Страница 2 из 6
Своё убеждение в том, что Земля круглая, древние греки подкрепляли и другим доводом. Будь она плоской, идущее к нам судно сначала казалось бы крошечной, невыразительной точкой на горизонте. По мере его приближения проступали бы детали — паруса, корпус. Однако всё происходит иначе. Когда судно появляется на горизонте, первое, что вы видите, — это паруса. Только потом вашему взгляду открывается корпус. То обстоятельство, что мачты, возвышающиеся над корпусом, первыми появляются из-за горизонта, свидетельствует о том, что Земля имеет форму шара (рис. 1).
Древние греки много внимания уделяли наблюдениям за ночным небом. Ко времени Аристотеля вот уже несколько столетий велись записи, отмечающие перемещение небесных светил.
Благодаря тому что Земля имеет форму шара, мачты и паруса судна появляются из-за горизонта раньше, чем корпус.
Было замечено, что среди тысяч видимых звёзд, которые двигались все вместе, пять (не считая Луны) перемещались своим, особым манером. Иногда они отклонялись от обычного направления с востока на запад и пятились назад. Эти светила назвали планетами, что в переводе с греческого означает «блуждающий». Древние греки наблюдали только пять планет: Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн, потому что только их можно увидеть невооружённым глазом. Сегодня мы знаем, почему планеты движутся по таким странным траекториям. Если звёзды почти не перемещаются по отношению к Солнечной системе, планеты обращаются вокруг Солнца, поэтому их путь по ночному небу выглядит гораздо сложнее движения далёких звёзд.
Аристотель считал, что Земля неподвижна, а Солнце, Луна, планеты и звёзды вращаются вокруг неё по круговым орбитам. Он верил в это, полагая, в силу мистических причин, что Земля — центр Вселенной, а круговое движение — самое совершенное. Во втором веке нашей эры другой греческий учёный, Птолемей, развил эту идею, построив всеобъемлющую модель небесных сфер. Птолемей был увлечённым исследователем. «Когда я изучаю спирали движения звёзд, — писал он, — я уже не касаюсь ногами земли».
В модели Птолемея Землю окружали восемь вращающихся сфер. Каждая следующая сфера больше предыдущей — подобно русским матрёшкам. Земля помещается в центре. Что именно лежит за границей последней сферы, никогда не уточнялось, но это определённо было недоступно человеческому наблюдению. Так что самую дальнюю сферу считали своего рода границей, вместилищем Вселенной. Предполагалось, что звёзды занимают на ней фиксированные места, так что при вращении этой сферы они движутся по небу все вместе, сохраняя взаиморасположение, — что мы и наблюдаем. На внутренних сферах размещаются планеты. В отличие от звёзд, они не закреплены жёстко, а движутся относительно своих сфер по небольшим окружностям, называемым эпициклами. Это вращение вкупе с вращением планетных сфер и делает движение планет относительно Земли таким сложным (рис. 2). Этим построением Птолемей сумел объяснить, почему наблюдаемые пути планет по звёздному небу гораздо сложнее круговых.
Модель Птолемея позволяла с достаточной точностью предсказывать положения светил на небе. Но ради этого Птолемей вынужден был допустить, что в некоторые моменты Луна, следуя по своему пути, подходит к Земле вдвое ближе, чем в иное время. А это значит, что в такие моменты Луна должна казаться вдвое крупнее! Птолемей знал этот недостаток своей системы, и всё же она получила широкое, хотя и не всеобщее признание. Христианская церковь сочла эту картину мира соответствующей Священному Писанию, поскольку она оставляла достаточно места для рая и ада за пределами сферы неподвижных звёзд — немалое преимущество.
В модели Птолемея Земля является центром Вселенной, заключённым внутри восьми сфер, на которых размещаются все небесные тела.
Однако в 1514 г. польский каноник Николай Коперник предложил другую модель мира. (Сначала, возможно из страха прослыть еретиком, Коперник распространял свою теорию анонимно.) Революционная идея Коперника состояла в том, что не все небесные тела должны вращаться вокруг Земли. Он утверждал, что Земля и планеты обращаются по круговым орбитам вокруг неподвижного Солнца, покоящегося в центре Солнечной системы. Подобно модели Птолемея, теория Коперника работала хорошо, но всё же не полностью соответствовала наблюдениям. Её относительная простота — в сравнении моделью Птолемея, — казалось бы, сулила быстрый успех. Однако прошло почти столетие, прежде чем её приняли всерьёз[1]. Два астронома — немец Иоганн Кеплер и итальянец Галилео Галилей — открыто встали на сторону теории Коперника.
