Кризис в астрономической теории и практике

Содержание

1.      Введение

2.      Кризис в астрономической теории и практике

3.      Рождение гелиоцентрической системы мира Коперника

4.      Последние попытки спасти геоцентризм и фактическое создание наблюдательного фундамента для торжества гелиоцентризма

5.      Космология Джордано Бруно

6.      Галилео Галилей и начало телескопической астрономии

7.      Революция в представлениях о механике неба. Кеплер

8.      Заключение

Список используемой литературы

Введение

Гелиоцентризм… Эта теория не один век будоражила умы известных ученых прошлых веков. Гелиоцентризм - это теория, согласно которой Солнце является центром Солнечной системы, вокруг которого обращаются планеты. Эта теория являлась полной противоположностью геоцентрической системе, где как центром Вселенной являлась Земля.

Гелиоцентрическая система, представленная Аристархом еще в III веке до н.э и возрожденная Коперником внесла огромный вклад в развитие астрономии. Гелиоцентризм позволил установить параметры планетной системы и открыть законы планетных движений.

Гелиоцентризм стимулировал также развитие физики, для того чтобы обосновать гелиоцентризм, была создана классическая механика, и в результате этого было сделано одно из важнейших открытий – закон всемирного тяготения. Но первостепенным вопросом, ради которого и были сформулированы законы классической механики, был таков - почему движение Земли не ощущается людьми и не проявляется в земных экспериментах. Ведь если бы Аристарх не выдвинул бы свою теорию о том, что Солнце в центре Вселенной, но развитие астрономии и физики могло бы пойти совсем другим, ошибочным путем.

Однако отношение у церкви к гелиоцентрической системе мира было не очень одобряющее. Церковь сетовала на то, что новая система противоречит Священному Писанию, однако же, ученые гелиоцентристы всячески опровергали это, находя доказательства гелиоцентризма в самом Священном Писании.

Далее нам бы хотелось перейти к более детальному рассмотрению названных мною открытий и противоречий в гелиоцентрической теории.

Кризис в астрономической теории и практике

В XIV—XV вв. европейские астрономы все более критически относились к общепринятой, узаконенной, ставшей традиционной картине мира, опиравшейся на космологию и космофизику Аристотеля и планетную теорию Птолемея. Все более осознавалась несовместимость этих основ. Полностью их объединяло лишь одно, но коренное, имевшее мировоззренческий характер утверждение — постулат о неподвижности Земли. Но уже ее статус единственного центра мира (в истинно геоцентрической картине Вселенной, по Аристотелю) нарушался в эпициклической, наполненной эксцентрическими орбитами теории Птолемея. А введение экванта нарушило и чистоту постулата о равномерности даже истинных круговых движений, к которым как наиболее совершенным должны были сводиться сложные неправильные и неравномерные видимые движения небесных тел. Дело в том, что догматизированная теория Птолемея давно утратила смысл математической модели (какой ее представлял сам автор), построенной с целью описания и предвычисления (или, по древнегреческой терминологии, спасения) явлений, а не объяснения их сути.

Эти внутренние противоречия в основах картины мира заставляли астрономов-теоретиков совершенствовать геоцентрическую теорию Птолемея и приводили даже к отказу от нее и возрождению «чистой» геоцентрической космологии из гомоцентрических сфер (Альпетрагий, Фракасторо).

Но и общая основа картины мира — принцип неподвижности Земли - иногда вызывала сомнения. Однако высказывания на этот счет не выходили за рамки философских рассуждений и логических допущений (Арьябхата, Бируни, а в Европе Жан Буридан и Николай Орем). Никто не решался дать на этот вопрос четкий положительный ответ. Это значило бы восстать против «здравого смысла», против основ мировоззрения, узаконенного и христианством, и другими религиями мира. А, кроме того, это требовало серьезных доказательств, наблюдательных и теоретических обоснований. Таким разрушителем стал великий польский астроном Николай Коперник (1473—1543).

