3. И. Кеплер: открытие тайны планетных орбит
В 1580 г. в Дании на островке Вен (в 20 км от Копенгагена) была построена невиданная еще астрономическая обсерватория, названная “Небесным замком” (“Ураниборгом”). Инициатором и организатором строительства обсерватории и новых огромных инструментов для астрономических наблюдений (квадрант радиусом в 2 метра, точность которого доходила до 1 / 6 ' , сектанта для измерения угловых расстояний между звездами, большого небесного глобуса и др.) был Тихо Браге (1546 – 1601), датский дворянин, посвятивший свою жизнь не воинским подвигам, а служению “Богине Неба” – Урании.
Первое выдающееся открытие Тихо Браге сделал еще в 1572 году, когда с помощью наблюдений над вспыхнувшей яркой звездой в созвездии Кассиопеи показал, что это вовсе не атмосферное явление (как считалось в соответствии с аристотелевой картиной мира), но что это удивительное изменение произошло в сфере (считавшихся неподвижными) звезд. (Впоследствии выяснилось, что эта звезда была сверхновой). Более двух десятков лет провел Т. Браге в Ураниборге, определяя положение небесных объектов с удивительной точностью, если помнить, что тогда не знали еще телескопов и других оптических инструментов.
Тихо Браге был блестящим астрономом-наблюдателем, но не теоретиком. Это и мешало ему воспринять учение Коперника. Однако Браге ощущал и недостатки птолемеевской геоцентрической системы. Поэтому им была разработана система, занимавшая промежуточное место между геоцентрической и гелиоцентрической: по этой системе Солнце движется на эксцентрической окружности вокруг неподвижной Земли, а в это время планеты обращаются вокруг Солнца.
К счастью, судьба распорядилась так, что жизненные пути Тихо Браге пересеклись с трудными, полными невзгод и лишений жизненные дорогами И. Кеплера (1571 – 1630). И. Кеплер - великий немецкий ученый, который заложил фундамент новой теоретической астрономии и учения о гравитации, показавший, что законы надо искать в природе, а не выдумывать их в голове как искусственные схемы и подгонять под такие схемы явления природы. На смертном одре Тихо Браге завещал Кеплеру все свои рукописи, содержавшие результаты многолетних астрономических наблюдений, с тем, чтобы Кеплер доказал справедливость его, Браге, гипотезы о строении планетной системы. Это завещание не было и не могло быть выполнено. Но Кеплер сделал несравненно более великое открытие - он раскрыл главную тайну планетных орбит!
Будучи глубоко религиозным человеком и увлекаясь в молодости астрологией, Кеплер поставил перед собой жизненную цель - проникнуть в божественные планы творения мира, постичь тайны строения Вселенной. Будучи уверенным, что бог как высшее творческое начало при сотворении мира должен был руководствоваться идеальными, математическими, совершенными числовыми отношениями и геометрическими формами, Кеплер пытался объяснить существование только шести планет (Во времена Кеплера было известно только шесть планет Солнечной системы, наблюдаемых невооруженным глазом: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер и Сатурн. Планета Уран была открыта В. Гершелем в 1781 г., Нептун открыт астрономом Галле и математиком Леверье в 1846., Плутон был обнаружен только в 1930 г.) у Солнечной системы существованием всего 5 правильных многогранников. На этом пути Кеплер решает задачу связать орбиты планет со вписанными в многогранники и описанными вокруг них сферами. Затем закономерно возникает и вопрос об отношениях радиусов орбит планет между собой, решение которого, в свою очередь, подводит Кеплера к поискам точных законов гелиоцентрического планетного мира и превращает это в главное дело его жизни.
В ходе такой колоссальной работы проявились не только его гениальность как астронома и математика, но и смелость мысли, свобода духа, благодаря которым он сумел преодолеть тысячелетние традиции и предрассудки. Многолетние поиски проявления числовой гармонии Вселенной, простых числовых отношений в мире завершились для Кеплера открытием действительных законов планетных движений, изложенные в его сочинениях “Новая, изыскивающая причины астрономия, или физика неба” (1609) и “Гармония мира” (1619).
В начале XVII в., хотя основные космологические идеи древних греков и утратили свое научное значение, тем не менее некоторые из них за столетия приобрели характер абсолютных положений, отказаться от которых не хватало смелости духа. Так, в плоть и кровь ученых вошло представление о том, что только круговое, равномерное, “естественное” движение единственно допустимо для небесных тел. Даже Коперник и Галилей остались во власти этого убеждения, незыблемости этих древних космологических принципов. Против этой древней научной догмы и выступил Кеплер. После пяти лет трудоемкой математической обработки огромного материала наблюдений Тихо Браге за движением Марса, Кеплер к 1605 г. открыл и в 1609 г. опубликовал первые два закона планетных движений (сначала для Марса, затем распространил их на другие планеты и спутники).
