Царство Солнца. От Птолемея до Эйнштейна

СФЕРЫ НА СФЕРАХ

Первым греком, который попытался отладить небесные сферы так, чтобы движения планет поддавались объяснению без утери Землей положения в центре системы, стал Евдокс Книдский. Oн был учеником Платона, жил в одно время с Гераклидом Понтийским и Аристотелем и первым определил продолжительность года с точностью до часа.

Чтобы объяснить, что именно сделал Евдокс, представим себе сферу, которая должна была удерживать Марс. Когда сфера Марса вращается, то делает это вокруг некоей воображаемой оси. Эта ось выходит из противоположных сторон сферы на полюсах. (В соответствии с тем же принципом мы считаем, что земная ось выходит — разумеется, в воображении — на Северном и Южном полюсах Земли.)

Евдокс предположил, что эти полюса закреплены в кристаллическом материале еще одной сферы, которая охватывает первую. Эта наружная сфера также вращается, увлекая за собой внутреннюю. Поэтому движение Марса представляет собой соединение двух вращательных движений. Происходит вращение внутренней сферы, на которой закреплен Марс, и наружной сферы, на которой закреплены полюса внутренней сферы. Обе сферы двигаются совершенно равномерно по идеальным окружностям, так что небесная гармония не нарушается. Однако соединение этих двух движений создает впечатление, будто Марс движется неравномерно.

Однако даже этого оказалось недостаточно для того, чтобы полностью описать движение Марса. Евдоксу пришлось добавить третью сферу, которая бы удерживала полюса второй, и четвертую — для полюсов третьей. Все четыре двигались со своей собственной скоростью и в своем направлении, а движение Марса, таким образом, становилось результатом соединения четырех совершенно идеальных вращений по кругу.

Для других планет тоже потребовалось но четыре сферы, но по системе Евдокса Солнцу и Луне нужно было всего по три. Солнце и Луна не совершают понятного движения, но в их движении есть неравномерность. На некоторых участках своего вращения вокруг Земли они двигались чуть быстрее, чем в другие моменты. А когда они двигались быстрее, то при этом казались более крупными, чем когда двигались медленно.

Например, в январе, когда Солнце движется быстрее всего, его диаметр на три процента больше, чем в июле, когда оно движется медленнее всего. Это не такая уж большая разница, но она должна означать, что в июле Солнце находится от Земли на три процента дальше, чем в январе. Чтобы это объяснить, Евдоксу пришлось использовать три сферы. Чтобы объяснить сходные изменения с Луной, ему пришлось и для нее использовать три сферы.

Всего, считая одну сферу для неподвижных звезд, Евдокс в конце концов получил двадцать семь сфер, вращающихся в небе каждая по-своему. Его ученик, Калипи Кизический, добавил новые сферы, доведя их общее число до тридцати четырех. Аристотель сделал новые добавления, так что их стало пятьдесят четыре.

СФЕРЫ ВНУТРИ СФЕР

К несчастью, все эти сферы начали загромождать небеса. И чем дальше, тем хуже. По мере того как движения планет измерялись все более и более точно, различные сферы с их разделениями и вращениями приходилось постоянно регулировать. Стало ясно, что нужно нечто лучшее, чем все новые и новые сферы.

Это «нечто лучшее» впервые ввел Аполлоний Пергский, живший примерно через сто пятьдесят лет после Евдокса. Приблизительно в 225 г. до н. э. Аполлоний предложил вернуться к единой сфере для каждой планеты. Он предположил, что, хотя эти сферы движутся вокруг Земли, центр их вращения не лежит точно в центре этой планеты. Другими словами, они движутся не вокруг самого центра Земли. Эти сферы были расположены эксцентрически. (Слово «эксцентрический» происходит из греческого языка и означает «вне центра».)

Это объясняло основные отклонения в движениях Солнца и Луны. Если сферы Солнца и Луны расположены эксцентрически, тогда во время половины своего оборота Солнце и Луна будут немного ближе к Земле, чем по время второй половины. Когда они находятся ближе, они кажутся чуть более крупными и движутся чуть быстрее. Когда они находятся дальше, они становятся меньше и движутся медленнее.

Планеты потребовали более сложного подхода. Аполлоний заявил, что их движение действительно было результатом комбинации различных других вращений, однако это не было вращением сфер вокруг других сфер, как придумал Евдокс. Вместо этого Аполлоний предположил, что на поверхности больших сфер закреплены маленькие.

Большая сфера, главная, которая несла на себе планету (например, Марс), была деферентом (от латинского слова, означавшего «носитель», потому что она несла меньшую сферу). Меньшая сфера, закрепленная на деференте, была эпициклом (от греческих слов, означавших «вращаться на», потому что она была малым кругом на большом).