Рождение гелиоцентрической системы мира Коперника

Главный изъян теории Птолемея Коперник увидел не только в ее громоздкости, но, главное, в несогласованности ее частей. Движения небесных тел в ней представлялись сложной системой вспомогательных окружностей — деферентов и эпициклов, причем для каждого тела требовался свой, независимый набор таких кругов. Таким образом, ее коренным методологическим пороком было нарушение принципа экономии причин при объяснении явлений: «природа не терпит лишнего», или, согласно афоризму знаменитого английского философа и логика XIV в. У. Оккама, «сущности не следует умножать без необходимости» (известный методологический принцип «бритвы Оккама»).

К тому же некоторые физические следствия теории Птолемея (например, ожидаемое изменение видимых размеров Луны), не соответствовали действительности. Существенным стимулом вообще к такой ревизии явилась для Коперника и чисто практическая задача, поставленная перед астрономами церковным Латеранским собором 1512г., на котором была окончательно осознана непригодность юлианского календаря для расчета пасхалий и необходимость его реформирования. Коперник был в числе первых авторитетов, к кому отцы церкви — инициаторы реформы обратились за помощью.

Другим объективным стимулом уточнения астрономических теорий в эпоху начавшихся кругосветных плаваний становилась необходимость более точных астрономических таблиц для определения долготы на море методом «лунных расстояний».

В поисках иных идей Коперник столкнулся с упоминаниями у древнеримских писателей Цицерона и Плутарха о еще более древнем «мнении о движении Земли» греков — Хикета (пифагорейца) и давно отвергнутом и забытом учении «пифагорейца Филолая» — о вращении Земли «около огня по косому кругу, совершенно так же, как Солнце и Луна», а также и о вращении ее «как бы на оси вроде колеса» вокруг собственного центра (мнение пифагорейца Экфанта и Гераклида Понтийского). Вдохновленный этой идеей подвижности Земли, Коперник уже к 1512 г. построил основные контуры новой теории устройства мира, в основу которой положил принципы подвижности Земли и подлинного гелиоцентризма. В рукописи его труда было вначале упомянуто также имя Аристарха Самосского, но затем вычеркнуто. Из комментария переводчика к русскому переводу сочинения Коперника видно, что о мнении Аристарха он знал лишь понаслышке и не отличал его от истинно пифагорейской гипотезы Филолая. Так что можно думать, что к идее подлинного гелиоцентризма Коперник пришел самостоятельно. Ее развитие и доработка (с отвлечением на другие дела и обязанности: Коперник имел официальное духовное звание и занимал пост каноника, участвовал в управлении и экономической жизни своей Вармийской епархии, проводил денежную реформу; был к тому же весьма авторитетным врачом, а во время войны с немецким орденом организовал защиту своей Ольштынской крепости) заняли свыше трех десятилетий. К 1530 г. труд в основном был завершен.

Осознавая революционность своей гелиоцентрической теории (хотя он и пытался сам преуменьшить ее рядом предварительных оговорок и пояснений), Коперник лишь по настоянию близких друзей из высшего духовенства согласился на его опубликование. Он вышел из печати весной 1543 г. почти одновременно с кончиной самого ученого. Так появилось одно из величайших творений в истории человеческой мысли — «Николая Коперника Торунского. О вращениях небесных сфер. Шесть книг».

Подобно «Альмагесту», содержанием шести книг (глав) «О вращениях небесных сфер» стала вся астрономия. Коперник изложил математическую теорию сложных видимых движений Солнца, Луны, пяти планет и сферы звезд, с приложением соответствующих математических таблиц и звездного каталога. Но в центре мира (то есть всей Вселенной!) он поместил Солнце, вокруг которого движутся планеты и среди них вновь (после почти двухтысячелетнего «перерыва») зачисленная в ранг «подвижных светил» Земля, сохранившая статус «центра» только для одного небесного тела — Луны. В этой картине, как и в прежней, сфера «неподвижных» звезд помещалась на огромном, почти бесконечном расстоянии от всей системы планет. Это утверждение теперь диктовалось самим гелиоцентрическим принципом системы: только так Коперник мог согласовать его с очевидным отсутствием у звезд необходимых при этом параллактических смещений.

