АСТРОНОМИЯ И АСТРОФИЗИКА Коперник и гелиоцентризм. Н.Коперник (1473-1543), оказавшийся революционером в астрономии, поначалу работал в традиционном русле и почитал античное знание. Желая, тем не менее, упростить астрономические расчеты, ставшие чересчур сложными, он поместил Солнце в центр, сделал Землю планетой, а Луну - спутником Земли. При этом он пытался сохранить равномерное круговое движение и отказался от приемов, введенных Птолемеем и его последователями.
В итоге возникло непримиримое противоречие между геоцентрической системой Птолемея и гелиоцентрической Коперника. Последняя воспринималась как искусственная вычислительная схема с точки зрения теологии и религиозных убеждений и с позиций физики той эпохи. С чисто математической точки зрения - какая из систем может точнее воспроизвести наблюдаемые на небе перемещения светил, - обе они были почти равноценны. Более того, возвращаясь к традиции Аристотеля, система Коперника вынуждена была использовать даже больше эпициклов, чем система Птолемея, и поэтому в определенном смысле была сложнее. См. также КОПЕРНИК, НИКОЛАЙ.
Тихо Браге и изменчивость небес. Эксцентричный и колоритный датский астроном Т.Браге (1546-1601) занялся повышением точности наблюдений для сравнения между собой конкурирующих систем мироздания. Используя новые приемы, он довел измерения с помощью невооруженного глаза до невероятной точности почти в 1?. В 1585 при государственной поддержке он основал обсерваторию на острове Вен, где, создавая великолепные инструменты, он и его помощники с высокой точностью измеряли положения планет. Он надеялся использовать эти наблюдения для подтверждения собственной гибридной системы мироздания, согласно которой Земля находится в центре, Луна и Солнце обращаются вокруг нее, а остальные планеты движутся вокруг Солнца. Так Т.Браге пытался сохранить относительную простоту планетной системы Коперника, оставляя при этом Землю неподвижной.
Не желая считать Землю планетой, Тихо, тем не менее, оказался первопроходцем в изучении новых небесных явлений. 11 ноября 1572 он заметил в созвездии Кассиопеи объект, сияющий ярче любой звезды или планеты. Этот объект постепенно терял яркость, став к декабрю как Юпитер, а в мае 1573 достигнув второй звездной величины. В высшей степени надежные наблюдения Т.Браге не выявили параллакса, хотя своими приборами он измерял параллаксы атмосферных явлений, таких, как метеоры. Значит, новое светило, которое он назвал по-латыни просто "nova", находится дальше сферы Луны, где-то на неизменных небесах.
Пять лет спустя Тихо был поражен еще более изумительным небесным спектаклем: появилась комета, по яркости сравнимая с Венерой и с хвостом длиной в 45 диаметров Луны. Он наблюдал ее несколько недель и даже переопределил для этого положения опорных звезд, от которых измерял углы. Из этих наблюдений он заключил, что комета прошла от Земли на расстоянии, более чем в пять раз превышающем расстояние до Луны. Новое светило и комета доказали, что за пределом лунной сферы могут и действительно происходят перемены. Кометы, которые Аристотель считал атмосферными явлениями, теперь превратились в планеты. См. также БРАГЕ, ТИХО.
Кеплер и разрушение круговых движений. В 1600, за год до своей смерти, живший теперь в Праге Т.Браге пригласил И.Кеплера (1571-1630), чтобы передать ему свое интеллектуальное наследство. До этого в сочинении Тайна Вселенной (Prodromus dissertationum mathematicarum continens mysterium cosmographicum, 1596) Кеплер пытался проверить с точки зрения неоплатонизма единство и необходимость принципов, лежащих в основе системы Коперника. Полностью доверяя высокоточным наблюдениям Тихо, Кеплер два года тщетно пытался подыскать наборы традиционных круговых движений. В случае Марса лучшие из его вариантов давали расхождение вычисленных и наблюдаемых положений планеты до восьми угловых минут (Коперник в свое время удовлетворился десятью минутами). Однако Кеплер упорно проводил утомительные вычисления, делал и исправлял ошибки, искал все новые и новые варианты. Наконец, с сожалением он отказался от окружностей и начал для описания орбиты Марса экспериментировать с овалами.
