Космические рубежи теории относительности

Система мира Птолемея просуществовала более тысячи лет как истинная картина физической реальности. Столь долго не продержалась ни одна другая система взглядов в астрономии. Однако, когда надёжность и точность астрономических наблюдений возросли, стало совершенно ясно, что для получения правильных результатов систему Птолемея необходимо изменить. Но её усовершенствование обычно сводилось к предположениям, что по эпициклам движутся дополнительные эпициклы. В конце концов в системе стало так много разных круговых путей, по которым со всевозможными скоростями обращались планеты, что геоцентрическая система мира оказалась под угрозой развалиться под тяжестью собственной сложности. Назрело время для радикальной перемены в нашем мышлении.

В III в. до н. э. Аристарх Самосский выдвинул гипотезу, что Вселенная окажется несравненно проще, если принять, что в её центре находится Солнце, а Земля наравне с другими планетами обращается вокруг него. То, что такая система способна объяснить сложное движение планет, легко увидеть на рис. 4.3. Когда Земля обгоняет медленно движущуюся внешнюю планету, та как бы приостанавливает своё обычное (прямое) движение на восток и начинает попятное движение среди звёзд, очерчивая петлю на небе. Хотя такая гелиоцентрическая картина мира позволяла упростить объяснение движения планет, она была отвергнута древними астрономами как лишенная основания, ибо требовала движения Земли вокруг Солнца.

РИС. 4.3. Гелиоцентрическая система мира. Видимое движение планет на небосводе может быть без труда объяснено движением Земли вокруг Солнца. Как видно из рисунка, когда Земля обгоняет медленнее движущуюся внешнюю планету, то кажется, что эта планета сначала останавливается в своем движении, а затем на некоторое время начинает смещаться вспять.

РИС. 4.4. Николай Коперник (1473-1543).

В конце эпохи Возрождения благодаря труду Николая Коперника (рис. 4.4) произошло, наконец, подлинное возрождение гелиоцентрической системы мира. В отличие от Аристарха, который лишь высказал общую идею, Коперник кропотливо разработал все математические детали гелиоцентрической системы и показал, что её действительно можно положить в основу точного предвычисления положений планет. К сожалению, Коперник в своей работе продолжал пользоваться круговыми орбитами, и в итоге для точного описания движений планет пришлось включить эпициклы. Однако если в наиболее полной формулировке системы Птолемея требовалось в общей сложности 79 окружностей, то гелиоцентрическая система Коперника для достижения такой же степени точности требовала лишь 34 окружности.

Несмотря на противодействие со стороны церкви, гелиоцентрическая гипотеза начала постепенно завоевывать признание. Она была подтверждена наблюдениями в Италии, где Галилео Галилей, пользуясь изобретенным им телескопом, открыл фазы Венеры и четыре самых больших спутника Юпитера. Его наблюдения показали, что вокруг других планет обращаются небесные тела, а не только вокруг Земли. В частности, единственном разумным объяснением существования фаз Венеры было признание того, что она обращается вокруг Солнца (рис. 4.5).

РИС. 4.5. Фазы Венеры. Галилей обнаружил, что у Венеры, как и у Луны, происходит смена фаз. Такой вид Венеры при взгляде в телескоп можно объяснить, если учесть, что она обращается вокруг Солнца, а не Земли.

Тем временем в Северной Европе молодой талантливый астроном Иоганн Кеплер (рис. 4.6) пытался описать орбиты планет при помощи более сложных, чем окружности, кривых. Учитель Кеплера, Тихо Браге, накопил за два десятилетия исключительно точные наблюдения планет. Анализируя эти данные, Кеплер пришел к заключению, что любая система, опирающаяся на эпициклы, в корне порочна. Современная астрономия берет своё начало от гениального решения испробовать в качестве орбит разные кривые.

РИС. 4 6. Иоганн Кеплер (1571-1630).

После многих проб и ошибок Кеплер пришел к выводу, что движение планет может быть очень точно описано в предположении, что их орбиты - эллипсы. Эту кривую легко нарисовать, если взять две кнопки, нитку и карандаш; остальное см. на рис. 4.7. Острия кнопок соответствуют фокусам эллипса. Фундаментальное открытие Кеплера, называемое теперь первым законом Кеплера, состоит в утверждении, что любая планета движется вокруг Солнца по эллиптической орбите с Солнцем в одном из фокусов. Второй закон Кеплера описывает скорость движения планеты по эллипсу, а третий задаёт связь между размерами этой эллиптической орбиты и периодом времени, за которое планета завершает полный оборот.

РИС. 4.7. Эллипс. Его можно вычертить, воспользовавшись двумя кнопками и петлей из нитки.

РИС. 4.8. Исаак Ньютон (1643-1727).