
Галилей не просто посмотрел в телескоп и мгновенно доказал, что Земля движется вокруг Солнца. Доказательства гелиоцентризма складывались на протяжении веков: из ретроградных петель Марса, фаз Венеры, поразительно точных эллипсов Кеплера, теории тяготения Ньютона и крошечного ежегодного смещения звёзд. Вот как астрономы постепенно поймали Землю в движении.
Солнце восходит на востоке, пересекает небо и заходит на западе.
Звёзды делают то же самое. И Луна тоже. Даже планеты, хотя они блуждают по небу менее предсказуемо, кажутся движущимися по небосводу, устроенному вокруг нас.
А земля под ногами тем временем кажется совершенно неподвижной.
Если бы у вас не было космических аппаратов, современной физики и унаследованных знаний о Солнечной системе, какой вывод показался бы вам более естественным?
Что Земля вращается со скоростью более тысячи километров в час вблизи экватора и одновременно несётся вокруг Солнца почти со скоростью тридцать километров в секунду?
Или что Земля остаётся неподвижной, пока небеса движутся над ней?
На протяжении большей части человеческой истории второй ответ вовсе не был глупым. Именно его подсказывал повседневный опыт.
Великая загадка заключалась не только в том, почему астрономы предпочли схему с Солнцем в центре. Она состояла в том, как им удалось узнать, что движется сама Земля.
Это важное различие. В центре схемы можно поместить любой объект. Можно нарисовать Солнечную систему с неподвижной Землёй посередине, если заставить всё остальное двигаться вокруг неё по достаточно сложным траекториям.
Более трудный вопрос относится уже к физике:
Какое тело в действительности ускоряется и какие наблюдения позволяют обнаружить его движение?
Не было одной-единственной ночи, когда астроном посмотрел в небо и разом разрешил этот вопрос. Доказательства появлялись постепенно. Каждое открытие лишало старую картину мира ещё одного укрытия, пока движение Земли не стало не просто правдоподобным, но и измеримым.
Древняя геоцентрическая модель Вселенной опиралась не только на внешнюю видимость.
Согласно физике Аристотеля, тяжёлая материя естественным образом двигалась к центру мироздания. Камни падали на Землю. Дождь падал на Землю. Подброшенные предметы возвращались на Землю. Поэтому было вполне разумно заключить, что Земля занимает естественное центральное положение, к которому стремятся тяжёлые вещества.
Существовало и очевидное возражение против идеи движущейся планеты.
Если Земля вращается, почему люди не чувствуют этого движения? Почему птицы не отстают от движущейся под ними поверхности? Почему предмет, брошенный с башни, падает у её основания, а не далеко в стороне?
Если Земля движется вокруг Солнца, почему звёзды не смещаются при изменении нашей точки наблюдения?
Это были хорошие вопросы. Для ответа на них требовались представления об инерции, огромных астрономических расстояниях и точности измерений, которыми древние наблюдатели ещё не располагали.
Ко II веку нашей эры Клавдий Птолемей разработал сложную математическую модель мироздания с Землёй в центре. Планеты двигались вокруг неё не просто по отдельным окружностям. Они двигались по малым окружностям, называемым эпициклами, центры которых, в свою очередь, перемещались по более крупным траекториям.
Получившаяся система была сложной, но достаточно хорошо предсказывала положение планет.
Поэтому геоцентризм был не просто верованием, сохранившимся лишь потому, что никто не удосужился его проверить. Это была работающая астрономическая модель.
Самое серьёзное испытание для неё исходило от самих планет.
Если наблюдать за Марсом на протяжении нескольких месяцев, обычно можно увидеть, как он медленно смещается в одном направлении относительно фоновых звёзд.
Но затем происходит нечто странное.
Марс замедляется. Останавливается. Начинает двигаться назад. Описав часть петли, он снова останавливается и возобновляет движение в прежнем направлении.
Это называется ретроградным движением.
В действительности Марс не нажимает на тормоза и не начинает двигаться по своей орбите задним ходом. Разворот возникает из-за изменения нашей собственной точки наблюдения.
