Древняя Греция

Древняя Греция. Не последнюю роль в представлениях древнегреческих учёных сыграла необходимость объяснить срединное положение Эллады и главенство человека на Земле. Потому с древнейших времён Земля считалась центром мироздания. При этом предполагалось наличие центральной оси Вселенной и асимметрия «верх-низ». Землю от падения удерживала какая-то опора, в качестве которой в ранних цивилизациях мыслилось какое-то гигантское мифическое животное или животные (черепахи, слоны, киты). Первый древнегреческий философ Фалес Милетский (VI в. до н. э.) в качестве этой опоры видел естественный объект — мировой океан.

Анаксимандр Милетский (VI в. до н. э.) предположил, что Вселенная является центрально-симметричной и в ней отсутствует какое-либо выделенное направление. Поэтому у находящейся в центре Космоса Земле отсутствует основание двигаться в каком-либо направлении, т.е. она свободно покоится в центре Вселенной без опоры. Ученик Анаксимандра Анаксимен (VI в. до н. э.) не последовал за учителем, полагая, что Земля удерживается от падения сжатым воздухом.

Такого же мнения придерживался и Анаксагор (V в. до н.э.). Точку зрения Анаксимандра разделяли, однако, пифагорейцы (VI в. до н. э.), Парменид (VI в. до н. э.) и Птолемей (II в. н. э.). Анаксимандр считал Землю имеющей форму низкого цилиндра с высотой в три раза меньше диаметра основания. Анаксимен, Анаксагор, Левкипп (V в. до н. э.) считали Землю плоской, наподобие крышки стола.

Рис. 2. Система мира Анаксагора Принципиально новый шаг сделал Пифагор (VI в. до н. э.), который предположил, что Земля имеет форму шара. В этом ему последовали не только пифагорейцы, но также Парменид, Платон (V в. до н.э.), Аристотель (IV в. до н. э.). Последний пытался все объяснить причинами, которые были близки здравому смыслу наблюдателя. Так, наблюдая Луну, он заметил, что в различных фазах она в точности соответствует тому виду, который принимал бы шар, с одной стороны освещаемый Солнцем.

Столь же строго и логично было его доказательство шарообразности Земли. Обсудив все возможные причины затмения Луны, Аристотель пришёл в выводу, что тень на ее поверхности может принадлежать только Земле. А поскольку тень кругла, то и тело, отбрасывающее её, должно иметь такую же форму. Но Аристотель этим не ограничился. «Почему спрашивал он когда мы перемещаемся к северу или к югу, созвездия меняют свои положения относительно горизонта?» И тут же отвечал: «Потому, что Земля обладает кривизной». Действительно, будь Земля плоской, где бы ни находился наблюдатель, у него над головой сияли бы одни и те же созвездия.

Совсем другое дело – на круглой Земле. Здесь у каждого наблюдателя свой горизонт, своё небо. Однако, признавая шарообразность Земли, Аристотель категорически высказывался против возможности ее обращения вокруг Солнца. «Будь так рассуждал он нам казалось бы что звезды не находятся неподвижно на небесной сфере, а описывают кружки…» Это было серьезное возражение, пожалуй, самое серьезное, которое удалось устранить лишь много-много веков спустя, в XIX столетии.

Так возникла каноническая форма геоцентрической системы, впоследствии активно разрабатываемая древнегреческими астрономами: шарообразная Земля находится в центре сферической Вселенной, а видимое суточное движение небесных светил является отражением вращения Космоса вокруг мировой оси. При этом нельзя обвинить древних учёных в отсутствии логики и последовательности в своих теориях.

В рамках той территории, по которой тогда передвигались древние греки и те, с кем они общались, вполне объяснились наблюдаемые природные явления, геоцентрической картине мира давались довольно разумные обоснования, правда, часто противоречащие друг другу. Так Анаксимандр в качестве причины указывал сферическую симметрию Космоса. Аристотель его не поддерживал, обосновывая геоцентризм следующим образом: Земля является тяжёлым телом, а естественным местом для тяжёлых тел является центр Вселенной, ибо, как показывает опыт, все тяжелые тела падают отвесно, а поскольку они движутся к центру мира, Земля находится в центре.

