Стивен Вайнберг - Всё ещё неизвестная Вселенная

Позже я отправил текстовую версию выступления в редакцию журнала The New York Review of Books . Через месяц, 22 октября 2009 г., статью опубликовали. Для сопроводительной иллюстрации была использована копия одного из экспонатов выставки Центра Гарри Рэнсома, а именно фронтиспис важнейшего сочинения Галилея «Диалог о двух главнейших системах мира», на котором были изображены Аристотель, Птолемей и Коперник. Эссе, которое вы читаете, фактически, воспроизводит текст той статьи с небольшими исправлениями. Позже этот же текст лег в основу главы 6 моей книги «Объясняя мир».

Несколько лет назад я решил, что должен расширить свои познания в области истории науки, поэтому добровольно вызвался преподавать этот предмет. Работая над материалом своих лекций, я с огромным удивлением выяснил, что в Древнем мире астрономия достигла по современным меркам гораздо более высокого уровня точности и сложности, чем любая другая из естественных наук. Одна из очевидных причин для такого развития состоит в том, что астрономические явления гораздо проще и доступнее для изучения, чем те процессы, которые мы можем наблюдать на земной поверхности. Древние этого не знали, но и Земля, и Луна, и все планеты вращаются почти с постоянной скоростью и перемещаются по своим орбитам под воздействием одной-единственной доминирующей силы – гравитации. В результате наблюдаемые изменения в видимой части неба просты и периодичны: Луна размеренно прибывает и убывает; Солнце, Луна и звезды ежедневно совершают оборот вокруг полюса мира; и каждый год Солнце проходит через одни и те же созвездия зодиакального круга [3] Конечно, днем звезд не видно, но некоторые из них появляются на небе сразу после заката, когда положение Солнца на небосводе еще можно определить. . Даже располагая примитивными приборами, эти периодические изменения можно изучать, что и делалось с высокой степенью математической точности, гораздо большей, чем это было возможно в отношении процессов на Земле, таких как полет птицы или течение воды в реке.

Однако существовала и другая причина, благодаря которой астрономия стала столь выдающейся наукой в Древние и Средние века. Она приносила практическую пользу, в отличие от физики и биологии тех времен. Издревле люди использовали видимое движение Солнца как примитивные часы, календарь и компас. Эти функции стали выполняться точнее с появлением гномона (вероятно, первого научного прибора), изобретение которого одни приписывали Анаксимандру, другие – вавилонянам.

Гномон представляет собой прямой шест, вертикально установленный на горизонтальной площадке, открытой для солнечных лучей. В течение дня длина тени, отбрасываемой гномоном, меняется, и, если она минимальна, значит, наступил полдень. На широте Греции или Месопотамии полуденная тень гномона указывает на север, что позволяет точно разметить шкалу компаса на земле вокруг гномона. Наблюдая изо дня в день за полуденной тенью, можно отметить те дни, когда ее длина минимальна и максимальна. Так определяются точки летнего и зимнего солнцестояния. По длине полуденной тени в точке летнего солнцестояния рассчитывается географическая широта. Весной и летом тень на закате указывает немного южнее направления на восток, а осенью и зимой – немного севернее; когда тень на закате направлена строго на восток, это означает, что наступило весеннее или осеннее равноденствие [4] Гномон отличается от солнечных часов тем, что столбик солнечных часов, устанавливается не вертикально, а под углом, который выбирается так, чтобы тень от столбика проходила приблизительно один и тот же суточный путь в течение всего года. Из-за этого солнечные часы полезны именно как часы, но не как календарь. .

Используя гномон в качестве календаря, афинский астроном Евктемон примерно в 430 г. до н. э. совершил открытие, беспокоившее астрономов на протяжении 2000 лет: продолжительность четырех времен года, начало и конец которых в точности определяются точками солнцестояния и равноденствия, немного отличается. Этот факт исключает вероятность того, что Солнце обращается вокруг Земли (или Земля вокруг Солнца) по кругу, в центре которого расположена Земля, с постоянной скоростью, поскольку в таком случае равноденствия и солнцестояния были бы равномерно распределены во времени. Это открытие стало одной из причин, по которой Гиппарх Никейский, величайший астроном Древнего мира, примерно в 150 г. до н. э. счел необходимым ввести идею эпициклов, согласно которой Солнце (и планеты) движутся по круговым орбитам, центры которых тоже движутся по окружностям вокруг Земли. Тремя веками позже Клавдий Птолемей подхватил и развил эту идею.

Даже Коперник, убежденный в том, что орбиты представляют собой окружности, сохранил верность идее эпициклов. И только в начале XVII в. Иоганн Кеплер наконец нашел объяснение явлению, для описания которого Гиппарх и Птолемей использовали эпициклы. Орбита Земли относительно Солнца представляет собой не окружность, а эллипс; Солнце находится не в центре эллипса, а в точке, называемой фокусом эллипса; скорость движения Земли по орбите не постоянна, она увеличивается по мере приближения к Солнцу и уменьшается с удалением от него.

У тех методов использования наблюдений за Солнцем, о которых я рассказал выше, есть свои ограничения. Определять время суток или направление по Солнцу можно, конечно, только в течение светового дня, а до появления гномона по годовому движению Солнца о времени года можно было судить довольно смутно. С самых древних времен этот недостаток восполняли звезды. Еще Гомер знал, что ночью компасом служат звезды. В поэме «Одиссея» Калипсо дает Одиссею указания, как отправиться от ее острова на восток к Итаке: нужно держать Медведицу по левую руку. Медведица – это, конечно, созвездие Большой Медведицы, расположенное около Северного полюса небосклона и на широте Средиземноморья никогда не скрывающееся за горизонтом (или, как у Гомера, «…лишь одна непричастна к купанью в волнах Океана» [5] Пер. с древнегреч. В. Вересаева. – Прим. пер. ). Направляя корабль так, чтобы север оставался слева, Одиссей плыл бы на восток, в сторону своего дома [6] Казалось бы, почему Калипсо не указала Одиссею как ориентир Полярную звезду? Причина в том, что во времена Гомера звезда Полярис, которая теперь называется Полярной, не находилась на Северном полюсе небосклона. Конечно, сама Полярная звезда с тех пор никуда не смещалась. Все дело в явлении, которое было открыто Гиппархом и получило название «предварение равноденствий». Говоря современным языком, ось вращения Земли не сохраняет свое положение в пространстве, но прецессирует, подобно оси вращающегося волчка, совершая полный оборот каждые 25 727 лет. О точности греческой астрономии можно судить по тому, что Гиппарх определил период прецессии равным 28 000 лет. .