Когда, наконец, в 1605 он использовал эллипс для описания орбиты Марса, все стало на свои места. Его Новая астрономия (Astronomia Nova, 1609) содержала два из трех утверждений, называемых теперь кеплеровскими законами движения планет, а именно, что орбита планеты есть эллипс, в одном из фокусов которого расположено Солнце, и что линия, соединяющая этот фокус с планетой, заметает равные площади за равное время. Эти два элегантных утверждения позволили покончить с громоздкими построениями Птолемея, Коперника и Тихо. Из них вытекало, что тела могут двигаться в космосе по орбитам, не будучи прикрепленными к сферам, эпициклам, деферентам и прочим носителям, что планеты могут ускоряться и замедляться по известному закону, не подчиняясь аристотелеву принципу равномерного кругового движения. Диктатура окружности была сломлена так же, как привилегированное положение и неподвижность Земли. Третий закон Кеплера, гласящий, что отношение квадратов орбитальных периодов любых двух планет или спутников равно отношению кубов их средних расстояний от центрального тела, был опубликован в его работе Гармония Мира (Harmonice mundi, 1619). Эти законы продемонстрировали глубокую рациональность Солнечной системы с ее эллиптическими орбитами и сгладили разочарование, вызванное отказом от аристотелева принципа равномерных круговых движений. Масштабы Солнечной системы и спутниковых систем планет теперь легко могли быть получены из наблюдений.
Составленное Кеплером Краткое изложение коперниканской астрономии (Epitomes astronomiae Copernicanae, 1617-1621) включало полное описание законов Кеплера. Это Изложение стало дополнением к Рудольфовым таблицам (Tabulae Rudolphinae, 1627), в которых Кеплер привел практические методы и результаты вычисления положений планет. Таблицы, вычисленные по теории Кеплера, быстро вытеснили все другие, что привело к увяданию астрономии Птолемея. См. также КЕПЛЕР, ИОГАНН; КЕПЛЕРА ЗАКОНЫ.
Галилей, новая физика и телескоп. Произведенная Коперником революция в астрономии означала нечто большее, чем перемену положений Земли и Солнца и определение траекторий планет. Удаление Земли из центра мира, придание ей орбитального и вращательного движений, свободный полет планет в пространстве по некруговым траекториям - все это требовало совершенно новой физики, отличной от аристотелевой.
В то время как Кеплер обеспечивал идеям Коперника важную теоретическую поддержку, его флорентийский знакомый и коллега Г.Галилей (1564-1642) делал это не только теоретически, но и практически. Галилей рано стал приверженцем коперниканства, он стремился найти физические доказательства гипотезы Коперника и установить новые физические принципы и законы, которые бы опровергли "очевидные" возражения против этой спорной теории. Исследования Галилея по физике падающих тел привели к математическому описанию действия гравитации вблизи поверхности Земли, а Кеплер в своих законах дал математическое описание действия гравитации на движущиеся по орбитам планеты.
Решающий вклад в утверждение идей Коперника Галилей внес с помощью телескопа. Первый раз Галилей взглянул на небо в свой только что сделанный телескоп в январе 1610. То, что он увидел, полностью разрушило представления Аристотеля о космосе, царившие в течение 20 веков. Телескоп показал, что поверхность Луны не гладкая и абсолютно сферическая, как думали философы в отношении Луны и других небесных тел. Напротив, она грубая, неровная, изобилующая впадинами и выпуклостями, такая же, как поверхность Земли с ее горными цепями и долинами. Весть об этих открытиях быстро разошлась среди образованной публики, вызывая восторг и восхищение.
Когда Галилей направил свой телескоп на звезды, в особенности на Млечный Путь, он увидел мириады новых звезд, не известных ранее. Яркие планеты предстали маленькими дисками, тогда как звезды остались туманными точками, что указывало на их значительно большую удаленность, как и предполагал Коперник. На Марсе и Сатурне, которые располагались тогда на небе близко к Солнцу и были максимально удалены от Земли, не удалось заметить деталей.
Зато Юпитер продемонстрировал поразительную и совершенно анти- аристотелевскую картину. Изучая его матовый диск в телескоп, Галилей заметил рядом четыре спутника, обращающихся вокруг самого Юпитера. Он даже смог определить, какой из спутников обращается ближе к Юпитеру, а какой - дальше, и приблизительно установил их периоды обращения. Это открытие подкрепило гипотезу Коперника, показав, что обращение Луны вокруг Земли не есть уникальное явление.
