Страница 5 из 11
На основе анализа этих наблюдений Кеплер вывел законы, которые идеально описывали наблюдаемое движение планет:
• Каждая планета Солнечной системы обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.
• Каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причём за равные промежутки времени радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, заметает собой равные площади.
• Квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей орбит планет.
1-й Закон Кеплера
2-й Закон Кеплера
3-й Закон Кеплера
Эти законы развеяли окончательно все представления о «небесных сферах», об аристотелевых идеальных небесных явлениях (эллипс – не окружность, то есть не «идеальная» фигура!), заставили забыть об эпициклах и дифферентах. Через несколько десятилетий после Кеплера никто уже и не вспоминал о системе Птолемея.
Доведя до законченного вида теорию Коперника, Кеплер усовершенствовал и телескоп Галилея. Надо сказать, что сначала он отнесся к новости об изобретении нового прибора скептически, но, получив его в собственные руки, проникся энтузиазмом и стал искать способы устранения недостатков оптики.
Схему Галилея, в которой окуляром служила вогнутая (рассеивающая) линза, Кеплер изменил на систему, где и объектив, и окуляр были двояковыпуклыми (собирающими) линзами. Это позволило увеличить поле зрения, однако недостатком было то, что система Кеплера давала перевёрнутое изображение. Но преимуществ было больше, и все последующие телескопы-рефракторы (т. е. телескопы, объективами которых служат линзы) делались по схеме Кеплера, а не Галилея.
3. Исаак Ньютон
Окончательный вид классическая небесная механика (наука о движении планет и звезд) приобрела с открытием закона всемирного тяготения Исааком Ньютоном. Верные догадки о силе, которая связывает все тела во Вселенной, высказывались и до Ньютона – например, Роберт Гук и Кристофер Рен предполагали, что для объяснения планетных движений достаточно лишь одной силы притяжения Солнца. Они догадывались и о том, что сила притяжения Солнца убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до него. Но именно Ньютон смог найти для этого самые убедительные математические доказательства. Более того, именно Ньютон первым догадался, что гравитация действует между двумя любыми телами во Вселенной: движением падающего яблока и вращением Луны вокруг Земли управляет одна и та же сила.
Позже с помощью ньютоновского тяготения были с высокой точностью объяснены все наблюдаемые движения небесных тел.
Исаак Ньютон
Закон тяготения позволил решить не только проблемы небесной механики, но и ряд физических и астрофизических задач. Ньютон нашел метод определения массы Солнца и планет. Он открыл причину приливов – притяжение Луны (даже Галилей ошибочно считал приливы центробежным эффектом). Более того, обработав многолетние данные о высоте приливов, Ньютон вычислил массу Луны. Ещё одним следствием тяготения оказалась прецессия земной оси. Ньютон выяснил, что из-за сплюснутости Земли у полюсов земная ось совершает под действием притяжения Луны и Солнца постоянное медленное смещение с периодом 26 000 лет. Тем самым явление «предварения равноденствий» (открытое Гиппархом) нашло научное объяснение.
Кроме того, Ньютону принадлежат и фундаментальные открытия в оптике. Разлагая свет с помощью призм, он убедительно доказал, что белый свет не первичен, а состоит из цветных компонент с разной «степенью преломляемости» – то есть, говоря современным языком, разные участки спектра имеют разную длину световой волны, о которой можно судить по степени преломления. Фундаментальный труд Ньютона «Оптика» включал в себя следующие темы: принципы геометрической оптики, учение о дисперсии света и составе белого цвета с различными приложениями, включая теорию радуги, интерференция света в тонких пластинках, дифракция и поляризация света.
Но для астрономов-любителей важнее всего то, что Ньютон является изобретателем телескопа-рефлектора, в котором объективом служит вогнутое зеркало.
В телескопе, сконструированном Ньютоном в 1668 году, главное зеркало направляет свет на небольшое плоское диагональное зеркало, расположенное вблизи фокуса. Оно, в свою очередь, отклоняет пучок света за пределы трубы, где изображение рассматривается через окуляр или фотографируется. Главное зеркало параболическое, но, если относительное отверстие (отношение диаметра объектива к его фокусному расстоянию) не слишком большое, оно может быть и сферическим. Такая оптическая схема с тех пор носит имя Ньютона и остается самой распространенной среди рефлекторов, хотя потом были придуманы и другие.
Изобретая рефлектор, Ньютон ставил своей задачей избавиться от хроматической аберрации – цветных ореолов вокруг изображения, возникающих в телескопах-рефракторах как раз из-за того, что лучи разного цвета преломляются линзой по-разному. Действительно, зеркало, которое не преломляло, а отражало свет, позволяло этого добиться. Однако после у зеркальных телескопов обнаружилось еще множество преимуществ. В частности, до сих пор невозможно создать линзовый объектив (и, соответственно, телескоп-рефрактор) диаметром более 1 м – а все из-за того, что стекло деформируется под собственным весом – поэтому все крупные телескопы являются исключительно рефлекторами[6].
Рефрактор Кеплера
Рефлектор Ньютона
Зеркальнолинзовый телескоп Кассегрена
Копия телескопа, сделанного Ньютоном
Глава III
Люди, расширившие границы Вселенной
Многих людей, совершивших крупные научные открытия и изменивших научную картину мира, с современной точки зрения можно считать астрономами-любителями. Они строили телескопы и другие инструменты на собственные средства и не получали (во всяком случае в начале своей деятельности) никакой оплаты за свой труд. Между тем их труды способствовали становлению всей научной картины мира.
1. Великий наблюдатель: Вильям Гершель
Он родился в 1738 году в Ганновере, в семье музыканта военного оркестра, и, как часто бывало в то время, продолжил дело отца: поступил на службу в военный оркестр (гобоистом) и в 1755 году в составе полка был командирован из Ганноверского куфрюршества[7] в Англию (эти два государства в то время были связаны личной унией)[8]. В 1757 году ушёл с военной службы ради занятий музыкой. Он играл также на скрипке, клавесине и органе. Работал органистом и учителем музыки в Галифаксе, затем переехал в курортный город Бат, где стал распорядителем публичных концертов.
Вильям Гершель
6
Предел по размеру есть и у зеркал. Крупнейший в мире телескоп с цельным зеркалом – Большой бинокулярный телескоп, расположенный на горе Грэхэм (США, штат Аризона) и работающий с 2005 года. Диаметр каждого из двух его зеркал – 8,4 метра. Для более крупных инструментов применяются зеркала, состоящие из отдельных сегментов. Например, Большой Канарский телескоп с зеркалом диаметром 10,4 м (36 шестиугольных сегментов).
7
Курфюршество – земля, управляемая курфюрстом (в Священной Римской империи – имперский князь, за которым с XIII века было закреплено право избрания императора).
8
Ли́чная у́ния – объединение двух или более самостоятельных государств в союз с одним главой, который становится, таким образом, главой каждого государства-члена союза.