Аполлоний объявил, что центр эпицикла передвигается деферентом вокруг Земли ровным круговым движением, но Марс расположен не в центре эпицикла, а на его поверхности; при этом эпицикл вращается собственным круговым движением.

Это позволило объяснить тот факт, что планеты в течение года меняли свою яркость. Например, Марс в какие-то периоды бывает ярче Юпитера, а в другие — тусклее Меркурия. И действительно: когда Марс оказывается в той части эпицикла, которая находится ближе к Земле, он кажется более ярким. А когда он пребывает в части, более удаленной от Земли, то становится тусклее.

Кроме того, при вращении эпицикла внешняя часть будет двигаться в том же направлении, что и деферент. Однако внутренняя часть будет совершать обратное, или попятное, движение. Поскольку эпицикл движется быстрее деферента, обратное движение его внутренней части будет более чем компенсировать движение деферента вперед. Когда Марс находится на этой внутренней части, он должен совершать попятное движение.

Конечно, это должно означать, что всякий раз, когда Марс оказывается на внутренней части, он будет как находиться в понятном движении, так и казаться ярким. И действительно было так. Конечно, в течение некоторых периодов попятного движения Марс не казался таким же ярким, как в другие подобные периоды, но это можно было объяснить с помощью эксцентрического размещения его сферы или введением дополнительного эпицикла.

Ту же систему можно было использовать для Юпитера и Сатурна, чтобы объяснить их понятное движение. В случае с Меркурием и Венерой эпициклы расположены таким образом, что внутренняя часть будет замедлять их настолько, что они никогда не смогут значительно обогнать Солнце. Тем временем наружная часть будет их ускорять, не давая сильно отстать от Солнца.

Выбор размера эпицикла (или эпициклов) и скорости его движения позволяли объяснить движения планет, включая их основные отклонения. Расчеты, которые были необходимы, чтобы таким образом предсказывать движение планет, были довольно сложными, но греков это не смущало. Главным было то, что Земля оставалась в центре, а деферент и эпициклы были идеальными кругами, двигавшимися с безупречной равномерностью. Безупречность небес сохранялась. Это было главным.

ПОСЛЕДНЕЕ СЛОВО ГОВОРИТ ПТОЛЕМЕЙ

После Аполлония греки не вносили круп- пых изменений в свою астрономическую систему. Они сохранили геоцентрическую теорию, небесные сферы и систему эпициклов. Единственное, что они делали, — вносили небольшие поправки, когда это оказывалось необходимым.

Например, Гиппарх Никейский, изучавший движение Солнца и Луны примерно в 150 г. до н. э., решил, что систему Аполлония необходимо немного подправить. Он развил теорию эксцентрического расположения, представив себе, что центр, вокруг которого движутся Солнце и Луна, не стоит на месте. Он вращается по кругу вокруг центра Земли, совершая полный оборот раз в девять лет, — и, конечно, перемещает всю свою сферу.

Гиппарх также тщательно продумал геометрию такой системы и создал формулы для вычисления положения планет в прошлом и будущем. Это стало подлинным концом для таких радикалов, как Гераклид и Аристарх, которым хотелось, чтобы небесные тела двигались вокруг Солнца. Гиппарх так удачно разработал геометрию геоцентрической теории, что она устроила всех. Зачем идти на безумные трудности, предполагая, что огромная Земля летит сквозь космос, только для того, чтобы немного упростить вычисления?

Окончательную форму геоцентрической теории придал греческий математик Клавдий Птолемей (которого обычно называют просто Птолемеем). Он жил в Александрии, в Египте, между 125-м и 150 гг. н. э. Птолемей принял за основу работу Гиппарха, введя в нее дополнительные поправки. Например, он добавил эпицикл к сфере Луны и заставил его немного колебаться (то есть двигаться туда и обратно). Таким образом ему удалось наконец определить движение Луны точнее, чем когда бы то ни было прежде.

Кроме того, Птолемей уточнил сферы планет, в целом усложнив математические расчеты новыми эпициклами. Однако он тщательно описал все расчеты и создал книгу, которая сохранилась до наших дней.Видимо, Птолемей написал две книги по математике, которые имели похожие названия. Большую книгу, в которой он описал свою астрономическую систему, ученые называли «Великим математическим построением астрономии», а вторую — «Малым». Слово «великий» по-гречески звучит «мегас». Позже, когда труды Птолемея изучали арабы, они использовали это слово в качестве названия книги, произнося его немного неправильно, а перед ним ставили свое собственное слово «аль», означавшее определенный артикль. «Большой» превратился в «Альмагест». С тех пор книга Птолемея известна как «Альмагест».

