Царство Солнца. От Птолемея до Эйнштейна

Однако вращение Земли происходит  совершенно ровно, так что мы движения не ощущаем. Кроме того,  «другого окна» для греков не существовало, и выглянуть им было некуда. Так что грекам пришлось удовлетворяться одними только  умозаключениями. Они не смогли с уверенностью  сказать, вращается ли Земля среди  неподвижных звезд, или это звезды вращаются, а Земля неподвижна.

СЕМЬ ДВИЖУЩИХСЯ НЕБЕС

Примерно к 500 г. до н. э. греки  пытались объяснить движение планет,  предположив для начала, что Земля является  центром Вселенной. Так действительно кажется, и практически все люди до современности так и считали. Философ по имени Анаксимен примерно в 550 г. до н. э.  предположил, что звезды закреплены на огромной пустотелой сфере, в которую заключены Земля, Солнце, Луна и планеты. Он был первым, кто изобразил на небе сферы.

Эта сфера могла оставаться  неподвижной, тогда как Земля вращалась, либо наоборот. Позже греки выдвигали аргументы в пользу обоих вариантов. Солнце, Луна и планеты не могли быть закреплены на этой звездной сфере,  потому что они не двигались вместе со  звездами с той же скоростью. Следовательно, они должны были находиться в пространстве между звездной сферой и расположенной в центре Землей. Греки не могли поверить, что эти объекты парят в пространстве без всякой поддержки. Ведь если бы это было так, они упали бы! Поэтому греки решили, что каждый из этих объектов должен быть закреплен на своей собственной сфере.

Где располагались эти сферы? Которая была ближе к Земле, а которая — дальше? Греки определили это, наблюдая за тем, с какой скоростью каждая из планет  движется относительно звезд. Чем быстрее они  движутся, тем ближе они должны находиться к Земле.

Предположим, что вокруг здания  спортивного клуба проложено несколько  дорожек. Если бы вы наблюдали за ними из клуба, то при сравнении движения бегунов v деревьями на горизонте вам показалось бы, что бегун на дальней дорожке  движется медленнее, чем тот, что находится на ближней.

Луна двигалась с запада на восток на фоне звезд быстрее, чем все остальные  небесные тела, так что эту сферу поместили ближе всего к Земле.

Далее следовала одна из звездонодобных планет. Поскольку она двигалась быстрее, чем все остальные, ее назвали Меркурием, в честь быстрого посланника богов с  крыльями на ногах. Затем следовала еще одна похожая на звезду планета, самая яркая и красивая, которую назвали Венерой в честь богини красоты.

После Венеры шло Солнце, а после  Солнца шли остальные планеты, подобные  звездам. Первая из них, имевшая красноватыйоттенок, была названа Марсом в честь крвавого бога войны.

Затем следовал Юпитер, названный в честь самого могучего бога, поскольку эта планета казалась главной из тех, что  походили на звезды. После Венеры эта планета была самой яркой. Однако Венера никогда не поднималась высоко в небо, а всегда была у горизонта после заката и перед  рассветом. Напротив, Юпитер мог светить всю ночь и порой появлялся прямо над головой. Так что хотя Венера была ярче, ее  движения были более ограниченными, и Юпитер считался подлинным главой планет.

Затем следовал Сатурн, самая медленная из планет, которая поэтому была названа в честь отца Юпитера, древнего бога.  Медленное движение Сатурна казалось  соответствующим его огромному возрасту. Сатурн дрейфовал среди звезд с запада на восток настолько медленно, что полный круг по небесам совершал за 29 1/2 года.

Таким образом, вращающиеся сферы  планет были расположены между Землей и  звездами в том, что представлялось правильным порядком.

(Названия, которые я дал планетам, на самом деле не греческие, а римские.  Греческие имена богов были Гермес (Меркурий), Афродита (Венера), Арес (Марс), Зевс (Юпитер) и Крон (Сатурн). Однако  астрономы в течение 2000 лет пользуются  римскими названиями, и поэтому я буду их ис-пользовать, даже говоря о греках, которые, скорее всего, заимствовали вавилонские названия. У вавилонян Венера называлась Иштар, в честь богини красоты, Юпитер — Мардук, в честь их главного бога, Марс — Нергал, в честь бога войны. Меркурий и Сатурн они называли Нибу и Ниниб, в честь двух других своих богов.)

