В древности инструменты, призванные облегчить работу астрономов, служили не для того, чтобы лучше рассмотреть звезды, а чтобы определить их положение и упростить расчеты. Среди этих приборов были астролябии, армиллярные сферы и секстанты. Некоторые из них помогали направить взгляд в определенную точку, например на звезду. Плоская астролябия позволяла показать на одной проекции небесный свод, его движение и перемещение Солнца в течение года.
Она также применялась для вычисления положения звезд (высот и углов). У астролябии были визирные отверстия, глядя через которые на звезду, можно было определить ее положение.
Армиллярная сфера, или сферическая астролябия, состояла из нескольких кругов, вложенных друг в друга, соответствовавших эклиптике, зодиаку, небесному экватору и небесным полюсам. Она использовалась главным образом для обучения. Другие инструменты, секстанты и квадранты, представляли собой линейки, которые упрощали высчитывание углов и позволяли перевести задачи сферической геометрии в область планиметрии, где они решались гораздо проще.
Армиллярная сфера была выполнена в виде модели небес и использовалась в учебе: она показывала движение звезд вокруг Земли, расположенной в центре.
Интерес к астрономии в древности был вызван не только жаждой знаний. Большая часть населения верила в то, что звезды влияют на судьбы людей. Знать тратила крупные суммы на консультации с астрологами, и для астрономов астрология была надежным заработком.
Помимо этого, астрономия решала практические задачи, например составление календарей. Регулярные лунные циклы, которые длятся примерно 29 дней, в разных культурах, например у мусульман, позволяли предугадать смену времен года. Звезды были ориентирами для моряков и помогали им определять местонахождение (в первую очередь широту, поскольку нахождение долготы, как мы увидим далее, было сложной задачей). Для мусульман знать свое географическое положение было очень важно, ведь мечети обязательно должны были быть обращены в сторону Мекки (это направление называется кибла). Ответственность за определение направления несли астрономы (делали они это с невысокой точностью, ведь инструментов для определения долготы не существовало).
За редким исключением все астрономы древности и Средневековья придерживались одной и той же точки зрения на устройство мира, согласно которой Земля находилась в его центре, а все планеты и звезды вращались вокруг нее. Эта теория известна как геоцентризм, Галилей изучал ее, будучи студентом медицинского факультета, и преподавал, когда сам стал профессором.
В рамках этой теории существовало два мировоззрения: физико-механическая традиция, шедшая от Аристотеля, объясняла мир как единую систему и пыталась найти причины движения; вторая, традиция астрономов и математиков, вдохновившихся трудами Птолемея, ставила целью объяснение и предсказание астрономических явлений при помощи математики без намерения описать всю реальность.
Первая положила начало натурфилософии, концептуальной дисциплине, претендующей на истинность в описании мира. В рамках этого подхода к астрономии математика использовалась только как инструмент: математические модели должны были предсказывать расположение звезд. Согласование этих моделей с действительностью полностью игнорировалось.
КОСМОС СФЕР
При наблюдении за звездами видно, что они движутся очень медленно и абсолютно синхронно, и кажется, будто они вращаются вокруг неподвижной Полярной звезды, положение которой совпадает с осью вращения Земли. По мнению древних, эти наблюдения ясно доказывали, что яркие точки являются частью движущейся твердой сферы. Когда она немного сдвигается, то все звезды одновременно перемещаются вместе с ней, что можно видеть при продолжительном наблюдении за небосводом. Этот представление о Вселенной сохранялось на протяжении тысячелетий: конечный космос, заключенный в сферу, в которой имеются светящиеся точки, называемые неподвижными звездами.
Помимо них, древние астрономы наблюдали и другие яркие точки с независимой траекторией. Греки называли их планетами, что означает «странники». В древности знали о Меркурии, Венере, Марсе, Юпитере и Сатурне, то есть о планетах, видимых невооруженным глазом. Дополняли список небесных тел Солнце и Луна.
