"Открытие Вселенной - прошлое, настоящее, будущее" - читать интересную книгу автора (Потупа Александр)

Открытие Солнечной системы — 1 акт

Появление научной модели Солнечной системы неразрывно связано с именем польского астронома Николая Коперника (1473–1543). Жизнь этого скромного и необычайно эрудированного человека, чьи работы рассматривают как исток революции в естествознании и вообще в мировоззрении, внешне не изобиловала событиями. Он родился в Торуни, с ранних лет воспитывался в семье дяди, вармийского епископа Лукаша Ваченроде, образование получил в Кракове, потом в Италии, а с 1512 года и до самой смерти он почти безвыездно жил в башне крепостной стены прибалтийского города Фромборка, наблюдая за небом и составляя главный труд своей жизни.

Самая ранняя публикация его идей относится к 1507 году — это 10-страничная брошюра «Николая Коперника малый комментарий относительно установленных им гипотез о небесных движениях». Видимо, гелиоцентрическая модель сформировалась у него незадолго до этого. Первый набросок модели он сделал на 30-й странице тетради, приложенной к астрономическим таблицам Альфонса Кастильского — книге, с которой он не расставался.

После рассылки «Малого комментария» Коперник четверть века проработал над подробным изложением своей системы, трижды переписав текст и таблицы. Этот труд «Николая Коперника Торуньского об обращениях небесных сфер шесть книг» увидел свет лишь в феврале 1543 года, за несколько месяцев до его смерти. Друзья скрывали книгу от тяжело больного Коперника, и он смог лишь издали полюбоваться ею в свой последний день — 23 мая 1543 года.

Модель Коперника

Коперник поместил в центр Вселенной Солнце, вокруг которого должны обращаться все планеты, включая Землю, причем Луна потеряла статус самостоятельной планеты и стала спутником Земли. Вся эта система заключена в сферу неподвижных звезд, чье кажущееся вращение объясняется суточным вращением Земли. Впоследствии за эту звездную оболочку Коперника упрекал Бруно («Чего еще хотел бы я от Коперника — уже не как от математика, но как от философа — это чтобы не измышлял он пресловутую восьмую сферу в качестве единого местоположения всех звезд, равно отстоящих от центра»). На самом же деле, определяя звездную сферу, польский астроном допустил большую свободу в ее дальнейшем рассмотрении (в частности, тем же Бруно!). Фактически Коперник раздвинул границы неба до бесконечности. «Небо неизмеримо велико по сравнению с Землей, — писал он, — и представляет бесконечно большую величину…»

В его системе заключалось два важнейших положения — своеобразные зародыши будущей небесной механики и, возможно, всего естественнонаучного мировоззрения.

Первое из них, можно сказать, кинематическое — это выбор явно более предпочтительной системы отсчета на Солнце. Движения различных планет по отношению к Земле как бы потеряли свою независимость. Их относительные расстояния определялись теперь довольно просто через единственный параметр — расстояние между Солнцем и Землей. От Николая Кузанского Коперник заимствовал идею относительности движения (прообраз будущего принципа относительности в механике) и нашел наиболее простое представление для описания движения небесных тел.

Второе положение не столь очевидно, но никак не менее важно. Остановив звездную сферу, Коперник перечеркнул Аристотелеву идею Перводвигателя (девятой сферы), сообщающего движение планетам через первичное сцепление именно со сферой звезд. Господь лишился весьма суетного повседневного занятия. Важнее, однако, то, что Коперник приписал причину движения самим телам[46] и тем самым поставил на повестку дня динамическую проблему.

Конкретно он связывал причину со сферичностью тел, но не вдавался в дальнейшие комментарии. Время силового объяснения еще не настало.

В остальном же система Коперника казалась просто конкурентом Птолемеевой системы, и не следует представлять ее начальную судьбу как нечто триумфальное. Первый тираж книги «Об обращении небесных сфер» (около тысячи экземпляров) даже не разошелся полностью. И дело было не только в примитивной реакции теологов[47], которую превосходно предчувствовал сам Коперник, но и в том, что его система унаследовала основные пороки модели Аристарха Самосского и сначала выглядела вовсе не простой.

