Ошибка Коперника. Загадка жизни во Вселенной

Шарф Калеб

Кеплер исследовал различные формы орбит; яйцевидные овалы подходили, но не очень хорошо, другие очертания его тоже не устраивали. Тогда он попробовал рассчитать орбиты строго математическими средствами, получил решение, отверг его, но вскоре вернулся к той же самой идее, однако уже интуитивно. В конце концов он понял, что все орбиты планет принадлежат к так называемым коническим сечениям [24] . В этот класс кривых входят и окружности, и параболы, и гиперболы, а главное – эллипсы.

24

Как ясно из названия, подобные кривые – это буквально результат рассечения конуса плоскостью. В зависимости от их взаимного положения, коническое сечение можно описать параболой, гиперболой, эллипсом или окружностью.

Как мы теперь понимаем, ошибки в прогнозировании

поведения Марса согласно модели Коперника возникали потому, что его орбита сильнее всего отличается от окружности по сравнению с Венерой, Землей, Юпитером и Сатурном – то есть она самая эллиптическая из них. Из планет, которые были известны Кеплеру, более вытянутая орбита только у Меркурия, но Меркурий труднее наблюдать, поскольку он близко к Солнцу. Кеплер сделал вывод, что при движении по эллиптической орбите планета, как и любое другое тело, замедляется в дальней точке и ускоряется в ближней. Именно этих вариаций и недоставало, чтобы избавиться от досадных ошибок в прогнозах поведения Марса.

В 1609 году Кеплер свел свои идеи воедино и опубликовал трактат «Astronomia Nova» – «Новая астрономия», в котором представил два из своих знаменитых законов движения небесных тел: орбита любой планеты представляет собой эллипс с Солнцем в одном из фокусов, а если провести линию между планетой и Солнцем, она будет при движении планеты заметать равные площади за равные промежутки времени.

Кроме того, Кеплер обнаружил, что между Солнцем и планетами, вероятно, существует какое-то неизвестное взаимодействие (теперь мы назвали бы его силой). Это была революционная концепция, и хотя все это было изложено в терминах, отдававших мистицизмом, Кеплер отважился даже предположить, что подобное взаимодействие ослабевает с удалением от Солнца. Потому-то дальние планеты должны двигаться медленнее – и так оно и есть.

* * *

В этом месте возникает соблазн броситься вперед очертя голову, поскольку дальше важные события стремительно сгустились. Всего через год после публикации трактата «Astronomia Nova», в 1610 году, Галилео Галилей [25] при помощи телескопа наблюдал периодическое движение ярчайших спутников Юпитера и фазы Венеры. Все эти наблюдения вызвали жестокое столкновение между космологическими моделями, поскольку представили еще более убедительные доказательства, что гелиоцентрическая модель точнее геоцентрической, так что Галилею пришлось вступить в борьбу с общепринятыми представлениями того времени. Однако в картине мироздания появились и другие черты, зародившиеся в трудах Кеплера – черты не менее важные для нашего понимания собственной роли в мироздании.

25

Итальянский ученый применял две линзы для создания телескопов, которые позволяли увидеть неперевернутые изображения далеких объектов. Их оптические характеристики были далеки от совершенства, однако лучший телескоп Галилея позволял добиться тридцатикратного увеличения и улавливал больше света, чем невооруженный глаз. Галилей, как и Браге, наблюдал сверхновую (Кеплер тоже ее видел), а поскольку не увидел никакого параллакса, решил, что это звезда и что небеса не незыблемы. Наблюдения над тремя, а затем и над четырьмя спутниками Юпитера натолкнули Галилея на мысль, что это подтверждает точку зрения Коперника: не все небесные тела вращаются вокруг Земли.

Если все планеты подчиняются одному закону и движутся по эллиптическим орбитам, и эти орбиты не обязательно лежат в одной плоскости вокруг центральной массивной звезды, есть вероятность, что существует множество различных вариантов движения планет и их систем, которые, тем не менее, подчиняются законам Кеплера (и законам физики, которую мы вскоре будем называть ньютоновой). Сомневаюсь, что в то время кто-то об этом подозревал, однако именно тогда распахнулась дверь во Вселенную куда более изобильную и разнообразную, чем рисовало даже самое смелое воображение атомистов и плюралистов минувшего. Но на этом сюрпризы, таившиеся в наблюдениях Галилея, отнюдь не кончились. При помощи телескопа он сумел обнаружить очень тусклые звезды, не различимые невооруженным глазом. Поглядев на полосу Млечного Пути, равномерно-туманную на вид, Галилей, к собственному изумлению, обнаружил, что на самом деле она состоит из звезд – столь многочисленных и крошечных, что для невооруженного глаза они сливались воедино. Эти наблюдения не так знамениты, как другие открытия Галилея, а жаль: ведь именно они впервые явили человечеству подлинный размах мироздания.

