Возникновение и развитие науки о Вселенной.

Система Коперника была проще и точнее системы Птолемея, и её сразу же использовали в практических целях. На её основе составили «Прусские таблицы», уточнили длину тропического года и провели в 1582г. давно назревшую реформу календаря - был введён новый, или григорианский стиль.

Меньшая сложность теории Коперника и получавшаяся, но лишь на первых порах, большая точность вычислений положений планет по гелиоцентрическим таблицам были не самыми главными достоинствами его теории. Более того, теория Коперника при расчётах оказалась не намного проще птолемеевской, а по точности предвычислений положений планет на длительный промежуток времени практически не отличалась от неё. Несколько более высокая точность, дававшаяся на первых порах «Прусскими таблицами», объяснялась не только введением нового гелиоцентрического принципа, а и более развитым математическим аппаратом вычислений. Но и «Прусские таблицы» также вскоре разошлись с данными наблюдений. Это даже охладило первоначальное восторженное отношение к теории Коперника у тех, кто ожидал от неё немедленного практического эффекта. Кроме того, с момента своего возникновения и до открытия Галилеем в 1616 году фаз Венеры, т.е. более полувека, вообще отсутствовали прямые наблюдательные подтверждения движения планет вокруг солнца, которые свидетельствовали бы об истинности гелиоцентрической системы. В чём же действительное достоинство, привлекательность и истинная сила теории Коперника? Почему она вызвала революционное преобразование всего естествознания?

Коперниканская революция

Любое новое возникает на базе и в системе старого. Коперник в этом отношении не был исключением. Он разделял многие представления старой, аристотелевской космологии. Так, он представлял Вселенную замкнутым пространством, ограниченным сферой неподвижных звёзд. Он не отступал от аристотелевской догмы, в соответствии с которой истинные движения небесных тел могут быть только равномерными и круговыми. В этом он был даже больший консерватор и приверженец аристотелизма, чем Птолемей, который ввёл понятие экванта и допускал неравномерное движение центра эпицикла по деференту. Стремление восстановить аристотелевские принципы движения небесных тел, нарушавшиеся в ходе развития геоцентрической системы, кстати сказать, и стало для Коперника одним их мотивов поисков иных, негеоцентрических подходов к описанию движений планет.

Но, в отличие от своих предшественников, Коперник пытался создать логически простую и стройную планетную теорию. В отсутствие простоты, стройности, системности Коперник увидел коренную несостоятельность теории Птолемея, в которой не было единого стержневого принципа, объясняющие системные закономерности в движениях планет. Н. Коперник писал: «…Я ничем иным не был приведён к мысли придумать иной способ вычисления движений небесных тел, как только тем обстоятельством, что относительно исследований этих движений математики не согласны между собой. Начать с того, что движения Солнца и Луны столь мало им известны, что они не в состоянии даже доказать и определить продолжительность года. Затем, при определении движений не только этих, но и других пяти блуждающих светил, они не употребляют ни одних и тех же одинаковых начал, ни одних и тех же предположений, ни известных доказательств… Даже главного - вида мироздания и известную симметрию между частями его - они не в состоянии вывести на основании этой теории».

Коперник был уверен, что представление движений небесных тел как единой системы позволит определить реальные физические характеристики небесных тел, т.е. то, о чём в геоцентрической модели вовсе не было и речи. Поэтому свою теорию он рассматривал как теорию реального устройства Вселенной.

Возможность перехода к гелиоцентризму (подвижность Земли, обращающейся вокруг реального тела - неподвижного Солнца, расположенного в центре мира) Коперник совершенно справедливо усмотрел в представлении об относительном характере движения, известном ещё древним грекам, но забытом в средние века. Неравномерное петлеобразное движение планет, неравномерное движение Солнца Коперник, как и Птолемей, считал кажущимся эффектом. Но он представил этот эффект не как результата подбора и комбинации движений по условным вспомогательным окружностям, а как результат перемещения самого наблюдателя. Иначе говоря, этот эффект объяснялся тем, что наблюдение ведётся с движущейся Земли. Допущение подвижности Земли было главным новым принципом в системе Коперника.

Обоснование введения принципа гелиоцентризма Коперник усматривал в особой роли Солнца, отразившейся уже в птолемеевской схеме. В этой схеме планеты по свойствам их движений как бы разделялись Солнцем на две группы - нижние (ближе к Земле, чем Солнце) и верхние. Среди тех кругов, которые применялись для описания видимого движения планет, обязательно был один круг с годичным, как у Солнца, периодом движения по нему. Для верхних планет - это был первый, или главный эпицикл, для нижних - деферент. Кроме того, Меркурий и Венера (нижние планеты) вообще всё время сопровождали Солнце, совершая около него лишь колебательные движения.