Кроме того, орбитальное движение Земли (которое предполагал пифагореец Филолай в V в. до н.э.) Аристотель отвергал на том основании, что оно должно приводить к параллактическому смещению звёзд, которое не наблюдается. Клеомед (точное время жизни неизвестно: примерно IV-I вв. до н.э.) в своём учебнике «Лекции по астрономии» обосновывает центральность Земли от противного.

По его мнению, если бы Земля находилась к востоку от центра Вселенной, то тени на рассвете были бы короче, чем на закате, небесные тела при восходе казались бы больше, чем при заходе, а продолжительность с рассвета до полудня была бы меньше, чем от полудня до заката. Поскольку всего этого не наблюдается, Земля не может быть смещена к востоку от центра мира. Аналогично доказывается, что Земля не может быть смещена к западу. Далее, если бы Земля располагалась севернее или южнее центра, тени на восходе Солнца простирались бы в северном или южном направлении, соответственно.

Если бы Земля была выше центра, то можно было бы наблюдать меньше половины небосвода, в том числе менее шести знаков зодиака; как следствие, ночь всегда была бы длиннее дня. Аналогично доказывается, что Земля не может быть расположена ниже центра мира. Таким образом, она может находиться только в центре. Примерно такие же доводы в пользу центральности Земли приводит и Птолемей в своём труде «Математическое построение» («Альмагест»). Птолемей также обосновывал и неподвижность Земли. Во-первых, если бы Земля смещалась от центра, то наблюдались бы только что описанные эффекты, а раз их нет, Земля всегда находится в центре.

Другим доводом является вертикальность траекторий падающих тел. Отсутствие осевого вращения Земли Птолемей обосновывает следующим образом: если бы Земля вращалась, то « все предметы, не опирающиеся на Землю, должны казаться совершающими такое же движение в обратном направлении; ни облака, ни другие летающие или парящие объекты никогда не будут видимы движущимися на восток, поскольку движение Земли к востоку будет всегда отбрасывать их, так что эти объекты будут казаться движущимися на запад, в обратном направлении». Однако не всех учёных устраивала геоцентрическая система мира. Так, внимательно наблюдая за сменой фаз луны и измеряя углы между Луной и Солнцем, Аристарх Самосский (III в. до н.э.) сделал оценку, из которой следовало, что Солнце находится в 19 раз дальше от Земли, чем Луна (реальная цифра – 400 раз. ошибка вытекает из неточности измерительных инструментов того времени и сложности точного фиксирования лунных фаз). Из исследования солнечных и лунных затмений Аристарх сделал вывод, что видимые размеры Солнца и Луны практически совпадают, из чего следует, что диаметр Солнца в 19 раз больше диаметра Луны, который в свою очередь, по грубым оценкам, в 3 раза меньше диаметра Земли. Получилось, что диаметр Солнца в 6,5 раз больше диаметра Земли и объём Солнца почти в 300 раз больше объёма Земли. Аристарху показалось сомнительным, чтобы большое Солнце вращалось вокруг маленькой Земли. Также он дал правильную трактовку смене дня и ночи: вращение Земли вокруг собственной оси – и тому, почему далёкие звёзды не меняют своего «узора»: потому, что они расположены гораздо дальше от Земли, чем Солнце.

Нельзя не отметить достижение Эратосфена Киренского (III в. до н. э.), первым давшим приблизительную оценку длины дуги меридиана земного шара и, соответственно, радиуса Земли. При этом еще довольно долгое время в умах учёных главенствовала геоцентрическая система мира, в Древней Греции гелиоцентрическая система мира так и не прижилась.

Так, Гиппарх Никейский (II в. до н. э.) активно разрабатывал теорию круговых орбит, предположив, в частности, что Солнце вращается вокруг Земли не по окружности, а по эллипсу, причём Земля располагается не в центре этого эллипса.

