Реферат: Гелиоцентрическая система мира

— представление о том, что Солнце является центральным небесным телом, вокруг которого обращается Земля и другие планеты. Противоположность геоцентрической системе мира. Возникло в античности, но получило широкое распространение с конца Эпохи Возрождения.

В этой системе Земля предполагается обращающейся вокруг Солнца за один звёздный год и вокруг своей оси за одни звёздные сутки. Следствием второго движения является видимое вращение небесной сферы, первого — перемещение Солнца среди звёзд по эклиптике.

SCENOGRAPHIA SYSTEMATIS COPERNICANI - Scenography of the Copernican world system

Планетные конфигурации:

Внешние и внутренние планеты

Планеты солнечной системы делятся на два вида: внутренние (Меркурий и Венера), наблюдаемые только на сравнительно небольших расстояниях от Солнца, и внешние (все остальные), которые могут наблюдаться на любых расстояниях. В гелиоцентрической системе это различие связано с тем, что орбиты Меркурия и Венеры всегда находятся внутри орбиты Земли (третьей от Солнца планеты), в то время как орбиты остальных планет находятся вне орбиты Земли.

Попятные движения

Попятные движения планет (особенно наглядно наблюдаемые у внешних планет), которые были главной загадкой астрономии с древнейших времён, в гелиоцентрической системе объясняются тем, что угловые скорости планет уменьшаются с увеличением расстояния от Солнца. В результате, когда планета наблюдается в той же части неба, что и Солнце, она совершает видимое движение относительно звёзд в том же (прямом) направлении, что и Солнце: с запада на восток. Однако когда Земля проходит между Солнцем и планетой, она как бы опережает планету, в результате чего последняя движется на фоне звёзд в обратном направлении, с востока на запад. Отсюда следует, что планеты совершают попятные движения вблизи противостояний, когда планеты находятся наиболее близко к Земле и, как следствие, являясь наиболее яркими при наблюдении с Земли.

Попятные движения планет

Соотношение между синодическими и сидерическими периодами обращений планет; вавилонские периоды

В гелиоцентрической системе устанавливается следующее соотношение между синодическими S и сидерическими T периодами обращений внешних планет:

,

где Y — продолжительность земного (звёздного) года. Отсюда следуют соотношения, эмпирически полученные астрономами Древнего Вавилона (так называемые целевые годовые периоды): если внешняя планета делает n полных оборотов по эклиптике (относительно звёзд) за m лет, то за это время проходит k = m - n синодических периодов данной планеты (k, m, n — целые числа).

Например, для Марса k = 37, m = 79, n = 42, для Юпитера k = 76, m = 83, n = 7, для Сатурна k = 57, m = 59, n = 2.

С точки зрения геоцентрической системы, эти соотношения являются загадкой. Но они автоматически следуют из вышеприведённой формулы, полученной в рамках гелиоцентризма, поскольку по определению mY = kS (m — это такое целое количество земных лет, за которые планета делает n целых оборотов по эклиптике) и величины k, m и n обратно пропорциональны, соответственно, величинам S, Y и T.

Расстояния до планет

В гелиоцентрической системе с помощью простых геометрических рассуждений и немногих наблюдательных данных легко определяются средние расстояния от Солнца до планет (в предположении круговых концентрических орбит), что невозможно в рамках геоцентризма. Для внутренней планеты достаточно знать её максимальное угловое расстояние от Солнца ? (наибольшую элонгацию). Рассмотрев треугольник SPT (угол SPT — прямой), нетрудно видеть, что

(см. рис. справа), где a — астрономическая единица (среднее расстояние от Земли до Солнца). Для внешних планет необходимо из наблюдений определить синодический период планеты S и промежуток времени t между противостоянием планеты и моментом квадратуры (когда планета видна с Земли под прямым углом к Солнцу). Далее нужно найти с помощью формулы S -1 = Y -1 + T -1, период T обращения планеты вокруг Солнца. Зная эту величину, можно найти углы α и β, пройденные планетой и Землёй по своим орбитам за время t:

Далее, находится угол γ, под которым видны Земля и Солнце при наблюдении с планеты:

(угол STP прямой, см. рисунок справа). Искомое расстояние оказывается равным

Именно с помощью таких соображений Коперник впервые вычислил относительные расстояния планет от Солнца.

Фазы Меркурия и Венеры

Поскольку все планеты светят отражённым светом Солнца, у них должна наблюдаться смена фаз. У Меркурия и Венеры, обращающихся вокруг Солнца внутри орбиты Земли, порядок смены фаз должен быть следующим:

- планета в верхнем соединении видна в виде почти полного диска;

- планета в наибольшей элонгации — в виде полукруга, обращённого выпуклостью к Солнцу;

- планета вблизи нижнего соединения — в виде очень узкого серпа;

- непосредственно в нижнем соединении планета не должна наблюдаться, поскольку к Земле обращено её неосвящённое полушарие.