Земля обращается вокруг Солнца по меньшей и более быстрой орбите. Когда она догоняет и обгоняет Марс, направление нашего взгляда смещается назад относительно далёких звёзд. Поэтому на некоторое время кажется, будто Марс движется в обратную сторону, — подобно тому как более медленный автомобиль может казаться скользящим назад, когда вы обгоняете его на шоссе.
Ключевую роль играет не положение Марса относительно Солнца, а положение Марса относительно движущейся Земли:
\[ \mathbf{r}_{\text{наблюдаемое}} = \mathbf{r}_M-\mathbf{r}_E. \]
По мере изменения обоих векторов направление \(\mathbf{r}_{\text{наблюдаемое}}\) иногда начинает смещаться по небу в обратную сторону.
Это объяснение также предсказывает, когда должен возникать такой эффект. Ретроградная петля внешней планеты наблюдается вблизи противостояния, когда Земля проходит между этой планетой и Солнцем.
Время этого события можно вычислить.
Предположим, Земля совершает один оборот за время \(T_E\), а другая планета — за время \(T_P\). Промежуток между повторяющимися взаимными положениями называется синодическим периодом:
\[ \frac{1}{T_{\text{син}}} = \left| \frac{1}{T_E} - \frac{1}{T_P} \right|. \]
Марс совершает один оборот примерно за \(1{,}881\) земного года. Подставив \(T_E=1\) год, получим:
\[ T_{\text{син}} \approx 2{,}14\ \text{года}, \]
или около 780 дней.
Примерно столько времени проходит между последовательными противостояниями и ретроградными петлями Марса.
Это прекрасный успех гелиоцентризма. Странная петля больше не выглядит дополнительным манёвром, который выполняет сам Марс. Она становится зрительным результатом того, что Земля его обгоняет.
Однако доказательством это ещё не было.
Эпициклы Птолемея также могли воспроизводить ретроградное движение. Достаточно изобретательная геоцентрическая модель могла повторить путь, наблюдаемый на небе.
Петля Марса делала идею движущейся Земли привлекательной, но ещё не делала её неизбежной.
В 1543 году Николай Коперник опубликовал труд «О вращении небесных сфер».
В его системе Солнце находилось вблизи центра известного мира планет. Земля один раз в сутки вращалась вокруг своей оси и один раз в год совершала оборот вокруг Солнца.
При таком переустройстве небес сразу несколько закономерностей сложились в единую картину.
Меркурий и Венера всегда остаются на небе недалеко от Солнца, потому что их орбиты находятся внутри орбиты Земли. Они никогда не могут оказаться на противоположной от Солнца стороне неба, поскольку никогда не выходят за пределы нашей орбиты.
Марс, Юпитер и Сатурн могут оказаться напротив Солнца, потому что Земля способна пройти между ними и Солнцем.
Их обратные петли возникают, когда Земля их обгоняет.
Порядок планет больше не был произвольной последовательностью небесных сфер. Он следовал из наблюдаемого движения планет.
Коперник даже мог оценить относительные размеры планетных орбит, не зная расстояний до них в километрах.
Венера никогда не удаляется на небе от Солнца более чем примерно на \(47^\circ\). В момент наибольшего видимого удаления, называемого наибольшей элонгацией, луч зрения от Земли к Венере приблизительно касается её орбиты по касательной.
В упрощённой модели круговых орбит, лежащих в одной плоскости, образуется прямоугольный треугольник с прямым углом у Венеры:
\[ \sin\varepsilon_{\max} = \frac{a_V}{a_E}, \]
где \(a_V\) — радиус орбиты Венеры, а \(a_E\) — радиус орбиты Земли.
Если принять \(\varepsilon_{\max}\approx47^\circ\), то
\[ \frac{a_V}{a_E} \approx \sin 47^\circ \approx 0{,}73. \]
Современное значение составляет около \(0{,}72\).
Даже не зная абсолютного масштаба Солнечной системы, астрономы могли заключить, что орбита Венеры составляет примерно три четверти размера земной орбиты.
Однако у первоначальной модели Коперника был недостаток. Коперник по-прежнему придерживался идеи совершенного кругового движения. Для точного описания планет его системе всё ещё требовались комбинации окружностей, и по точности предсказаний она не сразу значительно превзошла модель Птолемея.
Она предлагала более связное устройство небес, но одной лишь связности было недостаточно, чтобы установить, движется ли Земля физически.
