ГЕЛИОЦЕНТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КОПЕРНИКА

Планетарная система Птолемея переходила из поколения в поколение вплоть до пятнадцатого века. За это время в нее было внесено множество исправлений и дополнений — в виде новых окружностей, добавленных к уже имевшимся. Эта система не переставала быть верной и точной; однако она полностью утратила свою эстетическую привлекательность, на которую она могла претендовать ранее. В тринадцатом веке Альфонс X, король Кастилии, признался, что если бы попросили его совета в момент сотворения мира, то он создал бы его по более простому и лучшему плану. Позднее поэт Джон Донн пожалуется:

Мы думали, что небеса наслаждаются своей сферичностью, Своими округлыми пропорциями, охватывающими все.

Но их разнообразные и сложные движения,

Которые наблюдались веками, вынудили

Человека обнаружить в них так много эксцентрических частей,

Так много прямых линий, пересечений,

Которые подобно диспропорциям, обедняющим форму, разорвали Небеса на восемь и сорок частей... [4]

У Николая Коперника (родившегося в Польше в 1473 г.) эта неудовлетворенность стала настолько сильной, что в конце концов он был вынужден заняться коренным и систематическим пересмотром гипотезы, на которой покоилась вся античная космология и физика, т. е. гипотезы, что Земля неподвижна, а звезды и планеты обращаются вокруг нее. Он понял, что траектории движения планет замечательным образом упрощаются, если в центр Мира поместить не Землю, а Солнце. В результате он пришел к выводу, что Земля не является центром Вселенной и не находится в покое, а представляет собой планету, которая за сутки совершает один оборот вокруг собственной оси и движется вместе с другими планетами вокруг Солнца.

Главное возражение Коперника против теории Птолемея состояло в том, что, по мнению Коперника, птолемеевские движения по окружностям настолько произвольно скомбинированы между собой, что результирующее движение, хотя и согласуется с известными опытными данными, но не является равномерным, как предполагалось вначале. Особенно Коперник возражал против некоторых частных допущений теории Птолемея (например, экванта), которые, по его мнению, разрушили желаемую равномерность движения. Ссылаясь на эти допущения, он писал:

«Узнав об этих пороках, я часто размышлял о том, нельзя ли найти более разумное устройство кругов, из которого следовало бы каждое очевидное неравенство и в котором все двигалось бы равномерно вокруг надлежащего центра, как того требует правило абсолютного движения» [5].

Чтобы сделать более весомым свое предположение о том, что Земля движется, Коперник упоминает древних философов, придерживавшихся такого же мнения:

«... нашел я сперва у Цицерона, что Никетас допускал движение Земли, ... у Плутарха усмотрел я, что и иные были того же мнения... Побуждаемый этим, и я, в свою очередь, начал придумывать движение Земли, и хотя мнение это казалось мне неправдоподобным, я, тем не менее, полагал, что, подобно тому как до меня позволялось придумывать произвольные круги для объяснения небесных явлений, так и мне позволено попытаться, не найду ли я для истолкования этих движений более правдоподобные объяснения, предполагая движение Земли...

Фиг. 55. Коперниковские орбиты, по которым движутся Земля и другие планеты вокруг Солнца, и большая неподвижная сфера, на которой находятся звезды.

Я после долгих и многократных исследований пришел, наконец, к заключению, что если отнести движения прочих блуждающих светил к кругу, по коему движется Земля... то не только представляемые ими явления будут вытекать, как следствия, но что самые светила и пути оных по последовательности или величине своей и само небо явятся в такой между собой связи, что нигде, ни в одной части нельзя чего-либо изменять, не запутывая остальных частей и всего целого. На этом основании ... я излагаю положения всех орбит, а равно и принимаемые мною движения Земли» [6].

Теория Коперника качественно упростила орбиты Меркурия и Венеры, известных как утренние и вечерние звезды, — иногда они появляются на небе непосредственно перед восходом Солнца или исчезают за горизонтом вскоре после его захода. Это явление легко понять, приняв систему Коперника. Обе эти планеты вращаются вблизи Солнца, и если наблюдать их с Земли, они будут следовать за Солнцем в моменты его восхода или захода (фиг. 56).

