Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса
Шрифт:
В распространении новостей о своих открытиях Аристарх сильно уступал Эратосфену. К эпохе Николая Коперника (1473–1543) представление о Солнечной системе, в центре которой находится Солнце, практически исчезло из научных кругов. Польскому эрудиту оставалось только одно: строить свою систему мира с нуля.
Он стремился усовершенствовать геоцентрическую систему, разработанную греками и в дальнейшем улучшенную астрономами Ближнего Востока — в первую очередь Птолемеем, изложившим в «Альмагесте» комплексную модель планетарных орбит, по которой астрономы повсеместно предсказывали положения планет на протяжении тринадцати столетий. В птолемеевой системе в центре мироздания находится Земля, и ее окружают Луна, планеты и Солнце. Наблюдаемые ретроградные движения планет, которые впоследствии вновь менялись на прямые, Птолемей объяснял, рисуя «круги на кругах»: планеты двигались по малым кругам — эпициклам, а центры эпициклов —
Рис. 3.3. В своем пути по небу Марс, Юпитер и Сатурн периодически меняют движение на ретроградное, отчего создается впечатление, что в течение земного года каждая планета в тот или иной момент разворачивается и на протяжении нескольких месяцев следует на запад, прежде чем вновь направиться на восток. Геоцентрическая система мира, предложенная Птолемеем в 150 г. н. э., объясняла наблюдаемое движение этих планет с помощью сложного комплекса различных круговых движений. В ее основе лежало представление о том, что планеты перемещаются по круговым эпициклам, а центры эпициклов движутся вокруг Земли по другим кругам — деферентам.
А если возникали расхождения, Птолемей менял величину эпициклов, скорость движения планет, начало деферентов — и подстраивал их под результаты наблюдений, полученные в его эпоху.
По мере того как наблюдения, совершаемые невооруженным глазом, становились все точнее, астрономы пытались предсказать, каким окажется положение планет по прошествии более долгих периодов, — и неизменно ошибались в прогнозах на несколько градусов в год. И наконец Николай Коперник создал новую систему мира, при помощи которой надеялся улучшить геоцентрическую систему Птолемея. Возможно, опираясь на труды персидского астронома Насира ад-Дина ат-Туси (1201–1274), он разработал модель движения планет, в центре которой располагалось Солнце. Гелиоцентрическая система Коперника была намного проще, чем запутанные эпициклы Птолемея и его последователей. В ней Луна обращалась вокруг Земли, сама Земля и все другие известные планеты — вокруг Солнца, а ежегодные ретроградные движения внешних планет легко объяснялись тем, что Земля их просто «обгоняла» (рис. 3.4).
Рис. 3.4. Благодаря системе Коперника удалось вычислить относительные расстояния от планет до Солнца, после чего наибольшее удаление внутренней планеты от Солнца (элонгация) и благоприятные периоды видимости внешних планет позволили установить ключевые геометрические соотношения. (По источнику: David McClung, themcclungs.net/astronomy/concepts/ plotinner.html.)
Впрочем, прилагать усилия для того, чтобы о его системе мира узнало как можно больше людей, Коперник не спешил. Во-первых, она устраняла Землю из центра известной Вселенной. Это неизбежно посеяло бы раздор в научном мире и — что еще тревожнее — вызвало бы недовольство религиозных авторитетов той эпохи. Во-вторых, оказалось, что она предсказывает положение планет не намного точнее, чем система Птолемея. Поэтому свой труд De revolutionibus orbium coelestium («О вращении небесных сфер») Коперник опубликовал лишь в 1543 году, незадолго до смерти. Он опасался возмездия, и этот страх был вполне обоснован. Спустя полвека, когда в тюрьму был брошен итальянский монах, философ и астроном Джордано Бруно (1548–1600), церковный суд признал его виновным во многих ересях, в том числе и в поддержке системы Коперника — с небольшой вариацией, допускавшей наличие бесконечного числа солнц и солнечных систем (см. эпиграф). Несмотря на обращения к папе Клименту VIII, Бруно был сожжен на костре в Риме в 1600 году.