А затем появился телескоп.
В 1609 и 1610 годах Галилео Галилей направил усовершенствованный телескоп на небо.
Луна оказалась не безупречной небесной сферой. На ней были горы, тени и кратеры.
Солнце не было незапятнанным. На нём существовали пятна.
Млечный Путь распался на огромное множество звёзд.
А рядом с Юпитером Галилей обнаружил четыре маленькие точки света, которые постоянно меняли положение, оставаясь вблизи планеты.
Это были спутники.
Открытие разрушало одно из основных предположений прежней картины мира. Не всё обращалось непосредственно вокруг Земли. У Юпитера была собственная небольшая система.
Оно также отвечало на одно из распространённых возражений против движущейся Земли. Критики утверждали, что, если бы Земля летела сквозь пространство, она могла бы оставить Луну позади. Но Юпитер двигался вместе с четырьмя своими спутниками. Движущаяся планета могла сохранять обращающиеся вокруг неё тела.
И всё же спутники Юпитера не доказывали, что Земля обращается вокруг Солнца.
Они показывали, что Вселенная не устроена в виде простейшей иерархии с Землёй в центре. Они ослабили старую архитектуру мироздания, но ещё не заменили её новой.
Решающий телескопический удар по традиционной системе Птолемея нанесла Венера.
При наблюдении в телескоп Венера проходит через фазы, во многом напоминающие фазы Луны.
Иногда она выглядит как тонкий серп. В другое время освещена наполовину, имеет выпуклую форму или выглядит почти полной.
Видимая освещённая доля зависит от угла между Солнцем, Венерой и Землёй. Если этот фазовый угол равен \(\alpha\), то
\[ f = \frac{1+\cos\alpha}{2}. \]
Однако геометрия здесь важнее формулы.
У почти полной Венеры большая часть освещённого Солнцем полушария должна быть обращена к Земле. Это возможно только тогда, когда Венера находится по другую сторону Солнца относительно нас.
Но в классической системе Птолемея Венера всегда оставалась между Землёй и Солнцем. Она могла выглядеть как серп, но не могла пройти за Солнце и стать почти полной.
Галилей наблюдал именно это.
Традиционная система Птолемея была ошибочной.
Венера должна была обращаться вокруг Солнца.
Это была крупная победа, но оставался ещё один путь к отступлению.
Тихо Браге, один из величайших наблюдателей неба дотелескопической эпохи, предложил гибридную систему.
Земля оставалась неподвижной в центре. Солнце двигалось вокруг Земли. Но Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн обращались вокруг Солнца.
Такая система могла объяснить фазы Венеры. Она объясняла, почему Меркурий и Венера оставались вблизи Солнца. Она могла воспроизводить относительные движения планет.
Более того, если учитывать только наблюдаемое положение Солнца и планет, систему Тихо Браге и систему Коперника можно сделать почти геометрически эквивалентными.
Разница состоит лишь в том, какой объект мы решаем считать неподвижным.
Представьте, что вы снимаете на видео двух танцоров, кружащихся друг вокруг друга. Изображение можно стабилизировать относительно любого из них. В одном варианте первый танцор остаётся неподвижным, а второй движется вокруг него. В другом неподвижным остаётся второй, а движется первый.
Относительная картина может выглядеть одинаково.
Именно эту проблему Галилей не решил.
Его наблюдения показывали, что старая система Птолемея не может быть правильной. Они устанавливали, что Венера обращается вокруг Солнца и что во Вселенной существуют другие центры движения.
Но они не доказывали напрямую, что движется Земля.
Чтобы выбрать между Коперником и Тихо Браге, астрономии требовалась не просто более удачная схема. Ей была нужна теория движения.
Но сначала ей требовались более точные орбиты.
Тихо Браге десятилетиями записывал положения планет с необычайной точностью.
После смерти Тихо Иоганн Кеплер получил доступ к значительной части его данных. Особое внимание он уделил Марсу, траектория которого упорно не поддавалась расчётам, основанным на совершенных окружностях.
Расхождение было невелико: около восьми угловых минут в одной из важнейших частей орбиты. Одна угловая минута равна одной шестидесятой градуса.
Эту разницу легко было бы списать на погрешность наблюдений.