Революционное значение гелиоцентрического принципа состояло в том, что он представил движения всех планет как единую систему, объяснил многие ранее не непонятные эффекты. Так, с помощью представления о годичном и суточном движениях Земли теория Коперника сразу же объяснила все главные особенности запутанных видимых движений планет (попятные движения, стояния, петли) и раскрыла причину суточного движения небосвода. Петлеобразные движения планет теперь объяснялись годичным движением Земли вокруг Солнца. В различии же размеров петель (и, следовательно, радиусов соответствующих эпициклов) Коперник правильно увидел отображение орбитального движения Земли: наблюдаемая с Земли планета должна описывать видимую петлю тем меньшую, чем дальше она от Земли. В системе Коперника впервые получила объяснение загадочная прежде последовательность размеров первых эпициклов у верхних планет, введённая Птолемеем. Размеры их оказались убывающими с удалением планеты от Земли. Движение по этим эпициклам, равно как и движение по деферентам для нижних планет, совершалось с одним периодом, равным периоду обращения Солнца вокруг Земли. Все эти годичные круги геоцентрической системы оказались излишними в системе Коперника.

Впервые получила объяснение смена времён года: Земля движется вокруг Солнца, сохраняя неизменным в пространстве положение оси своего суточного вращения.

Более того, это глубокое объяснение видимых явлений позволило Копернику впервые в истории астрономии поставить вопрос об определении действительных расстояний планет от Солнца. Коперник понял, что этими расстояниями планет были величины, обратные радиусам первых эпициклов для внешних планет и совпадающие с радиусами деферентов - для внутренних. Таким образом он получает весьма точные относительные расстояния планет от Солнца (в а.е.), (в скобках современные данные):

Меркурий 0,375 (0,387)

Венера 0,720 (0,723)

Земля 1,000 (1,000)

Марс 1,52 (1,52)

Юпитер5,21 (5,20)

Сатурн 9,18 (9,54)

Теория Коперника логически стройная, чёткая и простая. Она способна рационально объяснить то, что раньше либо не объяснялось вовсе, либо объяснялось искусственно, связать в единое то, что ранее считалось совершенно различными явлениями. Это - её несомненные достоинства; они свидетельствовали об истинности гелиоцентризма. Наиболее проницательные мыслители поняли это сразу.

И уже не столь важным было то, что Коперник отдал дань античным и средневековым традициям: он принял круговые равномерные движения небесных тел, центральное положение Солнца во Вселенной, конечность Вселенной, ограничивал мир единственной планетной системой. Допуская лишь круговые равномерные движения по окружностям, Коперник отверг эквант - быть может, наиболее остроумную находку Птолемея. Этим он сделал даже некоторый принципиальный шаг назад. Коперник сохранил и эпициклы, и деференты. Принцип круговых равномерных движений вынудил его для достаточно точного описания движения планет сохранить свыше трёх десятков эпициклов (правда, всего 34 вместо почти 80 в геоцентрической системе).

Завершая характеристику труда Коперника, хочется подчеркнуть ещё раз основное естественнонаучное значение великого произведения Коперника «О вращениях небесных сфер», которое состоит в том, что его автор, отказавшись от геоцентрического принципа и приняв гелиоцентрический взгляд на строение Солнечной системы, открыл и познал истину действительного мира.

Борьба за признание гелиоцентрической системы мира

Утверждение гелиоцентрической системы мира представляет собой наглядную иллюстрацию к той бескомпромиссной борьбе, которую на протяжении тысячелетий вели прогрессивные, передовые мыслители, стремящиеся познать объективную истину и законы развития мира, с представителями реакционных взглядов, сторонниками церковных догматов. Следует, правда, заметить, что гениальное творение Коперника не сразу подверглось гонению церкви.

Основная причина этого, прежде всего в том, что трактат Коперника мог быть понят только высокообразованными людьми, умевшими разбираться в математических выкладках и формулах.

Намного быстрее поняли опасность учения Коперника для религии представители протестантства. Первые весьма резкие и оскорбительные нападки на Коперника со стороны основателей протестантского вероисповедания Мартина Лютера (1483-1546) и Филиппа Меланхтона (1497-1560) относятся уже к 1531 году. Эти представители протестантства сразу заметили глубокие расхождения и непримиримые противоречия между блестящими идеями Коперника и догмами библейских писаний, и повели против нового учёного фанатическую борьбу.

