Книга: Мир математики. т.30. Музыка сфер. Астрономия и математика

Геоцентризм и гелиоцентризм: преодоление конфликта

В попытках познать космос люди начали создавать различные модели Вселенной.

В примитивных космологиях древнейших цивилизаций Земля считается центром всего мира. Эта концепция соответствует нашей интуиции и в то же время достаточно проста. Можно сказать, что она вполне разумна, однако с ее помощью не стоит и пытаться объяснить движение звезд.

Согласно Платону, Земля представляла собой сферу, расположенную в центре Вселенной. Звезды и планеты вращались вокруг Земли по окружностям в следующем порядке (от внутренних к внешним): Луна, Солнце, Венера, Меркурий, Марс, Юпитер, Сатурн и звезды. Аристотель описал более сложную систему: сферическая Земля располагалась в центре Вселенной, а все небесные тела были закреплены на 56 концентрических сферах вокруг нее, при этом каждой планете соответствовало несколько сфер.

Учитывая, что в то время были невозможны точные астрономические наблюдения, неудивительно, что все предпочли геоцентрическую модель. В результате вращения Земли нам кажется, что небесная сфера и звезды на ней движутся. Формы созвездий, названия которых мы позаимствовали у древних греков, в течение года не менялись. Из-за больших расстояний до звезд параллакс был совершенно не заметен.

Главная проблема возникает при объяснении движения планет. Их считали блуждающими звездами, которые перемещались по небосводу, порой описывая траектории в форме петель, двигаясь вперед и назад относительно других звезд. Концентрические модели того времени не позволяли объяснить и другие наблюдаемые явления, например изменение яркости небесных тел. Многие народы считали подобные небесные тела воплощениями божеств.

На этих наложенных друг на друга фотографиях, где изображен Марс на фоне звездного неба, четко видно его ретроградное, или возвратное движение.

Система Птолемея и эпициклы

Во II веке н. э. Клавдий Птолемей представил космологическую модель, которую использовали астрономы исламского и христианского мира на протяжении следующей тысячи лет. В своем шедевре «Альмагест» Птолемей свел воедино труды древнегреческих астрономов прошлого и предложил свое объяснение странному движению планет. Движение каждой планеты описывалось взаимодействием различных сфер. Первая из них называлась деферентом. На ней не было никаких небесных тел, а центр деферента обычно совпадал с Землей. Другая сфера, по которой двигалась планета, называлась эпициклом. Ее центр находился в произвольной точке деферента. В результате совокупного движения обеих сфер планета удалялась от Земли и приближалась к ней, скорость ее движения уменьшалась, после чего планета двигалась в обратном направлении — происходило так называемое ретроградное движение планет.

Порядок сфер в модели Птолемея, начиная от Земли, был таким: Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн и неподвижные звезды.

Вверху — геоцентрическая модель Птолемея. Внизу — основные элементы этой модели, показывающие планету, расположенную на эпицикле, ее деферент и траекторию, описываемую системой эпициклов.

* * *

* * *

Однако даже эта сложная модель не объясняла некоторые результаты наблюдений. К примеру, петли на орбите Марса не всегда имеют одинаковый размер, что в системе Птолемея невозможно. Чтобы разрешить это противоречие, модель была дополнена эквантом — точкой, расположенной вблизи орбиты планеты, из которой движение центра соответствующего эпицикла выглядит равномерным. Таким образом, планета движется с разными скоростями в зависимости от того, как расположен эпицикл относительно деферента. Система Птолемея была крайне сложной, так как каждой планете соответствовал эпицикл, вращавшийся вокруг своего деферента. Также казалось странным, что нечто может вращаться вокруг точки, где не находится никакое небесное тело. Возникал вопрос: почему центром вращения была именно эта точка? Однако с помощью эпициклов можно описать практически любую траекторию. Более того, в интернете можно найти системы эпициклов, с помощью которых можно обрисовать даже силуэт Гомера Симпсона, героя популярного мультсериала!

