Любительская астрономия: люди, открывшие небо

С начала XVII века в астрономии происходит подлинная революция. Появляется телескоп – инструмент, раздвинувший границы наблюдаемой Вселенной, и возникают новые теории, объясняющие ее законы. Примечательно, что авторами основополагающих теорий и создателями основных типов телескопов были одни и те же люди.

1. Галилео Галилей

Великий итальянский ученый Галилео Галилей родился 15 февраля 1564 года в итальянском городе Пиза, в семье родовитого, но обедневшего дворянина Винченцо Галилея, видного теоретика музыки и лютниста. В 1581 году 17-летний Галилей по настоянию отца поступил в Пизанский университет изучать медицину. В университете Галилей посещал также лекции по геометрии. В итоге вместо медицины он выбрал родом своей деятельности точные науки.

Многие считают Галилея изобретателем телескопа. Но это не совсем так. Зрительную трубу изобрели в Голландии приблизительно в 1605–1608 гг. Точная дата и имя изобретателя неизвестны, авторство оспаривали три оптика: Иоанн Липперсгей, Захарий Янсен и Якоб Метиус. Однако Галилей сконструировал прибор повторно, независимо от них, основываясь лишь на приблизительном его описании. Кроме того, он усилил возможности телескопа и первым догадался направить его на небо.

Но, говоря о Галилее, невозможно не упомянуть его огромных заслуг в других областях науки. Это был один из величайших людей в истории науки, один из тех гениев, которых произвела эпоха Возрождения.

Галилей – физик, механик, астроном, философ, математик, основатель экспериментальной физики.

Своими экспериментами он убедительно опроверг умозрительную метафизику Аристотеля и заложил фундамент классической механики.

Физика и механика в те годы изучались по сочинениям Аристотеля, которые содержали метафизические рассуждения о «первопричинах» природных процессов. В частности, Аристотель утверждал, что скорость падения пропорциональна весу тела и что движение происходит, пока действует «побудительная причина» (сила), и в отсутствие силы прекращается.

Галилей изучал инерцию и свободное падение тел. В частности, он заметил, что ускорение свободного падения не зависит от веса тела, что опровергало первое утверждение Аристотеля.

В своей последней книге Галилей сформулировал правильные законы падения: скорость нарастает пропорционально времени, а путь – пропорционально квадрату времени.

Галилей опубликовал иссле-дование колебаний маятника и заявил, что период колебаний не зависит от их амплитуды (это приблизительно верно для малых амплитуд). Он также обнаружил, что периоды колебаний маятника соотносятся как квадратные корни из его длины. Впервые в истории науки Галилей поставил вопрос о прочности стержней и балок при изгибе и тем самым положил начало новому разделу механики – сопротивлению материалов.

Галилео Галилей

Одних только этих исследований Галилея было достаточно, чтобы во многом изменить научную картину мира. И все-таки то, что произошло вечером 7 января 1610 года, когда ученый направил свою «перспективу» (слово «телескоп» появится чуть позже) на Луну – можно назвать рождением новой Вселенной. Такой, какая она есть на самом деле.

Первые же наблюдения показали, что Луна, подобно Земле, имеет сложный рельеф – покрыта горами и кратерами. Это опровергало учение Аристотеля о противоположности «земного» и «небесного»: а это, в свою очередь, служило косвенным доводом в пользу системы Коперника.

У Юпитера обнаружились собственные луны – четыре спутника. Тем самым Галилей опроверг один из доводов противников гелиоцентризма, а именно: Земля не может обращаться вокруг Солнца, поскольку вокруг неё самой обращается Луна. Ведь Юпитер заведомо должен был обращаться либо вокруг Земли (как в геоцентрической системе), либо вокруг Солнца (как в гелиоцентрической). Противники теории Коперника утверждали, что только одно тело может быть центром обращения остальных. Спутники Юпитера показали, что таких центров может быть много.