Первым защитником учения был Ретик, издавший «Первое повествование», ещё при жизни Коперника. В 60-70 годах XVI столетия благодаря трудам Джона Фильда, Роберта Рекорда (1510-1558) и Томаса Диггса, коперниково учение получило некоторое распространение в Англии.

Однако эти работы ещё не делали систему Коперника известной широким массам. Лишь после того, как в Европе раздалась страстная проповедь доминиканского монаха Джордано Бруно, гелиоцентрическая система мира заняла прочное место в умах людей.

Несмотря на все запреты, учение Коперника, будучи по природе своей революционным учением, стало к началу XVII столетия преобладающей концепцией о строении Вселенной. Выдающиеся открытия XVIII и XIX столетий, непосредственно доказали истинность учения Коперника.

6. Законы Кеплера и открытия Галилея.

Несомненно, что законы Кеплера не могли быть открыты, если бы в руках Кеплера не находилась такая масса точных наблюдений над положением планет, какую доставили работы Тихо Браге. Настойчивость, энергия и терпение, с которыми Кеплер в течение 20 лет пробовал гипотезу за гипотезой для объяснения движения светил, громадная масса труда, потраченная на изучение этих движений, - поистине поразительны. Труд этот был наконец вознагражден открытием эмпирических законов Кеплера, которые в свою очередь дали возможность Ньютону обосновать свою теорию тяготения. Введенный сперва в заблуждение крепко державшимся убеждением, что планеты описывают в пространстве круги, убеждением, которое никем еще не оспаривалось, Кеплер потратил много излишнего труда на различные попытки изобразить движения планет комбинациею кругов. Удачная и смелая мысль попробовать вместо круга эллипс, удачный выбор планеты Марса для такой попытки привели наконец к открытию первого закона - эллиптического движения планет около Солнца, которое помещалось в одном из фокусов планетной орбиты.

Дойдя до этого результата, освободившись от векового заблуждения кругового движения, Кеплер вскоре должен был отбросить другое априорное предположение, царившее до тех пор в астрономии и не подвергавшееся сомнениям, - гипотезу равномерного движения в орбите. Исследуя движение Марса, он заметил, что планета эта движется около Солнца неравномерно, и, вероятно случайно, напал на мысль сравнить площади, описываемые планетами в афелии и перигелии их орбит. Когда оказалось, что площади эти равны и когда сравнение площадей, описанных Марсом в разных частях его орбиты, показало, что равенство площадей, описанных в разные промежутки времени, сохраняется во все время движения, Кеплер мог провозгласить второй закон движения планет около Солнца.

Несколько лет неустанного труда прошло, прежде чем Кеплер нашел третий закон, связывающий движения отдельных планет в одно стройное целое. Это открытие он считал наиболее важным из своих трудов, завершающим гармонию небесных движений. И это открытие было сделано им не на основании каких-нибудь теоретических соображений, а после множества попыток подчинить замеченные периоды обращения и расстояния планет около Солнца какому-нибудь закону. Одна из испробованных им гипотез состояла в том, что сравнивались некоторые степени времени обращения с некоторыми степенями расстояний. Оказалось, что квадраты времен обращений весьма точно пропорциональны кубам средних расстояний и что этот закон применим ко всем планетам, тогда известным, так что Кеплер мог выставить его как научный факт.

Позднейшие наблюдения подтвердили все законы Кеплера, хотя оказалось, что во все эти законы должны быть внесены некоторые поправки, которые были уже открыты не эмпирическим путем, а путем математического анализа гением Ньютона. Во всяком случае, уже законы Кеплера придали солнечной системе ту стройность, которая отсутствовала в системах других астрономов. Ни Птоломей, ни Коперник, ни Тихо Браге не были в состоянии связать все движения планет в одно целое, управляющееся столь простыми законами, которые открыл Кеплер. Теории Кеплера послужили ему для составления таблиц эллиптического движения планет, совершенно сходных с ныне употребляемыми таблицами.

