Вселенная на ладони

По крайней мере, на бумаге. Между тем убедительных доказательств, которые позволили бы с уверенностью утверждать, какая из трех моделей – Птолемея, Коперника или Тихо Браге – правильно описывала реальное положение дел во Вселенной, в которой мы живем, все еще не существовало. Но через какое-то время один голландский мастер, изготовитель очков, сделал случайное открытие, которое навсегда изменило астрономию.

Изобретение телескопа

Вплоть до этого времени все астрономические наблюдения проводились невооруженным глазом, а также при помощи секстантов и квадрантов. Однако в 1608 году голландец Ханс Липпершей создал первый в мире телескоп, подав заявку на патент на устройство «для рассматривания вещей и предметов, находящихся вдали, но так, как будто они находятся вблизи». Остается неясным, был ли он на самом деле первым, кто соорудил такой инструмент, но история часто приписывает ему это открытие. Многие прорывные открытия в истории науки, такие, например, как момент, заставивший Архимеда вскрикнуть «Эврика!», или ньютоновское падение яблока, сопровождаются рассказами о внезапном озарении – историями, которые носят скорее апокрифический характер. Изобретение телескопа не исключение.

Рассказывают, что миг озарения Липпершея наступил, когда он увидел, как двое детей играют с коробкой старых линз в его мастерской. Оказалось, что если смотреть на находящийся вдалеке флюгер через две линзы одновременно, то объект, на который смотрят, внезапно начинает казаться значительно больше. Учитывая этот эффект, Липпершей сконструировал устройство, которое могло увеличивать видимый размер объектов в три раза. Несколько лет спустя греческий ученый Джованни Демисиани назвал это новое изобретение «телескопом» от греческого слова «далекий» и «смотреть» или «видеть».

Но раскрыть истинный потенциал нового изобретения удалось итальянскому математику, в результате чего была опровергнута очень старая идея.

Галилей и его наблюдения с помощью телескопа

В 1608 году итальянский ученый Галилео Галилей работал в Падуе, занимаясь преподаванием в местном университете. Во время своего путешествия в Венецию он столкнулся с экземпляром недавно изобретенного голландского устройства, как лесной пожар распространявшегося по всей Европе. Он взялся усовершенствовать это изобретение, и очень скоро появился телескоп с увеличением в восемь раз (по сравнению с первоначальным увеличением в три раза, которого достиг Липпершей). Вскоре он сконструировал устройство, способное давать увеличение более чем в тридцать раз.

Очень скоро Галилею стало ясно, что мы живем совсем не в геоцентрической Вселенной. Птолемей ошибался. Седьмого января 1609 года ученый направил свой телескоп в сторону Юпитера и увидел три маленьких небесных объекта вокруг планеты. В течение недели он обнаружил и четвертый объект. Сегодня четыре крупнейших спутника Юпитера получили прозвище «галилеевых спутников», названных так в честь самого Галилея. В данном случае были обнаружены четыре небесных тела, которые совершенно очевидно не вращались ни вокруг Земли, ни вокруг Солнца.

Решающий довод был получен в сентябре 1610 года, когда Галилей увидел, что у Венеры, точно так же, как и у Луны, имеются фазы. Иногда она выглядела как «полный шар», а в другое время как полумесяц. Размеры Венеры также менялись, как будто иногда она становилась ближе к нам, а затем отдалялась. Если бы оба небесных тела – и Венера, и Солнце, вращались вокруг Земли, как предполагал Птолемей, мы никогда не узнали бы, что у Венеры есть свои фазы. Система Птолемея не позволяет Венере занимать положение между Землей и Солнцем, – построение, которое должны принять планеты, чтобы мы могли увидеть фазы Венеры. В рамках гео-гелиоцентрической системы Тихо Браге и системы Коперника, когда Венера располагается между нами и Солнцем, мы едва ли можем видеть ее освещенной, так как большая часть солнечного света падает на противоположную сторону этой планеты. Повернутая к нам сторона планеты полностью залита светом тогда, когда она находится на самом большом расстоянии от нас.