Галилей открыл также (независимо от Иоганна Фабрициуса и Хэрриота) солнечные пятна. Их наблюдали в древнем Китае, свидетельства о них есть в европейских хрониках и русских летописях – но только с помощью телескопа удалось наблюдать их регулярно. Существование пятен и их постоянная изменчивость опровергали тезис Аристотеля о совершенстве небес (в отличие от «подлунного мира»). Ученый сделал верный вывод о вращении Солнца вокруг своей оси, оценил период этого вращения и положение оси Солнца.

«Перспектива» показывала, что Венера меняет фазы. Это означало, что она светит отражённым светом Солнца. Порядок смены фаз также подтверждал верность гелиоцентрической системы: Венера могла наблюдаться как почти полный диск: это означало, что в этот момент она находится дальше от нас, чем Солнце. В теории Птолемея Венера как «нижняя» планета была всегда ближе к Земле, чем Солнце, и «полновенерие» было невозможно.

Галилей обнаружил также, что туманная полоса Млечного Пути состоит из множества тусклых звезд. Несовершенство телескопа не позволило ему разглядеть кольца Сатурна: он увидел лишь странные «придатки» по бокам планеты.

Яростно защищая теорию Коперника, Галилей попал в немилость к католической церкви и последние годы жизни, после того как дал ложное отречение от своих взглядов, чтобы избежать костра инквизиции, провел под домашним арестом. Скорее всего, он не произносил на самом деле после отречения знаменитой фразы: «И все-таки она вертится!» Но этот миф навсегда остался с человечеством, и теперь он имеет такую же ценность для нас, как и реальные факты. Эту несказанную фразу много раз повторили другие ученые…

Телескоп Галилея имел в качестве объектива[4] одну собирающую линзу[5], а окуляром служила рассеивающая линза. Такая оптическая схема даёт неперевёрнутое (земное) изображение. Но у труб, изготовленных Галилеем, было очень маленькое поле зрения. При увеличении 35 крат в нем помещался лишь небольшой участок лунного диска.

Однако этот несовершенный инструмент проложил дорогу всем остальным телескопам. Стоит заметить, что такая схема всё ещё используется в театральных биноклях, для которых не нужно большое увеличение.

2. Иоганн Кеплер

Иоганн Кеплер родился в имперском городе Вайль-дер-Штадте (в 30 километрах от Штутгарта, сейчас – федеральная земля Баден-Вюртемберг). Его отец, Генрих Кеплер, служил наёмником в Испанских Нидерландах.

Интерес к астрономии появился у Кеплера ещё в детские годы, когда его мать показала впечатлительному мальчику яркую комету, а позднее – лунное затмение.

В 1589 году Кеплер окончил школу при монастыре Маульбронн, проявив выдающиеся способности. Городские власти назначили ему стипендию для помощи в дальнейшем обучении.

Иоганн Кеплер

В 1591 году он поступил в университет в Тюбингене – сначала на факультет искусств, к которым тогда причисляли и математику с астрономией, затем переходит на теологический факультет. Здесь он впервые услышал о разработанной Николаем Коперником гелиоцентрической системе мира и сразу стал её убеждённым сторонником.

Мы знаем Кеплера прежде всего, как открывателя законов движения планет. Этим открытием Кеплер был обязан Тихо Браге (1546–1601 гг.) – великому датскому астроному, последнему из «титанов» дотелескопической эпохи. Главным делом своей жизни Браге считал повышение точности астрономических наблюдений. В 1584 году на острове Вен у берегов Швеции он построил две обсерватории – Ураниборг и Стьернеборг, в которых 21 год вел астрономические наблюдения при помощи созданных им металлических угломерных инструментов, повысив точность измерений положений небесных светил в 100 раз! Браге создал свою, компромиссную систему мира: вокруг неподвижной Земли в центре Вселенной обращалось Солнце, вокруг которого обращались планеты. Для её доказательства он до конца жизни проводил наблюдения Марса с наивысшей для XVI века точностью. Однако эти наблюдения послужили Кеплеру как раз для того, чтобы доказать неверность систем и Браге, и Птолемея, уточнив тем самым систему Коперника, и увидеть наконец то, как на самом деле устроена реальная Солнечная система.

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.