Геоцентрическую модель принимали не все древнегреческие мыслители. Некоторые считали, что Меркурий и Венера движутся по эпициклам вокруг Солнца, а остальные планеты — по эпициклам вокруг Земли. Вызывает интерес модель Аристарха Самосского (ок. 310 года до н. э. — ок. 230 года до н. э.). В его книге, не дошедшей до наших дней и известной по упоминаниям Плутарха и Архимеда, описана модель, в которой Солнце было центром Вселенной, а Земля и остальные планеты вращались вокруг него. Благодаря своей проницательности, Аристарх определил, что Солнце намного больше Земли, поэтому Земля должна вращаться вокруг Солнца. К сожалению, другие ученые эту теорию не приняли, хотя она помогла бы продвинуть астрономию далеко вперед. Всерьез гелиоцентризм стал рассматриваться лишь после революции, произведенной Коперником в XVI веке.

В приложении изложена упрощенная схема рассуждений Аристарха Самосского, позволяющая определить диаметры небесных тел и расстояния между ними в системе «Земля — Луна — Солнце». Ознакомившись с этими рассуждениями, вы увидите, сколь велик был ум этого ученого.

Гелиоцентризм: более простая модель

Во многих случаях с появлением более совершенных инструментов ранее применявшиеся астрономические концепции уступают место новым. Иногда общество тяжело принимает смену концепции, но новые наблюдения позволяют избежать застоя в науке, поэтому ученый не должен бояться открывать новые пути. При этом его ждет множество препятствий, а предел, которого можно достичь, неизвестен.

Одним из препятствий на пути науки была церковь. Этот институт, который традиционно играл роль хранителя знаний, не слишком тепло воспринял новые результаты астрономических наблюдений, полученные с помощью телескопов, подобно тому, как в 2006 году часть общества протестовала против лишения Плутона статуса планеты.

Николай Коперник (1473–1543) потратил 20 или 25 лет на работу над трудом «О вращении небесных сфер» (De revolutlonibus orbitum calestium), в котором, вопреки официальной доктрине того времени, утверждал, что Земля и остальные планеты движутся по окружностям вокруг Солнца, вблизи которого находится центр Вселенной. По мнению Коперника, планеты располагались в следующем порядке (считая от Солнца): Меркурий, Венера, Земля и Луна, Марс, Юпитер, Сатурн.

Звезды располагаются намного дальше, чем Солнце, и неподвижны относительно него. Ретроградное движение планет является следствием движения Земли, а она, в свою очередь, вращается не только вокруг Солнца, но и вокруг собственной оси.

Кроме того, ось вращения Земли наклонена, что является причиной смены времен года. Следует отметить, что Коперник увидел первый опубликованный экземпляр своего труда в день смерти, в 1543 году. Его работа была революционной в полном смысле этого слова и привела к огромным изменениям в науке.

Немецкая марка, выпущенная к 500-летию со дня рождения Николая Коперника.

Помимо портрета астронома, на ней изображены обложка его книги «О вращении небесных сфер» и схема предложенной им гелиоцентрической модели.

Все то время, что Коперник провел в сане епископа, он терпеливо и скрупулезно вел астрономические наблюдения, по результатам которых и была впоследствии написана книга «О вращении небесных сфер». Коперник перечислил явления, которые нельзя было корректно объяснить в геоцентрической модели. Так, она не позволяла с точностью предсказать движение Солнца и Луны на год, с ее помощью нельзя было объяснить, почему движение планет в одних случаях описывалось концентрическими окружностями, а в других — эксцентриками, зачем нужны экванты и эпициклы. Вселенная в геоцентрической модели была лишена цельности и единства.

Коперник же предложил рациональную систему окружностей, в которой движение всех планет описывалось одними и теми же законами. Он решил проблему параллакса, предположив, что звезды находятся от нас на огромном расстоянии, и указав, что единственной причиной движения небесной сферы является движение Земли.

Коперник также утверждал, что движение Солнца по небу вызвано вращением Земли вокруг своей оси, а ретроградное и прямое движение планет объясняется их движением относительно Земли.

Главным героем еще одной революции в астрономии стал итальянский ученый Галилео Галилей (1564–1642), который в 1609 году впервые использовал для наблюдений телескоп. С его легкой руки этот прибор сыграл важнейшую роль в развитии астрономии в последующие столетия.