В 1609 г. Галилей начал наблюдать ночное небо при помощи изобретённого[2] им телескопа. Посмотрев на Юпитер, он обнаружил, что эту планету сопровождают несколько маленьких спутников, обращающихся вокруг неё. Это указывало, что не все небесные тела обращаются вокруг Земли, как считали Аристотель и Птолемей. В то же самое время Кеплер усовершенствовал теорию Коперника, предположив, что планеты движутся не по окружностям, а по эллипсам. С учётом этой поправки предсказания теории неожиданно в точности совпали с наблюдениями. Открытия Галилея и Кеплера стали смертельными ударами для птолемеевской модели.
Хотя предположение об эллиптической форме орбит позволило усовершенствовать модель Коперника, сам Кеплер считал его лишь средством подгонки теории под наблюдения. Умом его владели предвзятые, умозрительные идеи об устройстве природы. Подобно Аристотелю, Кеплер считал эллипсы менее совершенными фигурами, чем окружности. Мысль о том, что планеты движутся по таким несовершенным орбитам, настолько претила ему, что он не признавал её окончательной истиной. Беспокоило Кеплера и другое: представление об эллиптических орбитах было несовместимо с его идеей о том, что планеты обращаются вокруг Солнца под действием магнитных сил. И хотя тезис Кеплера о том, что магнитные силы обусловливают вращение планет, оказался ошибочным, нельзя не признать прозрением ту его мысль, что некая сила ответственна за движение небесных тел.
Правильное объяснение того, почему планеты обращаются вокруг Солнца, появилось намного позже, в 1687 г., когда Исаак Ньютон опубликовал свои «Математические начала натуральной философии», вероятно самый значительный из когда-либо изданных физических трудов. В «Началах» Ньютон сформулировал закон, согласно которому всякое неподвижное тело остаётся в покое, пока это состояние не нарушит какая-либо сила, и описал, как под воздействием силы тело движется или меняет своё движение.
Итак, почему же планеты движутся по эллипсам вокруг Солнца? Ньютон заявил, что за это ответственна специфическая сила, и утверждал, что это та же самая сила, что вынуждает предметы падать на Землю, а не оставаться в покое, когда мы их отпускаем. Он назвал эту силу гравитацией. (Прежде, до Ньютона, английское слово gravity означало серьёзное настроение, а также свойство предметов быть тяжёлыми.) Ньютон также разработал математический аппарат, позволяющий количественно описать, как реагируют тела на действие сил, подобных гравитации, и решил получившиеся уравнения. Таким образом, Ньютон сумел доказать, что притяжение Солнца вынуждает Землю и другие планеты двигаться по эллиптическим орбитам — в точном соответствии с предсказанием Кеплера!
Ньютон провозгласил, что его законы применимы ко всему во Вселенной, от падающего яблока до звёзд и планет. Впервые в истории движение планет объяснялось действием тех же законов, что определяют движение на Земле, и этим было положено начало современной физике и астрономии.
1
Поначалу теория Коперника значительно уступала в точности теории Птолемея. Кроме того, гелиоцентрическая модель мира противоречила общепризнанной в то время физике Аристотеля. Сам Коперник никогда не утверждал, что его теория — описание реального движения небесных тел, а предлагал её лишь как более удобный способ выполнения расчётов. Поэтому задержки с её признанием вполне объяснимы. Понадобились наблюдения Тихо Браге, расчёты Кеплера и эксперименты Галилея, которые опровергли аристотелевскую физику, чтобы теория Коперника могла получить широкое признание. — Здесь и далее примеч. науч. ред.
2
Строго говоря, Галилей не является изобретателем телескопа. Он значительно усовершенствовал придуманную в Голландии подзорную трубу, но, главное, догадался направить её на небесные тела, благодаря чему сделал целый ряд неожиданных открытий, обнаружив горы на Луне, пятна на Солнце, фазы Венеры, спутники Юпитера, кольца Сатурна.