Ощущения обманывают человека и заставляют верить, что все вращается вокруг него, в то время как Земля остается неподвижной. Эту иллюзию очень трудно разрушить, и просто удивительно, что в Древней Греции появились философы и астрономы, которые заявляли о движении Земли. Одним из них был Гераклид Понтийский (IV век до н. э.), отстаивавший версию вращения Земли. Вместо того чтобы думать о вращении Вселенной вокруг нас, он заключил: проще представить, что движемся мы. Позже астроном из Александрии Аристарх Самосский говорил, что Земля вращается не только вокруг своей оси, но и вокруг Солнца, как и другие планеты. В то время такие предположения не могли не показаться в высшей степени странными: ничто вокруг нас не указывает на то, что мы с огромной скоростью движемся в космосе. Они могли быть серьезно рассмотрены только в Новое время, когда стали использоваться телескопы, а главное, возникла новая физическая теория движения, которая объясняла, почему на поверхности Земли невозможно заметить явные признаки ее вращения. Галилей неустанно восхвалял смелость этих астрономов, которые смогли перешагнуть пределы чувственного восприятия и понять, как на самом деле устроен мир.
АРИСТАРХ САМОССКИЙ
Аристарх (ок. 310-230 до н. э.), древнегреческий астроном, родился на острове Самос. Почти всю жизнь он трудился в Александрии, а его главным научным достижением было утверждение, что Земля движется и вращается вокруг Солнца. Труд, в котором он доказывал это предположение, не дошел до наших дней, и мы знаем о нем из упоминаний в других источниках. Некоторые философы, например Клеанф (ок. 300-232 до н.э.), требовали, чтобы его обвинили в безбожии. Аристарх также придумал способ рассчитать расстояние от нашей планеты до Солнца и утверждал, что оно равно 18-20 расстояниям от Земли до Луны (в действительности оно в 20 раз больше этой оценки).
Одно из самых устоявшихся убеждений, которое отстаивал даже Коперник (1473-1543), заключалось в том, что в космосе все движения равномерны и совершаются по круговым траекториям. Начиная с Платона предполагалось, что светила могут двигаться только по кругу и с постоянной скоростью (сегодня мы бы сказали: с постоянной угловой скоростью). Круг считался совершенной и потому божественной фигурой. Это было непреложное положение, бесспорное основание, которому ничего нельзя было противопоставить. Если данные, полученные в ходе наблюдения, противоречили ему, задача состояла в том, чтобы найти объяснение, которое сохраняло это представление о движении. Только Кеплеру удалось изменить его, предложив версию эллиптических орбит.
КОСМОС ПО АРИСТОТЕЛЮ
Древние греки считали, что все небесные тела являются частью единого целого — космоса. Почему светила движутся? Почему они подвешены в небе? Какова структура Вселенной? На эти вопросы Аристотель пытался дать логичный и рациональный ответ.
По его мнению, космос был совокупностью вращающихся сфер, заключенных одна в другую. Они состояли из вечного, неразрушающегося и прозрачного материала, называемого эфиром или квинтэссенцией. Все светила (планеты, Луна и Солнце) были включены в одну из этих сфер, все вместе они составляли единый механизм, как если бы космос был огромными часами, и шестеренки в них задавали движение всех планет. Круг и сфера были главными фигурами, описывавшими весь мир.
Граница конечной Вселенной, сфера неподвижных звезд, начала перемещаться благодаря первому импульсу, который идентифицировался с божеством, и это движение увлекало за собой соседнюю сферу. Вращение охватило сферы планет и промежуточные сферы, функция которых заключалась только в передаче движения и заполнения пустоты (Аристотель считал, что вся Вселенная заполнена). В аристотелевской системе насчитывалось 52 сферы. Передача импульса от первого движителя происходила сверху вниз до последней сферы, в которой находилась Луна.
Эта система объясняла физические и механические причины перемещения светил (их влечет движение, передающееся с верхних сфер), а также причину, по которой они держатся в небе: светила просто закреплены на сфере.
Лунная сфера была границей, делившей Вселенную на две области: надлунный мир — сферический мир с совершенными движениями небес по окружности, и подлунный мир — хаос, присущий Земле, разрушение, беспорядок, смятение и смерть.
ЦЕНТР ВСЕЛЕННОЙ
В системе Аристотеля Земля могла занимать только центральное положение. Если сдвинуть планету с этой точки, из-за внутренней тенденции двигаться в сторону центра в конце концов Земля опять вернется на свое место. Аристотель не мог представить, что наша планета висит в небе и не стремится в центр мироздания. Таким образом, в его космосе был единый центр притяжения, задающий единственно возможное направление движения (вверх или вниз). Аристотелевская физика, по которой сила притяжения считалась внутренним свойством, поддерживала геоцентрическую версию мироздания. Современная наука освободилась от этой связи между центром Вселенной и центром притяжения. Теорией всемирного тяготения Ньютон доказал, что на самом деле центром гравитационного притяжения является вся материя, а следовательно, существует множество таких центров. На практике это означало, что у Земли больше нет причин занимать привилегированное положение. Таким образом, новая физика не поддержала геоцентрическую теорию.