Портрет Галилея кисти фламандского художника Юстуса Сустерманса (1636).

Среди многочисленных достижений Галилея особо отметим открытие четырех спутников Юпитера 7 января 1610 года, после которого стало понятно, что не все небесные тела вращаются вокруг Земли. Также Галилей заметил, что фазы Венеры нельзя было объяснить с помощью модели Птолемея, в которой эта планета располагалась между Меркурием и Солнцем. Согласно Птолемею, размеры Венеры во всех фазах были одинаковыми, однако в реальности полная Венера выглядела маленькой, а растущая и стареющая казалась намного больше. Сам Галилей осмелился опубликовать результаты своих наблюдений Венеры лишь в 1623 году, нанеся тем самым сильнейший удар по геоцентрической модели.

Слева — фазы Меркурия и Венеры в гелиоцентрической модели. Видимый размер планеты в той или иной фазе зависит от ее расстояния до Земли. Справа — те же фазы Венеры в геоцентрической модели. Видимый размер планеты всегда будет одинаковым, а с помощью эпициклов можно объяснить лишь небольшие изменения размеров, не соответствующие результатам наблюдений.

Иезуиты, не желая принимать гелиоцентрическую модель Коперника, пошли на отчаянный шаг — они решили использовать забытую к тому времени систему, предложенную датским астрономом Тихо Браге (1546–1601). Браге считал, что Земля неподвижна, Солнце и Луна вращаются вокруг Земли, а Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн — по круговым орбитам вокруг Солнца.

Эта модель была промежуточным этапом на пути от геоцентрической системы Птолемея к гелиоцентрической системе Коперника.

Система, предложенная Тихо Браге, была промежуточным этапом на пути от геоцентрической системы к гелиоцентрической.

В своем монументальном трактате «Звездный вестник», который увидел свет в 1609 году, Галилей опроверг представления о совершенстве и неподвижности небосвода, на чем настаивали Аристотель и Птолемей. Результаты наблюдений четко показывали: на Луне существуют горы (Галилей даже привел оценку их высоты), следовательно, ее поверхность не является гладкой. Он также утверждал, что число звезд, видимых в телескоп, было в два раза больше, при этом их размер не менялся, как происходило при наблюдении Луны и планет. Это доказывало тезис Коперника о том, что неподвижные звезды находятся на громадном расстоянии, и объясняло отсутствие параллакса, который, как утверждали сторонники геоцентрической модели, должен был наблюдаться при изменении положения Земли на орбите. Было очевидно, что параллакс звезд наблюдался не из-за неподвижности Земли, а потому, что звезды находились очень далеко от нее.

Еще одно доказательство несовершенства небесных тел и их изменчивости Галилей привел, опубликовав в 1612 году результаты наблюдений пятен на Солнце. Изучив эти пятна, он показал, что Солнце вращается вокруг своей оси. Это значит, что Земля тоже может вращаться вокруг своей оси.

Галилей, отстаивая истинность системы Коперника, неизменно приводил в доказательство результаты своих наблюдений и, таким образом, впервые в истории применил научный метод. Тем не менее его результаты противоречили здравому смыслу (мы ведь видим, что движется Солнце, а не Земля!), поэтому Галилею пришлось столкнуться с противодействием интеллектуалов и богословов.

«Роман» Галилея и церкви

По всей видимости, доказательства, предложенные ученым, были неопровержимы, однако сторонники геоцентрической теории не собирались сдаваться так просто и прибегали к более чем странным аргументам. К примеру, Мартин Хорки в 1610 году опубликовал памфлет, в котором уничижительно отзывался о самом Галилее, а также отрицал существование открытых им спутников: «Астрологи в своих

гороскопах учитывают все, что движется по небу. Следовательно, «звезды Медичи» (так Галилей назвал открытые им спутники Сатурна) бесполезны, а так как Господь не сотворил ничего бесполезного, то эти звезды не могут существовать».

Ситуация обострилась, когда в 1615 году Галилей написал герцогине Кристине Лотарингской письмо, в котором указал, что его открытия, возможно, противоречат Священному Писанию. Он так писал о Библии: «Намерением Святого Духа было показать нам, что он вознесся на небо, а не обучить нас тому, как движется небо».