Естественно, эти планетные сферы  должны были быть абсолютно прозрачными,  потому что сквозь них видны звезды. Они должны двигаться идеально равномерно и с полным отсутствием трения.

Однако грекам было нетрудно поверить во все эти идеальные качества. Они даже  радовались им. Греки рассуждали так:  положение на Земле может быть неидеальным, но на небесах все должно быть безупречно.

Вполне естественным было то, что после того, как были придуманы эти сферы, к ним стали делаться всяческие мистические  добавления. Мистическое недоступно для обычных человеческих чувств и для измерительных приборов, изобретенных человеком. Так, предположение, что самолеты удерживаются высоко в небе аэродинамическими силами, которые можно измерить и изучить, — это научное понятие. Уверенность в том, что их удерживают в воздухе невидимые и  неразличимые демоны, — мистическое понятие.

Таким образом, были добавлены сферы, на которых располагались механизмы,  приводящие в движение все остальные сферы,на которых находились жилища богов. В Средневековье каждую сферу считали отдельным небом, где находятся свои  собственные духи и ангелы. Эта мысль  отражена в «Божественной комедии»  Данте. Следы этих убеждений сохранились и до сих пор, ведь, говоря о небе и  находящихся там объектах, мы по-прежнему  употребляем слово «небеса».

Оттуда же берет начало выражение «седьмое небо», которое в наше время  обозначает наивысшее счастье? Видите ли, по мере перехода от сферы к сфере, удаляясь от Земли, блаженство увеличивается.  Поскольку существовали Луна, Солнце и пять планет, то наивысшая подвижная сфера  была седьмым небом.

Еще одно мистическое понятие, введенное Пифагором и его греческими  последователями и перешедшее в Средневековье,  заключалось в том, что, когда сферы двигались каждая со своей скоростью, они создавали некую божественную музыку, которую нельзя услышать простым смертным. Мы все еще говорим о «музыке небесных сфер»,  чтобы определить самую прекрасную гармонию.

НЕДОСТАТКИ НЕБЕСНЫХ СФЕР

Хотя теория о небесных сферах была красивой и стройной, у нее, к сожалению, были недостатки.

Если бы планеты были закреплены на сферах, вращавшихся вокруг Земли, то они должны были бы двигаться по  траекториям, представляющим собой идеальные  круги. И действительно, философ Платон  приблизительно в 380 г. до н. э. утверждал,  что небесные тела просто обязаны двигаться кругами, потому что круг — самая  симметричная и, следовательно, самая  идеальная кривая. Если бы планеты двигались но кругам, это просто было бы еще одним доказательством того, что на небесах все идеально. В течение почти 2000 лет после Платона астрономы усердно трудились,  пытаясь свести движение планет к кругам и комбинациям кругов.

До нынешнего дня траектория, но которой следует объект при движении в космосе,  называется «орбитой», от латинского слова, означающего «круг».

У этого красивого утверждения был  только один недостаток. При изучении  действительного движения планет оказалось бы, что они не просто движутся по окружностям.

Давайте, например, рассмотрим  движение Венеры. После Солнца и Луны она — самый яркий объект на небосводе. Иногда ее даже можно видеть днем в виде тусклой  точки света. Когда Солнце садится и его сияние меркнет, Венера становится действительно яркой, и ее можно видеть даже тогда, когда небо еще слишком светлое, чтобы на нем появились звезды.

Однако в этот момент Венера видна в небе на западе и остается там недолго. Она заходит за горизонт вскоре после Солнца. Поскольку ее видно только вечером, ее  часто называют «вечерней звездой».

На следующий вечер Венера снова  появляется в небе на западе и находится чуть выше над линией горизонта. И заходит она тоже позже. Каждым следующим вечером ома появляется все выше и выше, а заходит нее позже и позже. И наступает такой  момент, когда на закате она находится на  полпути до зенита и заходит только через тричаса после заката. Но это — самое большое, что делает Венера, когда находится в  максимальной элонгации.

После этого при каждом следующем  закате Венера оказывается чуть ниже на небе и  садится быстрее. В конце концов она  появляется так близко от Солнца на закате и садится так быстро, что ее вообще не видно. После этого в течение нескольких  месяцев в небе вообще нет «вечерней звезды». Однако в течение этого промежутка  времени Венера находится к западу от Солнца. Теперь она предшествует Солнцу в его  повседневном движении по небесам и восходит на востоке раньше его. Поэтому она видна уже на рассвете, перед восходом, и  становится «утренней звездой».

