Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса - Виктор Стенджер

На теоретическом уровне модель Коперника проще модели Птолемея, особенно в том, что касается отображения движения планет, но в качестве вычислительного инструмента она изначально не была лучше, поскольку входные данные для нее содержали ошибки. Ситуация изменилась с появлением данных наблюдений Браге и Иоганна Кеплера (1571–1630), которые были значительно точнее. Более того, Кеплер сделал большой шаг вперед, предложив три закона движения планет, которые с большой точностью описывали эти новые данные.

Законы движения планет Кеплера.

1. Все планеты движутся по эллиптическим орбитам, в одном из фокусов которых находится Солнце.

2. Отрезок прямой, соединяющий Солнце и планету, отсекает равные площади за равные промежутки времени.

3. Квадраты периодов обращения планет относятся как кубы больших полуосей их орбит.

Направляя телескоп в небеса

История Галилея известна всем, но ее часто понимают неправильно. В моих предыдущих книгах, в особенности в «Боге и атоме»{69}, я отдал должное его огромному вкладу в физику. Здесь же хочу заострить внимание на его работе в области астрономии. В отличие от Осиандера, Галилей не удовлетворился признанием гелиоцентрической модели в качестве просто полезного инструмента для предсказания небесных явлений. Он настаивал, что наш мир устроен именно так. Кеплер был того же мнения.

В 1608 году голландский мастер по изготовлению очков Ханс Липпергей (или Липперсгей) (1570–1619) изобрел зеркальный телескоп. Первые модели давали увеличение всего в несколько раз, но Галилей усовершенствовал конструкцию. Он направил в небо новый мощный прибор, увеличивающий изображение в 30 раз.

Свои первые наблюдения Галилей описал в работе, вышедшей в 1610 году под названием «Звездный вестник» (Sidereus nuncius){70}. Он сообщил о горах и кратерах, которые увидел на поверхности Луны. Он увидел в десять раз больше звезд, чем доступно невооруженному глазу, а также размытые туманности, которые счел подобными Млечному Пути скоплениями звезд, расположенными слишком далеко, чтобы рассмотреть их по отдельности.

На рис. 2.2 приведены иллюстрации из «Звездного вестника» — зарисовки лунной поверхности, выполненные Галилеем. Эти находки, а также обнаруженные позже пятна на Солнце стали прямым, полученным в ходе опыта опровержением распространенного убеждения в том, что небесные тела представляют собой идеальные сферы, как учил Аристотель.

Рис. 2.2. Зарисовки лунной поверхности, выполненные Галилеем. Впервые опубликованы в 1610 году, источник: Галилео Галилей, «Звездный вестник» (Альберт ван Хельден, Chicago: University of Chicago Press, 1989) 

В 1610 году Галилей сделал еще одно важное открытие. Оказалось, что Венера имеет фазы, подобные лунным, зависящие от изменения степени ее освещенности Солнцем, в результате вращения вокруг него внутри земной орбиты. Это наблюдение никак не укладывалось в птолемеевскую систему, хотя и не исключало других вариантов геоцентрической системы, к примеру модель Тихо Браге.

Но самой сенсационной серией наблюдений Галилея стала та, во время которой он увидел четыре спутника Юпитера. С 7 января по 1 марта 1610 года, когда позволяла погода, он зарисовывал расположение четырех объектов, обращающихся вокруг Юпитера. В «Звездном вестнике» можно увидеть около 64 таких наброска, в цитируемом издании они располагаются на страницах 65–83. Пример такой серии набросков изображен на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Пример набросков Галилея, изображающих положение спутников Юпитера. Сомнения развеялись окончательно: эти небесные тела определенно были лунами, вращающимися вокруг Юпитера, а не Земли. Но и в этом случае можно было представить геоцентрическую модель, подобную предложенной Браге, в которой не всякое небесное тело вращается вокруг Земли. Впервые опубликованы в 1610 году, источник: Галилео Галилей, «Звездный вестник» (Альберт ван Хельден, Chicago: University of Chicago Press, 1989) 

Стоит отметить, что Галилей сделал ряд утверждений, не подкрепленных данными наблюдений, в частности, что приливы и отливы вызваны движением Земли вокруг Солнца и являются его свидетельством. В этом случае великий наблюдатель упустил из виду, что такая модель предсказывает только один прилив и отлив в сутки, в то время как они происходят дважды. Ранее Кеплер уже дал правильное объяснение возникновению приливов и отливов: они вызваны притяжением Луны.

