В V в. до н.э. началось интенсивное развитие наблюдательной астрономии. Было обнаружено неравенство четырех времен года; измерен наклон эклиптики (круг, вдоль которого движутся Солнце, Луна и планеты) к небесному экватору (~ 24°); создан лунно-солнечный календарь; установлено, что планеты движутся по небу по необычайно сложным траекториям, которые включают в себя нерегулярные колебательные движения, попятное петлеобразное движение и др. Одновременно в недрах математики и философии вызревали теоретические предпосылки моделирования астрономических явлений, создания математических моделей Вселенной.
Задача математизации астрономии, создания математической (качественной) теории движений небесных тел была в четкой форме поставлена Платоном и серьезно решалась в платоновской Академии. Здесь же были сформулированы философские основания математизации астрономии. Наиболее концентрированное свое выражение они нашли в т.н. требовании “спасения явлений”. Суть его в следующем. Планеты (“блуждающие светила”) движутся в небе по необычайно сложным траекториям, которые включают в себя колебательные движения, попятное петлеобразное движение и др. Такие сложные изменчивые движения являются видимостью, за которой скрыта некая неизменная единая сущность, некие идеальные геометрические движения (равномерные, круговые в одном и том же направлении). Поэтому требование “спасения явлений” означало следующее.
Во-первых, признание различия между являющимся (наблюдаемым) и истинным, сущностным движением.
Во-вторых, признание установки, в соответствии с которой наблюдаемое движение должно быть объяснено как являющееся истинное движение.
В-третьих, представление о том, что истинное движение носит идеальный геометрический характер.
Все дальнейшее развитие математической астрономии в античном мире определялось этим требованием “спасения явлений”. Поиски математиков и астрономов были направлены на нахождение математических приемов, позволивших бы наиболее совершенным образом устранить противоречия между наблюдаемыми движениями планет на небе и мировоззренческими представлениями об устройстве космоса, об идеальном движении небесных тел.
Качественно новый этап в процессе математизации астрономии получает свое развитие на основе творчества, великого древнегреческого астронома Гиппарха (ок. 180-125 г.г. до н.э.). Гиппарх впервые использовал в астрономии предложенный за сто лет до него знаменитым математиком Аполлонием Пергским геометрический метод описания неравномерных периодических движений как результата сложения более простых - равномерных круговых. Гиппарх использовал для описания движения Солнца и Луны теорию эксцентриков. Для Солнца и Луны он определил положение центров их эксцентриков; и впервые в истории астрономии разработал метод и составил таблицы для предвычисления моментов затмения (с точностью до I-2 часов).
Появившаяся в I34 г. до н.э. новая звезда в созвездии Скорпиона навела Гиппарха на мысль, что изменения происходят и в мире звезд. Чтобы в будущем легче было замечать подобные изменения Гиппарх составил каталог положений на небесной сфере 850 звезд, разбив все звезды на шесть классов и назвав самые яркие “звездами первой величины”. Сравнивая свои результаты с измерениями координат звезд, проделанными за полтора века до него в Александрии (Аристиллом и Тимохарисом), он обнаружил, что все звезды его каталога как бы сместились по долготе, т.е. вдоль эклиптики, к востоку от начала отсчета долгот – точки весеннего равноденствия (пересечение эклиптики и экватора). Иначе говоря, долготы звезд возросли. Гиппарх нашел этому явлению гениально простое и правильное объяснение. Учтя принцип относительности, он заключил, что это сама точка весеннего равноденствия отступает в обратном направлении! Таким образом, экватор как бы перемещается вдоль эклиптики, не меняя своего наклона к ней. В результате Солнце в своем годовом движении о запада на восток каждый раз встречает точку весеннего равноденствия немного раньше, не доходя до того места, откуда оно год назад начинало свой путь по эклиптике (предварение равноденствия или прецессия). Гиппарх весьма точно оценил ее величину (46" ,8 в год: по современным данным 50" ,3). Открытие прецессии показало сложность понятия “год” и позволило Гиппарху найти, что солнечный и звездный годы различаются на 15 (по современным данным – около 20)минут.
