Книга: По кругу с Землей. Коперник. Гелиоцентризм.

ПРОБЛЕМЫ ПТОЛЕМЕЕВОЙ МОДЕЛИ

Проблема, которую астрономия должна была решить в попытке описать и предсказать движение небесных тел, может быть выражена как частный случай сферической интерполяции, или же определения того, сколько и каких кривых потребуется для объяснения наблюдаемого движения, исходя из предположения, что какое-либо светило — в геоцентрической модели это Земля — занимает центральное положение.

Почти за две тысячи лет до Коперника этой проблемой уже интересовались, и было замечено, что планеты движутся неравномерно. Хотя обычно они перемещаются с востока на запад (это называется прямым движением), иногда они отступают, перемещаясь с запада на восток (попятное движение). Значит, для объяснения их траекторий нельзя использовать простые орбиты, например окружности или эллипсы.

Мы уже упоминали две использовавшиеся геоцентрические модели Евдокса и Птолемея. Модель Птолемея считалась основной в начале эпохи Возрождения, но воспринималась как математический трюк. Чтобы лучше понять подход Коперника к проблеме, мы должны рассмотреть движение планет в отдельные периоды года. Очевидно, что простое круговое движение вокруг центра не может объяснить попятное движение, если Земля находится в центре. Но если в центр помещается Солнце, а Земля уходит на второстепенную позицию между Венерой и Марсом, то ситуация меняется.

В первую очередь, поведение планет неодинаково, и невооруженным глазом можно выделить два разных варианта: поведение Меркурия и Венеры, которые Птолемей называл нижними планетами, и поведение остальных планет, которые он назвал верхними. Чтобы понять эту разницу, рассмотрим современную гелиоцентрическую модель. Обратите внимание на рисунок на следующей странице, где изображены Земля, Солнце и планеты обоих указанных типов. Нижняя планета в современных терминах называется внутренней. Как видно, планета этого типа не может находиться в квадратуре с Землей, но имеет наибольшие восточную и западную элонгации. Наоборот, верхние планеты — в современной терминологии внешние — могут занимать положение квадратуры и иметь любой угол на протяжении своей орбиты. Важно отметить, что планеты вращаются не синхронно. Как раз наоборот, продолжительность их синодического периода — года на каждой планете — неодинакова, поэтому они обгоняют Землю или отстают от нее в зависимости от того, в какой части орбиты находятся.

На рисунке в гелиоцентрической модели изображены орбиты внутренней планеты (Венеры) и внешней (Марса) и их положения по отношению к Земле и Солнцу.

С другой стороны, все планеты в каких-то точках своих орбит выстраиваются в одну линию с Солнцем и Землей. Рассмотрим две различные ситуации для внутренних и внешних планет. Для первых возможно два типа явления, называемого соединением, как можно заметить на рисунке сверху. В каждом из них Солнце, Земля и планета находятся на одной линии, но в одном случае планета закрывает Солнце, а в другом Солнце закрывает планету. Для внешних планет, наоборот, существует только один тип соединения, но есть ситуация противостояния, когда Земля занимает место между планетой и Солнцем.

В нижней части рисунка в гелиоцентрической модели изображены орбиты Земли и внутренней планеты, Венеры, а в верхней части — путь планеты, наблюдаемый с Земли, то есть ее траектория в небе.

На этой странице изображены несколько положений внутренней планеты (например, Венеры) по отношению к Солнцу и Земле. Каждая точка на орбите планеты соответствует точке на видимой траектории. Мы можем видеть, что наблюдаемое движение между точками 3 и 5 является попятным, то есть планета движется в противоположном по отношению к остальной траектории направлении.

На рисунке сверху мы проделали то же самое с внешней планетой (в этом примере — с Марсом), отметив взаимное расположение Земли и этой планеты. Мы видим, что в связи с меньшим радиусом земной орбиты возникает ощущение, что Земля обгоняет Марс.

В этом случае также наблюдается попятное движение. Но, как мы видим на рисунке, траектория отличается, хотя она и выглядит как петля. Представив все таким образом, мы понимаем, как легко нецентральное положение Земли объясняет поведение внутренних и внешних планет. Разумеется, в орбите каждой планеты есть еще много мелких подробностей, касающихся прежде всего того, что орбиты не круговые, а эллиптические, как было установлено Кеплером. Например, случай Меркурия, поведение которого было трудно объяснить в рамках всех моделей, объясняется значительным эксцентриситетом его орбиты.

На рисунке в гелиоцентрической модели изображены орбиты Земли и внешней планеты, Марса, и некоторые точки обеих траекторий (от 1 до 7), а также путь планеты, видимый с Земли на фоне неподвижных звезд.