В 1616 году католическая церковь запретила Галилею утверждать, что Земля движется, а Солнце висит неподвижно в центре Вселенной, так как это противоречило ряду библейских цитат, в которых говорилось, что Земля «не подвигнется» и «не поколеблется» (Пс. 93:1, 96:10, 104:5, 1-Пар. 16:30). Более того, католическая церковь признавала незыблемый авторитет аристотелевской физики, включавшей, в частности, идею абсолютного движения. Заметьте, это очень хорошо согласовывалось с доктриной абсолютной истинности церковного учения. Однако на тот момент Галилею еще не запретили заниматься его работой и он ее продолжил.

Итак, Галилей все так же наблюдал за небом в телескоп. Некоторое время спустя он навлек на себя большие неприятности. В 1632 году Галилей опубликовал «Диалог о двух главнейших системах мира, Птолемеевой и Коперниковой», в котором настойчиво защищал последнюю. Персонаж «Диалога» по имени Симплиций (Простак), представляющий сторону Аристотеля, приводит аргументы, которые ранее высказывал сам папа римский, что вызвало недовольство папы Урбана VIII, в прошлом друга и сторонника Галилея. Галилей предстал перед судом инквизиции за ослушание. Его заставили на коленях отречься от своих взглядов и приговорили к пожизненному, но довольно комфортному домашнему заключению.

Когда знаменитый французский философ Рене Декарт (1596–1650) узнал об участи Галилея, он отказался публиковать свою работу «Мир» (Le Mond), основанную на теории Коперника. Он писал своему другу: «Однако я ни за что не хочу издавать сочинение, в котором церкви могло бы не понравиться хотя бы малейшее слово. Поэтому я лучше скрою его, чем решусь выпускать в искаженном виде»{71}.

Хотя Галилею формально запретили писать что-либо из области физики и астрономии, он продолжил свою работу в области физики и заложил тем самым основы ньютоновской механики, появившейся поколение спустя. Ньютон родился в 1642-м, в год смерти Галилея.

Принцип относительности Галилея

Одно из важнейших открытий Галилея редко упоминается вне стен классов физики, а если и упоминается, то часто трактуется превратно. Тем не менее в этом открытии Галилей существенно отступил от господствовавших в его время взглядов, основанных на Священном Писании и трудах Аристотеля.

Здравый смысл подсказывает большинству людей, что мы можем отличить, когда движемся, а когда пребываем в состоянии покоя. Очевидно, что существует два различных состояния движения. Итак, однажды у Галилея спросили: если Земля движется, а мы находимся на Земле, то почему же мы не замечаем этого? Это был хороший вопрос.

Здравый смысл и тщательно проведенное научное наблюдение — это не одно и то же. Здравый смысл подсказывает нам, что Земля плоская. Галилей был одним из множества ученых в истории, показавших, что не всегда можно полагаться на здравый смысл. Результаты наблюдений, которые он проводил со всей тщательностью, убедили Галилея в том, что Земля вращается вокруг Солнца. Но ему также нужно было объяснить, почему мы не ощущаем этого движения. Объяснение, которое он предложил, известно нам теперь как принцип относительности Галилея. Позвольте изложить его в современной, операциональной формулировке. 

Принцип относительности Галилея

В пределах закрытой системы невозможно экспериментально измерить скорость этой системы. 

Скорость тела — это производная от перемещения тела в пространстве по времени. Она представляет собой вектор в трехмерном пространстве, абсолютное значение которого называется алгебраической скоростью, а направление соответствует направлению движения тела. Это одна из характеристик движения. Еще одна его характеристика — ускорение, представляющее собой производную скорости по времени.

Если мы находимся в закрытой комнате на Земле, мы не ощущаем ее движения. Чтобы определить скорость Земли, мы должны посмотреть на нее со стороны и провести ряд астрономических измерений. Вспомним, что Коперник на основании своих наблюдений достоверно измерил радиусы орбит планет. Согласно самым точным современным данным, Земля находится на расстоянии 150 млн. км от Солнца, а значит, за год она проходит расстояние 942 млн. км. Следовательно, Земля вращается вокруг Солнца со скоростью 30 км/с.