Roger Orrit - Природа описывается формулами. Галилей. Научный метод.

• Название: Природа описывается формулами. Галилей. Научный метод.
• Автор: Roger Orrit
• Издательство: ООО «Де Агостини»,
• Жанр: Научпоп

Гениальный ученый Галилео Галилей посвятил свою жизнь нескольким областям науки. Во-первых, он проводил астрономические наблюдения, благодаря которым сделал удивительные открытия фаз Венеры, спутников Юпитера, неровной поверхности Луны и пятен на Солнце. Во-вторых, он изучал движение тел. в результате чего поставил под сомнение всю аристотелевскую физику, господствовавшую в западной науке на протяжении 2000 лет. Но главной заслугой ученого, оставившей наиболее глубокий след в истории, стало его стремление даже под риском смерти на костре отстаивать новый способ изучения мира - научный метод, основанный на эмпирических фактах и математической точности.

---

Эта система объясняла физические и механические причины перемещения светил (их влечет движение, передающееся с верхних сфер), а также причину, по которой они держатся в небе: светила просто закреплены на сфере.

Лунная сфера была границей, делившей Вселенную на две области: надлунный мир — сферический мир с совершенными движениями небес по окружности, и подлунный мир — хаос, присущий Земле, разрушение, беспорядок, смятение и смерть.

ЦЕНТР ВСЕЛЕННОЙ

В системе Аристотеля Земля могла занимать только центральное положение. Если сдвинуть планету с этой точки, из-за внутренней тенденции двигаться в сторону центра в конце концов Земля опять вернется на свое место. Аристотель не мог представить, что наша планета висит в небе и не стремится в центр мироздания. Таким образом, в его космосе был единый центр притяжения, задающий единственно возможное направление движения (вверх или вниз). Аристотелевская физика, по которой сила притяжения считалась внутренним свойством, поддерживала геоцентрическую версию мироздания. Современная наука освободилась от этой связи между центром Вселенной и центром притяжения. Теорией всемирного тяготения Ньютон доказал, что на самом деле центром гравитационного притяжения является вся материя, а следовательно, существует множество таких центров. На практике это означало, что у Земли больше нет причин занимать привилегированное положение. Таким образом, новая физика не поддержала геоцентрическую теорию.

Аристотелевская модель Вселенной. Концепция совокупности сфер, на которых располагаются планеты и светила, принадлежала греческому математику Евдоксу (ок. 408-355 до н. э.).

В подлунном мире Аристотель выделил четыре элемента: земля, вода, воздух и огонь (пятый элемент, эфир, являлся частью надлунного мира). Каждый из них в идеально упорядоченной Вселенной занимал соответствующее ему естественное положение. Земля должна располагаться внизу, поскольку является самым нечистым и бренным элементом, и из-за своей тяжести она стремится к самому центру, дойдя до которого, пребывает в состоянии покоя (сейчас притяжение рассматривается как взаимодействие материальных объектов, но для Аристотеля оно было внутренним импульсом, заставляющим двигаться к центру). Менее тяжелая вода должна течь по земле; воздух занимал верхние слои, и, наконец, огонь должен был подниматься над всеми элементами. Эта иерархия отражает уровень неразрушимости и чистоты каждого элемента.

АСТРОНОМИЯ ПТОЛЕМЕЯ

Механика мироздания в системе Аристотеля логична и одновременно полна пессимизма. И тем не менее астрономы, детально проанализировав точные положения светил, встали перед фактом, что отдельные части этого механизма подогнаны друг к другу неидеально. Для сохранения таких постулатов, как центральное положение Земли или равномерное круговое движение, нужно было пожертвовать реальной картиной мира. Чтобы предсказать небесные явления, такие как изменение яркости планет или их возвратное движение, требовалась большая свобода в трактовке данных.

Ученые пытались не столько получить целостную картину, сколько решить конкретную задачу, используя математические методы, считавшиеся полезными умозрительными приемами, то есть они стремились максимально точно описать события, но не отобразить реальный мир. Этот отход от действительности имел еще одно преимущество: астрономы при этом могли использовать те математические модели, которые им больше нравились. Если эти модели работали, то их абсурдность не имела значения.

ОТРИЦАНИЕ ГЕЛИОЦЕНТРИЗМА

Птолемей (ок. 100 — ок. 170) рассматривал гипотезу гелиоцентризма, но отбросил ее: «Хотя нет никаких небесных явлений, которые противоречили бы этой гипотезе, из того, что происходит на Земле и в воздухе, мы можем видеть, что эта идея совершенно нелепа». Как признавал сам астроном, исходя из собранных астрономических сведений невозможно было выбрать ту или другую модель. Ни одна теория не противоречила наблюдениям. Различия же проявлялись на самой Земле. Если бы планета двигалась, это движение должно было быть заметно.