Но Кеплер этого не сделал.
Восемь угловых минут заставили его отказаться от геометрического идеала, определявшего астрономию почти две тысячи лет.
Планеты двигались не по совершенным окружностям.
Они двигались по эллипсам, в одном из фокусов которых находилось Солнце.
Эллиптическую орбиту можно записать как
\[ r(\theta) = \frac{a(1-e^2)} {1+e\cos\theta}, \]
где \(a\) — большая полуось, а \(e\) — эксцентриситет.
Орбиты большинства планет близки к круговым, но не являются идеально круглыми. Этого небольшого отклонения было достаточно, чтобы объяснить упорное расхождение в расчётах движения Марса.
Кеплер обнаружил ещё две закономерности.
Планета движется быстрее, когда находится ближе к Солнцу, и медленнее, когда удаляется от него. Линия, соединяющая планету с Солнцем, за равные промежутки времени заметает равные площади:
\[ \frac{dA}{dt} = \text{const}. \]
Он также обнаружил соотношение, связывающее период обращения каждой планеты с размером её орбиты:
\[ T^2 \propto a^3. \]
Для Марса, период обращения которого составляет примерно \(1{,}881\) года,
\[ a_M \approx T_M^{2/3} \approx 1{,}52\ \text{а. е.} \]
Таким образом, если измерять расстояния по большим полуосям орбит, Марс находится от Солнца примерно в \(1{,}52\) раза дальше, чем Земля.
Законы Кеплера совершили нечто принципиально важное. Они не просто описывали каждую планету по отдельности. Они объединяли все планеты в общую математическую систему, организованную вокруг Солнца.
Солнце не просто находилось в центре рисунка. С ним были связаны скорости, расстояния и периоды обращения всех планет.
И всё же законы Кеплера оставались описаниями.
Почему эллипсы? Почему равные площади? Почему \(T^2\) должно быть пропорционально \(a^3\)?
Ответ должен был превратить гелиоцентрическую систему из удобного выбора координат в физически отличную картину мира.
Исаак Ньютон предположил, что всякая масса притягивает всякую другую массу.
Сила гравитационного взаимодействия между двумя телами равна
\[ F = G\frac{Mm}{r^2}. \]
Та же физика, которая притягивает яблоко к Земле, притягивает Луну к Земле, а Землю — к Солнцу.
Для планеты на почти круговой орбите гравитационное ускорение, создаваемое Солнцем, равно
\[ a = \frac{GM_\odot}{r^2}. \]
Ускорение, необходимое для движения тела по окружности, равно
\[ a = \frac{4\pi^2r}{T^2}. \]
Приравняв эти выражения, получаем
\[ T^2 = \frac{4\pi^2}{GM_\odot}r^3. \]
Третий закон Кеплера следует из закона тяготения.
Планеты движутся по взаимосвязанным орбитам, потому что всеми ими управляет одна и та же центральная сила. Солнце занимает господствующее динамическое положение, поскольку в нём заключена почти вся масса Солнечной системы.
Именно здесь картины Коперника и Тихо Браге перестают быть одинаково естественными.
По-прежнему можно выбрать систему координат, связанную с Землёй. Физика не запрещает использовать неудобные системы координат. Но в такой системе остальные тела Солнечной системы движутся по сложным траекториям, для объяснения которых приходится вводить дополнительные кажущиеся силы.
В системе отсчёта с началом вблизи центра масс Солнечной системы движение подчиняется одному компактному закону тяготения.
Природе безразлично, где мы поставим начало координат на карте. Но одни системы координат раскрывают лежащую в основе движения динамику гораздо яснее других.
Ньютон также исправил простейшую версию гелиоцентризма.
Земля не обращается вокруг совершенно неподвижного Солнца. Земля и Солнце оба движутся вокруг общего центра масс, называемого барицентром.
Поскольку масса Солнца примерно в \(333{,}000\) раз превышает массу Земли, этот барицентр находится глубоко внутри Солнца.
Если учитывать все планеты, особенно массивные Юпитер и Сатурн, барицентр Солнечной системы смещается и иногда может находиться за пределами видимой поверхности Солнца.
Таким образом, современная картина не сводится к тому, что каждый объект обращается вокруг неподвижной золотой точки в точном центре Солнца.
