Ю. Ерошенко - Космология вечером у камина

Галилео Галилей по праву считается родоначальником гравитационной науки. Бросая различные тела с наклонной Пизанской башни (а, может, он и не бросал, но легенда так хороша!), он показал, что все тела падают почти одинаковое время (небольшое отличие связано с сопротивлением воздуха). Тем самым, он установил, фактически, пропорциональность гравитационной и инертной масс, что потом получило название «принцип эквивалентности» и легло в основу общей теории относительности (релятивистской гравитации), созданной Эйнштейном.

Все эти принципиальные открытия Галилея оказались чрезвычайно важными для создания величественного здания механики, а следом за ней и всей теоретической физики, включая, разумеется, и все теоретические космологические модели. Уже этого было бы достаточно для любого ученого. Но одно из его деяний имеет к астрономии и космологии самое непосредственное отношение. Это – ТЕЛЕСКОП. Галилей не был изобретателем телескопа, они уже были известны, назывались «голландскими трубами» и использовались для подглядывания в окна. Но он оказался первым, кто направил телескоп в небо, закрепив его на треноге, (возможно, лишь одним из первых, но точно первым, кто об этом написал и опубликовал (!) результаты наблюдений). А результаты, по тем временам, были потрясающими. Это и обнаружение гор и кратеров на Луне, пятен на Солнце, доказательство вращения Солнца вокруг своей оси, и фазы Венеры. Но для нашей темы – космологии (все еще = астрономии) – важны три из них. Первое: диски планет увеличиваются при наблюдении во все более мощные телескопы, а вот диски звезд – нет. Что, кстати, не объясняет мерцание звезд, но объясняет немерцание планет. Вывод Галилея: планеты находятся гораздо ближе, чем звезды, последние же он, следуя логике гелиоцентрической системы мира, удаляет «на бесконечность», как и Аристарх Самосский. Но в геоцентрической модели звезды могут безмятежно продолжать существовать в качестве «божественных светильников», не подчиняясь никаким земным законам. А вот второе «космологическое» открытие завзятым геоцентристам объяснить уже гораздо труднее. Галилей обнаружил, что Млечный путь состоит из множества звезд. А это уже – структура, и потому нелегко представить, зачем нужно было ее создавать для «божьих светильников». Третье, и, на наш взгляд, самое главное – открытие четырех спутников Юпитера, известных нам сейчас под именами Ио, Каллисто, Европа и Ганимед. Это было не просто: подошел к телескопу и… далее, как Юлий Цезарь, Veni, Vidi, Vici («пришел, увидел, победил»). Потребовалось полтора года, прежде чем Галилей окончательно удостоверился, что новые луны обращаются именно вокруг Юпитера. И теперь уже невозможно утверждать, что буквально все вращается только вокруг Земли, и трудно также поверить в существование небесных сфер.

Широкой общественности Галилей известен, прежде всего, конфликтом с католической церковью и преследованиями со стороны инквизиции, как «борец» за «истинную» гелиоцентрическую модель Коперника против «ложной» геоцентрической модели Птолемея. В действительности, Галилей не нашел прямых доказательств вращения Земли вокруг Солнца (как уже упоминалось, таковым могло быть только обнаружение годичных параллаксов звезд), но привел столько косвенных аргументов, что теория Коперника была принята многими современными ему учеными. Для самого же Галилея, похоже, истинность гелиоцентризма не подлежала сомнениям – он был заворожен простотой и изяществом объяснения возвратных движений планет с единой точки зрения. Очевидно, что несложно придумать миллион теорий для объяснения одного-единственного явления, но количество теорий, объясняющих единым образом миллион явлений, существенно меньше.

В то же время, что и Галилео Галилей, жил и, главное, работал великий ученый, влюбленный в астрономию, Тихо Браге (Tyge Ottesen Brahe 1546—1601), вначале в Дании, где он основал несколько обсерваторий на островах, а в конце концов – в Праге.

Мы не будем перечислять здесь его неисчислимые заслуги перед астрономией. Но вот главная заслуга перед космологией – это приглашение молодого тогда и одаренного Иоганна Кеплера (Johannes Kepler 1571—1630) для математической обработки своих результатов наблюдений за планетами.

Кеплер проделал неимоверную работу, тщательно изучил наследие Тихо Браге и вывел три, ставших знаменитыми, закона движения планет. И недаром на памятнике в Праге они стоят рядом, Тихо Браге и Иоганн Кеплер.

Вот эти три замечательных закона:

I. Планеты двигаются по эллипсам, в одном из фокусов которых находится Солнце.

II. Радиус-вектор каждой планеты заметает равные площади за равные промежутки времени.

Любопытно, что второй закон был сформулирован Кеплером даже раньше первого. Возможно, что именно это позволило ему «угадать» первый закон. Думаю, необходимо отметить следующее важное обстоятельство. Несмотря на то, что формулировка первых двух законов указывает, как бы, на гелиоцентрическую картину мира, они, на самом деле, нисколько не противоречат геоцентрической картине, если вот это самое «как бы» вставить прямо в первый закон: «Планеты как бы двигаются по эллипсам…». Получается, что гелиоцентрическая теория может рассматриваться не более как красивый математический прием, позволяющий значительно упростить вычисления, а вот «истина» – за Птолемеем, на чем и настаивала церковь. При любой из этих формулировок справедлив третий закон.

III. Квадраты периодов обращения планет пропорциональны кубам больших полуосей эллипсов их орбит.

В отличие от первых двух, третий закон сравнивает разные планеты и находит в их движении общие черты, что говорит об общей причине сходства траекторий. Да и относительные расстояния планет от Солнца можно найти, лишь приняв гелиоцентрическую систему. Более подробный анализ мы отложим «на потом», а пока отметим лишь, что законы эти, во-первых, эмпирические и, во-вторых, кинематические, т.е., без указания причин такого, а не другого, движения. Именно поэтому они и не позволяют сделать выбор между Птолемеем и Коперником.

Иоганн Кеплер был, несомненно, приверженцем теории Николая Коперника. Но при этом вовсе не «слепым» последователем. Он сделал радикальный шаг вперед – отказался от сфер и окружностей. Эллипс – всего-навсего небольшое обобщение окружности, но каков эффект! Уже нет нужды требовать «естественной» равномерности, т.е., постоянной по величине скорости – гораздо естественнее неравномерность, но при этом есть определенная закономерность, выраженная вторым законом. Математически не менее изящная, чем в оригинальной модели Коперника. Все резко упростилось. Вдобавок, еще и третий закон, намекающий на общую причину движения планет. Очень научно, в духе проповедуемого Галилео Галилеем научного метода. Потому-то и кажется странным, что именно Галилей не принял теорию Кеплера. Возможно, из-за явного отказа от окружностей и равномерности. Для Галилея равномерность движения было основным в его формулировке закона инерции, причем, похоже, под таковым он понимал не только равномерное прямолинейное движение (как учили в школе), но и равномерное движение по окружности.