Ракеты и полеты в космос

Лей Вилли

То, что сейчас часто называют «революцией в астрономии», было связано с выходом в свет трех книг и с изобретением телескопа. Первая из книг, появившаяся в 1543 году под заглавием «Об обращениях небесных сфер», принадлежала перу Николая Коперника из Торуна. Второй была книга Иоганна Кеплера «О движениях Марса», она вышла в 1609 году. Третья, «Звездный вестник», автором которой был изобретатель телескопа Галилео Галилей, появилась в 1610 году. [2]

Каждая из этих трех книг, которые вместе означали революцию в астрономии, даже в отдельности имела колоссальное значение. Под их влиянием сформировалась более или менее логическая картина мира. В системе Птоломея (Гиппарха) Земля находилась в центре Вселенной, а планеты двигались вокруг нее по большим окружностям, но не прямо. Они совершали движение по малым окружностям, так называемым эпициклам, а центр эпицикла перемещался по большой окружности. Центр большой окружности

не совпадал с «центром вселенной» — Землей. Они были близки, но не находились в одной и той же точке. Коперник, неоднократно ссылаясь на Аристарха Самосского, построил противоположную схему: он поместил Солнце в центре, а планеты, в том числе и Землю, — на эпициклы (рис. 1).

2

Полное название этой книги выглядит так: «Звездный вестник, возвещающий о великих и удивительных зрелищах и предлагающий их вниманию философов и астрономов, каковые зрелища наблюдаемы были Галилео Галилеем с помощью недавно изобретенной им зрительной трубы на лике Луны, в бесчисленных неподвижных звездах, в Млечном пути, в туманных звездах, в особенности же при наблюдении четырех планет, обращающихся вокруг Юпитера в разные промежутки времени с удивительной скоростью, планет, которые до последнего времени никому известны не были и которые автор совсем недавно открыл первый и решил назвать Медицейскими светилами». — (Прим. авт.)

 Рис. 1. Представления Коперника и Кеплера о движении Земли вокруг Солнца

Кеплер сделал еще один шаг вперед. Изучая многочисленные наблюдения Тихо Браге за положениями Марса, он неизменно приходил к совершенно поразительному результату: сколько бы он ни оперировал с большим кругом и эпициклом, Марс не вписывался в эту схему. Когда же Кеплер изобразил положения Марса на большом листе бумаги, начала вырисовываться совсем другая картина. Кеплер сначала не был уверен в себе: ему казалось, что путь обращения Марса вокруг Солнца должен быть идеальным кругом. Но вместо этого получалась другая фигура-эллипс, имеющий не один центр, как круг, а два фокуса (рис. 2). Кеплер, по-видимому, утешал себя в потере «идеального» круга тем, что и сам круг является особым случаем эллипса — эллипса с совмещенными в одной точке фокусами. Во всяком случае, он пришел к выводу, что планеты движутся по эллиптическим орбитам, а Солнце для каждой из них находится в одном из фокусов эллипса. Этот вывод известен сейчас как «первый закон» Кеплера.

Рис. 2. Эллипс с эксцентриситетом 0,5. Основным свойством эллипса является то, что сумма расстояний от точки Р на кривой эллипса до двух фокусов F₁, и F₂ должна быть величиной постоянной и независимой от положения точки на кривой. Чем больше сближаются точки F₁ и F₂, тем меньше эксцентриситет эллипса; наименьший эксцентриситет возможен тогда, когда F₁ и F₂ совпадают в одной точке; в этом случае эллипс превращается в окружность.

Исследуя скорость движения по эллипсу, Кеплер открыл и «второй закон» движения небесных тел. Линия, соединяющая один из фокусов (Солнце) с точкой на эллипсе (планета), называется радиус-вектором. Кеплер обнаружил, что Марс движется быстрее, находясь вблизи Солнца, и сформулировал это наблюдение следующим образом: «радиус-вектор описывает равные площади в равные отрезки времени» (рис. 3). «Третий закон» Кеплера, открытый позднее, устанавливает связь между расстоянием от планеты до Солнца и временем полного обращения планеты вокруг Солнца.

Рис. 3. Второй закон Кеплера. Истинная орбита Земли настолько близка к окружности, что если начертить круг диаметром 100 см, то он отличался бы от истинного эллипса только на толщину линии. На рисунке изображена орбита Земли (эллипс с эксцентриситетом 0,5); цифры 1, 2, 3 и т.д. указывают начало месяцев

Коперник и Кеплер упорядочили схему устройства солнечной системы, а Галилео Галилей с помощью самодельного телескопа, который он, по существу, изобрел сам (для этого он изучил принципы, на которых было основано устройство первой «волшебной трубы» голландца Яна Липпершея), населил эту систему различными мирами. Он увидел то, о чем бесплодно велись дискуссии в течение десятков столетий, он увидел, что

все планеты имеют форму дисков при наблюдении их через телескоп. Это доказывало, что, отличаясь друг от друга размерами, они все являются мирами, сопоставимыми с Землей и Луной. Все это, вместе взятое, создало новую солидную основу для мечтаний о межпланетных путешествиях. Первым следствием этого было пятикратное переиздание Лукиана на греческом языке. Для менее образованных читателей книга была переведена Кеплером и другими на латынь, а для остального люда были сделаны переводы на «простонародные языки». Первое английское издание Лукиана появилось в 1634 году. В том же году был напечатан посмертно и труд Кеплера «Сон», написанный в минуты досуга или во время перерывов в работе, связанных с периодически обострявшейся болезнью ученого (Кеплер умер в 1630 году в возрасте около 60 лет).