Аристотелевская модель Вселенной. Концепция совокупности сфер, на которых располагаются планеты и светила, принадлежала греческому математику Евдоксу (ок. 408-355 до н. э.).
В подлунном мире Аристотель выделил четыре элемента: земля, вода, воздух и огонь (пятый элемент, эфир, являлся частью надлунного мира). Каждый из них в идеально упорядоченной Вселенной занимал соответствующее ему естественное положение. Земля должна располагаться внизу, поскольку является самым нечистым и бренным элементом, и из-за своей тяжести она стремится к самому центру, дойдя до которого, пребывает в состоянии покоя (сейчас притяжение рассматривается как взаимодействие материальных объектов, но для Аристотеля оно было внутренним импульсом, заставляющим двигаться к центру). Менее тяжелая вода должна течь по земле; воздух занимал верхние слои, и, наконец, огонь должен был подниматься над всеми элементами. Эта иерархия отражает уровень неразрушимости и чистоты каждого элемента.
АСТРОНОМИЯ ПТОЛЕМЕЯ
Механика мироздания в системе Аристотеля логична и одновременно полна пессимизма. И тем не менее астрономы, детально проанализировав точные положения светил, встали перед фактом, что отдельные части этого механизма подогнаны друг к другу неидеально. Для сохранения таких постулатов, как центральное положение Земли или равномерное круговое движение, нужно было пожертвовать реальной картиной мира. Чтобы предсказать небесные явления, такие как изменение яркости планет или их возвратное движение, требовалась большая свобода в трактовке данных.
Ученые пытались не столько получить целостную картину, сколько решить конкретную задачу, используя математические методы, считавшиеся полезными умозрительными приемами, то есть они стремились максимально точно описать события, но не отобразить реальный мир. Этот отход от действительности имел еще одно преимущество: астрономы при этом могли использовать те математические модели, которые им больше нравились. Если эти модели работали, то их абсурдность не имела значения.
ОТРИЦАНИЕ ГЕЛИОЦЕНТРИЗМА
Птолемей (ок. 100 — ок. 170) рассматривал гипотезу гелиоцентризма, но отбросил ее: «Хотя нет никаких небесных явлений, которые противоречили бы этой гипотезе, из того, что происходит на Земле и в воздухе, мы можем видеть, что эта идея совершенно нелепа». Как признавал сам астроном, исходя из собранных астрономических сведений невозможно было выбрать ту или другую модель. Ни одна теория не противоречила наблюдениям. Различия же проявлялись на самой Земле. Если бы планета двигалась, это движение должно было быть заметно.
Чтобы понять, что в этом нет противоречия, необходима была новая физика, и Галилей стал ее прародителем.
Египтянин Клавдий Птолемей был самым влиятельным астрономом древности. Он написал огромный трактат под названием «Великое математическое построение по астрономии в 13 книгах», который был переведен на арабский как «Альмагест» («Величайший»). Под этим названием трактат распространился по Европе в переводах на латынь, сделанных в XIII веке. В своей книге Птолемей проделал невероятную работу, перечислив и объединив известные на тот момент сведения по астрономии. В ней есть и новаторские аспекты, но ценность «Альмагеста» заключается главным образом в синтезе астрономических знаний древности, дошедших, к примеру, от таких ученых, как Гиппарх (ок. 190-120 до н. э.), труды которого не сохранились до наших дней. Как пишет автор во введении...
«...чтобы не делать это сочинение очень длинным, все то, что было достаточно точно разъяснено древними, мы только приведем, то же, что или совсем не было понято, или же понято недостаточно, мы постараемся в меру наших сил разъяснить подробнее»[1 Перевод с древнегреческого И. Н. Веселовского.].
Философ науки Норвуд Рассел Хэнсон (1924-1967) считал, что Птолемей пытался сделать хорошую мину при плохой игре и решить проблемы, пожертвовав целостным видением. Астрономия Птолемея была «сборником инструментов для счета», которым не хватало единства. Поэтому Птолемея можно считать «небесным инженером-подрядчиком, ловко и изобретательно приспосабливающим свои методы к любой новой задаче». Среди этих математических и геометрических инструментов были эпициклы и деференты, эксцентрики и экванты.