Резко сместив центр Вселенной, Коперник вслед за Аристархом пытался сохранить строго круговой характер движения и его равномерность. Поэтому для подгонки к результатам наблюдений он вынужден был постепенно отступать от изумительной простоты исходной своей картины, вводя те же эпициклы и эксцентры. В результате он добился неплохого согласия, использовав 34 круга, «с помощью которых можно объяснить весь механизм мира». Это выглядело несколько экономней относительно Птолемеевой системы, но практически не меняло ее принципиальной вычислительной схемы и не вело к особым отличиям в точности предсказаний. Экспериментальные преимущества коперниковской модели стали ощущаться только через 8 лет после его смерти, когда были опубликованы более точные таблицы наблюдений немецкого астронома Эразма Рейнгольда (так называемые «Прусские таблицы», посвященные герцогу Альберту Прусскому).

Иногда возникает вопрос: почему же именно Коперника считают автором гелиоцентрической модели и величайшим революционером в отношениях неба и Земли? Почему, если вроде бы такая же схема существовала у Аристарха 18 веков назад, а ликвидация Земли как вселенского центра в идейном плане была успешно проведена Николаем Кузанским?

В общем, это сложная проблема исторической персонификации достижений. Важно обратить внимание вот на что. Приоритет Аристарха в создании гелиоцентрической схемы, как и Николая Кузанского в философском переосмыслении картины небесных движений[48], сейчас никто не оспаривает. Более того, всю коперниковскую линию можно возводить от Пифагора и его первых учеников.

Коперник превосходно знал о работе Аристарха — сохранились две зачеркнутые страницы его рукописи, которые он хотел посвятить замечательному греческому астроному, и отсутствие ссылок в книге обусловлено лишь той причиной, что пифагорейская картина мира, к последователям которой причислялся и Аристарх, фактически была под запретом.

В чем же дело? Самое простое объяснение заключается в том, что схема Аристарха оказалась великим, но несвоевременным прозрением и никак не вписывалась в общую античную картину мира, где небесный и подлунный мир были принципиально разделены древнейшей теистической традицией. Не было среди его предшественников Кузанца… Коперник же считал свою модель не чисто математическим вариантом, а как раз физической теорией — вот почему друзья и ученики скрывали от умирающего учителя не столько книгу, сколько предисловие к ней Осиандера, где модель Коперника рассматривалась как один из вариантов…

Преодоление традиции резкого разделения неба и Земли действительно потребовало огромных многовековых усилий. Именно Копернику принадлежит заслуга конкретной реализации программы Кузанца, удалившего Бога из доступных наблюдению окрестностей Земли. Без развитой и обоснованной вычислениями и наблюдениями астрономической схемы идеи Кузанца могли бы еще очень долго «провисеть в воздухе», привлекая своей смелостью, но не доказательностью.

Таким образом, заслуга Коперника не может быть понята ни в чисто астрономическом, ни в чисто философском плане без учета тесного переплетения этих проекций, в реальном развитии познания. Любая гипотеза начинает широко завоевывать умы, то есть становится социально значимым культурным фактором, тогда и только тогда, когда ее конкретное воплощение и общее идейное обоснование взаимно усиливают друг друга. В этом случае гипотеза имеет шанс войти в систему представлений, именуемую картиной мира, и даже перенормировать, разумеется, со временем, все мировоззрение. Такие эффекты усиления и возникли в связке Аристотелевой философии и модели Птолемея, а позже в тандеме Кузанца и Коперника. Но вот Аристотель и Аристарх были несовместимы — общее мировосприятие первого взаимно гасилось с моделью второго, и конкретная модель, не найдя щели в могучей философии, надолго оказалась в положении беспризорника.

Нельзя упускать из виду и еще один момент — очень быстрое (по историческим меркам той эпохи) развитие коперниковской модели. В течение ближайшего столетия ее осмыслили в рамках философии Кузанца Мандзолли, Патрици, Бруно, английский астроном Томас Диггс, важнейшие физико-математические уточнения сделал Кеплер. Именно в плане этого развития коперниковское наследие и предстало перед последующими поколениями, перед наукой Нового Времени.

О том, что сначала восприятие системы Коперника было не столь уж однозначным и восторженным, свидетельствует судьба выдающегося датского ученого, основоположника астрономии новой эпохи Тихо Браге (1546–1601).