Астрономия благодаря Гиппарху становилась точной математической наукой, что позволяло приступить к созданию универсальной математической теории астрономических явлений. Эта работа выполнена знаменитым александрийским астрономом Клавдием Птолемеем (ок. 100-I65 гг.). Его фундаментальный труд – “Большое математическое построение астрономии в ХIII книгах” (Альмагест).
Опираясь на достижения Гиппарха, Птолемей пошел дальше в изучении подвижных небесных светил. Он существенно дополнил и уточнил теорию Луны, усовершенствовал теорию затмений. Но подлинно научным подвигом ученого стало создание им математической теории видимого движения планет. Эта теория опиралась на следующие постулаты:
· шарообразность Земли;
· колоссальная удаленность от сферы звезд;
· равномерность и круговой характер движений небесных тел;
· неподвижность Земли;
· центральное положение Земли во Вселенной.
Теория Птолемея сочетала и метод эпициклов и метод эксцентриков. Предполагалось, что вокруг неподвижной Земли находится окружность (деферент), центр которой помещен несколько в стороне от центра Земли (эксцентрик). По деференту движется центр меньшей окружности – эпицикл - с угловой скоростью, которая постоянна, однако, по отношению не к собственному центру деферента и не к самой Земле, а к точке, расположенной симметрично центру деферента относительно Земли (эквант). Сама планета в системе Птолемея равномерно двигалась по эпициклу. Для описания вновь открываемых неравномерностей в движениях планет и Луны вводились новые дополнительные эпициклы – вторые, третьи и т.д. Планета помещалась на последнем. Теория Птолемея позволяла предвычислять сложные петлеобразные движения планет (их ускорения и замедления, стояния и попятные движения). Созданные Птолемеем астрономические таблицы позволяли вычислить положение планет с весьма высокой по тем временам точностью – до 10'.
Из основных свойств планетных движений, как они были определены Птолемеем, вытекало ряд важных закономерностей. Во-первых, условия движения верхних от Солнца и нижних планет существенно различны. Во-вторых, определяющую роль в движении и тех и других планет играет Солнце. Периоды обращения планет либо по деферентам (у нижних планет), либо по эпициклам (у верхних) равны периоду обращения Солнца, т.е. году. Ориентация деферентов нижних планет и эпициклов верхних связана с плоскостью эклиптики.
Тщательный анализ этих свойств планетных движений привел бы Птолемея к простому выводу, что Солнце, а не Земля - центр планетной системы. Такой вывод в свое время сделал Аристарх Самосский, который доказывал, что Солнце в несколько раз больше Земли. Было бы вполне естественно, чтобы меньшее тело двигалось вокруг большего, а не наоборот. Хотя размеры других планет прямым путем определить Птолемей не мог, тем не менее было ясно, что и они гораздо меньше Солнца. Но переход к гелиоцентризму для Птолемея был невозможен - он считал Землю центром мира и приводил множество доводов в пользу этого взгляда. Отказаться от своего мировоззрения, очень сложно! А от эпохи и вовсе невозможно. Только спустя 14 столетий, в совершенно другое время, в другую эпоху, когда старое мировоззрение уже себя исчерпало, Коперник сумел сделать этот решительный шаг.
Птолемей (а до него еще Гиппарх) введением эксцентриков для более точного отображения неравномерностей видимого движения небесных светил уже лишил Землю ее строго центрального положения в мире, какое она должна была занимать в аристотелевой сферической Вселенной. Введением экванта Птолемей еще более нарушил аристотелевы физические основания геоцентризма. В этом отношении он превзошел даже Коперника.
В астрономической системе Птолемея были в максимальной степени использованы те возможности, которые представляла античная наука для реализации принципа “спасения явлений”, для объяснения движения небесных тел с позиций геоцентрического видения мира. Построение геоцентрической системы К. Птолемеем завершило становление первой естественнонаучной картины мира. В течение длительного времени эта система выступала не только как высшее достижение теоретической астрономии, но и как ядро античной картины мира и астрономической основой антропоцентрического мировоззрения.