Последовательность смены фаз Венеры

Именно такой порядок смены фаз имеет место в действительности, как впервые было установлено Галилеем.

Эмпирические доказательства движения Земли вокруг Солнца

Всё вышесказанное относится не только к гелиоцентрической системе, но и к комбинированной системе (наподобие системы Тихо Браге), в которой все планеты обращаются вокруг Солнца, которое, в свою очередь, движется вокруг Земли. Существуют, однако, доказательство движения Земли вокруг Солнца.

Годичные параллаксы звёзд

Ещё в древности было известно, что поступательное движение Земли должно приводить к параллактическому смещению звёзд. Из-за удалённости звёзд параллаксы впервые были найдены только в XIX веке (почти одновременно В. Я. Струве, Ф. Бесселем и Т. Гендерсоном), что явилось прямым (и долгожданным) доказательством движения Земли вокруг Солнца.

Годичные параллаксы звёзд

Параллакс тем меньше, чем дальше от нас звезда. Если вычислять угол параллакса p в секундах, а расстояние r в парсеках, то

Попятные движения планет имеют место по той же самой причине, что и годичные параллаксы звёзд, они могут быть названы годичными параллаксами планет.

Аберрация света звёзд

Из-за векторного сложения скорости света и орбитальной скорости Земли, при наблюдении звёзд телескоп приходится наклонять относительно линии Земля—звезда. Это явление (аберрация света) открыл и правильно объяснил в 1728 г. Джеймс Брадлей, занимавшийся поисками годичных параллаксов. Аберрация света оказалось первым наблюдательным подтверждением движения Земли вокруг Солнца и одновременно вторым доказательством конечности скорости света (после объяснения нерегулярности в движении спутников Юпитера Рёмером). В отличие от параллакса, угол аберрации не зависит от расстояния от звезды и целиком определяется орбитальной скоростью Земли. Для всех звёзд он равен одной и той же величине: 18".

Годичная вариация лучевых скоростей звёзд

Из-за орбитального движения Земли каждая звезда, расположенная вблизи плоскости эклиптики то приближается, то удаляется от Земли, что можно обнаружить с помощью спектральных наблюдений (эффекта Доплера). Аналогичный эффект наблюдается для температуры реликтового излучения.

Годичная вариация лучевых скоростей звёзд

История гелиоцентрической системы

Гелиоцентризм в Древней Греции

Идея движения Земли возникла в рамках пифагорейской школы. Пифагореец Филолай из Кротона обнародовал систему мира, в которой Земля является одной из планет; правда, речь пока шла об её вращении (за сутки) вокруг мистического Центрального Огня, а не Солнца. Аристотель отверг эту систему в том числе потому, что она предсказывала параллактическое смещение звёзд.

Менее спекулятивной была гипотеза Гераклида Понтийского, согласно которой Земля совершает суточное вращение вокруг своей оси. Кроме того, Гераклид, по видимому, предположил, что Меркурий и Венера обращаются вокруг Солнца и только с ним — вокруг Земли. Возможно, такого взгляда придерживался и Архимед, полагая обращающимся вокруг Солнца и Марс, орбита которого в этом случае должна была охватывать Землю, а не пролегать между нею и Солнцем, как в случае Меркурия и Венеры. Есть основания полагать, что у Гераклида была теория, согласно которой Земля, Солнце и планеты обращаются вокруг одной точки — центра планетной системы. По сообщению Теофраста, Платон на склоне своих лет сожалел, что он предоставил Земле центральное место во Вселенной, которое для неё не подходило.

Подлинно гелиоцентрическая система была предложена в начале III века до н. э. Аристархом Самосским. Скудная информация о гипотезе Аристарха дошла до нас через труды Архимеда, Плутарха и других авторов. Обычно считается, что Аристарх пришёл к гелиоцентризму исходя из установленного им факта, что Солнце по размерам много больше Земли (вычислению относительных размеров Земли, Луны и Солнца посвящён единственный дошедший до нас труд учёного). Естественно было предположить, что меньшее тело обращается вокруг большего, а не наоборот. Насколько была разработана гипотеза Аристарха, неизвестно, но Аристарх сделал важный вывод о том, что по сравнению с расстояниями до звёзд земная орбита является точкой, поскольку иначе должны были наблюдаться годичные параллаксы звёзд (вслед за Аристархом такую оценку расстояний до звёзд принимал и Архимед). Философ Клеанф призвал привлечь Аристарха к суду за то, что он двигает с места Землю («Очаг мира»).