Фиг. 56.

В рамках же системы Птолемея допущение, что Меркурий, Венера и Солнце движутся по независимым орбитам, приводит к неизбежному заключению, что эти тела могут иногда появляться на небе независимо друг от друга. Поэтому Птолемей был вынужден предположить, что эти планеты каким-то образом привязаны к Солнцу и движутся вместе с ним (фиг. 57). Было только непонятно, почему именно эти две планеты должны быть привязаны к Солнцу, в то время как остальные могут свободно скитаться по небу?

Фиг. 57.

О своей системе Коперник говорил:

«Первая из сфер, заключающая в себе все прочие, есть сфера неподвижных звезд; она неподвижна, и к ней мы относим все движения и положения звезд. Хотя некоторые допускают движение и этой сферы, но мы докажем, что и это движение выводится из движения Земли...» [71.

Затем, описывая сферы планет и их периоды обращения и полагая, что Земля является одной из шести планет, а Луна просто ее спутник, Коперник заключает:

«В середине всех этих орбит находится Солнце; ибо может ли прекрасный этот светоч быть помещен в столь великолепной храмине в другом, лучшем месте, откуда он мог бы все освещать собой?» [8].

Система отсчета

Можно, конечно, считать, что различие между системами Коперника и Птолемея объясняется их выбором системы отсчета. Птолемей исходил из того, что наблюдения проводятся с Земли, и поэтому отдавал предпочтение неподвижной Земле. Коперник же полагал, что движение планет удобнее рассматривать, как бы находясь на Солнце. Поскольку в настоящее время считается, что вопрос «Движется Земля или нет?» лишен смысла, мы заменим его другим: где удобнее всего находиться, если мы хотим описать движение солнечной системы? Еще Оресм указывал, что характер видимого движения тела зависит от движения наблюдателя. Матросу, находящемуся на борту корабля, кажется, что ядро, уроненное с верхушки мачты, падает по вертикальной прямой, а наблюдателю, стоящему на берегу, это же движение представляется в виде параболы. Если учесть движение наблюдателей, то окажется, что они оба наблюдают за одним и тем же движением. Однако для одного из них оно выглядит проще, чем для другого. То же самое можно сказать и о выборе системы отсчета для описания движений небесных тел.

Но во времена Коперника вопрос о том, движется Земля или нет, считался очень значительным и серьезным. Коперник сам понимал, что гипотеза движущейся Земли могла показаться абсурдной. Вся средневековая космология и физика опирались на представление, что Земля — центр Вселенной. Люди думали, что такие тела, как, например, камни, падают на землю благодаря тому, что они стремятся к центру Вселенной. Если же Земля быстро движется, то вряд ли можно допустить, что она занимает какое-то предпочтительное положение в пространстве. Тогда непонятно, почему предметы падают на нее? Тот факт, что для нас этот вопрос представляется чрезвычайно простым (может даже показаться, что никакого вопроса и нет), говорит лишь о том, насколько глубоко восприняли мы современные представления об инерции тел и однородности пространства. Если бы, например, тяжелую и инертную Землю действительно требовалось толкать, чтобы привести ее в движение (а именно так думали во времена Коперника), поверили бы мы, что она движется со скоростью по орбите вокруг Солнца?

Возражения против теории Коперника

Чтобы построить свою упрощенную систему планетарных движений, Коперник должен был полностью отказаться от той картины мира,

которая создавалась еще со времен Аристотеля. Он ожидал резких возражений, и это было одной из причин столь длительного откладывания им публикации книги, что он не увидел ее напечатанной вплоть до своей смерти.

