Приямвада Натараджан - Карта Вселенной. Главные идеи, которые объясняют устройство космоса

• Название: Карта Вселенной. Главные идеи, которые объясняют устройство космоса
• Автор: Приямвада Натараджан
• Жанр: Физика
• Год: 2019
• ISBN: 978-5-0013-9026-8

Веками люди воспринимали космос как статичное холодное пространство. Совсем иным он предстает перед нами сегодня в свете новейших знаний в области космологии. Образование и рост черных дыр, облака темной материи, ускоряющееся расширение Вселенной, эхо Большого взрыва, открытие экзопланет и возможность существования других вселенных – вот некоторые из космологических головоломок начала XXI в. Астрофизик Приямвада Натараджан находится на переднем крае исследований, она в буквальном смысле создает карты Вселенной – схемы распределения темной материи. В своей книге Натараджан рассказывает об открытиях, изменивших наши представления о Вселенной в прошедшем веке, о науке, стоящей за ними, и о пути признания радикальных научных теорий; размышляет о том, почему новые идеи о Вселенной и нашем месте в ней часто встречают в штыки даже в научном сообществе. Ведь наука, всегда меняющаяся и неполная, какой она и должна быть, – это лучший способ понять нашу чудесную, таинственную Вселенную.

---

И хотя перемены были в высшей степени радикальными, толчком к изменению восприятия стали не только мысли Анаксимандра о связи между небом и Землей, но и интеллектуальный процесс, в ходе которого он вышел к своим идеям. Его учитель Талес, как считают, отказался от мифологических толкований, однако именно Анаксимандр запустил процесс переосмысления нашего мира, подвергнув сомнению то, что казалось незыблемым. Такой вид исследования – необходимый и определяющий элемент нашего нынешнего научного подхода. Попытка Анаксимандра объяснить мироздание и пролить свет на происхождение человека и возникновение мира с помощью одного всеобъемлющего описания была одной из самых впечатляющих и ранних, а может быть, и первой. Если в истории существует момент, который мы могли бы назвать поворотной точкой, то это время, когда Талес и Анаксимандр, оба жители Милетуса, разрабатывали новое фундаментальное мировоззрение. Анаксимандр не стал пассивно принимать статус-кво. Он стремился к знаниям и понимал, что они постоянно эволюционируют. Его понимание не было абсолютным или статичным. Оно требовало вопросов, сомнений и постоянных доработок[4].

Одним из столпов критического мышления, который представляет собой ключевой элемент всей астрономии, является желание ставить вопросы под влиянием любопытства. Другой столп – вечное желание человечества узнавать и создавать то, что мы называем картой. Мы не можем недооценивать значение данной буквальной и практической связи между небом и Землей, которая развивалась одновременно с геодезией – наукой о глобальном позиционировании. Магнитный компас, изобретенный в Китае примерно в 200 г. до н. э., стал инструментом, который в итоге оказал важнейшее влияние на геодезию. Изготовленные с использованием магнитного железняка, материала, который встречается в естественном виде в магнетитовой руде, такие приборы реагируют на магнитное поле Земли. Однако в те времена компасы использовались только в качестве инструментов фэншуй, для гармонизации окружающего пространства. И только приблизительно в 1040 г. н. э. китайцы стали использовать компасы для навигации по суше, в том числе в военных целях; при этом понадобилась еще сотня лет, чтобы компас вошел в обиход мореплавателей. Историки до сих пор спорят о том, как знания о магнетизме распространились из Китая на Запад, однако есть весомые доказательства, что именно китайцам принадлежит слава создателей компаса. Так что остальному миру появления компаса пришлось подождать, а для стремительного прорыва в развитии картографии – выйти за пределы земного и создать карту небес. Звезды в ночи помогали людям древности вести суда в океанах, а наше Солнце позволило измерить размер Земли[5].

Одной из первых вех в картографии стало измерение в 240 г. до н. э. окружности Земли греческим астрономом Эратосфеном. Он заметил, что в городе Сиена (современный Асуан) ежегодно в самый длинный день (летнее солнцестояние) в полдень отсутствует тень. Он знал, что в Александрии, его родном городе, расположенном ниже по Нилу на севере Египта, в этот же день Солнце находилось над городом не строго по вертикали, поэтому он измерил разницу в положении светила, посчитав угол, которую отбрасывала тень высокой башни в Александрии. С помощью геометрии и известного ему расстояния между городами он получил длину окружности Земли, всего на 16 % отличающуюся от имеющегося сегодня значения, близкого к 40 000 км.