Гелиоцентризм позволил решить основные проблемы, стоявшие перед древнегреческой астрономией, поскольку господствовавшие в начале III века до н. э. геоцентрические взгляды явно были в кризисном состоянии. Наиболее распространённый в то время вариант геоцентризма, теория гомоцентрических сфер Евдокса, Каллиппа и Аристотеля, оказывалась не в состоянии объяснить изменение видимого блеска планет и видимого размера Луны, что греки правильно связывали с изменением расстояния до этих небесных тел. Гелиоцентрическая система непринуждённо объясняла попятные движения планет. Она позволяла также установить порядок следования светил. Греки постулировали зависимость между близостью небесного тела к «сфере неподвижных звёзд» и сидерическим периодом его движения: так, самым далёким от нас считался наиболее медленно движущийся Сатурн, далее (в порядке приближении к Земле) шли Юпитер и Марс; Луна оказывалась наиболее близким к Земле небесным телом. Трудности этой схемы были связаны с Солнцем, Меркурием и Венерой, поскольку все эти тела имели одинаковые сидерические периоды (в том смысле, который употреблялся в античной астрономии), равные одному году. Эта трудность легко решалась в гелиоцентрической системе, где один год оказывался равным периоду движения Земли; при этом периоды движения (теперь — обращения вокруг Солнца) Меркурия и Венеры шли в том же порядке, что и их расстояния до нового центра мира, которое можно было установить описанным выше способом.

Среди непосредственных сторонников гипотезы Аристарха упоминается только вавилонян Селевк (первая половина II века до н. э.). Отсюда обычно делается вывод, что других сторонников у гелиоцентризма не было, то есть он не был воспринят эллинской наукой. Однако уже само упоминание Селевка как последователя Аристарха весьма показательно, поскольку означает проникновение гелиоцентризм даже на берега Тигра и Евфрата, что само по себе свидетельствует о широкой известности идеи о движении Земли. Более того, Секст Эмпирик[7] упоминает о последователях Аристарха во множественном числе. Достаточно благожелательный отзыв о гипотезе Аристарха в сочинении Архимеда «Псаммит» (главном источнике нашей информации об этой гипотезе) позволяет предположить, что Архимед по крайней мере не исключал эту гипотезу. Ряд авторов приводили аргументы в пользу широкой распространённости гелиоцентризма в античности. Не исключено, в частности, что геоцентрическая теория движения планет, изложенная в «Альмагесте» Птолемея является переработанной гелиоцентрической системой. Итальянский математик Лючио Руссо (Lucio Russo) привёл ряд свидетельств о развитии в эллинистическую эпоху динамики гелиоцентрической системы на основе общего представление о законе инерции и о притяжении планет к Солнцу.

Тем не менее, в конечном итоге гелиоцентризм был оставлен греками. Главной причиной может быть общий кризис науки, начавшийся после II века до н. э. На место астрономии заступает астрология. В философии доминирует мистицизм или откровенный религиозный догматизм: стоицизм, позднее неопифагореизм и неоплатонизм. С другой стороны, те немногие философские школы, которые в целом исповедуют рационализм (эпикурейцы, скептики), имеют одну общую черту: неверие в возможность познания природы. Так, эпикурейцы даже после Аристотеля и Аристарха считали невозможным определить истинную причину фаз Луны и считали Землю плоской. В такой атмосфере религиозные обвинения наподобие тех, что были предъявлены Аристарху, могли привести к тому, что астрономы и физики, даже если и были сторонниками гелиоцентризма, старались воздерживаться от публичного обнародования своих взглядов, что и могло в конечном итоге привести к их забвению.

Научные аргументы в пользу неподвижности и центральности Земли, выдвигавшиеся древнегреческими астрономами, см. в статье Геоцентрическая система мира.

После II века н. э. в эллинистическом мире прочно утвердился геоцентризм, основанный на философии Аристотеля и планетной теории Птолемея, в которой петлеобразное движение планет объяснялось с помощью комбинации деферентов и эпициклов. «Физическим» фундаментом теории Птолемея была аристотелевская теория хрустальных небесных сфер, переносивших планеты. Существенной особенностью учения Аристотеля было резкое противопоставление «надлунного» и «подлунного» миров. Надлунный мир (куда относились все небесные тела) считался миром идеальным, не подверженным каким-либо изменениям. Напротив, всё, что находилось в подлунной области, в том числе Земля, считалось подверженным постоянным изменениям, порче.