Наконец, нельзя не упомянуть вычисленной Кеплером таблицы логарифмов чисел и тригонометрических величин, служившей для позднейших вычислений. Его теоретические взгляды на причины небесных движений во многих случаях чрезвычайно проницательны. Тяготение уже до некоторой степени известно ему, хотя он считает его убывающим пропорционально расстоянию, вместо того чтобы взять квадраты расстояний. С замечательной ясностью он излагает в своем знаменитом сочинении "De Stella Mart i s", в котором даны законы планетных движений, известные под его именем, что тела имеют стремление одно к другому, подобно железу и магниту, и что как Земля притягивает камень, так и камень притягивает Землю.
2. Открытия Галилея
Одновременно с Кеплером в Италии жил Галилей, открытия которого касались более общеизвестных вопросов, были более поразительны и общепонятны для большинства людей и потому имели гораздо большее непосредственное влияние на умы и в значительной степени способствовали быстрому перерождению наук, которое уже началось со времени Возрождения.

В Голландии почти одновременно несколько лиц открыли, что известною комбинациею стекол можно составить инструмент, который показывает предметы в увеличенном виде и как бы приближает отдаленные объекты. Галилей слышал об этом изобретении и сам попробовал восстановить его по тем туманным сведениям, которые до него дошли. Попытка его сразу увенчалась успехом. Ему в тот же день удалось изготовить телескоп, увеличивающий в три раза. Этот первый телескоп состоял из кожаной трубы, в которую были вставлены плосковыпуклое и плосковогнутое стекло. Впоследствии ему удалось последовательно увеличить силу своих оптических комбинаций и достигнуть до увеличения в 32 раза.

Хотя Галилей и не может считаться изобретателем зрительной трубы, но, во всяком случае, он первый направил ее на небо и вскоре мог оповестить миру о необычайных открытиях, сделанных им в солнечной системе. На Луне он сразу узнал ее горы и мог с уверенностью подтвердить, что Луна есть твердое непрозрачное тело, отражающее лучи солнца, причем пятна Луны зависят от неровности ее поверхности. Фазы Венеры, открытые Галилеем при помощи зрительной трубы, служили первым несомненным доказательством того, что планета эта обращается около Солнца, а не около Земли. Существование этих фаз было предсказано Коперником и подкрепляло его гипотезу. Спутники Юпитера, названные сперва Галилеем в честь Медичисов - "Медицейскими звездами", составляют одно из важнейших открытий, сделанных тогда же Галилеем.

Аналогия мира Юпитера с солнечной системой, как ее понимал Коперник, также служила новым доводом в пользу его предположений. У Сатурна Галилей открыл особый придаток, который он не мог разложить посредством своих оптических инструментов, так что ему казалось, что Сатурн есть тройная звезда (tergenum observatio). На Солнце зрительная труба указала существование пятен, и из наблюдений над перемещением этих пятен оказалось, что Солнце вращается около оси в течение 27 дней. Помимо обогащения фактического материала открытия эти имели громадное философское значение не только как аргументы в пользу теории Коперника, но и сами по себе, как доказательства того, что как Солнце, так и остальные небесные тела суть вещественные предметы, сходные с Землей, не божественного нетленного характера, как думали некоторые.

Не меньшее значение для науки имели теоретические изыскания Галилея относительно законов падения тел, а также найденная им изохроничность колебания маятника.

6. Закон тяготения Ньютона
Мы уже перечислили несколько капитальных открытий и изобретений, сделанных в XVII-ом веке в астрономии. Этому же веку суждено было положить прочное основание полной теории движения небесных светил - теории тяготения Ньютона. Наряду с практическими приспособлениями, усовершенствовавшими наблюдения и открывшими целый новый мир небесных объектов, явилась теория, которая связывала все небесные движения одним законом, простота и почти очевидность которого были поразительны. Маятник, телескоп и логарифмы дали возможность измерять с точностью промежутки времени, определять с точностью относительное положение небесных тел, прежде известных и новооткрытых, и, наконец, вычислять с сравнительно поразительною легкостью все астрономические феномены. В то же время математика и теоретическая механика шли быстрыми шагами вперед. Приложение алгебры к геометрии, сделанное Декартом, законы падения тел, найденные Галилеем, законы планетных движений Кеплера, теория бесконечно малых были необходимыми предшественниками бессмертного открытия Ньютона, которое составило новую эру в науке. Тяготение не только объясняло все неравенства движений планет и их спутников, открытые вековыми наблюдениями, но и предсказывало существование новых явлений, которые постоянно подтверждались по мере возрастания точности методов наблюдений. Тяготение объясняло не только планетные движения, которые все же и раньше, хоть только эмпирически, укладывались в сравнительно краткие формулы, но и давало объяснение движению комет, которым еще так недавно приписывали существование свободной воли, а впоследствии оказалось, что оно объясняет и относительное движение составляющих двойных звезд, и привело к открытию новых тел в солнечной системе и в звездном мире. Но, помимо этих сравнительно практических результатов теории тяготения, главная заслуга его состоит несомненно в том философском взгляде на явления природы, который вытекал из понимания общности законов движения в мировом пространстве, единства мироздания и строгой причинности всех наиболее запутанных явлений Вселенной. До сих пор закон тяготения постоянно служит лучшим примером философского обобщения, охватывающего сразу бесконечную область фактов в одной простой, строгой, математической формуле.