С каждым рассветом Венера восходит все раньше и раньше Солнца и поднимается все выше и выше над горизонтом на востоке, пока ее не затмевает взошедшее светило. Наконец наступает момент, когда она  восходит на целых три часа раньше Солнца и до рассвета успевает пройти половину пути к зениту.

Она опять находится на максимальной элонгации. После этого с каждым утром  Венера восходит все позже и имеет все  меньше возможности подниматься. В конце концов она восходит настолько поздно, что рассвет застает ее почти мгновенно и  планета теряется в его лучах. После этого в  течение нескольких месяцев на небе не бывает«утренней звезды», но возвращается  «вечерняя звезда». Весь цикл занимает 582 дня, больше полутора лет.

Поначалу греки даже думали, что  «вечерняя звезда» и «утренняя звезда» — это две разные планеты. Они называли «вечернюю звезду» Геспер (их слово «вечер»), а  «утреннюю звезду» — Фосфор (что значит  «несущая свет», поскольку после ее восхода близок солнечный рассвет).

Латинское слово, означающее «несущий свет», звучит как «Люцифер», и это  название можно применить к «утренней звезде». В Книге пророка Исайи в Библии Исайя упоминает царя Вавилона, которому  предрекает катастрофу. Он говорит: «Как упал ты с неба, денница, сын зари!», саркастически уподобляя царя «утренней звезде», потому что монарх считал себя стоящим намного выше простых людей.

В латинском переводе Библии слово «денница» было переведено как  «Люцифер». Позднее этот стих был истолкован как относящийся к дьяволу, который был самым светлым ангелом на небесах, но восстал и был низринут в бездну. Вот так имя  «утренней звезды» стало одним из имен дьявола.

Пифагор, который считал, что Земля круглая, был также первым греком,  который сказал, что Геспер и Фосфор — одна планета. Возможно, он узнал это во время своего путешествия по Египту. (Египтяне развили астрономию еще до греков. В некоторых вещах они превзошли и вавилонян. Например, египтяне точнее вавилонян  вычислили продолжительность года.)

Меркурий ведет себя так же, как Венера, только еще активнее. Он, конечно, далеко не такой яркий и никогда не поднимается на западе так высоко, как Венера. Меркурий проходит самое большее четверть пути до зенита и никогда не садится позже чем  через полтора часа после захода Солнца.  Поскольку Меркурий тусклее Венеры и ближе к Солнцу, то из всех планет его увидеть труднее всего.

Меркурий остается «вечерней звездой» не так долго, как Венера. Потом он  перемещается на западную сторону Солнца и превращается в «утреннюю звезду». Он опять-же тусклее Венеры, никогда не  восходит раньше, чем за полтора часа до  Солнца, и не поднимается к зениту выше, чем на одну четверть пути. Меркурий проходит весь цикл за 116 дней, или  приблизительно за четыре месяца.

Поначалу греки и Меркурий считали двумя планетами. Когда он был «вечерней звездой», его называли Гермесом, а  «утренней» — Аполлоном.

Теперь встает вопрос: если Меркурий и Венера закреплены на сферах, которые  вращаются вокруг Земли., то почему они не  движутся но небу независимо от Солнца, как это делают остальные планеты? Почему Меркурий и Венера вынуждены постоянно оставаться на определенном расстоянии от Солнца? Может быть, их сферы каким-то образом прикреплены к солнечной сфере, так что они не могут вращаться свободно?

Такая связь Меркурия и Венеры с  Солнцем показалась особенно важной одному греческому астроному, которого звали Гераклидом Понтийским. Он жил  приблизительно в 350 г. до н. э. и стал первым, кто заявил, что Земля вращается вокруг своей оси. Он также предположил, что Меркурий и Венера движутся не вокруг Земли, а  вокруг Солнца. Это объясняло бы, почему  кажется, что они всегда находятся рядом с Солнцем и движутся но небосводу в его  обществе. Однако его предположение не приняли.