Таким образом, объяснялась заметная неравномерность в видимом движении Солнца вокруг Земли в течение календарного года. В заслугу Гиппарха ставят создание первого звёздного каталога, с которым последователи сравнивали наблюдаемое положение звёзд и могли изучать изменение звёздной картины мира со временем. Последователем Гиппарха считают Птолемея, который дополнил звёздный каталог Гиппарха, написал уже упомянутый «Альмагест», изобрёл астрономический инструмент стенной круг, получивший впоследствии широкое применение.

Падение Древней Греции в III - IV вв. н.э. на долгое время затормозило развитие науки и астрономии в частности.

Европа.

XV-XIX века. Первым средневековым учёным, высказавшим недоверие старым представлениям о Вселенной, был немецкий философ Николай Кузанский (1401-1464). В своём труде «Об учёном незнании» он сделал смелое предположение, что Вселенная является неограниченной и что потому центра у неё быть не может – потому им фактически отметались положения как последователей геоцентризма о том, что Земля является центром Вселенной, так и гелиоцентризма, считавших, что всё вращается вокруг Солнца.

Польский астроном Николай Коперник (1473-1543) продолжил развитие представлений об окружающем мире. В своём сочинении «Об обращениях небесных сфер» он изложил своё представление о мироздании. Коперник утверждал, что орбиты и небесные сферы не имеют общего центра, центр Земли является не центром Вселенной, а только центром масс и центром орбиты Луны, что все планеты движутся по орбитам, центром которых является Солнце, и поэтому на самом деле Солнце является центром мира. Также он считал, что расстояние между Землёй и Солнцем очень мало по сравнению с расстоянием между Землёй и неподвижными звёздами, суточное движение Солнца, на самом деле, воображаемо, и вызвано всего лишь эффектом вращения Земли, которая поворачивается один раз за 24 часа вокруг своей оси, которая всегда остаётся параллельной самой себе. Полагалось, что Земля (вместе с Луной, как и другие планеты), вращается вокруг Солнца, и поэтому те перемещения, которые, как кажется, делает Солнце (суточное движение, а также годичное движение, когда Солнце перемещается по Зодиаку) являются не более чем эффектом движения Земли. Подобное движение Земли и других планет объясняло их расположение и конкретные характеристики движения планет.

Впоследствии этот труд Коперника был запрещён католической церковью как еретический. Гелиоцентрическую систему активно развивал итальянский священник Джордано Бруно (1548-1600). Он считал Вселенную бесконечной и так же, как и Николай Кузанский, отрицал наличие у неё центра.

Джордано справедливо заметил, что соотношение видимого блеска звёзд может быть обманчивым из-за огромной разницы в расстояниях от этих звёзд до Земли и что небесные тела разделяются на светящихся самостоятельно и на лишь отражающих солнечный свет. Также он выступал против антропоцентризма, говоря об обитаемости других миров.

Все сочинения Бруно, в том числе и «О причине, начале и едином» и «О бесконечности, вселенной и мирах», были запрещены католической церковью.

Огромную роль в развитии астрономии сыграли наблюдения датчанина Тихо Браге (1546-1601), который построил обсерваторию и вёл наблюдения, совершенствуя не только приборы, но и методику измерений. Измерения Тихо Браге отличались колоссальной для того времени точностью. Наблюдения итальянца Галилео Галилея (1564-1642) подтвердили правильность гелиоцентрической системы мира. В частности, Галилей смог разглядеть в телескоп лунную поверхность, четыре спутника Юпитера, то, что Млечный Путь, на самом деле, состоит из большого числа звёзд. Под давлением католической церкви итальянцу учёному пришлось отречься от своих взглядов.

Немецким учёным Иоганном Кеплером (1571-1630) были открыты законы движения планет, впоследствии названные его именем. Иоганн утверждал, что каждая планета Солнечной системы обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце, каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причём площадь сектора орбиты, описанная радиусом-вектором планеты, изменяется пропорционально времени и что квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся, как кубы больших полуосей орбит планет. Однако современники считали законы Кеплера эмпирическими, точные доказательства законов были найдены позже.