Вся Солнечная система участвует в гравитационной хореографии вокруг движущегося общего центра, причём Солнце играет главную роль, поскольку оно намного массивнее всех остальных участников.
Ньютон сделал движение Земли по орбите физически убедительным.
Но астрономам всё ещё хотелось получить ещё более прямое свидетельство.
Можно ли обнаружить движение Земли, не выводя его из траекторий и сил, действующих на планеты?
Можно ли поймать в движении самого наблюдателя?
Задолго до Коперника противники идеи движущейся Земли выдвигали весомое возражение.
Если Земля в течение года меняет положение, близкие звёзды должны смещаться относительно более далёких.
Поднимите палец перед лицом. Закройте сначала один глаз, затем другой. Палец скачком сместится относительно фона, поскольку изменилась точка наблюдения.
Земля должна создавать такой же эффект, но в неизмеримо большем масштабе. Наблюдения, проведённые с интервалом в полгода, выполняются с противоположных сторон земной орбиты, разделённых почти 300 миллионами километров.
Ожидаемое угловое смещение называется годичным звёздным параллаксом.
Для близкой звезды на расстоянии \(d\) угол параллакса \(p\) приблизительно равен
\[ p \approx \frac{1\ \text{а. е.}}{d}. \]
Первоначально астрономам не удавалось наблюдать это смещение.
Для геоцентристов его отсутствие выглядело свидетельством того, что Земля неподвижна.
Для гелиоцентристов оно означало, что звёзды должны находиться гораздо дальше, чем кто-либо предполагал.
Именно этот ответ оказался правильным. Звёзды были настолько далеки, что их параллаксы оставались меньше величин, которые могли надёжно измерить ранние инструменты.
Это была замечательная ставка. Чтобы сохранить идею движущейся Земли, пришлось сделать Вселенную невообразимо больше.
Прямое измерение наконец появилось в XIX веке. В 1838 году Фридрих Бессель измерил годичный параллакс звезды 61 Лебедя.
Орбита Земли превратилась в геодезический базис. Крошечное ежегодное колебание звезды обнаруживало изменение положения, из которого за ней наблюдали.
Но к тому времени другой эффект уже успел выдать скорость Земли.
В 1720-х годах Джеймс Брэдли обнаружил, что звёзды описывают на небе крошечные годичные фигуры.
Эффект, получивший название аберрации света, возникает из сочетания движения Земли и конечной скорости света.
Классическая аналогия использует дождь.
Если стоять неподвижно под вертикально падающим дождём, кажется, что капли летят строго вниз. Но если побежать, они начинают падать под углом, и зонт приходится наклонять вперёд.
Направление дождя относительно земли не изменилось. Это ваше движение изменило направление, с которого капли достигают вас.
Нечто подобное происходит и со звёздным светом. Поскольку Земля движется в сторону, пока свет летит к ней, видимое направление на звезду слегка смещается.
Если орбитальная скорость Земли равна \(v_E\), а скорость света — \(c\), то максимальный угол аберрации приблизительно равен
\[ \kappa \approx \frac{v_E}{c}. \]
При
\[ v_E \approx 29{,}8\ \text{км/с} \]
получается угол около
\[ \kappa \approx 20{,}5'' \]
или 20,5 угловой секунды.
Направление этого смещения меняется на протяжении года вместе с направлением орбитальной скорости Земли.
Аберрация была не просто ещё одним успешным предсказанием планетной схемы с Солнцем в центре. Это был эффект, создаваемый движением самого наблюдателя.
Телескоп путешествовал вместе с Землёй, и падающий в него свет выдавал это путешествие.
Не существовало одного наблюдения, которое решило бы все части задачи.
Каждое отвечало за отдельную часть доказательства.
Ретроградное движение показало, как обратные петли планет естественно возникают при движении Земли, хотя эпициклы могли их имитировать.
Спутники Юпитера показали, что не всё обращается вокруг Земли.
Фазы Венеры опровергли классическую систему Птолемея и установили, что Венера обращается вокруг Солнца.
Гибридная система Тихо Браге продемонстрировала, что одни лишь эти фазы ещё не доказывали движение Земли.
Законы Кеплера показали, что движение планет подчиняется единой системе математических соотношений, организованной вокруг Солнца.