Существенной особенностью теории Птолемея был частичный отказ от принципа равномерности космических движений: центр эпицикла движется по деференту с переменной скоростью, хотя угловая скорость при наблюдении из особой эксцентрично расположенной точки (экванта) считалась неизменной.

Средневековье

Гелиоцентрическая система была почти забыта в Средние века. Однако ряд позднеантичных и раннесредневековых авторов (в их числе Марциан Капелла, Эриугена), разделяя мнение об обращении Солнца вокруг неподвижной Земли, предполагали, что Меркурий и Венера обращаются вокруг Солнца, являясь его спутниками.

Ряд исследователей находят следы гелиоцентризма в некоторых индийских планетных теориях. В настоящее время доминирует точка зрения, что эти теории имеют истоком греческую доптолемееву астрономию. По мнению Ван дер Вардена[15], у греков была гелиоцентрическая теория, развитая до степени возможности предвычислять эфемериды, которая затем была переработана в геоцентрическую наподобие того, как поступил Тихо Браге с теорией Коперника. Эта переработанная теория неизбежно должна быть теорией эпициклов, поскольку в системе отсчёта, связанной с Землёй, движение планет объективно происходит по сочетанию движений по деференту и эпициклу. Далее, по мнению ван дер Вардена, эта теория проникла в Индию. Он видит следующие свидетельства гелиоцентризма, лежащего в основе теорий движения планет великого индийского астронома Ариабхаты (V в. н. э.):

1. Ариабхата считал Землю вращающейся вокруг оси. В чисто геоцентрической системе в этом нет никакой необходимости, поскольку суточное вращение Земли никак не упрощает систему мира. Напротив, в гелиоцентрической системе это вращение необходимо. Переходя от гелиоцентризма к геоцентризму, осевое вращение Земли можно либо сохранить, либо отбросить, в зависимости от личных взглядов исследователя.

2. В одной из теорий Ариабхаты (так называемой «системе полуночи») параметры деферента Венеры в точности совпадают с параметрами геоцентрической орбиты Солнца. Так и должно быть в гелиоцентрической системе, поскольку обе эти кривые фактически являются отражением орбиты Земли вокруг Солнца.

3. В числе параметров своих планетных теорий Ариабхата приводит гелиоцентрические периоды движения планет, включая Меркурий и Венеру.

Сам Ариабхата и более поздние астрономы могли и не знать о гелиоцентрическом базисе этой теории. Впоследствии, по мнению ван дер Вардена, эта теория перешла к мусульманским астрономам, составившим «Таблицы Шаха» — эфемериды планет, использовавшиеся для астрологических предсказаний.

О предположении Ариабхаты о суточном вращении Земли сочувственно отзывался ал-Бируни. Но сам он, по всей видимости, в конечном итоге склонялся к неподвижности Земли.

Ряд астрономов мусульманского Востока обсуждали теории движения планет, альтернативные птолемеевской. Главным объектом их критики был, однако, эквант, а не геоцентризм. Некоторые из этих учёных (например, Насир ад-Дин ат-Туси) также критиковали эмпирические доводы Птолемея в пользу неподвижности Земли, находя их неадекватными. Но при этом они оставались сторонниками неподвижности Земли, поскольку это соответствовало философии Аристотеля. Исключением является ал-Кушчи, отвергавший философию Аристотеля и считавший вращение Земли физически возможным.

В Европе возможность движения Земли широко обсуждалась представителями Парижской школы в XIV веке (Жан Буридан, Альберт Саксонский, Николай Орем). Однако речь шла только об осевом вращении. Хотя в ходе этих дискуссий были выдвинуты опровержения ряда доводов противников подвижности Земли, окончательный вердикт был в пользу её неподвижности.

Ренессанс: Коперник и коперниканцы

В начале Эпохи Возрождения подвижность Земли (более того, её поступательное движение) утверждал Николай Кузанский, но его обсуждение было сугубо философским, не связанным с объяснением конкретных астрономических явлений. Достаточно неясно на эту тему высказывался и Леонардо да Винчи.

Окончательно гелиоцентризм возродился в XVI веке, когда польский астроном Николай Коперник разработал теорию движения планет вокруг Солнца на основании пифагорейского принципа равномерных круговых движений. Одной из причин возвращения к гелиоцентризму было несогласие Коперника с птолемеевой теорией экванта; кроме того, он считал недостатком всех геоцентрических теорий то, что они не позволяют определить «форму мира и соразмерность его частей», то есть масштабы планетной системы. Коперник объяснил причины попятных движений планет, вычислил расстояния планет от Солнца и периоды их обращений. Объявляя Землю одной из планет, Коперник устранял резкий разрыв между «надлунным» и «подлунным» мирами, характерный для философии Аристотеля. Результаты своих трудов он обнародовал в книге «О вращениях небесных сфер», изданной в 1543 году. За два года до этого теорию Коперника популярно изложил немецкий астроном Георг Иоахим Ретик, одно время сотрудничавший с Коперником и считавший себя его учеником. Неясно, какое влияние на Коперника оказал Аристарх (в рукописи своей книги Коперник упоминал о гелиоцентризме Аристарха, но в окончательной редакции книги эта ссылка исчезла).