НОВЫЕ ПРОБЛЕМЫ

Другие планеты — Марс, Юпитер и  Сатурн — вели себя не так, как Меркурий и Венера. Они могли находиться на любом расстоянии от Солнца, и их можно было видеть в любое время ночи, но в  определенные периоды года. Однако траектории этих планет загадали иные загадки.

Например, Марс не двигался плавно с запада на восток, как это делали Солнце и Луна. Некоторое время казалось, что он действительно это делает, но затем его  движение начинало замедляться день ото дня, а затем вовсе прекращалось. После этого в течение какого-то времени планета  начинала даже медленно двигаться в обратную сторону, с востока на запад! Такое  движение можно назвать попятным или  ретроградным, по латинскому слову,  означающему «ступать назад». По прошествии двух месяцев такого попятного движения Марс снова делал остановку, опять поворачивал и начинал снова двигаться в обычном  направлении.

Марс переходил в такое попятное  движение один раз в два года. С Юпитером и  Сатурном все обстояло еще хуже. Юпитер переходил на попятное движение каждые 13 месяцев, а Сатурн — каждые 12 1/2 месяца.

Как все это объяснялось? Конечно же сами небесные сферы не могли тормозить и время от времени поворачивать в обратную сторону. Это было бы изъяном в движении, а небеса безупречны.

Один греческий астроном предложил смелое объяснение. Это был Аристарх Самосский, живший через пятьдесят лет  после Гераклида Понтийского. Он был  согласен с Гераклидом относительно того, что Земля вращается вокруг своей оси и что Меркурий и Венера движутся вокруг  Солнца. Более того — он пошел дальше, и  именно это стало источником его смелой идеи. Примерно в 280 г. до н. э. он высказал предположение, что, хотя Луна вращается вокруг Земли, все остальные планеты и даже сама Земля (!) движутся вокруг  Солнца. Таким образом, как я покажу дальше в этой книге, было бы легко объяснить  попятное движение.

Эту теорию Аристарха греки никогда не признали. Они просто не видели в ней  логики. В конце концов, Земля представляла  собой громадную массу суши и воды шириной в много тысяч километров, а Солнце казалось всего лишь светящимся шаром примерно в греть метра в поперечнике. Как могла  огромная Земля летать в пространстве вокруг столь маленького объекта?

Чтобы опровергнуть этот довод,  Аристарх использовал методы геометрии, желая доказать, что на самом деле Солнце  больше, чем Земля, и подсчитал, что оно в семь раз больше Земли.

В своей оценке размера Солнца Аристарх сделал его слишком маленьким, но его геометрия теоретически была правильной. Как бы то ни было, греки ему не поверили. Великий философ Аристотель за  пятьдесят лет до этого с помощью множества философских доводов уже доказал, что Земля должна быть центром Вселенной, и авторитет Аристотеля победил. Позже  величайший греческий математик Архимед  упомянул об Аристархе, но только для того, чтобы с ним спорить. Греки  придерживались геоцентрической (с Землей в центре) модели Вселенной.

По правде говоря, даже странно, что с Аристархом ничего плохого не случилось. Примерно за двести лет до него греческий философ Анаксагор высказал  предположение, что Солнце — это раскаленная скала, которая может иметь диаметр примерно в сто восемьдесят километров. Его  привлекли к суду за нечестивость, и философ  покинул Афины, после того как был оправдан с очень небольшим перевесом голосов.

Однако с движением планет что-то  нужно было делать. Греки не могли  успокоиться, пока все не будет улажено; в этом состояло их отличие от остальных древних народов.

Например, вавилоняне и египтяне  знали, что Меркурий и Венера всегда  находятся на определенном расстоянии от  Солнца. Они также знали, что другие планеты демонстрируют попятное движение.  Однако все это их не беспокоило. С их точки зрения, планеты двигались так потому, что этого захотели боги, а людям не  полагалось задавать вопросы относительно воли богов.

Однако греки были убеждены в том, что даже боги подчиняются законам природы. Нот почему они были уверены, что где-то должно иметься решение. Должен  существовать строгий и логический способ объяснить странное движение планет.

Глава 3

ЗЕМЛЯ В ЦЕНТРЕ

СФЕРЫ НА СФЕРАХ

Первым греком, который попытался  отладить небесные сферы так, чтобы  движения планет поддавались объяснению без утери Землей положения в центре системы, стал Евдокс Книдский. Oн был учеником Платона, жил в одно время с Гераклидом Понтийским и Аристотелем и первым  определил продолжительность года с точностью до часа.