Браге очень рано увлекся наблюдениями неба, вероятно, после солнечного затмения 1561 года, но его систематический интерес к астрономии, безусловно, обязан ошибкам в предсказаниях, свойственным таблицам того времени. В августе 1563 года шестнадцатилетним юношей он наблюдал совпадение Сатурна и Юпитера и обратил внимание, что составленные на основе Птолемеевой системы таблицы Альфонса Кастильского ошибаются на целый месяц, а коперниковские — только на неделю. Это обстоятельство послужило полезной основой скепсиса и породило желание как следует во всем разобраться.

Несколько лет он делил свое время между двумя увлечениями — химией и астрономией, но после самостоятельного открытия новой звезды, вспыхнувшей 11 ноября 1572 года вблизи созвездия Кассиопеи, энтузиазм Браге почти без остатка отдается небу. В 1576 году он основывает первую европейскую обсерваторию в замке Ураниборг близ Копенгагена, где более 20 лет ведет подвижническую работу по определению точных координат небесных тел, непрерывно изобретая и совершенствуя приборы. Пожалуй, Тихо Браге сделал максимум того, что может сделать астроном, работающий без телескопа. Он добился предельной точности при наблюдениях невооруженным глазом[49] и дал всей последующей астрономии образец систематичности и добросовестности.

В этом его главная заслуга.

В 1577 году Браге наблюдал комету и доказал, что ее путь проходит в межпланетном пространстве, во всяком случае, далеко за Луной. Тем самым он окончательно похоронил миф о непроницаемых хрустальных сферах.

Неполноценность Птолемеевой и Коперниковой систем в смысле предсказаний вызвала у Браге вполне естественную реакцию — он предложил своеобразный гибрид, поместив Землю в центр Вселенной и заставив Солнце вращаться вокруг нее, но планеты должны были бегать вокруг Солнца. Система Браге получилась довольно громоздкой, и до конца жизни он безуспешно пытался согласовать ее со своими же очень точными наблюдениями. В 1597 году Браге вынужден был бежать в Германию, а незадолго до смерти занял в Праге должность придворного астронома Рудольфа II, императора Священной Римской империи. В Праге и произошла его встреча с 28-летним Иоганном Кеплером.

Иоганн Кеплер (1571–1630), сын ландскнехта и трактирщицы, начал свою сознательную жизнь как мистик пифагорейского толка, возвысился как первооткрыватель научных законов движения небесных тел и окончил ее поэтом.

В молодые годы под влиянием своего преподавателя, профессора Тюбингенской академии Местлина, Кеплер познакомился с коперниковской системой. Увлечение математикой и пифагорейскими идеями привело его к оригинальной конструкции Вселенной. В 1596 году он издает книгу «Тайна Вселенной», где изложен очень любопытный вариант гелиоцентрической модели, основанный на сочетании 5 правильных многогранников, одновременно вписанных в небесные сферы и описанных вокруг них. Исходя из соотношений между радиусами 6 построенных таким образом сфер, Кеплер надеялся получить закон расстояний от Солнца до известных планет. Эта крайне наивная картина, которой Кеплер гордился до конца жизни, произвела кое-какое впечатление на Тихо Браге. Знаменитый астроном отозвался о ней отрицательно, но все-таки пригласил талантливого молодого человека для совместной работы. Об этом приглашении Кеплер вспомнил только через 3 года, когда гонения на протестантов сделали неизбежным его эмиграцию. Тогда он впервые (но отнюдь не в последний раз) твердо отказывается от перехода в католическую веру, и это на всю жизнь предопределяет неулыбчивость его судьбы.

Контакт с Тихо Браге длился всего год. Однако это был поворотный год в ученой карьере Кеплера. По рекомендации Браге Кеплер становится придворным математиком Рудольфа II, но самое главное — обретает доступ к бесценному материалу четвертьвековых наблюдений своего старшего коллеги.

В 1609 году, завершив тщательную обработку координат положения Марса, Кеплер публикует в Гейдельберге книгу «Новая астрономия», где содержатся первые два закона движения планет[50]:

1. Планеты движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых находится Солнце.

2. Радиус-вектор, направленный от Солнца к планете за равные промежутки времени, обметает равные площади.