Математика предоставила возможности для совершенно нового подхода к восприятию космоса – произошел сдвиг от мифоса к логосу, к физической и геометрической концепции астрономических явлений, которая позволила анализировать закономерности. Гиппарх из Никеи (190–120 гг. до н. э.) считается одним из величайших астрономов античного мира. Многие приписывают ему изобретение тригонометрии и создание первых эффективных моделей движения Солнца и Луны. Скорее всего, он пользовался вавилонскими хрониками затмений и положений планет. Основываясь на работах жителей Вавилона и Месопотамии, Гиппарх составил актуальный каталог звезд и разработал, как считают, первые количественные, геометрические и математические описания астрономических явлений. Во II в. н. э. астроном, математик, картограф и астролог греко-египетского происхождения по имени Клавдий Птолемей сделал следующий шаг в понимании движения небесных тел. Унаследовав от Гиппарха данные 300-летней давности, он сопоставил все астрономические таблицы и геометрические модели греческих ученых в виде всеобъемлющего трактата – «Альмагеста». Но Птолемей не просто собрал воедино данные – он создал новую модель неба, которая соответствовала всем имеющимся данным[6].

Физическая модель мира Птолемея состояла из встроенных сфер, и его комплексные таблицы позволяли производить расчет будущих положений планет. Для каждой планеты он использовал по четыре наблюдения за длительный период времени, что позволило получить максимальное преимущество при измерении их циклов. Самое раннее наблюдение, которое он взял для работы, относится к 700 г. до н. э. и, вероятнее всего, является результатом работы Гиппарха по сведению воедино вавилонских хроник. Если учесть, что ключевой интерес в отношении положений планет все еще был связан с прогнозированием земных явлений, никого не удивит, что Птолемей обратился также к земной картографии. В то время как «Альмагест» указывает положения планет на небе, а также лунные циклы, его аналог под названием «Географика» содержит местоположения городов и опознавательных ориентиров на Земле. Птолемей воспринимал обе карты в тандеме: выстроив порядок небесного царства с помощью вложенных сфер, он закрепил местоположения всех известных земных точек на сетке. Так как планеты и Солнце движутся по эклиптике, Птолемей воспользовался эклиптическими координатами – сеткой с Землей по центру в том виде, в котором она представляется с внешней стороны небесной сферы, – для создания карты звездного каталога. С этого момента Земля и небо проецировались с помощью координат на поверхности сферы. Птолемей создал карту небес на основании постоянной привязки к эклиптике, а карту Земли – к широте, измеренной от экватора. Возможность предсказывать положения небесных тел позволила «Альмагесту» сохранять значимость на протяжении Средних веков.

Греки также разработали математический аппарат для изучения дуг, составляющих половину круга, и углов, противолежащих хордам, которые соединяют центр круга с его окружностью. Но математика, конечно, черпала новое и за пределами Греции. Индийцы дополнили математику эллинов. В частности, математику Ариабхате, который занимался исследованиями в V в. н. э., приписывают описание тригонометрических функций через бесконечные ряды, что позволило ему разработать подробные таблицы значений для синусов и косинусов углов. Для отображения неба на небесном глобусе и Земли на земном глобусе требовалось приложить двумерную Евклидову геометрию к изогнутым поверхностям. В период с VII по XI в. арабы и индийцы создавали сферическую тригонометрию. Расширение геометрии для описания отношений между сторонами и углами треугольников на поверхности сферы имело решающее значение для астрономии, для определения местоположения звезд на глобусе, для геодезии, для понимания влияния кривизны Земли при навигации, так как отдаленные точки Земли теперь становились более доступными.

Развивающиеся торговые маршруты способствовали знакомству персидских и арабских математиков с новыми знаниями индийской математики, которые они транслировали и широко распространяли по всему средневековому исламскому миру. Математик Ал-Джайяни из Аль-Андалуса написал работу, которую считают первым всеобъемлющим трактатом по сферической тригонометрии, – это «Книга о неизвестных дугах сферы» («Китаб маджхулат киси ал-кура»). Применив теорему Птолемея, определяющую долготную разницу между двумя точками на Земле в терминах их разницы по широте и расстоянием по дуге большого круга между ними, математик Рейхан Аль-Бируни в XI в. использовал маршруты караванов для получения разницы в широте между Багдадом и другими городами[7].

Астрономии необходим синтез наблюдений с теоретической и математической базой, кроме того, требуется продуманный анализ причины и следствия. Хотя модель Птолемея могла отобразить движения планет и указать положение на карте самых ярких звезд, зафиксированных жителями Вавилона, он не искал пояснений для интересующего нас вопроса – причины движения планет.

И снова ключом к ответу были технологии, которые продолжали развиваться. Компас, изобретенный в 200 в. до н. э., появился в западном мире примерно 400 лет спустя. В трактате «О природе вещей» (De naturis rerum) Александр Неккам рассказывает о магнитном компасе и его употреблении в навигации примерно за 40 лет до упоминания о нем в персидской книге сказаний, датируемой 1232 г., «Книге сокровищ купцов» («Китаб канз ал-туяр фи мари фат ал-ахяр»), автором которой был Байлак Аль-Кибьяки из Каира[8].