Гелиоцентрическая система была несколько проще для математических расчетов (хотя и в ней частично сохранялись эпициклы — 34, поскольку и Коперник не отошел еще от идеи круговых равномерных истинных движении планет). На ее основе уже в 1551 г. немецкий астроном Э. Рейнгольд вычислил первые гелиоцентрические «Прусские таблицы». Другим ближайшим практическим результатом стало уточнение тропического года и проведение в 1582 г. долгожданной календарной реформы, с заменой юлианского календаря григорианским (для перехода к этому «новому стилю» день 5 октября 1582 г. посчитали за 15 октября). Преимущество теории Коперника стали усматривать именно в ее практической пользе.

Однако это преимущество оказалось иллюзорным. И вместе с тем трудно найти в наше время человека с физико-математическим или философским образованием, который бы не слышал о «коперниканской революции» в естествознании, о том, что именно с появления коперниканского гелиоцентризма началось развитие нового естествознания и формирование подлинно естественнонаучного мировоззрения.

В чем же была истинная сила теории Коперника? Почему она вызвала революционное преобразование всего естествознания и коренные изменения в самом мировоззрении?

Во-первых, в том, что в теории Коперника был соблюден основной методологический принцип истинно научной теории - объяснить как можно большее число явлений предельно малым числим причин. Все видимые движения планет объяснялись двумя причинами — подвижностью Земли и гелиоцентрическим устройством всей системы, так что Земля сама оказывалась планетой. Первым же физическим следствием этого стал обратный вывод Коперника о родстве других планет с Землей (как одной из планет), т.е. о том, что и они являются телами, обладающими тяжестью и т.п. Таким образом, вторым достоинством теории было то, что уже с первых своих следствий она описывала не искусственную вспомогательную математическую модель мира, а реальную физическую систему тел — нашу Солнечную систему.

Физическим основанием для выделения Солнца послужили для Коперника, как некогда для Аристарха Самосского, его уже давно общепризнанные огромные размеры по сравнению с Землей. Не менее важным аргументом стала кинематическая выделенность Солнца в самой системе Птолемея. Солнце в ней разделяло планеты на две группы: «нижние» (ближе к Земле, чем Солнце) и «верхние». Нижние — Меркурий и Венера «сопровождали» Солнце, совершая около него лишь небольшие колебания, тогда как верхние могли быть и в соединении, и в противостоянии. В комбинации кругов для описания видимого движения каждой планеты обязательно присутствовал один круг с годичным, как у Солнца, периодом обращения по нему. Для верхних планет это были их первые, или главные эпициклы. Для нижних — главные деференты. Радиусы-векторы первых эпициклов для верхних и первых деферентов для нижних всегда были либо параллельны (для первой группы) направлению на Солнце, либо (для второй) совпадали с этим направлением.

Вместе с тем, как уже сказано, сохраненный Коперником принцип обязательности круговых равномерных небесных движений вынудил его сохранить и в гелиоцентрической модели несколько десятков эпициклов (34, вместо 80). Все это усложняло расчеты и не позволяло составлять достаточно точные и долгосрочные планетные таблицы и на новом принципе.

Это облегчало борьбу против новой теории для ее противников. Слабым местом теории был и ее «абсолютный гелиоцентризм» — помещение Солнца в центре всей Вселенной. Но именно революционная идея подвижности Земли, как рядовой планеты, с одной стороны, и обращения всех планет вокруг звезды (а в тождественности природы Солнца и звезд уже не было сомнения), с другой, взорвало фундамент традиционного миропонимания, а физические следствия теории Коперника впервые раскрыли необъятные перспективы для изучения окружающего мира как реальной физической Вселенной.

Последние попытки спасти геоцентризм и фактическое создание наблюдательного фундамента для торжества гелиоцентризма. Тихо Браге и др.