Именно в этом и состояло доказательство, которое наконец-то опровергло древнюю птолемеевскую геоцентрическую модель Вселенной. Однако переход на сторону гелиоцентризма все еще грозил большими неприятностями. Когда Галилей привел доводы в пользу системы Коперника, он вызвал волну гнева со стороны духовенства. Те выступали за систему Тихо Браге, так как она позволяла, с одной стороны, объяснить существование фаз Венеры и в то же время отвечала потребностям религии в идее центрального положения Земли. В 1616 году святая инквизиция объявила идею гелиоцентризма как прямое противопоставление Священному Писанию. А в 1633 году начался суд над Галилеем, которого объявили виновным в ереси. В качестве наказания ученого приговорили к пожизненному домашнему аресту. Галилей провел эти годы за написанием важных книг, посвященных менее противоречивым областям науки, и в 1642 году умер в возрасте семидесяти семи лет. В конце концов церковь была вынуждена оправдать Галилея, но произошло это только в 1992 году!

Галилей также занимался рисованием лунных гор и использовал длину их теней для определения их высоты. Его находки открыли миру лунные горы с более высокими вершинами, чем кто-либо мог ожидать. Будучи первым, кто увидел кольца Сатурна, он описал их как «уши», выпячивающиеся по обеим сторонам планеты. Ему удалось даже увидеть пятна на поверхности Солнца и обнаружить, что наш Млечный Путь представляет собой не просто газообразное облако, а плотное скопление звезд.

Иоганн Кеплер и его планетарные законы

Немецкий математик Иоганн Кеплер был одним из первых и самых ярых сторонников коперниканской модели Вселенной, которым он стал еще до наблюдений и открытий, сделанных Галилеем. Назначенный ассистентом Тихо Браге в 1600 году, Кеплер жаждал описать математические законы, управляющие движением планет вокруг Солнца. Ему было позволено использовать некоторые из наблюдений Браге, но датчанин бдительно охранял свои данные. Тот факт, что всего через год Браге умер, а Кеплер благополучно унаследовал все его работы, заставил историков назвать такой ход событий грязной игрой. В 1901 году тело Тихо Браге было эксгумировано, и в его останках обнаружили следы ртути. Действительно ли он скончался от разрыва мочевого пузыря? Или же знаменитого астронома отравил Кеплер, чтобы завладеть исключительно ценными и никем не превзойденными по качеству астрономическими каталогами? Как бы то ни было, все, что нам известно о смерти Тихо Браге, мы знаем только от Кеплера. Однако повторная эксгумация тела Браге, произведенная в 2010 году, показала, что концентрация ртути в нем была недостаточна, чтобы привести к смертельному исходу.

В течение десятилетия после ухода Браге Кеплер использовал его наблюдения для формулировки своих знаменитых трех законов движения планет.

Первый закон Кеплера. Планеты вращаются по эллиптической траектории, в одном из фокусов которой находится Солнце.

Кеплер видел, что планеты вращаются вокруг Солнца не точно по круговой траектории, как предполагали в древности и даже Коперник. Вместо этого они описывают овальную фигуру, называемую эллипсом. У этой геометрической формы имеются два фокуса, или центра, – математически очень важных точек внутри замкнутой кривой. Солнце находится в одной из этих точек.

Второй закон Кеплера. Прямая, соединяющая Солнце и планету, за равные промежутки времени всегда описывает равные площади.

Следствием эллиптической формы орбит вращения планет является то, что они в разные моменты времени находятся ближе или дальше от Солнца. Вместе с тем Кеплер заметил, что линии, проведенной между Солнцем и планетой, требуется одно и то же время для покрытия одной и той же площади пространства. Проще говоря, при приближении к Солнцу скорость планет увеличивается, а при отдалении – уменьшается.