Самое продуктивное пражское десятилетие жизни Кеплера завершилось с отречением Рудольфа II. Видимо, с братом Рудольфа Матвеем, занявшим императорский трон, придворный астроном не поладил, и в 1611 году, похоронив в течение этого года жену и сына, он вынужден был уехать в Линц[51].

Следующему периоду жизни не суждено было стать спокойным — более пяти лет Кеплер занимался защитой своей матери, которой грозил костер по обвинению в колдовстве.

Тем не менее, в 1619 году он выпускает «Гармонию мира», излагая свою теорию движения планет и третий закон этого движения (квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца пропорциональны кубам длин больших полуосей эллиптических орбит этих планет).

Сразу после открытия первых своих законов Кеплер приступает к созданию всеобъемлющих таблиц, предсказывающих положения планет. Эта работа заняла более 20 лет, и знаменитые «Рудольфианские таблицы», опубликованные им в 1627 году, вплоть до 19 века считались наиболее полным и точным сводом наблюдательной астрономии.

Гонения на протестантов снова заставляют Кеплера скитаться. В поисках пристанища и бесполезных попытках получить многолетнюю задолженность по императорскому жалованию (между прочим, огромную по тем временам сумму более 12,5 тысячи гульденов) Кеплер заболевает и умирает в Регенсбурге, не дожив ровно 2 месяца до своего 60-летия. Я намеренно несколько подробней остановился на деталях биографии Иоганна Кеплера. Обстоятельства его жизни известны большинству далеко не так хорошо, как, скажем, яркие эпизоды биографий Бруно или Галилея. Между тем судьба Кеплера не менее трагична и возвышенна.

Как-то сама собой сложилась традиция относить его к последнему этапу развития познания средневеково-ренессанского периода и начинать рассказ о науке Нового Времени с Галилея. Здесь есть свое рациональное зерно, но есть и доля несправедливости.

Верно, что Кеплер (в отличие от Галилея) верил в астрологию и даже считался одним из лучших астрологов своего времени — ему необычайно везло на выполнение гороскопов. Однако его отношение к астрологии весьма прагматично. «Астрология — дочь астрономии, хоть и незаконная, — писал он, — и разве не естественно, чтобы дочь кормила свою мать, которая иначе могла бы умереть с голоду». Верно и то, что Кеплер пытался внести немало мистики в объяснение коперниковской модели и даже восстановить звездную сферу. Однако последняя идея основывалась на добросовестном астрономическом заблуждении совершенно неверной оценке видимого углового размера звезд в несколько угловых минут. Потому-то Кеплер и решил, что звезды отстоят друг от друга примерно так же, как Земля от Солнца. Все это не дает основания считать Кеплера просто последним великим магом преднаучной эпохи. Астрономические труды Кеплера, его законы движения позволили коперниковской модели восторжествовать, и по справедливости следовало бы говорить о системе Коперника — Кеплера, именно их совокупная модель по-настоящему отрывается от античной традиции. Но наряду с этим Кеплер сумел стать предтечей многих направлений науки будущего.

Его оптические трактаты содержали вполне правильное объяснение действия подзорных труб и в немалой степени предопределили развитие геометрической оптики. Кеплера можно отнести и к числу величайших математиков своего времени. Он внес крупный вклад в теорию и практику логарифмических вычислений, в технику работы с коническими сечениями. Но главное в области математики — его методы вычисления объемов фигур вращения, здесь он предвосхитил ряд положений дифференциального и интегрального исчислений, стал непосредственным предшественником Ньютона и Лейбница. Видимо, Кеплеру же принадлежат основные идеи в создании первого механического компьютера (машины Шикарда), сконструированного за несколько десятилетий до знаменитой машины Паскаля.

И, наконец, именно Кеплер первым подошел к идее динамического объяснения Вселенной, предположив, что взаимосвязь планет и Солнца обусловлена силой тяготения.

«Гравитацию, — писал он, — определяю как силу, подобную магнетизму взаимному притяжению. Сила притяжения тем больше, чем оба тела ближе одно к другому»[52].

И с этой точки зрения он качественно верно объяснял природу приливов.

По всем этим причинам Иоганна Кеплера с неменьшим основанием, чем Галилея, можно считать основоположником науки Нового Времени. Его законы движения планет — первый в области небесной механики пример достаточно четкого вывода эмпирических закономерностей из экспериментальных данных.