Однако после Птолемея древняя цивилизация начала приходить в упадок. Никто не сменил его, чтобы что-то изменить или уточнить. Его слово стало последним. С падением Рима астрономия в Европе прекратила свое развитие; ее возродили арабы между 800-м и 1000 гг. н. э. Арабы строили обсерватории и определяли положение и движение небесных тел, используя книгу Птолемея как источник всех сведений. Величайший арабский астроном аль-Баттани около 900 г. н. э. даже сделал несколько мелких поправок к системе Птолемея. После 1000 г. н. э. астрономия начала возрождаться и в Европе, опять-таки на основе теории Птолемея, книга которого была наконец переведена на латинский язык (примерно в 1175 г. итальянским ученым Джерардом Кремонским).

Король Кастилии (части современной Испании) интересовался астрономией и примерно в 1250 г. приказал составить новые таблицы с положением планет. Это был Альфонс X, прозванный Мудрым, и эти таблицы были названы его именем. Альфонс также прославился тем, что выразил недовольство Птолемеем: когда составлялись астрономические таблицы, он якобы сказал, что, будь он Богом, создал бы более простую Вселенную. Тем не менее в течение 1400 лет за Птолемеем оставалось последнее слово. В связи с этим геоцентрическую теорию Вселенной часто называют системой Птолемея — в его честь.

ПОСЛЕДНЕЕ ЛИ?

Однако система Птолемея имела свои недостатки. Количество различных вращательных движений, необходимых для объяснения движения различных небесных тел, достигало 79. Это число включало в себя деференты, эпициклы, эпициклы эпициклов, движения эксцентриков и так далее. Расчеты, даже после того как Птолемей тщательно их расписал, оставались крайне сложными. Те астрономы, которые были лишены математических способностей Птолемея, должны были испытывать немалое раздражение и мечтать о том, чтобы все это движение можно было объяснить более простым способом.

Однако в Средние века существовало глубочайшее уважение к великим греческим мыслителям и их огромным достижениям. Полагаю, многим астрономам приходило в голову, что если бы они предположили, что Земля движется вокруг Солнца, то расчеты планетных движений можно было бы упростить. Тем не менее в тот период никому не хотелось противопоставить свой жалкий разум таким великим умам, как Аристотель и Птолемей. Эти греки утверждали, что Земля находится в центре Вселенной, а значит, именно так и должно быть.

Кроме того, со времен греков в западной цивилизации появилось нечто новое — Библия. В Библии были стихи, в которых говорилось, что Земля стоит неподвижно, а Солнце двигается (в особенности это относится к знаменитому отрывку, в котором Иисус Навин приказал Солнцу остановиться, чтобы сражение, в котором израильтяне имели перевес, можно было довести до успешного завершения; в конце концов, это ведь Солнцу было приказано стоять, а не Земле, значит, и двигалось Солнце, а не Земля). Никому не хотелось идти против религии.

В результате этого астрономы д,о 1500 г. не только не пытались идти дальше Птолемея и Аристотеля, но даже закрывали глаза па все, что могло противоречить греческим теориям.

Например, по Аристотелю, на небесах все остается неизменным, упорядоченным и безупречным. Только «подлунные явления» (то есть те, которые происходят ниже первой небесной сферы, сферы Луны) подвержены изменениям, беспорядкам и дефектам.

Однако время от времени на небесах появлялись кометы.

Кометы — это крупные небесные тела, и они очень необычны в том отношении, что только они, помимо Солнца и Луны, обладают видимыми размерами, а не являются простыми точками света. Более того, кометы имели светящиеся хвосты, растягивающиеся на огромные расстояния — иногда на полнеба.

К тому же кометы были довольно призрачными объектами, поскольку сквозь них ясно видны были звезды. На самом деле они походили на странные привидения с растрепанными волосами, которые вторгались на небеса. Они казались дикими созданиями, в ужасе убегающими от какой-то катастрофы. Слово «комета» произошло от латинского слова «волосы».

Все эти причины приводили к тому, что в те времена кометы внушали людям ужас; они даже и сейчас пугают некоторых людей. И они раздражали астрономов, потому что появлялись и исчезали непредсказуемо, а их движение, в отличие от движения планет, не казалось регулярным и упорядоченным.

Аристотель объяснил эти беспорядки на небесах, сказав, что кометы составляют частьземной атмосферы, а не часть небес. Действительно, если бы кометы находились на небесах, они ломились бы сквозь безупречные сферы планет, а это было невозможно.