ЭПИЦИКЛ И ДЕФЕРЕНТ
Эпициклы и деференты являются одним из самых ярких примеров того, с какой изобретательностью греки подходили к решению, казалось бы, неразрешимых задач. Птолемей и другие древние астрономы были абсолютно уверены, что планеты движутся по окружности. Однако наблюдение за небом в определенные периоды года приводило к невероятным результатам. Планеты, которые двигались вперед на протяжении нескольких ночей наблюдений, в определенный момент останавливались или даже начинали перемещаться в обратном направлении, и только потом продолжали движение вперед. Решить проблему помогли математические и геометрические уловки.
В III веке до н. э. Гиппарху пришла в голову гениальная мысль скомбинировать разные круговые движения, чтобы объяснить этот странный завиток. По его мнению, планеты вращались вокруг Земли по двум кругам: первый называется эпициклом, его центр вращается вокруг Земли по второму кругу, деференту (рис. 1). Эта комбинация показывает, что орбита планеты описывает несколько петель, прежде чем совершить полный оборот вокруг Земли (рис. 2). Эту хитроумную идею использовал и Птолемей, добавив эпициклы, называемые малыми, при помощи которых хотел добиться максимальной точности некоторых орбит, например Солнца.
РИС. 1
РИС. 2
РИС.З
Чтобы объяснить возвратное движение планет, в модели Птолемея предполагалось, что они движутся вокруг Земли, сочетая две круговые траектории — деферент и эпицикл (рис. 1). Таким образом, планета должна была описать несколько петель, прежде чем проделать полный оборот вокруг Земли (рис. 2). Аномалии, наблюдавшиеся при движении по орбитам, объяснялись эксцентриситетом Земли относительно центра (рис. 3). Также постоянная угловая скорость, с которой якобы двигались планеты, могла быть заметна только из некоторых воображаемых точек, называемых эквантами, но не с Земли.
ЭКСЦЕНТРИСИТЕТ И ЭКВАНТ
Еще одним математическим понятием, которое использовал Птолемей, был эксцентриситет. Планеты могли вращаться по кругу так, что их центры вращений не совпадали с центром Земли (рис. 3).
Чтобы данные, полученные астрономами, совпадали с их представлением о Вселенной, они предположили, что Земля находится немного в стороне от центра планетарных орбит. Орбита каждой планеты круговая, но центры орбит не обязательно совпадают. Это было еще одним отступлением от аристотелевской модели мира, в которой все сферы планет имели один центр (Землю).
Но это не все уловки, которые использовал Птолемей, чтобы сохранить видимое соответствие наблюдений теоретической картине. Стоит упомянуть и об эквантах. Как объяснялось выше, планеты должны были двигаться с постоянной угловой скоростью. Поскольку результаты наблюдений противоречили этому принципу, Птолемей предположил, что существуют точки, называющиеся эквантами, с которых можно видеть равномерное движение планет. Эти точки не совпадают с центром Земли, именно поэтому движение может казаться неравномерным. Из точки экванта видно, что планеты движутся с постоянной скоростью, но не по кругу. С Земли — по кругу, но неравномерно. Введение понятия экванта должно было сохранить центральное место Земли во Вселенной.
Система Птолемея была очень сложной и очень подробной. Благодаря его способности предсказывать события и придумывать необходимые уточнения, чтобы поддерживать совпадение с наблюдениями, эта теория высоко ценилась вплоть до эпохи Возрождения, хотя была на самом деле ошибочной. Арабские астрономы опирались на работы Птолемея, трактуя получаемые данные согласно его геометрическим представлениям. Впоследствии достижения арабских ученых в развитии астрономии стали востребованы и на Западе, и начиная с XIII— XIV веков в Европе появились переводы их сочинений.
РЕВОЛЮЦИЯ КОПЕРНИКА
По легенде, Альфонсо X Мудрый, изучив таблицы, которые астрономы разработали согласно учению Птолемея, сказал, что если бы Господь спросил его мнения до создания мира, он бы посоветовал все сделать гораздо проще. В то время существовало несоответствие между физико-механическими представлениями Аристотеля и астрономией — сложнейшей дисциплиной, опирающейся на изощренный математический аппарат, способный объяснить любые несовпадения теории с результатами наблюдений.
Дата: 2019-02-02, просмотров: 300.
