснить все особенности движения планет на небе, приходилось вводить  для каждой из них до десяти и  более эпициклов со всё уменьшающимися радиусами так, чтобы центр меньшего эпицикла обращался по кругу большего. К 16 веку движение Солнца, Луны и пяти планет объяснялось с помощью более чем 80 кругов! И всё же наблюдения, разделённые большими промежутками времени, было трудно «подогнать» под эту схему. Приходилось вводить новые эпициклы, несколько изменять их радиусы, смещать центры деферентов по отношению к центру Земли. В конечном итоге геоцентрическая система Птолемея, перегруженная эпициклами и эквантами, рухнула от собственной тяжести...

VII. Мир Коперника

Книга Коперника, вышедшая в год его  смерти, в 1543 году, носила скромное название: «О вращении небесных сфер». Но это  было полное ниспровержение Аристотеля взгляда на мир. Сложная махина полых  прозрачных хрустальных сфер отошла в прошлое. С этого времени  началась новая эпоха в нашем  понимании Вселенной. Продолжается она и по ныне. 

Благодаря Копернику мы узнали, что Солнце занимает надлежащее ему положение  в центре планетной системы. Земля  же никакой не центр мира, а одна из рядовых планет, обращающихся вокруг Солнца. Так все стало на свои места. Строение Солнечной системы  было наконец разгадано.

Дальнейшие  открытия астрономов пополнили  семью больших планет. Их девять: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. В таком порядке они занимают свои орбиты вокруг Солнца. Открыто множество малых тел Солнечной системы - астероидов и комет. Но это не изменило новой Коперниковой картины мира. Напротив, все эти открытия только подтверждают и уточняют ее.

Теперь  мы понимаем, что живем на небольшой  планете, похожей на шар. Земля вращается  вокруг Солнца по орбите, не слишком  отличающейся от окружности. Радиус этой окружности близок к 150 миллионам километров.

Расстояние  от Солнца до Сатурна - самой дальней  из известных во времена Коперника  планет - приблизительно в десять раз  больше радиуса земной орбиты. Это  расстояние совершенно правильно определил  еще Коперник. Размеры Солнечной  системы - расстояние от Солнца до орбиты девятой планеты, Плутона, еще почти  в четыре раза больше и составляет приблизительно 6 миллиардов километров.

Такова  картина Вселенной в нашем  непосредственном окружении. Это и  есть мир по Копернику.

Но  Солнечная система еще не вся  Вселенная. Можно сказать, что это  только наш маленький мирок. А  как же далекие звезды? О них  Коперник не рисковал высказывать никакого определенного мнения. Он просто оставил  их на прежнем месте, не дальней сфере, где были они у Аристотеля, и  лишь говорил, и совершенно правильно, что расстояние до звезд во множество  раз больше размеров планетных орбит. Как и античные ученые, он представлял  Вселенную замкнутым пространством, ограниченным этой сферой.

VIII. Солнце и Звезды

В ясную безлунную ночь, когда ничто  не мешает наблюдению, человек с  острым зрением увидит на небосводе  не более двух - трех тысяч мерцающих  точечек. В списке, составленном во 2 веке до нашей эры знаменитом древнегреческим  астрономом Гиппархом и дополненном  позднее Птолемеем, значится 1022 звезды. Гевелий же, последний астроном, производивший такие подсчеты без  помощи телескопа, довел их число  до 1533.

Но  уже в древности подозревали  о существовании большого числа  звезд, невидимых глазом. Демокрит, великий ученый древности, говорил, что белесоватая полоса, протянувшаяся через все небо, которую мы называем Млечным Путем, есть в действительности соединение света множества невидимых по отдельности звезд. Споры о строении Млечного Пути продолжались веками. Решение - в пользу догадки Демокрита - пришло в 1610 году, когда Галилей сообщил о первых открытиях, сделанных на небе с помощью телескопа. Он писал с понятным волнением и гордостью, что теперь удалось «сделать доступными глазу звезды, которые раньше никогда не были видимыми и число которых по меньшей мере в десять раз больше числа звезд, известных издревле».

Но  и это великое открытие всё  ещё оставляло мир звёзд загадочным. Неужели все они, видимые и  невидимые, действительно сосредоточены  в тонком сферическом слое вокруг Солнца?

Ещё до открытия Галилея была высказана  совершенно неожиданная, по тем временам замечательно смелая мысль. Она принадлежит  Джордано Бруно, трагическая судьба которого всем известна. Бруно выдвинул идею о том, что наше Солнце - это  одна из звёзд Вселенной. Всего только одна из великого множества, а не центр  всей Вселенной. Но тогда и любая  другая звезда тоже вполне может обладать своей собственной планетной  системой.

Если  Коперник указал место Земли отнюдь не в центре мира, то Бруно и Солнце лишил этой привилегии.

Идея  Бруно породила немало поразительных  следствий. Из неё вытекала оценка расстояний до звёзд. Действительно, Солнце - это  звезда, как и другие, но только самая  близкая к нам. Поэтому - то оно  такое большое и яркое. А на какое расстояние нужно отодвинуть светило, чтобы и оно выглядело  так, как, например, Сириус? Ответ на этот вопрос дал голландский астроном Гюйгенс (1629 - 1695). Он сравнил блеск  этих двух небесных тел, и вот что  оказалось: Сириус находится от нас  в сотни раз дальше, чем Солнце.