Книга Кеплера представляет собой фантастическое описание Луны; в ней много интересных деталей и юмористических заметок о Тихо Браге, человеке, произведшем наиболее выдающиеся и надежные наблюдения из всех, что были сделаны до него. Эти наблюдения дали возможность Кеплеру отбросить надуманное представление о кругах, характерное для античного периода и разделявшееся позже Коперником, и предложить собственные выводы об эллиптических орбитах.

В начале книги Кеплер изображает себя, лежащего в постели; он отдыхает после долгих трудов над бесконечными вычислениями. Вскоре ему начинает сниться сон, будто он купил книгу, где повествуется о юном исландце Дуракоте, совершающем длительное путешествие к Тихо Браге для того, чтобы усвоить то, что астрономы знают о Луне. Спустя несколько лет он возвращается на родной остров и рассказывает своей матери, которая слывет ведьмой, о Тихо и его учениях. К своему крайнему удивлению, он узнает, что его мать знает о Луне значительно больше, чем все астрономы мира, вместе взятые.

Оказывается, что на Луне есть горы, как правило, более высокие и более неровные, чем на Земле; есть там и глубокие долины и ущелья. Поскольку дни и ночи очень длинны и составляют 14 земных суток, температурные колебания на Луне очень велики. Но к счастью, на Луне много пещер, и они защищают ее обитателей. Помимо того, им помогает природа: кора лунных деревьев и мех животных. То, что заменяет животным шкуру или мех, составляет большую часть массы их тел, и когда животное оказывается в лучах Солнца, верхняя часть его меха или шкуры опаляется и становится твердой (животное как бы умирает). Ночью оно снова оживает, сбрасывая с себя опаленную часть шкуры. Внешне обитатели Луны в большинстве своем похожи на змей; наиболее распространенная их разновидность выглядит днем как опаленная сосновая шишка, ночью же эта шишка раскрывается и принимает вид животного.

И хотя эндимиониды, так Кеплер называет обитателей Луны, имеют вид каких-то непонятных животных, их душевные качества и способности напоминают человеческие.

В книге чувствуется наступление «эры телескопа». В свою новую «оптическую трубу», какой бы несовершенной и слабой она ни была, астрономы теперь видели круглые кратеры на Луне, и Кеплер, как и все другие, не раз задумывался над тем, откуда они произошли. Его ответ был следующим: круглые кратеры являются искусственными, они построены обитателями Луны с целью получения затененных мест, в которых они могли бы жить.

Кеплер отнюдь не шутил, высказывая свои интересные догадки, а описанные им биологические особенности жителей Луны свидетельствовали о том, что он имел более значительные познания в биологии по сравнению с большинством ученых его времени.

Способ добраться до Луны даже во сне был вполне реалистическим. Для Лукиана, а также для многих писателей после Кеплера проблема полета в воздухе и проблема путешествия на Луну в течение долгого времени почти не отличались друг от друга, разве что только последнее было немного длиннее и требовало предварительной практики. В отличие от них Кеплер знал, что это не одно и то же. Для того чтобы превратить полет в межпланетное путешествие, нужно было, по мнению Кеплера, иметь одну и ту же атмосферу на Земле и на Луне, атмосферу, которая должна быть плотнее вблизи поверхности обеих планет и быть одинаковой на всем пути между ними. Таким образом, Кеплер постиг то, мимо чего проходили, по-видимому, не задумываясь, все ученые; это была проблема трения. Трение было единственным, что смущало Кеплера, открывшего истинные законы движения планет.Он понимал, что планеты не испытывают трения, но за этим вставал вопрос об отсутствии атмосферы за пределами Земли. В результате Кеплеру пришлось сделать вывод о невозможности полета на Луну. Единственным путем для него была поэтому мечта—способ, который не вступал в противоречие с законами природы, поскольку не подчинялся их действию.

Прежде чем книга Кеплера увидела свет, в Англии появилось еще одно произведение, посвященное путешествию на Луну и озаглавленное «Человек на Луне, или рассказ о путешествии туда». Автором его был епископ Фрэнсис Годвин, который известен литературоведам главным образом как составитель объемистого и скучного биографического каталога английских епископов. С чисто литературной точки зрения книга Годвина превосходит работу Кеплера, но как труд, отражающий уровень научных знаний того времени, она значительно уступает последней.