Новая теория Коперника сразу же нашла применение в астрономии. Уже в 1561г. были созданы первые гелиоцентрические планетные таблицы («Прусские»). С 1588г. швейцарский астроном Вурстейзен читал свои университетские лекции «по Копернику». Первоначально теория Коперника была встречена спокойно, так как в ней многие увидели чисто математический прием описания явлений (не последнюю роль в этом сыграло осторожное анонимное предисловие редактора к книге). В те же годы, однако, некоторые астрономы обратили внимание и на существо теории и посчитали его неприемлемым по мировоззренческим соображениям. Понимая невозможность вернуться к громоздкой птолемеевой теории, Тихо Браге, Эразм Рейнгольд, и Реймерс Бэр предложили компромиссную систему мира. Сохраняя за Землей неподвижность и ее центральное положение в мире, они допускали обращение всех планет вокруг Солнца, а вместе с ним уже вокруг Земли (Бэр допускал при этом и осевое вращение Земли, решавшее проблему смены дня и ночи).

Главной чертой  Тихо Браге можно назвать его неукоснительное стремление к максимальной точности производимых наблюдений. Он был одним из тех, кто понял, что точные приборы и скрупулезные методы важны не только для практических приложений астрономии, но и для теории, для получения данных, которые могли бы решить вопрос об истинном устройстве нашей планетной системы. Одним из первых Тихо Браге оценил во всей полноте важность многократных повторений одного и того же наблюдения при различных условиях с той целью, чтобы случайные источники погрешностей отдельных наблюдений взаимно нейтрализовали друг друга. Его "большой стенной квадрант" для измерения угловых расстояний на небе был не только революционным для того времени прибором, но и настоящим произведением искусства. Любопытно и странно, что после смерти большинство инструментов, созданных под руководством великого астронома, было уничтожено.

Между тем с ростом точности наблюдений произошел первый взлом физического двойного мира Аристотеля: сам Тихо Браге как основоположник точной наблюдательной астрономии в Европе положил этому начало. Точность его измерений угловых расстояний между светилами достигала 10", а по утверждению некоторых современных историков, даже 5"! Обычной же для него, при массовых измерениях положений звезд, была точность в 1'. В1577 г он и измерил параллакс новой кометы и убедился, что это не явление «подлунного» мира, а небесное тело, двигавшееся намного выше Луны! В 70-е гг. XVI в. к таким же заключениям об этой комете пришел и англичанин Томас Диггес. Тихо Браге первым в Европе начал проводить систематические наблюдения светил. У него наблюдений одного только Солнца — причем непрерывных изо дня в день, из года в год на протяжении 20 лет — насчитывалось несколько тысяч. В результате он измерил длину тропического года с ошибкой менее 1" и составил таблицы движения Солнца, по которым его положение на небе определялось с точностью до 1'. В движении Луны он открыл два новых неравенства — вариацию и годичное уравнение. Ему принадлежит открытие — теперь уже как наблюдательного факта — колебаний наклона лунной орбиты к эклиптике. Браге открыл также неравномерность движения лунных узлов — точек пересечения лунной орбиты с эклиптикой. Большим вкладом в астрономию явился составленный Браге первый в Европе оригинальный каталог звезд, включавший традиционное их число — 1000, причем координаты 800 из них были измерены им заново и с высокой точностью — до 1'.

Но наиболее важными для последующего развития астрономии оказались систематические и весьма точные измерения положений Марса, проводившиеся на обсерватории Браге непрерывно в течение 16 лет, то есть на протяжении восьми полных периодов обращения планеты! Этот уникальный наблюдательный материал стал вершиной деятельности Тихо Браге как наблюдателя, но одновременно и причиной полного фиаско его надежд. Дело в том, что он задумал еще в юности построить новую, более точную теорию движения планет, поскольку все существовавшие тогда планетные таблицы — и гео- и гелиоцентрические обнаружили свою несостоятельность в отношении точности предсказаний. Это относилось, прежде всего, к Марсу. Именно с этой целью Браге проводил скрупулезные измерения его движения. На основании своих наблюдений он надеялся доказать и справедливость своей компромиссной системы мира. Не будучи сильным математиком, Браге завещал их обработку своему талантливому помощнику-вычислителю И. Кеплеру.