В некоторых отношениях теория Коперника сохраняла «родимые пятна» геоцентризма:

- центром планетной системы было не столько Солнце, сколько центр земной орбиты;

- из всех планет Земля единственная двигалась по своей орбите равномерно, в то время как у остальных планет орбитальная скорость менялась, что Коперник объяснял комбинацией движения по большим и малым кругам.

Первое печатное изображение Солнечной системы (страница из книги Коперника)

Тем не менее, им был дан импульс для дальнейшей разработки гелиоцентрической теории движения планет, сопутствующих задач механики и космологии. В числе сторонников гелиоцентризма в XVI веке были астрономы Томас Диггес, Георг Иоахим Ретик, Кристоф Ротман и Михаэль Мёстлин, физики Джамбатиста Бенедетти, Вильям Гильберт и Симон Стевин, философ Джордано Бруно, священник Диего де Цунига. С другой стороны, ряд астрономов, не принявших гелиоцентризм как космологическое учение, приветствовали отказ Коперника от экванта и активно использовали его теорию планетных движений для расчётов эфемерид (виттенбергская школа). В их числе Эразм Рейнгольдт, составивший на основе теории Коперника планетные таблицы (Прусские таблицы).

Некоторые учёные, отвергая поступательное движение Земли, принимали её вращение вокруг оси (например, Николас Реймерс, известный также как Урсус). Наиболее авторитетными оппонентами гелиоцентризма в XVI — начале XVII века были астрономы Тихо Браге и Христофор Клавиус, математик Франсуа Виет, философ Фрэнсис Бэкон.

Кеплер

«Родимые пятна геоцентризма», сохранявшиеся у Коперника, вывел немецкий астроном Иоганн Кеплер. Он ещё со студенческих лет (пришедшихся на конец XVI века) был убеждён в справедливости гелиоцентризма ввиду способности этого учения дать естественное объяснение попятных движений планет и возможности вычислять на её основе масштабы планетной системы. В течение нескольких лет Кеплер работал с величайшим астрономом-наблюдателем Тихо Браге и впоследствии завладел его архивом наблюдательных данных. В ходе анализа этих данных, проявив потрясающую физическую интуицию, Кеплер пришёл к следующим выводам:

1. Орбита каждой из планет является плоской кривой, причём плоскости всех планетных орбит пересекались в Солнце. Это означало, что Солнце находится в геометрическом центре планетной системы, тогда как у Коперника таковым был центр земной орбиты. Кроме всего прочего, это позволило впервые объяснить движение планет перпендикулярно к плоскости эклиптики. Само понятие орбиты, кажется, также было впервые введено Кеплером, поскольку ещё Коперник полагал, что планеты переносятся с помощью твёрдых сфер, как у Аристотеля.

2 . Земля движется по своей орбите неравномерно. Тем самым впервые Земля уравнялась в динамическом отношении со всеми остальными планетами.

3 . Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце (I закон Кеплера).

4 . Кеплер открыл закон площадей (II закон Кеплера): отрезок, соединяющий планету и Солнце, за равные промежутки времени описывает равные площади. Поскольку расстояние планеты от Солнца при этом также менялось (согласно первому закону), отсюда следовала переменность скорости движения планеты по орбите. Установив свои первые два закона, Кеплер впервые оказался от догмы о равномерных круговых движениях планет, с пифагорейских времён владевшей умами исследователей. Причём, в отличие от модели экванта, скорость планеты менялась в зависимости от расстояния от Солнца, а не от некоторой бестелесной точки. Тем самым Солнце оказалось не только геометрическим, но и динамическим центром планетной системы.

5 . Кеплер вывел математический закон (III закон Кеплера), который связывал между собой периоды обращений планет и размеры их орбит: квадраты периодов обращений планет относятся как кубы больших полуосей их орбит. Впервые закономерность устройства планетной системы, о существовании которой догадывались ещё древние греки, получила математическое оформление.

На основании открытых им законов движения планет Кеплер составил таблицы планетных движений (Рудольфинские таблицы), по точности далеко оставлявшие позади все таблицы, составленные ранее. Эти таблицы ещё более уточнил английский астроном Джереми Хоррокс, в течение долгих лет бывший единственным последователем Кеплера. Трудами Кеплера и Хоррокса был задан новый стандарт точности планетных теорий.