Чтобы объяснить, что именно сделал  Евдокс, представим себе сферу, которая  должна была удерживать Марс. Когда сфера Марса вращается, то делает это вокруг  некоей воображаемой оси. Эта ось выходит из противоположных сторон сферы на  полюсах. (В соответствии с тем же принципом мы считаем, что земная ось выходит —  разумеется, в воображении — на Северном и Южном полюсах Земли.)

Евдокс предположил, что эти полюса  закреплены в кристаллическом материале еще одной сферы, которая охватывает первую. Эта наружная сфера также вращается,  увлекая за собой внутреннюю. Поэтому  движение Марса представляет собой соединение двух вращательных движений. Происходит вращение внутренней сферы, на которой закреплен Марс, и наружной сферы, на  которой закреплены полюса внутренней  сферы. Обе сферы двигаются совершенно  равномерно по идеальным окружностям, так что небесная гармония не нарушается.  Однако соединение этих двух движений  создает впечатление, будто Марс движется  неравномерно.

Однако даже этого оказалось  недостаточно для того, чтобы полностью описать  движение Марса. Евдоксу пришлось добавить третью сферу, которая бы удерживала  полюса второй, и четвертую — для полюсов третьей. Все четыре двигались со своей  собственной скоростью и в своем направлении, а движение Марса, таким образом,  становилось результатом соединения четырех  совершенно идеальных вращений по кругу.

Для других планет тоже потребовалось но четыре сферы, но по системе Евдокса Солнцу и Луне нужно было всего по три. Солнце и Луна не совершают понятного  движения, но в их движении есть  неравномерность. На некоторых участках своего  вращения вокруг Земли они двигались чуть быстрее, чем в другие моменты. А когда они двигались быстрее, то при этом казались более крупными, чем когда двигались  медленно.

Например, в январе, когда Солнце  движется быстрее всего, его диаметр на три процента больше, чем в июле, когда оно движется медленнее всего. Это не такая уж большая разница, но она должна означать, что в июле Солнце находится от Земли на три процента дальше, чем в январе. Чтобы это объяснить, Евдоксу пришлось  использовать три сферы. Чтобы объяснить сходные изменения с Луной, ему пришлось и для нее использовать три сферы.

Всего, считая одну сферу для  неподвижных звезд, Евдокс в конце концов получил двадцать семь сфер, вращающихся в небе каждая по-своему. Его ученик, Калипи Кизический, добавил новые сферы, доведя их общее число до тридцати четырех.  Аристотель сделал новые добавления, так что их стало пятьдесят четыре.

СФЕРЫ ВНУТРИ СФЕР

К несчастью, все эти сферы начали  загромождать небеса. И чем дальше, тем хуже. По мере того как движения планет  измерялись все более и более точно, различные сферы с их разделениями и вращениями приходилось постоянно регулировать.  Стало ясно, что нужно нечто лучшее, чем все новые и новые сферы.

Это «нечто лучшее» впервые ввел  Аполлоний Пергский, живший примерно через сто пятьдесят лет после Евдокса.  Приблизительно в 225 г. до н. э. Аполлоний  предложил вернуться к единой сфере для каждой планеты. Он предположил, что, хотя эти сферы движутся вокруг Земли, центр их вращения не лежит точно в центре этой  планеты. Другими словами, они движутся не вокруг самого центра Земли. Эти сферы были расположены эксцентрически. (Слово «эксцентрический» происходит из  греческого языка и означает «вне центра».)

Это объясняло основные отклонения в движениях Солнца и Луны. Если сферы Солнца и Луны расположены  эксцентрически, тогда во время половины своего  оборота Солнце и Луна будут немного ближе к Земле, чем по время второй половины.  Когда они находятся ближе, они кажутся чуть более крупными и движутся чуть быстрее. Когда они находятся дальше, они  становятся меньше и движутся медленнее.

Планеты потребовали более сложного подхода. Аполлоний заявил, что их  движение действительно было результатом  комбинации различных других вращений, однако это не было вращением сфер вокруг других сфер, как придумал Евдокс. Вместо этого Аполлоний предположил, что на  поверхности больших сфер закреплены маленькие.

