Эволюция Вселенной и происхождение жизни
Шрифт:
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.
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/ 12минуты дуги). В действительности угловой размер звезд намного меньше, но атмосфера Земли размывает их изображения.
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.