В эпоху Возрождения точность наблюдений, совершаемых невооруженным глазом, росла по мере того, как создавались все более крупные секстанты, квадранты и другие устройства для измерения углов на небесной сфере. Особенно точны были инструменты и наблюдения датчанина Тихо Браге (1546–1601), и в 1600 году именно это побудило Иоганна Кеплера (1571–1630) покинуть родную Германию и направиться в обсерваторию Браге, расположенную неподалеку от Праги в современной Чехии. Выдающийся математик, физик, астроном и астролог, при этом глубоко религиозный, Кеплер был особенно заинтересован в том, чтобы досконально изучить движение Марса и согласовать его со своей моделью Солнечной системы. Он полагал, что планеты движутся вокруг «хрустальных сфер», соприкасавшихся с идеальными платоновыми телами, число сторон которых зависело от определенных соотношений. В модели Кеплера, проникнутой мистицизмом, трение сфер о многогранники рождало музыку, ноты которой соответствовали священным пропорциям, о чем он позже писал в книге Harmonices Mundi («Гармония мира»). Благодаря знакомству с Браге Кеплеру были доступны самые точные на тот момент результаты наблюдений за движением Марса, совершенных невооруженным глазом. Через год после того, как Кеплер прибыл в обсерваторию, Тихо по неизвестным причинам умер, а Кеплер стал его преемником на посту придворного математика в Священной Римской империи, где правил Рудольф II. Позже, вопреки желанию родственников Браге, Кеплер присвоил результаты его наблюдений за планетами и звездами и в 1627 году опубликовал их вместе с собственными расчетами в «Рудольфовых таблицах».
Впрочем, в наше время наибольшим почетом пользуется другая, более ранняя публикация Кеплера — Astronomia Nova («Новая астрономия»), вышедшая в 1609 году. В ней он изложил два из трех законов движения планет, выведенных в ходе досконального анализа положений Марса на протяжении долгого времени:
1. Планеты обращаются вокруг Солнца по эллиптическим траекториям, и в одном из двух фокусов данного эллипса находится Солнце (рис. 3.5).
Рис. 3.5. В первых двух законах движения планет Кеплер предположил, что каждая планета движется по эллипсу, причем Солнце находится в одном из его фокусов. Планета меняет скорость, и радиус-вектор, связывающий ее с Солнцем, заметает равные площади за равное время (как показано на затемненных областях, имеющих одинаковую площадь). Обратите внимание, что на рисунке сильно преувеличено удлинение (или эксцентриситет) орбиты. Реальные орбиты планет в Солнечной системе почти круговые.
2. Планеты изменяют скорость на своих орбитах так, что радиус-вектор, соединяющий их с Солнцем, заметает равные площади за равные промежутки времени. Другими словами, скорость планет максимальна в точке, наиболее близкой к Солнцу (перигелий), и минимальна в самой дальней от него (афелий).
Предложив эти два закона, Кеплер отказался от идеи Коперника об идеальных круговых орбитах, по которым планеты вращаются с неизменной скоростью. Под угрозой было и его собственное представление о хрустальных сферах, соприкасавшихся с платоновыми многогранниками: наблюдаемое движение Марса, анализ которого провел он сам, требовало отвергнуть эту идею. Кеплер не стал держаться за вожделенный мираж — и добился одного из величайших триумфов в науке.
Третий закон движения планет был открыт после того, как Кеплер проанализировал данные, полученные в ходе наблюдений за другими планетами. В данном случае он сохранил свои священные пропорции, определяющие орбитальные периоды планет. Вот что гласит закон, опубликованный в 1627 году в «Гармонии мира»:
Квадраты периодов обращения планет относятся друг к другу, как кубы их средних расстояний от Солнца. Это означает, что их орбитальные периоды (P) возрастают вместе с увеличением расстояния от планет до Солнца, так что квадрат периода обращения (в годах) равен кубу большой полуоси (a) эллиптической орбиты в астрономических единицах: (P [годы])2 = (a [а. е.])3, где астрономическая единица определяется как среднее расстояние между Солнцем и Землей. Орбитальный период можно найти по формуле: P (годы) = a (а. е.)3/2.
Эта взаимосвязь показывает, что планеты движутся вокруг Солнца не синхронно, подобно соринкам на вращающемся компакт-диске, а по мере удаления от него все сильнее замедляются (рис. 3.6). Вот почему Земля время от времени «обгоняет» внешние планеты (Марс, Юпитер, Сатурн и др.), вызывая наблюдаемые ретроградные движения этих небесных тел.
Одновременно с эпохальными открытиями Кеплера тайны движения планет пытался раскрыть и итальянский математик, физик и астроном Галилео Галилей (1564–1642). Узнав о том, что в Нидерландах создали новый оптический прибор, способный увеличивать вид далеких объектов, он изготовил собственные «подзорные трубы» и направил их в небеса. Четыре маленьких спутника (луны), открытые им у Юпитера, напомнили Галилею миниатюрную Солнечную систему, — и разве теперь нельзя было с большей уверенностью предположить, что и настоящая Солнечная система сосредоточена вокруг Солнца, своего крупнейшего представителя?