Ньютоновская теория тяготения объяснила, почему существуют эти соотношения и почему Солнце занимает господствующее динамическое положение.
Аберрация света обнаружила изменение скорости земного наблюдателя.
Звёздный параллакс обнаружил изменение положения Земли в течение года.
Ни один свидетель не раскрыл дело в одиночку.
Марс предоставил мотив. Венера разрушила алиби. Кеплер восстановил маршрут. Ньютон установил действующую силу. И наконец звёзды поместили Землю на место происшествия.
Конфликт Галилея с Католической церковью часто сводят к простой истории: Галилей доказал, что Земля обращается вокруг Солнца, религиозные власти отказались взглянуть на доказательства, и наука победила суеверие.
Реальная история была запутаннее.
Церковные учёные действительно подтвердили многие телескопические наблюдения Галилея. Существование спутников Юпитера и фаз Венеры не отрицалось всеми без исключения людьми вокруг него.
Спор касался того, что именно устанавливали эти наблюдения, каким образом следовало представлять гелиоцентризм и как нужно было толковать отрывки Священного Писания, которые традиционно понимались в геоцентрическом смысле.
В 1616 году Галилею было предписано не защищать гелиоцентризм как установленную физическую истину. В 1632 году он опубликовал «Диалог о двух главнейших системах мира», в котором явно отдавал предпочтение системе Коперника.
В 1633 году инквизиция признала его «сильно заподозренным в ереси». Его заставили отречься от защиты идеи движения Земли, а остаток жизни он провёл под домашним арестом.
Галилей защищал в основном правильную картину мира, но не располагал тем окончательным доказательством, которое позднейшая легенда часто ему приписывает.
Его собственное физическое доказательство было связано с океанскими приливами. Он считал, что их движение возникает из совместного вращения Земли вокруг своей оси и её движения по орбите. Это объяснение было ошибочным. Приливы возникают прежде всего под действием гравитационного влияния Луны, а Солнце вносит дополнительный вклад.
Подлинное достижение Галилея заключалось не в том, что он в одиночку завершил доказательство.
Он изменил сам характер вопроса.
Устройство небес больше нельзя было определять лишь с помощью унаследованной философии или геометрической красоты. Новые инструменты позволяли напрямую расспрашивать небо. Планеты могли демонстрировать фазы. За спутниками можно было наблюдать во время их движения по орбитам. Утверждения о Вселенной могли столкнуться с наблюдениями, недоступными древнему миру.
Галилей не завершил дело.
Он сделал прекращение расследования невозможным.
В системе координат, связанной с Землёй, Солнце действительно движется вокруг нас.
Мы ежедневно пользуемся таким описанием. Восход, закат, полдень и путь Солнца по небу — всё это способы говорить с точки зрения Земли.
В выборе Земли в качестве начала координат нет ничего математически недопустимого.
Но координатное описание — не то же самое, что физическое объяснение.
Полезный вопрос состоит не просто в том, что движется относительно точки, которую мы решили считать неподвижной.
Он звучит так:
При такой постановке вопросов Земля теряет своё привилегированное положение.
Она вращается вокруг своей оси. Вместе с Луной она движется вокруг их общего барицентра. Эта пара обращается вокруг барицентра Солнечной системы, расположенного вблизи Солнца. Само Солнце движется под влиянием планет и вместе со всей Солнечной системой путешествует по Млечному Пути.
Ничто не остаётся совершенно неподвижным.
Старая геоцентрическая картина казалась естественной, потому что мы пытались понять движущуюся систему, стоя на одной из её движущихся частей.
Мы были пассажирами, пытавшимися восстановить устройство железной дороги изнутри поезда.
Подсказки всегда находились перед глазами, но были разбросаны: обратная петля Марса, меняющийся облик Венеры, неодинаковая скорость планет, угол падения звёздного света и едва заметное ежегодное смещение звёзд.
По отдельности каждая улика оставляла пространство для споров.
Вместе они показали, что Земля никогда не была неподвижным полом мироздания.
Она была ещё одним миром в полёте.
Commenti
0 commenti
Accedi per partecipare alla conversazione.
Nessuno ha ancora risposto. I commenti appariranno qui quando iniziera la conversazione.