Мысль о том, что в небе есть невидимые глазу тела, подобно сверхновой Тихо Браге, вызвавшей настоящую сенсацию, радикально противоречили космологическим представлениям того времени. Эти наблюдения вместе с открытием Антони ван Левенгука, сделанным несколько десятков лет спустя, – речь идет об открытии густонаселенных микроскопических Вселенных,

заключенных в каждой капельке воды и в человеческой мокроте, – приподняли непрозрачный доселе покров над реальностью во всей ее колоссальной сложности и глубине. Однако эти важнейшие откровения, позволившие нам заглянуть в подлинные глубины природы – и вовнутрь, и вовне, не привели к таким ожесточенным спорам, как простое смещение нашей планеты с центрального места в мироздании.

Поначалу волнения поднялись в основном в лагерях церковников и власть имущих. В сущности, ни Галилей, ни Кеплер, похоже, не считали, что гелиоцентризм подрывает статус Земли. Напротив, он означал, что мы находимся не в самом низу планетной «пирамиды», а занимаем достойное и даже привилегированное место на орбите среди орбит других планет. Парадоксально, но факт: сам Кеплер писал, что это, по его мнению, означает, что Земля находится как раз посередине планетных сфер (то есть орбит): Меркурий, Венера и Солнце находятся внутри ее сферы, а Марс, Юпитер и Сатурн – вовне. И все же столь твердая уверенность в собственной значимости в общей схеме мироздания, по сути дела, смягчила удар, который наносили все новые и новые свидетельства подлинного величия природы – от микрокосма до макрокосма.

* * *

Шло время, и судьба распорядилась так, что в январе 1642 года умер Галилей, а в декабре того же года родился Исаак Ньютон. Полное жизнеописание Ньютона, как и биографии Коперника, Бруно, Браге, Кеплера и Галилея, необычайно богато событиями. Однако для нас самая важная его глава начинается с публикации в 1687 году фундаментального труда «Philosophiae Naturalis Principia Mathematica» – «Математические начала натуральной философии», который часто называют просто «Principia» или «Начала». В этом тексте Ньютон не только формулирует математические законы движения и определяет понятия инерции, импульса, силы и ускорения, но и провозглашает закон всемирного тяготения.

Ньютон предположил, что притяжение тел друг к другу можно описать как силу, которая растет с увеличением массы, однако слабеет пропорционально квадрату расстояния. Из этой гипотезы он вывел математическое доказательство эмпирических законов Кеплера, впервые показав, что законы, управляющие движением планет, опираются на фундаментальную физику. Кроме того, он проанализировал движение Луны, траектории комет и гравитационные взаимодействия в системах, включающих больше двух тел. Он отметил, что, несмотря на явно гелиоцентрическую природу Солнечной системы, Солнце тоже вращается вокруг переменной точки – центра масс или точки равновесия всех тел в системе. Он даже определил, что эта точка расположена поблизости от наблюдаемой поверхности Солнца, достаточно далеко от его ядра, и что такое смещение в основном вызвано гравитационными громадами Юпитера и Сатурна (современные астрономы прекрасно знакомы с этим обстоятельством, поскольку подобное смещение в других звездных системах – один из главных признаков существования так называемых экзопланет, то есть планет, находящихся вне нашей Солнечной системы, с которыми мы познакомимся в следующей главе. Мы измеряем орбитальное движение звезды вокруг подобной центральной точки, поскольку оно свидетельствует о присутствии невидимых, но массивных миров).

Ньютон был личностью незаурядной и сложной, с глубокими религиозными убеждениями, и для него такое красивое физическое объяснение движения небесных тел было доказательством существования высшего божественного разума, который управляет траекториями тел, исполняющих свой танец со слаженностью часового механизма. Для других мыслителей следующего столетия – например, для Пьера-Симона Лапласа, великого французского математика и физика, – это свидетельствовало об обратном. Значит, Вселенная не нуждается в направляющей длани, в предопределенных путях и конфигурациях – лишь имманентно присущие ей физические законы определяют, где и когда очутится то или иное тело. Однако Лаплас также полагал, что, если вооружиться этими законами и полными знаниями о положении и движении всех предметов в любой момент времени, будешь знать и прошлое, и будущее. Пусть во Вселенной и нет направляющей длани, зато есть детерминизм [26] .

26

Горячим сторонником этой идеи был Пьер-Симон Лаплас. В своем «Опыте философии теории вероятностей» (1814) он писал: «Нынешнее состояние Вселенной можно считать результатом ее прошлого и причиной ее будущего. Разум, который в определенный момент будет обладать всеми знаниями обо всех силах, которые приводят природу в движение, и о положении всех предметов, из которых природа состоит, – если к тому же этот разум будет достаточно мощен, чтобы подвергнуть все эти данные анализу, – сможет в одной-единственной формуле выразить движения как величайших тел во Вселенной, так и самого крошечного атома; ведь для подобного разума не останется никаких неопределенностей, и перед глазами у него будет не только прошлое, но и будущее».