Галилей

Одновременно с Кеплером на другом конце Европы, в Италии, трудился Галилео Галилей, оказавший двоякую поддержку гелиоцнтрической теории. Во-первых, с помощью изобретённого им телескопа Галилей сделал ряд открытий, либо косвенно подтверждавших теорию Коперника, либо выбивавших почву из-под ног его противников — сторонников Аристотеля:

1. Поверхность Луны не гладкая, как подобало небесному телу в учении Аристотеля, а имеет горы и впадины, как Земля. Кроме того, Галилей объяснил пепельный свет Луны отражением солнечного света Землёй. Благодаря этому Земля стала телом, во всех отношениях подобным Луне. Устранялось противоречие между земным и небесным, постулировавшееся у Аристотеля.

2 . Четыре спутника Юпитера (получивших впоследствии название галилеевых). Тем самым он опроверг утверждение, что Земля не может обращаться вокруг Солнца, поскольку вокруг неё самой обращается Луна (такой тезис часто выдвигали противники Коперника): Юпитер заведомо должен был вращаться либо вокруг Земли (как у Птолемея и Аристотеля), либо вокруг Солнца (как у Аристарха и Коперника).

3 . Смена фаз Венеры, указывавшая, что Венера обращается вокруг Солнца.

4 . Галилей установил, что Млечный Путь состоит из большого количества звёзд, неразличимых невооружённым взглядом. Это открытие совершенно не умещалось в космологию Аристотеля, но вполне было совместимо с теорией Коперника, из которой следовала огромная удалённость звёзд.

5 . Одним из первых Галилей открыл солнечные пятна. Наблюдения над пятнами привели Галилея к выводу о вращении Солнца вокруг своей оси. Само существование пятен и их постоянная изменчивость опровергали тезис Аристотеля о «совершенстве» небес.

6. Галилей показал, что видимые размеры планет в различных конфигурациях (например, в противостоянии и соединении с Солнцем) меняются точно в том соотношении, как следует из теории Коперника.

7. Наоборот, при наблюдении звёзд в телескоп их видимые размеры не меняются. Этот вывод опровергал некоторые доводы оппонентов гелиоцентризма (см. ниже).

Вторым направлением деятельности Галилея было установление новых законов динамики. Им была открыта инерция и принцип относительности, что позволило устранить традиционные возражения противников гелиоцентризма: если Земля движется, почему мы этого не замечаем?

Научные споры вокруг гелиоцентризма

У противников гелиоцентрической теории было два вида аргументов.

(A) Против вращения Земли вокруг собственной оси. Учёные XVI века уже могли оценить линейную скорость вращения: около 800 м/сек на экваторе.

- Вращаясь, Земля испытывала бы колоссальные центробежные силы, которые неминуемо разорвали бы её на части.

- Если бы Земля вращалась, все находящиеся на её поверхности лёгкие предметы разлетелись бы во все стороны Космоса.

- Если бы Земля вращалась, любой брошенный предмет отклонялся бы в сторону запада, а облака плыли бы, вместе с Солнцем, с востока на запад.

- Небесные тела движутся, потому что они состоят из невесомой тонкой материи, но какая сила может заставить двигаться огромную тяжёлую Землю?

Эти аргументы потеряли силу после создания классической механики. Такие фундаментальные понятия этой науки, как центробежная сила, относительность, инерция появились в значительной мере при опровержении этих доводов геоцентристов.

(Б) Против поступательного движения Земли.

- Отсутствие годичных параллаксов звёзд.

Для опровержения этого довода гелиоцентристам приходилось предполагать огромную удалённость звёзд. Тихо Браге на это возражал, что в таком случае звёзды оказываются необычайно большими, по размерам больше орбиты Сатурна. Эта оценка следовала из его определения угловых размеров звёзд: он принимал видимый диаметр звёзд первой величины примерно 2—3 угловых минуты. Этот довод был, в значительной мере, опровергнут Галилеем, который заключил, что при наблюдении звёзд в телескоп их видимый размер не меняется, следовательно, оценка Браге угловых размеров звёзд сильно преувеличена.

- Низкая точность Прусских таблиц по сравнению с Альфонсинскими, основанными на теории Птолемея.

Этот довод потерял свою актуальность после публикации Кеплером Рудольфинских таблиц.

Гелиоцентрическая система мира (из «Селенографии» Яна Гевелия, 1647 г.)