Французский философ, математик и физик Рене Декарт (1596-1650) предположил, что небесные тела образуются и движутся за счёт вихревого движением частиц материи.

Материя Декарта - это чистая протяженность, материальное пространство, заполняющее всю безмерную длину, ширину и глубину Вселенной. Части материи находятся в непрерывном движении, взаимодействуя друг с другом при контакте. Взаимодействие материальных частиц подчиняется основным законам или правилам, в которых обычно усматривают формулировку закона инерции и закона сохранения количества движения. Декарт характеризовал состояние частей материи их количеством, формой, скоростью движения и способностью изменять эту скорость под воздействием внешних частиц и считал, что инерция тела зависит от его скорости.

В физике Декарта все явления мира сводятся к движениям и взаимодействию соприкасающихся частиц. Англичанин Исаак Ньютон (1643- 1727) в корне перевернул представления о мироздании открытием закона всемирного тяготения, в соответствии с которым все тела притягиваются с силой, прямо пропорциональной произведению масс этих тел и обратно пропорциональной квадрату расстояния между центрами масс этих тел. Этот закон позволил доказать законы Кеплера и дал огромный толчок к дальнейшему развитию науки.

Английский астроном Эдмунд Галлей (1656-1742) поставил перед учёными вопрос об устойчивости и долговечности Солнечной системы, заметив увеличение скорости движения по орбите Юпитера и уменьшение – Сатурна. Галлей внёс коренной перелом в представления о кометах, предположив замкнутость их орбит в противовес бытующему мнению о незамкнутых параболических траекториях.

Также он утверждал, что туманности являются не уплотнениями небесной тверди, отражающими солнечный свет, как считалось ранее, а самосветящимися космическими объектами. Учёный также сделал и далеко идущее заключение, что таких объектов во Вселенной, «без сомнения», много больше и «они не могут не занимать огромных пространств, быть может, не менее, чем вся наша Солнечная система». Шведский учёный Эммануил Сведенборг (1688-1772) высказал ценную идею эволюции материи во Вселенной.

Он предполагал, что планеты сформировались в результате возникновения в солнечном веществе и постепенного развития вихря материи, который, ускоряясь, расширялся под действием центробежных сил. От внешних частей его в некоторый момент отделилось кольцо материи, разбившееся затем на отдельные массы - родоначальницы планет. Аналогично представлялось возникновение спутников из вещества протопланет. Движение планет вокруг Солнца у Сведенборг объяснял увлечением их околосолнечным вихрем.

Английский астроном немецкого происхождения Уильям Гершель (1738-1822) установил форму нашей Галактики, примерно оценив степень её сжатия, высказал суждение об её изолированности во Вселенной, открыл двойные звёзды как физические объекты (ранее считалось, что некоторые звёзды иногда просто случайно наблюдаются рядом), изучал распределение энергии в спектре звёзд в зависимости от их цвета. Очень ценным оказалось предположение, что при наблюдении за небесными объектами мы видим схожие структуры, но находящиеся на разных стадиях своей жизни и изучение развития одного небесного объекта, невозможное из-за временных рамок, можно заменить изучением многих небесных объектов, предположив, что ход жизни у них должен быть схожий.

Французскому учёному Пьеру Симону Лапласу (1749-1827) мы обязаны космогонической теории возникновения небесных тел. Он допустил существование огромной разреженной туманности, некогда заполнявшую всю современную Солнечную систему, но уже имевшую в своем центре большое сгущение - молодое Солнце.