Большая сфера, главная, которая несла на себе планету (например, Марс), была деферентом (от латинского слова,  означавшего «носитель», потому что она несла  меньшую сферу). Меньшая сфера, закрепленная на деференте, была эпициклом (от  греческих слов, означавших «вращаться на»,  потому что она была малым кругом на  большом).

Аполлоний объявил, что центр эпицикла передвигается деферентом вокруг Земли ровным круговым движением, но Марс  расположен не в центре эпицикла, а на его  поверхности; при этом эпицикл вращается  собственным круговым движением.

Это позволило объяснить тот факт, что планеты в течение года меняли свою  яркость. Например, Марс в какие-то периоды бывает ярче Юпитера, а в другие — тусклее Меркурия. И действительно: когда Марс оказывается в той части эпицикла, которая находится ближе к Земле, он кажется более ярким. А когда он пребывает в части, более удаленной от Земли, то становится тусклее.

Кроме того, при вращении эпицикла  внешняя часть будет двигаться в том же  направлении, что и деферент. Однако  внутренняя часть будет совершать обратное, или попятное, движение. Поскольку эпицикл движется быстрее деферента, обратное  движение его внутренней части будет более чем компенсировать движение деферента  вперед. Когда Марс находится на этой  внутренней части, он должен совершать попятное движение.

Конечно, это должно означать, что  всякий раз, когда Марс оказывается на  внутренней части, он будет как находиться в понятном движении, так и казаться ярким. И действительно было так. Конечно, в  течение некоторых периодов попятного  движения Марс не казался таким же ярким, как в другие подобные периоды, но это можно было объяснить с помощью эксцентрического размещения его сферы или введением  дополнительного эпицикла.

Ту же систему можно было использовать для Юпитера и Сатурна, чтобы объяснить их понятное движение. В случае с  Меркурием и Венерой эпициклы расположены таким образом, что внутренняя часть будет  замедлять их настолько, что они никогда не  смогут значительно обогнать Солнце. Тем временем наружная часть будет их  ускорять, не давая сильно отстать от Солнца.

Выбор размера эпицикла (или  эпициклов) и скорости его движения позволяли объяснить движения планет, включая их основные отклонения. Расчеты, которые были необходимы, чтобы таким образом предсказывать движение планет, были  довольно сложными, но греков это не  смущало. Главным было то, что Земля оставалась в центре, а деферент и эпициклы были  идеальными кругами, двигавшимися с  безупречной равномерностью. Безупречность  небес сохранялась. Это было главным.

ПОСЛЕДНЕЕ СЛОВО ГОВОРИТ ПТОЛЕМЕЙ

После Аполлония греки не вносили круп- пых изменений в свою астрономическую  систему. Они сохранили геоцентрическую  теорию, небесные сферы и систему эпициклов. Единственное, что они делали, — вносили небольшие поправки, когда это оказывалось необходимым.

Например, Гиппарх Никейский,  изучавший движение Солнца и Луны примерно в 150 г. до н. э., решил, что систему  Аполлония необходимо немного подправить. Он развил теорию эксцентрического  расположения, представив себе, что центр, вокруг  которого движутся Солнце и Луна, не стоит на месте. Он вращается по кругу вокруг  центра Земли, совершая полный оборот раз в девять лет, — и, конечно, перемещает всю свою сферу.

Гиппарх также тщательно продумал  геометрию такой системы и создал формулы для вычисления положения планет в  прошлом и будущем. Это стало подлинным  концом для таких радикалов, как Гераклид и Аристарх, которым хотелось, чтобы  небесные тела двигались вокруг Солнца. Гиппарх так удачно разработал геометрию  геоцентрической теории, что она устроила всех. Зачем идти на безумные трудности, предполагая, что огромная Земля летит сквозь космос, только для того, чтобы немного упростить вычисления?

Окончательную форму геоцентрической теории придал греческий математик  Клавдий Птолемей (которого обычно называют просто Птолемеем). Он жил в Александрии, в Египте, между 125-м и 150 гг. н. э. Птолемей принял за основу работу Гиппарха, введя в нее дополнительные  поправки. Например, он добавил эпицикл к сфере Луны и заставил его немного колебаться (то есть двигаться туда и обратно). Таким  образом ему удалось наконец определить  движение Луны точнее, чем когда бы то ни было прежде.