Один из них утверждал эллиптическую форму орбит и тем разрушал принцип круговых движений в космосе. Другой показывал, что планеты не только движутся по эллиптическим орбитам, но и движутся по ним неравномерно. Скорость планет изменяется таким образом, что площади, описываемые радиусом-вектором в равные промежутки времени, равны между собой (закон постоянства площадей), в связи с чем рухнул принцип равномерности истинных небесных движений.
Но Кеплер идет еще дальше и ставит вопрос о динамике движения планет. До Кеплера планетная космология, опиравшаяся на принцип “естественности” движений небесных тел, была кинематической. Преследуя одну цель – предвычисление видимых положений светил, т. е. направлений на них, авторы планетных теорий, начиная с Птолемея, ограничивались разработкой кинематико-геометрических моделей мира, даже не пытаясь определить его действительное устройство. Даже у Коперника схема орбитальных движений планет оставалась старой, кинематической. И только Кеплер увидел в гелиоцентрической картине движений планет действие единой физической силы и поставил вопрос о ее природе.
Уже в 1596 г. в своем первом сочинении “Космографическая тайна” он обратил внимание на то, что с удалением от Солнца периоды обращения планет увеличиваются быстрее, чем радиусы их орбит, т. е. уменьшается скорость движения планет. Здесь возможно было два объяснения. Первое - движущая сила сосредоточена в каждой планете, и у далеких планет она почему-то меньше, чем у близких (так думал Тихо Браге). Второе - движущая сила единая для всей системы и сосредоточена в ее центре – Солнце, которое действует сильнее на близкие и слабее на далекие планеты. Кеплер остановился на втором, поскольку эта идея лучше объясняла первые два закона планетных движений.
Через десять лет после опубликования первых двух законов Кеплер установил (1619) универсальную зависимость между периодами обращения планет и средними расстояниями их от Солнца (третий закон Кеплера - квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы средних расстояний этих планет от Солнца). Это окончательно убедило его в том, что движением планет управляет именно Солнце.
Поэтому Кеплер впервые поставил вопрос о физической природе и точном математическом законе действия силы, движущей планеты. Действие Солнца на планеты Кеплер сравнивал с действием магнита. Такое сравнение было вполне в духе времени, для которого характерно особое увлечение магнитными явлениями.
4. Г. Галилей: разработка понятий и принципов “земной динамики”
В формировании классической механики и утверждении нового мировоззрения велика заслуга Г. Галилея (1564-1642). Год рождения Галилея - это год смерти Микеланджело и год рождения В. Шекспира. Галилей - выдающаяся личность переходной эпохи от Возрождения к Новому времени.
С прошлым его сближает неопределенная трактовка проблемы бесконечности мира; он не принимает кеплеровых эллиптических орбит и ускорений планет; (Галилей считал их простым воскрешением древней пифагорейской идеи о роли числа во Вселенной, несовместимой с новым экспериментальным естествознанием, за которое он боролся. Поэтому он не обратил внимания и на кеплеровы законы (а, возможно, и не ознакомился с ними, хотя Кеплер послал ему свое сочинение 1609 г.).) у него нет еще представления о том, что тела движутся по кривым в “плоском” однородном пространстве благодаря их взаимодействиям; он еще не освободился от чувственных образов и качественных противопоставлений и др. Но в то же время он весь устремлен в будущее. Галилей уже открывает дорогу математическому естествознанию; он был уверен, что “законы природы написаны на языке математики”; его стихия - мысленные кинематические и динамические эксперименты, логические конструкции; главный пафос его творчества - возможность математического постижения мира; смысл своего творчества он видит в физическом обосновании гелиоцентризма, учения Коперника. Галилей закладывает основы экспериментального естествознания: показывает, что естествознание - это умение делать научные обобщения из опыта, а эксперимент - важнейший метод научного познания.
Еще будучи студентом (университет г. Пиза), Галилей делает открытие большой научной и практической значимости - открывает закон изотропности колебаний маятника, который сразу же нашел применение в медицине, астрономии, географии, прикладной механике. Сразу же после изобретения зрительной трубы (1608 г.) он усовершенствовал ее и превратил в телескоп с 30-кратным увеличением, с помощью которого совершил ряд выдающихся астрономических открытий: открыл спутники Юпитера, Сатурна, фазы Венеры, солнечные пятна, обнаружил, что Млечный Путь представляет собой скопление бесконечного множества звезд, и др.