Теория тяготения положила основание физической астрономии в отличие от чисто геометрической науки, какою астрономия была до тех пор. Он показал, что все движения планет управляются одним этим законом. Из того же закона он вывел и форму небесных тел, показав, что сжатие Земли может быть выведено дедуктивным путем из теории тяготения. Он объяснил строго научно приливы и отливы, открыл физическую причину предварения равноденствий, многих неравенств движения Луны и возмущений в движениях планет. Многие частные приложения теории тяготения по необходимости должны были остаться в весьма несовершенном виде, так как требовалось развитие многих других отраслей знания для полного их приложения. Но позднейшие открытия только подтверждали теорию Ньютона и расширяли круг ее приложений.

7. Современные представления о строении Солнечной системы.

До сих пор традиционно рассматривалась как перманентный процесс, в ходе которого газопылевое облако, сформировавшееся возле новорожденного Солнца, постепенно охлаждаясь, позволило образоваться первоначально совсем небольшим частицам твердого вещества, слипшегося в конечном счете в крупные астероиды и планеты, которые теперь в ходят в состав солнечной системы. Однако теперь появились свидетельства существования по крайней мере двух различных этапов развития планетных систем. Подобный вывод сделали геолог Юрий Амелин, работающий ныне в Университете Торонто (University of Toronto, Канада), и его соавтор (по соответствующей публикации в журнале Nature) Александр Крот из Гавайского университета (University of Hawaii, США) после изучения минеральной структуры так называемых хондр (chondrules) метеоритов Gujba и Hammadah al Hamra (находка сделана в Северной Африке, Ливийской Сахаре) и определения их изотопического возраста. Среди трех основных классов выпадающих на Землю метеоритов - каменных, железокаменных и железных - каменные метеориты, безусловно, являются самыми многочисленными (свыше 93%). В свою очередь эти три класса метеоритов по своему минеральному составу и структуре (текстуре) подразделяются на ряд групп и типов. Наиболее многочисленными среди каменных метеоритов входящих в солнечную систему считаются хондриты (chondrite) светло-серой или темной окраски, которые и содержат эти самые хондры - мелкие силикатные шарики. Размеры хондр различны - от микроскопических до сантиметровых. В межхондровом веществе нередко находят разбитые хондры и их обломки. Такая характерная структура присуща только метеоритам, она не встречается больше нигде в земных условиях и поэтому позволяет успешно выявлять внеземное происхождение найденных обломков. Согласно одному из самых популярных предположений, хондры образовались 4, 56 миллиарда лет назад в районе Главного астероидного пояса между орбитами Марса и Юпитера, нашей солнечной системы. Совсем недавно возможность образования структур типа хондр удалось продемонстрировать на установке ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) в ходе быстрого нагрева и последующего охлаждения образцов в экспериментах с пучками жесткого излучения. Таким образом родилась еще одна оригинальная гипотеза, авторы которой предположили, что сходный с экспериментальным поток жесткого излучения, порожденного близким гамма-всплеском (на расстояниях до 300 световых лет от Солнца), мог бы в принципе оказаться тем самым фактором, что определил весь ход формирования нашей планетной системы. А теперь выясняется, что новоизученные в ходе вышеописанного исследования хондры мало того, что никак не могли сформироваться под воздействием ударных волн, так еще и появились намного позже других известных образцов. Амелин высказал предположение, что эти "шарики" были сформированы в условиях гигантского раскаленного выброса испаряющейся материи в тот момент, когда произошло столкновение между двумя планетарными "эмбрионами" размером с нашу Луну или даже Марс. Следовательно, это можно считать свидетельством формирования "исконных планетных кирпичиков" - хондр - в то время, когда уже существовали какие-никакие, но протопланеты. "Это возвращает нас в ситуацию, когда уже вполне выстроенные схемы вновь обращаются в хаос, - признается ученый. - Но я уверен, что накопление новых данных позволит вернуть состояние этого былого порядка".