Кроме того, Тихо Браге считал доводом против гелиоцентризма отсутствие попятных движений комет, которые должны были бы наблюдаться, если бы они обращались вокруг Солнца. И они действительно наблюдаются, о чём в XVI в. ещё не было известно. Между тем, начиная с конца XVI в. именно комбинированная система Тихо Браге (по существу, модернизированная форма геоцентрической теории) становится главным конкурентом гелиоцентризма. Даже в 1651 году космографию Тихо Браге излагал в своём «Новом Альмагесте» иезуит-астроном Дж. Риччиоли (что не помешало ему назвать один из наиболее заметных лунных кратеров именем Коперника).

Многие учёные вплоть до конца XVII века просто отказывались делать выбор между этими гипотезами, указывая, что с точки зрения наблюдений гелиоцентрическая и комбинированная системы эквивалентны; конечно оставаясь на такой точке зрения, невозможно было развивать динамику планетной системы. В числе сторонников этой «позитивистской» точки зрения были Джованни Доменико Кассини, Оле Рёмер, Блез Паскаль. Были и решительные противники гелиоцентризма, среди которых выделялся Риччиоли, автор труда «Новый Альмагест», опубликованного в 1651 году, где он перечислил и обсудил 49 доказательств в пользу Коперника и 77 — против.

Как ни странно, даже феноменальная точность теории Кеплера не переубедила скептиков, которые указывали, что сопоставимой и даже более высокой точности можно достигнуть и традиционными методами — сочетаниями движений по эпициклам и деферентам. Были и такие учёные, которые, принимая гелиоцентризм в целом, отказывался принять теорию Кеплера — например, Галилей.

Необходимо добавить, что в спорах с геоцентристами сторонники Аристарха и Коперника находились отнюдь не в равных условиях, поскольку на стороне первых был такой авторитет, как Церковь (особенно в католических странах).

Гелиоцентризм и религия

Геоцентристы (в их числе астрономы Тихо Браге и Христофор Клавиус) привлекали для подкрепления своей позиции и ненаучные аргументы, в том числе и сугубо религиозные. Ещё при жизни Коперника вожди протестантов Лютер, Меланхтон и Кальвин выступили против гелиоцентризма, заявляя, что это учение противоречит Священному Писанию. Католическая церковь сначала отнеслась к этим спорам скорее равнодушно и даже не без некоторой симпатии к новой системе мира; известно, что Коперник сначала не хотел публиковать свой труд, но его убедили католические священники кардинал Николай Шомберг и епископ Тидеман Гизе. Однако в начале XVII века настроения начинают меняться. Попытки защиты гелиоцентризма от обвинений в противоречии Писанию предпринимали Галилей и католический монах Паоло Фоскарини, но в 1616 году католическая церковь объявила гелиоцентрическую теорию еретической (вспомним, что Аристарха также обвиняли в нечестивости).

Свою точку зрения религиозные фундаменталисты подкрепляли ссылками на Библию. Так, указывалось, что Иисус Навин приказал остановиться Солнцу, а не Земле, следовательно, двигалось именно Солнце. Таких мест в Писании, впрочем, было не очень много, но общий дух гелиоцентризма казался несовместимым с христианством: Земля — это место, где произошла драма грехопадения и искупления, и оно должно быть выделенным во Вселенной, а не просто одной из планет.

В 20-е годы XVII века Галилей счёл, что обстановка постепенно разряжается и выпустил свой знаменитый труд «Диалоги о двух главнейших системах мира, птолемеевой и коперниковой» (1632 г.) Хотя цензура разрешила публикацию «Диалога», очень скоро римский папа Урбан VIII счёл книгу еретической, и Галилей предстал перед судом инквизиции. В 1633 году он был вынужден публично отречься от своих взглядов.

Суд над Галилеем оказал крайне негативное воздействие и на развитие науки, и на авторитет католической церкви. Рене Декарт был вынужден отказаться от опубликования своего труда о системе мира. Многие учёные воздерживались от выражения их действительных мнений, опасаясь преследования инквизицией, в их числе, вероятно, Джованни Борелли и Пьер Гассенди. Во Франции, однако, запрет гелиоцентрической системы не был ратифицирован, и она постепенно распространялась среди учёных; к концу XVII века её поддерживало большинство астрономов. Ещё более либеральной была обстановка в протестантских странах, особенно в Британии.

В России православная церковь боролась с гелиоцентрической системой в течение почти всего XVIII века.

