О движении

Античная механика и система мира

Вселенная — это солнца-звезды и планеты, свободно движущиеся в пространстве. Чтобы понять ее строение, нужно знать законы движения тел.

Первое, что поражает наблюдателя неба, — кажущееся суточное круговращение светил.

В северной части неба звезды движутся, как в хороводе, вокруг небесного северного полюса, лежащего вблизи Полярной звезды. В южной части они восходят, описывают дугу по небесному своду и заходят под горизонт. Остальная часть их кругового пути скрыта от наших глаз.

В суточном вращении, происходящем, как кажется наблюдателю, вокруг Земли, участвуют также Луна, Солнце и планеты.

Эти наблюдения и легли в основу естественно-научного мировоззрения древних греков.

Ученые античного мира были далеки от мысли, что суточное вращение неба — только кажущееся явление. Они считали восходы и заходы действительным круговым движением светил. Но в то же время они не могли представить себе, чтобы свободные тела совершали такое движение в пространстве. Поэтому греческие астрономы решили, что звезды, планеты, Луна и Солнце прикреплены к твердой вращающейся сфере. Внутренняя поверхность этой сферы, по мнению древних ученых, и есть видимое нами голубое небо.

Такая простая модель вселенной недолго удовлетворяла ученых. Луна, Солнце и планеты совершают, кроме суточного вращения, и другие движения: в то время как звезды сохраняют неизменным свое положение относительно друг друга, эти светила перемещаются среди них в направлении, обратном суточному вращению. Поэтому восход этих светил каждый день запаздывает.

Луна в течение 27,3 суток обращается с запада на восток вокруг Земли, перемещаясь среди неподвижных звезд, что каждый может легко видеть, понаблюдав за ней в течение нескольких дней. Одновременно с этим она участвует также и в суточном вращении неба с востока на запад.

Сложное движение Луны греческие астрономы объясняли так: Луна прикреплена к сфере, совершающей оборот на оси с запада на восток в течение 27,3 суток. Звездная же сфера в своем суточном вращении увлекает лунную сферу.

Значит, лунная сфера в течение суток перемещает Луну на 360°/27,3, или около 13,2° к востоку. Суточное же вращение ее к западу на 360°/24 = 15° в час. Поэтому восход Луны каждый день запаздывает на 13,2/15 часа, или приблизительно на 52,8 минуты.

Солнце также совершает круговой путь среди звезд, переходя из одного созвездия Зодиака в другое. В течение года оно делает полный круг, в чем легко убедиться, понаблюдав некоторое время восходы и заходы звезд.

Заметим какую-либо яркую звезду в южной части неба. Она, как говорят, «загорается», когда Солнце достаточно низко опустилось под горизонт и небо потемнело. В это время звезда находится к востоку от Солнца. Через некоторое время эта звезда будет видна в тот же час ближе к горизонту. Значит, она приблизилась к Солнцу.

Но звезды не меняют своего положения относительно друг друга.

Видимое движение планеты Марс среди звезд.

Следовательно, Солнце передвинулось среди них к востоку.

Действительно, в дальнейшем звезда станет невидима по вечерам, потонув в солнечных лучах. Но зато по прошествии еще некоторого времени она будет появляться по утрам, перед восходом Солнца, то-есть к западу от него.

Так, перемещаясь равномерно все время на восток, Солнце переходит из одного созвездия в другое. Поэтому те созвездия, которые сияют на летнем небе, не видны зимой.

В действительности, как известно, это — кажущееся движение. Оно является отражением движения Земли вокруг Солнца.

Но древние греческие астрономы принимали кажущееся перемещение Солнца среди звезд за реальное движение. Они объясняли его вращением с запада на восток особой сферы, к которой будто бы прикреплено Солнце.

Еще труднее было понять видимое перемещение среди звезд внешних планет: планета то движется с запада на восток, то останавливается и пятится, а затем снова движется в прежнем направлении. Полный круг среди звезд планеты совершают в разные сроки. Но в течение года каждая из них делает «петлю».

Греческие астрономы считали невозможным приписать небесному механизму какое-либо иное движение, кроме равномерного и кругового.

Поэтому для объяснения видимого перемещения планет предположили, будто каждая из них связана с четырьмя концентрическими, вложенными одна в другую сферами.

Планета Р увлекается движением сферы III, ось вращения которой укреплена концами в сфере II и разделяет ее вращательное движение.

Эти сферы вращаются около различно направленных осей, концы каждой из которых упираются в стенки внешней сферы. Вращение этих сфер объясняло как поступательное движение планеты с запада на восток, так и попятное движение, когда она делает петлю.

Так была создана необычайно сложная модель вселенной, все части которой вращались равномерно около одного центра — Земли. А комбинация этих вращательных движений давала наблюдаемое перемещение светил.

Описанная модель мира хотя и объясняла в общих чертах видимое перемещение светил, но не позволяла пред-вычислять их положение на небе.

Чтобы решить эту последнюю задачу, античным астрономам пришлось отказаться от вращающихся сфер. Александрийский математик и астроном Клавдий Птолемей (70—147) построил чисто геометрическую схему движения планет.

О жизни Клавдия Птолемея не сохранилось сведений. Известно только, что он был родом из Верхнего Египта и жил в Александрии. Но созданная им система мира, господствовавшая в Европе в течение около двух тысячелетий, увековечила его имя в истории науки.

Схема Птолемея давала возможность предсказывать наперед, среди каких звезд будет видна планета в тот или иной момент.

В схеме Птолемея каждая планета движется по кругу, центр которого обращается вокруг Земли. Комбинация этих двух движений и дает кажущееся перемещение планет. Однако эта схема, позволяя предвычислять положение планет, не давала понятия о строении вселенной: нельзя было представить себе, почему планеты могут совершать такие движения. Поэтому система Птолемея оставалась чисто геометрической схемой.

Необходимость в столь сложной схеме отпала бы, если предположить, что сама Земля вращается около оси и обращается вокруг Солнца. Греческие астрономы понимали это.

«Существуют люди, — писал Птолемей, — которые утверждают, будто бы ничто не мешает допустить, что небо неподвижно, а Земля вращается около своей оси от запада к востоку и что она делает такой оборот каждые сутки. Правда, говоря о светилах, ничто не мешает для большей простоты допустить это, если принимать в расчет только видимые движения».

Но состояние механики того времени не позволяло остановиться на этом предположении. Вращение Земли казалось невозможным, хотя ее шарообразность была признана всеми греческими астрономами.

Не зная инерции, древние греческие механики были уверены, что если бы Земля вращалась, то птицы, поднявшиеся на воздух, отставали бы от земной поверхности. Никакое тело не могло бы двигаться к востоку, потому что Земля в своем вращении опередила бы их движение.

Как думал Птолемей, тяжелые предметы на вращающейся Земле отрывались бы от нее подобно камню при круговом взмахе пращи. Подобными же соображениями он отвергал мысль и об обращении Земли вокруг Солнца.

Только прогресс динамики позволил через много веков отказаться от мнения о неподвижности Земли.

Схема движения планет по Птолемею.