Это письмо стало основной уликой на судебном процессе против Галилея. Ученый отправился в Рим, чтобы защитить себя перед лицом инквизиции, однако не смог привести неопровержимых доказательств вращения Земли. Сколько бы отдал Галилей за маятник Фуко! Ученый пытался доказать, что Земля вращается, с помощью своей теории приливов и отливов — единственной, которая не могла устоять перед встречными доводами иезуитов, справедливо полагавших, что приливы и отливы вызваны притяжением Луны.

Наконец, в 1616 году работу Коперника сочли «бессмыслицей, философским абсурдом и формальной ересью». Галилею разрешили излагать свои теории лишь в виде гипотез, не приводя никаких доказательств. Приговор инквизиции и болезни подкосили Галилея, и он стал заниматься наукой намного меньше. Однако через несколько лет ученый снова вернулся к активной работе — он принялся за изучение спутников Юпитера, чтобы вычислить их эфемериды. В 1632 году был опубликован труд Галилея «Диалог о двух главнейших системах мира», в котором он описал системы Аристотеля и Коперника, последовав оригинальной идее папы римского Урбана VIII при покровительстве великого герцога Тосканского Фердинанда II Медичи. Хотя идея Урбана VIII заключалась в частичном представлении обеих систем, Галилей явно отдал предпочтение системе Коперника. Книга вызвала настоящий скандал и произвела революцию в научных кругах, однако отношение папы к ученому серьезно ухудшилось. Злые языки утверждали, что прототипом одного из трех персонажей диалога, Симплицио («простак»), был сам Урбан VIII.

Следует признать, что в своем «Диалоге» Галилей представил два не вполне окончательных экспериментальных доказательства, опровергавших систему Тихо Браге, к которой склонялись иезуиты. Его доказательства основывались на теории приливов и отливов, которая была ошибочной, а также на вращении пятен на Солнце, что также можно было с успехом объяснить в системе Тихо Браге. Однако этой публикации было достаточно для начала нового расследования инквизиции. Отягощающим обстоятельством стало и то, что «Диалог» был написан не на латыни, что облегчило распространение книги.

«Галилео Галилей перед судом инквизиции в 1632 году». Картина французского художника Жозефа Николя Робера-Флёри, 1847 год.

Согласно официальному обвинению, Галилей нарушил запрет 1616 года. В конце 1632 года он должен был предстать перед судом в Риме «по доброй воле или по принуждению». С ученым обращались корректно, однако под угрозой пыток он признал свою вину и справедливость обвинений, был приговорен к пожизненному заключению и вынужден был отречься от своих идей. После этого тюремное заключение было заменено пожизненным домашним арестом.

В 1638 году после наблюдений солнечных пятен Галилей ослеп, однако продолжал работу с помощью учеников. Благодаря усилиям товарищей его труды удалось переправить через границу и опубликовать в Лейдене и Париже. Галилей умер в 1642 году и был похоронен во Флоренции. Его труды, в особенности «Диалоги», стали основой научного метода и рационалистической мысли, сыграв важнейшую роль в разделении науки и богословия.

В 1963 году Второй Ватиканский собор признал некорректность и необоснованность вмешательства церкви в науку и в одном из итоговых документов сослался на историю с Галилеем: «Да будет позволено выразить сожаление по поводу известных умонастроений, встречавшихся некогда в среде самих христиан из-за того, что автономия науки осознавалась недостаточно ясно, вследствие чего возникали споры и разногласия, и многие люди приходили к мысли о том, что вера и наука противоречат друг другу». В 1992 году папа Иоанн Павел II отдал дань уважения Галилею в своей речи к Папской академии наук, признав ошибки богословов XVII столетия: «Величие Галилея общеизвестно, ему пришлось много страдать — не будем скрывать этого — от священнослужителей и церкви». Папа попросил прощения и предложил созвать комиссию для полной реабилитации Галилея.

В 2009 году, который по инициативе Международного астрономического союза был объявлен ЮНЕСКО Международным годом астрономии, Ватиканом был организован конгресс, посвященный Галилею и призванный сблизить церковь с научным миром.

* * *

* * *