Гелиоцентризм и космология

Одним из возражений против гелиоцентризма в XVI—XVII вв. считалось отсутствие годичных параллаксов звёзд. Для объяснения этого противоречия Коперник (как ранее Аристарх) предполагал, что орбита Земли является точкой по сравнению с расстояниями до звёзд. Коперник считал Вселенную неопределённо большой, но, по-видимому, конечной; Солнце располагалось в её в центре. Первым, кто в рамках гелиоцентризма перешёл к мнению о бесконечности Вселенной, был английский астроном Томас Диггес; он полагал, что за пределами Солнечной системы Вселенная равномерно заполнена звёздами, природа которых не конкретизировалась. Вселенная, по Диггесу, имела неоднородную структуру, Солнце оставалось в центре мира. Пространство вне Солнечной системы — это область обитания ангелов, там не действуют законы физики. Аналогичного мнения придерживался Вильям Гильберт. Решительный шаг от гелиоцентризма к бесконечной Вселенной, равномерно заполненной звёздами, сделал итальянский философ Джордано Бруно. Из всех мыслителей Нового Времени он первым предположил, что звёзды — это далёкие солнца и что физические законы во всем бесконечном пространстве одинаковы.

Строение Вселенной по Томасу Диггесу

С этими взглядами не соглашался Кеплер, считавший звёзды самосветящимися объектами, но имеющими принципиально другую природу, чем Солнце. Вселенную он представлял в виде шара конечного радиуса с полостью посередине, где располагалась Солнечная система. Шаровой слой за пределами этой полости Кеплер считал заполненным звёздами. Один из его доводов является непосредственным предшественником фотометрического парадокса. Напротив, Галилей, оставляя открытым вопрос о бесконечности Вселенной, считал звёзды далёкими солнцами. В середине — второй половине XVII века эти взгляды поддержали Рене Декарт, Отто фон Герике и Христиан Гюйгенс. Аргументом в пользу этой точки зрения было то, что в гелиоцентрической системе звёзды должны располагаться на расстояниях, значительно превосходящих расстояние от Земли до Солнца, и при наблюдении с таких расстояний Солнце само должно выглядеть как рядовая звезда. Гюйгенсу принадлежит первая попытка определения расстояния до звезды (Сириуса) в предположении о равенстве её светимости солнечной. При этом многие учёные считали, что совокупность звёзд занимает только часть пространства, за пределами которой — пустота. Однако в начале XVIII века Исаак Ньютон и Эдмонд Галлей высказались в пользу равномерной заполненности пространства звёздами, поскольку в случае конечности системы звёзд они неизбежно должны были упасть друг на друга под действием сил взаимной гравитации. Тем самым, Солнце, оставаясь центром планетной системы, переставало быть центром мира, все точки которого оказывались в равных условиях.

Классическая механика и утверждение гелиоцентризма

Выдвижение гелиоцентрической системы значительно стимулировало развитие физики. Прежде всего, нужно было ответить на вопрос, почему движение Земли не ощущается людьми и не проявляется в земных экспериментах. Именно на этом пути были сформулированы основополагающие положения классической механики: принцип относительности и принцип инерции; не удивительно, что эту тему первоначально обсуждали именно сторонники гелиоцентризма, в том числе Диггес, Бруно и особенно Галилей; их предшественником был Николай Орем. Далее, на основе этих принципов нужно было дать динамическое объяснение планетных движений. Это было практически невозможно сделать в рамках геоцентризма, поскольку, не прибегая к хрустальным сферам, невозможно было дать физическую трактовку птолемеевым эпициклам. Напротив, в гелиоцентрической теории путь к изучению динамики планетной системы был открыт сразу после опубликования законов Кеплера. Задачу о выводе этих законов, исходя из принципа инерции и предположения о существовании направленной к Солнцу силы, впервые поставил, по-видимому, Роберт Гук в 70-е годы XVII века. Гук объяснил движение планеты как суперпозицию движения по инерции (по касательной к траектории) и падения на тяготеющий центр и догадался, что сила тяготения должна убывать обратно пропорционально квадрату расстояния. Но честь вывода законов Кеплера из закона всемирного тяготения принадлежит Исааку Ньютону, после публикации которым «Математических начал натуральной философии» в 1687 году все споры о системе мира, не утихавшие в течение полутора столетия, утратили смысл. Солнце прочно заняло центр планетной системы, оказавшись одной из множества звёзд в бескрайней Вселенной.

Значение гелиоцентризма в истории науки

Гелиоцентрическая система мира, выдвинутая в III веке до н. э. Аристархом и возрождённая в XVI веке Коперником, позволила установить параметры планетной системы и открыть законы планетных движений. Обоснование гелиоцентризма потребовало создания классической механики и привело к открытию закона всемирного тяготения. Гелиоцентризм открыл дорогу звёздной астрономии (звёзды — далёкие солнца) и космологии бесконечной Вселенной. Основное содержание научной революции XVII века состояло в утверждении гелиоцентризма.

Список литературы

http://ru.wikipedia.org/