И астрономы принимали Аристотелеву теорию комет в течение всего Средневековья, хотя легко могли бы ее опровергнуть (позже я расскажу, как именно).

И потом, опять-таки на небесах изредка появлялась новая звезда. Существует рассказ о том, что новая звезда, которую прежде никогда не видели, появилась в небе в 134 г. до н. э. Это произвело такое впечатление на греческого астронома Гиипарха, что он составил список из примерно тысячи звезд, отметив их точное расположение на небе, для того чтобы любые новые звезды, которые там появятся, действительно были восприняты как новые.

Однако с того момента появления новых звезд не отмечалось, хотя несколько обязательно должны были бы появиться. На самом деле нам известно о появлении только одной звезды, очень удивительной, — и тем не менее о ней не сообщалось.

В 1054 г. н. э. на небе появилась новая звезда, которая светила ярче Венеры. Она была настолько яркой, что ее можно было увидеть даже днем. Звезда оставалась такой яркой почти месяц, а потом начала меркнуть. Китайские астрономы тщательно ее описали, и у нас есть их записи. (Конечно, такие «новые звезды» на самом деле не новые, а старые, которые взрываются и на какое-то время становятся намного ярче прежнего.)

Когда современные астрономы навели свои телескопы на место, упомянутое в китайских записях, то обнаружили скопление светящегося газа, которого назвали туманностью Краба (из-за его несимметричной формы казалось, будто у него неуклюжие лайки краба). Это скопление газа показалась всем остатками гигантского взрыва, а в центре находилась крошечная горячая звезда, которая, похоже, была тем, что осталось от взрыва. На самом деле эти газы до сих пор расширяются со скоростью, которую можно измерить. Если использовать эту скорость для обратных вычислений, то окажется, что взрыв должен был произойти приблизительно 800 лет назад. Следовательно, астрономы были твердо уверены в том, что китайцам это не почудилось. Они действительно видели яркую новую звезду, о которой рассказали.

Однако ни один европейский или арабский астроном даже не упоминает о новой звезде. На небосклоне появилась звезда, которая была ярче Венеры настолько, что в течение почти месяца ее можно было видеть днем, — а о ней даже ничего не упоминается! По-видимому, европейская астрономия находилась в таком упадке, что даже такое зрелище не вызвало интереса ученых.

Кроме того, на небе есть несколько звезд, яркость которых изменяется настолько, что это видно невооруженным глазом. Например, существует звезда Алголь. Каждые шестьдесят девять часов она вступает в десятичасовой период, во время которого теряет две трети своей яркости, а потом снова ее восстанавливает. Это хорошо видно, но греки об этом никогда не упоминали. Аристотель сказал, что такого быть не должно, и, думаю, они просто это проигнорировали.

Арабы об этом тоже не упоминают, но они должны были это заметить. Алголь по арабски значит «вурдалак». Такое название могли дать только звезде, которая действительно пугала наблюдателей. Безусловно, звезда, которая вела себя не но правилам, должна была казаться страшной. Теперь ее иногда называют «демонической звездой», и астрологи считают ее очень несчастливой.

Еще более известным примером является Мира. Когда эта звезда находится на пике яркости, то она бывает порой такой же яркой, как Полярная. А на самом минимуме яркости эта звезда полностью исчезает — по крайней мере, для невооруженного глаза. Однако ни греки, ни арабы ни разу не упомянули о звезде, которая то появляется, то исчезает.

Это было отмечено только в 1596 г., когда голландский астроном Давид Фабрициус сообщил о ее поведении. К этому времени уважение к Аристотелю как к астроному стало стремительно понижаться, так что название, которое получила эта звезда, — Мира — не отражает никакого беспокойства. По-латыни это слово означает «чудесная».

И наконец, в 1782 г. английский астроном Джон Гудрайк подробно изучил изменения яркости Алголя. В тот момент ему было всего восемнадцать. Он был глухонемым от рождения и умер всего четыре года спустя.

Несмотря на уважение к Аристотелю и Птолемею, раздражение все усиливалось. К 1500 г. астрономы Италии начали тайно размышлять о возможности отказа от системы Птолемея. Примерно в 1450 г. германский кардинал католической церкви Николай Кузанский начал думать о том, что, возможно, Земля движется вокруг Солнца. Однако он не разработал эту теорию подробно. Затем, в 1496 г., в Италию приехал молодой польский студент. Его звали Николай Коперник. Он впитал бунтарские разговоры, которые шли вокруг, а затем начал великую «революцию» против Птолемея.