Предвидя многие возражения, Коперник попытался ответить на них заранее. Так, на вопрос, почему летящие птицы не отстают от быстро вращающейся Земли, он ответил, что атмосфера увлекается при ее движении. Возражение, что быстро вращающаяся вокруг собственной оси Земля разлетится подобно слишком сильно раскрученному маховику, Коперник парировал так: «Но почему же не предполагать этого в еще большей степени относительно Вселенной, движение которой должно быть настолько же быстрее, насколько небо больше Земли?» На это сторонники теории Птолемея могли, конечно, возразить, что небесные тела состоят из тонкой и бестелесной субстанции, естественное движение которой — вращение по кругу. Земля же, по их мнению, слишком тяжела, инертна и неповоротлива, чтобы двигаться. (Предположение, что небесные тела состоят из тяжелого земного материала, стало приниматься всерьез уже позже, когда Галилею удалось с помощью своего телескопа рассмотреть поближе Луну и планеты.)

Было много и других аргументов, контраргументов и бранных нападок. Лютер обзывал Коперника невеждой и еретиком. Его теория была объявлена «ложной и противоречащей Священному Писанию». Там сказано, что движется Солнце, а не Земля:

Иисус воззвал к Господу в тот день, в который предал Господь Бог Аморрея в руки Израилю, когда побил их в Гаваоне, и они побиты были пред лицем сынов Израилевых, и сказал пред Израильтянами:

«Стой, солнце, над Гаваоном, и луна, над долиною Аиалон-скою!»

И остановилось солнце, и луна стояла, доколе народ мстил врагам своим. Не это ли написано в книге Праведного: «стояло солнце среди неба, и не спешило к западу почти целый день»? [9].

Спор вокруг новой системы продолжался в течение более ста лет. Гамлет (1600 г.) рассматривал движение Солнца как одну из тех непреложных истин, которые так же верны, как и его любовь к Офелии: Не верь, что звезды — огонь,

Не верь и солнца движенью,

Не верь, что правда не лжет,

Но верь в мою любовь [10].

Однако уже в 1611 г. Джон Донн сожалел об упадке старой космологической системы.

И в сфере звезд, и в облике планет,

На атомы Вселенная крошится.

Все связи рвутся, все в куски дробится.

Основы расшатались, и сейчас

Все стало относительным для нас [11].

В конце концов идея движущейся Земли была принята, хотя для полного утверждения гелиоцентрической системы потребовалось в дальнейшем создание новой физики. Сточки зрения этой физики (которой придерживались Кеплер и Ньютон) для динамического анализа солнечной системы гораздо предпочтительней оказалась система Коперника.

Датский астроном Тихо Браге (родившийся в 1546 г.) не сомневался в простоте гелиоцентрической системы, однако эта простота не казалась ему достаточной причиной для признания движения Земли. По его словам, Земля «слишком массивна», чтобы начать двигаться. (Теперь мы говорим, что она слишком массивна, чтобы остановиться.)

Его отказ признать теорию Коперника не помешал ему в течение длительного времени заниматься измерениями положений звезд и планет. Он начал свои наблюдения, имея в распоряжении лишь один инструмент, состоявший из двух скрепленных планок, одна из которых была направлена на неподвижную звезду, а другая — на планету, так что можно было измерить их угловое расхождение. Позднее он сконструировал огромные секстаны и звездные компасы, с помощью которых он проводил в течение более 20 лет поразительно точные измерения положений планет на небе. Браге определил и записал координаты тысячи звезд с гораздо большей точностью, чем это делали когда-либо до него, а его двадцатилетние измерения угловых положений планет не содержали ошибок, превышающих градуса, т. е. угол, под которым виден прокол тонкой иглой на расстоянии вытянутой руки.

Его многолетние записи координат планет явились тем сырым материалом, при помощи которого можно было получить более точную систему кривых, описывающих орбиты планет. Вскоре из его измерений, гораздо более точных, чем те, которыми пользовался Коперник, стало ясно, что предложенные Коперником орбиты являются весьма приближенными. Сразу же после этого открытия начались поиски более точных орбит, завершенные после смерти Браге одним из его учеников, немецким астрономом, астрологом и мистиком Кеплером.