Туманную атмосферу, окружающую первобытное Солнце, Лаплас представлял чисто газовой, сильно нагретой и простирающейся далеко за орбиту самой далекой планеты Солнечной системы. Идея обширной атмосферы возникла у Лапласа под влиянием обширных наблюдений за планетами Солнечной системы. Он говорил, что какова бы ни была природа причины, направившей движение планет вокруг Солнца в одном направлении, нужно, чтобы она «охватывала все эти тела, а имея в виду огромные разделяющие их расстояния, она может быть только флюидом (газом), имеющим колоссальную протяженность надо, чтобы этот флюид окружал это светило как некая атмосфера». Учёный полагал, что первичное туманное Солнце обладало медленным вращением вокруг своей оси, вовлекая в него и окружающую его атмосферу, что вначале туманность вращалось как твердое тело, с одинаковой угловой скоростью, и чем дальше располагались ее частицы от центра, тем больше была их линейная скорость при таком вращении.

Эта обширная, раскаленная газовая туманность, вращающаяся вокруг своей оси, по мнению Лапласа, испускала в пространство большое количество тепла и вследствие этого охлаждалась.

Охлаждение туманности должно было сопровождаться ее сжатием, т. е. уменьшением размеров и возрастанием плотности газа. Но с уменьшением размеров вращающегося тела скорость его вращения, как утверждают законы механики, должна возрастать. Чем быстрее вращается тело, тем больше в нем центробежная сила, которая сильнее всего действует на частицы, лежащие на границах экватора туманности.

В процессе сжатия туманности на некотором расстоянии от ее оси вращения в плоскости экватора частички приобретали скорость, достаточную для того, чтобы действующая на них центробежная сила уравнялась с силой тяготения к центру. Частички, лежащие на экваторе и испытывающие при вращении центробежную силу, равную силе их притяжения к центру, теряли связь с остальной массой туманности и отслаивались от нее. Они продолжали вращаться уже самостоятельно, на определенном расстоянии от центра и с постоянной скоростью.

Так как процесс охлаждения и сжатия туманности шел непрерывно, то от внутренних частей туманности, вращавшейся все быстрее и быстрее, в экваториальной плоскости частицы отрывались слой за слоем, всякий раз как центробежная сила для данных частиц уравновешивалась тяготением. Таким образом, сплюснутая туманность сначала превратилась в шар, оставшийся от центрального ядра, окруженный системой неоднородных тонких и почти плоских газовых колец, лежащих в экваториальной плоскости.

Такая система вращалась уже не как твердое тело, потому что после отслоения очередного кольца скорость оставшейся внутренней части туманности возрастала, как того требуют законы механики. Получившаяся картина очень похожа на планету Сатурн с её плоскими, концентрическими кольцами, отделенными друг от друга пустыми промежутками. Лаплас полагал, что отделившиеся кольца образовались как раз в местах, занятых теперь орбитами планет.

Он думал, что внутреннее трение между частичками в каждом отдельном кольце должно было выровнять их угловые скорости, так что в конце концов кольцо вращалось вокруг своего центра с угловой скоростью, одинаковой по всей ширине кольца. Охлаждение и взаимное тяготение частиц вело к дальнейшему сжатию кольца, которое, конечно, лишь в исключительных случаях могло быть однородным. Более массивные комки постепенно должны были притянуть к себе, собрать остальные частички, и, таким образом, каждое неоднородное кольцо сбивалось в один газовый шар, несущийся вокруг Солнца на том расстоянии, на каком отделилось соответствующее кольцо, и имеющий ту скорость, какую имела оставшаяся туманность на экваторе в момент отделения этого кольца.

Лаплас сформулировал теорему об устойчивости Солнечной системы: если движение планет происходит в одном направлении, их массы одного порядка, эксцентриситеты (отношение разности квадратов большой и малой полуосей эллипса к длине большой полуоси) и наклоны малы, а большие полуоси испытывают лишь небольшие колебания относительно среднего положения, то эксцентриситеты и наклоны орбит будут оставаться малыми на рассматриваемом интервале.

Однако, оказалось, что эта теорема не применима на интервалах времени, сравнимых с возрастом Солнечной системы, поскольку учитывает возмущения только первого порядка. Кроме того, массы тел Солнечной системы различаются существенно.