В июле 1610 Галилей обнаружил то, что принял за два спутника Сатурна, которые, в отличие от обращающихся вокруг планеты спутников Юпитера, постоянно держались по бокам от диска планеты и были едва различимы. Они исчезли в 1612, вновь появились в 1613 и стали похожи на "ручки". Это загадочное явление объяснил лишь в 1659 Х.Гюйгенс (1629-1695) как изменение внешнего вида кольца, окружающего планету.
В изучении Венеры Галилей достиг большего. Осенью и зимой 1610-1611 он обнаружил, что Венера, подобно Луне, имеет цикл смены фаз. Поскольку Венера никогда не удаляется от Солнца более чем на 48?, а в сильно ущербленной и выпуклой фазах видна еще ближе к Солнцу, наблюдение полного цикла ее фаз пришлось проводить в сумерки и дневное время, что весьма непросто. Эта полная смена фаз окончательно сломила систему Птолемея, согласно которой Венера не может демонстрировать полного цикла фаз. Вскоре после обнародования наблюдений Галилея в практической астрономии перестали пользоваться системой Птолемея.
В конце 1610 с помощью телескопа и аккуратно выполненных рисунков Галилей смог проследить перемещение пятен по диску Солнца. Перспективное искажение формы пятен при их приближении к лимбу Солнца и одинаковое время (ок. 14 сут), за которое они пересекали солнечный диск по параллельным траекториям, указывали, что пятна находятся на сферической поверхности самого Солнца. Их движение свидетельствовало о том, что Солнце вращается так же, как вся остальная Солнечная система Коперника.
Слава Галилея и поддержка, полученная им от многих здравомыслящих ученых, вызвали недовольство и интриги со стороны приверженцев церкви и взглядов Аристотеля. В 1616 инквизиция осудила учение Коперника о том, что "Солнце неподвижно пребывает в центре мира, а Земля движется и вращается". Галилею пришлось заявить, что он не поддерживает это учение.
Тем не менее с 1625 по 1630 он работал над Диалогом о двух главнейших системах мира - птолемеевой и коперниковой (Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo, tolemaico e copernicano, 1632). Эта книга Галилея, написанная по-итальянски, а не на латыни, как было тогда принято, имеет форму диалога, в котором с полной очевидностью усматриваются Аристотель, сам автор и любопытствующий простак. Открытия с телескопом, изучение приливов и другие исследования Галилея, представленные в Диалоге, ясно показывают, что только гипотеза Коперника может объяснить все эти явления. В 1633 Галилея вызвали в инквизицию, судили и подвергли домашнему аресту до конца жизни. Его последний труд Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых наук (Discorsi e dimostrazioni mathematiche intorno a due nuove scienze attenenti alla meccanica, 1638) содержит систематическое изложение новой физики. См. также ГАЛИЛЕЙ, ГАЛИЛЕО.
Наблюдения Галилея с телескопом открыли новую эру в астрономии. Телескопы быстро распространились в Европе, где их модернизировали и использовали многие увлеченные и прилежные наблюдатели. За несколько десятилетий после первых открытий Галилея астрономы обнаружили в космосе бездну новых явлений. Они описали множество деталей на поверхности Луны, Марса, Юпитера и, немного позже, Сатурна, открыв при этом его кольца. Было исследовано движение четырех спутников Юпитера и обнаружены у него и Сатурна другие спутники. Удалось наблюдать фазы Венеры, хотя на ней и на маленьком Меркурии почти не было видно деталей. Телескоп не только помог увидеть новые объекты и явления, но и стал важным дополнением к традиционным приборам для измерения положений звезд и планет, что позволило измерять положения значительно точнее и было незамедлительно использовано при вычислении эфемерид.
Астрономия попала в круг правительственных интересов. Торговое, военное и научное мореплавание крайне нуждалось в точном определении долгот. В Париже (1667), Гринвиче (1675) и Берлине (1705) были основаны государственные обсерватории для составления точных таблиц положения навигационных звезд и движения Луны и планет, которыми могли бы пользоваться моряки. См. также ОБСЕРВАТОРИЯ.