Чтобы понять, что в этом нет противоречия, необходима была новая физика, и Галилей стал ее прародителем.

Египтянин Клавдий Птолемей был самым влиятельным астрономом древности. Он написал огромный трактат под названием «Великое математическое построение по астрономии в 13 книгах», который был переведен на арабский как «Альмагест» («Величайший»). Под этим названием трактат распространился по Европе в переводах на латынь, сделанных в XIII веке. В своей книге Птолемей проделал невероятную работу, перечислив и объединив известные на тот момент сведения по астрономии. В ней есть и новаторские аспекты, но ценность «Альмагеста» заключается главным образом в синтезе астрономических знаний древности, дошедших, к примеру, от таких ученых, как Гиппарх (ок. 190-120 до н. э.), труды которого не сохранились до наших дней. Как пишет автор во введении...

«...чтобы не делать это сочинение очень длинным, все то, что было достаточно точно разъяснено древними, мы только приведем, то же, что или совсем не было понято, или же понято недостаточно, мы постараемся в меру наших сил разъяснить подробнее»[1 Перевод с древнегреческого И. Н. Веселовского.].

Философ науки Норвуд Рассел Хэнсон (1924-1967) считал, что Птолемей пытался сделать хорошую мину при плохой игре и решить проблемы, пожертвовав целостным видением. Астрономия Птолемея была «сборником инструментов для счета», которым не хватало единства. Поэтому Птолемея можно считать «небесным инженером-подрядчиком, ловко и изобретательно приспосабливающим свои методы к любой новой задаче». Среди этих математических и геометрических инструментов были эпициклы и деференты, эксцентрики и экванты.

ЭПИЦИКЛ И ДЕФЕРЕНТ

Эпициклы и деференты являются одним из самых ярких примеров того, с какой изобретательностью греки подходили к решению, казалось бы, неразрешимых задач. Птолемей и другие древние астрономы были абсолютно уверены, что планеты движутся по окружности. Однако наблюдение за небом в определенные периоды года приводило к невероятным результатам. Планеты, которые двигались вперед на протяжении нескольких ночей наблюдений, в определенный момент останавливались или даже начинали перемещаться в обратном направлении, и только потом продолжали движение вперед. Решить проблему помогли математические и геометрические уловки.

В III веке до н. э. Гиппарху пришла в голову гениальная мысль скомбинировать разные круговые движения, чтобы объяснить этот странный завиток. По его мнению, планеты вращались вокруг Земли по двум кругам: первый называется эпициклом, его центр вращается вокруг Земли по второму кругу, деференту (рис. 1). Эта комбинация показывает, что орбита планеты описывает несколько петель, прежде чем совершить полный оборот вокруг Земли (рис. 2). Эту хитроумную идею использовал и Птолемей, добавив эпициклы, называемые малыми, при помощи которых хотел добиться максимальной точности некоторых орбит, например Солнца.

РИС. 1

РИС. 2

РИС.З

Чтобы объяснить возвратное движение планет, в модели Птолемея предполагалось, что они движутся вокруг Земли, сочетая две круговые траектории — деферент и эпицикл (рис. 1). Таким образом, планета должна была описать несколько петель, прежде чем проделать полный оборот вокруг Земли (рис. 2). Аномалии, наблюдавшиеся при движении по орбитам, объяснялись эксцентриситетом Земли относительно центра (рис. 3). Также постоянная угловая скорость, с которой якобы двигались планеты, могла быть заметна только из некоторых воображаемых точек, называемых эквантами, но не с Земли.

ЭКСЦЕНТРИСИТЕТ И ЭКВАНТ

Еще одним математическим понятием, которое использовал Птолемей, был эксцентриситет. Планеты могли вращаться по кругу так, что их центры вращений не совпадали с центром Земли (рис. 3).

Чтобы данные, полученные астрономами, совпадали с их представлением о Вселенной, они предположили, что Земля находится немного в стороне от центра планетарных орбит. Орбита каждой планеты круговая, но центры орбит не обязательно совпадают. Это было еще одним отступлением от аристотелевской модели мира, в которой все сферы планет имели один центр (Землю).

Но это не все уловки, которые использовал Птолемей, чтобы сохранить видимое соответствие наблюдений теоретической картине. Стоит упомянуть и об эквантах. Как объяснялось выше, планеты должны были двигаться с постоянной угловой скоростью. Поскольку результаты наблюдений противоречили этому принципу, Птолемей предположил, что существуют точки, называющиеся эквантами, с которых можно видеть равномерное движение планет. Эти точки не совпадают с центром Земли, именно поэтому движение может казаться неравномерным. Из точки экванта видно, что планеты движутся с постоянной скоростью, но не по кругу. С Земли — по кругу, но неравномерно. Введение понятия экванта должно было сохранить центральное место Земли во Вселенной.