Гелиоцентрическая система Мира

 

Конец средневековья обычно связывают с периодом великих географических открытий и возрождения научных и культурных ценностей античности (XV–XVI вв.). В истории этот период назвали эпохой Возрождения. Эпоха Возрождения характеризуется существенным прогрессом в развитии науки, искусства, утверждением идей гуманизма.

Наиболее яркими представителями этой эпохи являются: великие итальянские художники Микеланджело, Леонардо да Винчи, Рафаэль и др.; религиозные деятели Лютер и Кальвин; великие гуманисты Т. Мор, Э. Роттердамский; путешественники Колумб, Васко да Гама, Магеллан и др.; ученые Н. Кузанский, Тарталья, Кардано и многие другие. Среди этих великих деятелей эпохи Возрождения следует особо выделить Леонардо да Винчи (1452–1519). Он был не только великим живописцем, но и великим математиком, механиком и инженером. В области механики его труды были посвящены: установлению природы инерции, изучению механизма трения и его влияния на условия равновесия; исследованию открытого им сопротивления среды и подъемной силы и др.

В эпоху Возрождения в сознании людей произошел перелом от стремления осознать свое место в мире к попыткам понять его устройство на строго рациональной основе без ссылок на чудеса и божественное откровение. Процесс возрождения античных традиций сопровождался освобождением от давления церковных авторитетов и переходом от средневековой схоластики к научному знанию. Изобретение книгопечатания способствовало распространению прогрессивных идей во все слои общества.

В радикальном изменении миропонимания решающее значение имело учение великого польского ученого Н. Коперника. Свою систему Мира он изложил в труде «Об обращениях небесных сфер», вышедшем в год его смерти. Согласно его учению в центре Мира находится не Земля, а Солнце. Земля же является рядовой планетой, которая обращается вокруг Солнца и вращается вокруг своей оси. При этом Коперник рассматривал движение как естественное свойство небесных и земных тел, подчиняющееся общим законам природы. Тем самым он выступил против канонизированного представления Аристотеля о Боге «перводвигателе», который якобы приводит в движение Вселенную.

Система Мира, предложенная Коперником, называется гелиоцентрической, что явилось второй (после Аристотеля) научной революцией в истории человечества. Теория Коперника просто и естественно объясняет петлеобразное движение планет. Связано это с тем, что наблюдение за движением планет ведется не с неподвижной Земли, а с Земли, движущейся, как и планеты, вокруг Солнца. В основе гелиоцентрической системы лежат многочисленные наблюдения и расчеты, проведенные Коперником. Он определил расстояния (в единицах расстояния Земли от Солнца) до планет от Солнца и вычислил периоды их обращения вокруг него.

Учение Коперника нанесло сокрушительный удар по геоцентрической системе Мира Аристотеля–Птолемея. Церковь всячески противилась распространению идей Коперника. Последователи его учения были объявлены еретиками и преследовались инквизицией. Труд Коперника «Об обращениях небесных сфер» был занесен в папский «Индекс» запрещенных книг, откуда он был вычеркнут лишь в 1835 году. Учение Коперника не было полностью последовательным. Он разделял идеи Аристотеля о конечности Мироздания, равномерном круговом вращении небесных тел. В своей системе Коперник на очень большом расстоянии от Солнца поместил «сферу неподвижных звезд». Ошибочность этого положения его учения была установлена расчетами и наблюдениями датского астронома Тихо Браге (1546–1601). По его расчетам комета, пролетавшая вблизи планеты Венера, должна была натолкнуться на эту сферу, чего в действительности не произошло.

Наиболее активный последователь Коперника, выдающийся итальянский мыслитель Д. Бруно (1546–1600), был сожжен по приговору инквизиции в Риме в 1600 г. Бруно, развивая учение Коперника, утверждал, что во Вселенной нет и не может быть центра, что Солнце – это только центр Солнечной системы. Он отстаивал идею о бесконечности Вселенной, о существовании во Вселенной множества миров, подобных Солнечной системе. Теория Коперника требовала, естественно, физического обоснования. Каковы физические причины движения планет и движения вообще? Революционные идеи Коперника стимулировали возникновение научных программ Галилея, Декарта, Ньютона, Лейбница, заложивших основы экспериментального и математического естествознания. Трагическая гибель Д. Бруно, официальный запрет учения Коперника не могли остановить распространения коперниканства. Особую роль в этом сыграл XVII в., благодаря трудам таких выдающихся ученых, как Галилей, Кеплер и Ньютон.

В 1609 г. Галилео Галилей (1564–1642) с помощью собственноручно построенного телескопа сделал открытия, наглядно подтверждающие учение Коперника. На Луне он обнаружил горы. Следовательно, поверхность Луны в какой-то степени сходна с земной поверхностью и не существует принципиального различия между «земным и небесным». У самой большой планеты Солнечной системы – Юпитера – он обнаружил 4 спутника (из 13 известных в настоящее время). Их движение вокруг Юпитера опровергало ошибочное представление о том, что только Земля может быть центром движения небесных тел. Галилей обнаружил, что Венера, подобно Луне, меняет свои фазы и светит отраженным солнечным светом. Изучая особенности изменения поверхности Венеры, Галилей сделал правильный вывод о том, что она движется не вокруг Земли, а вокруг Солнца.

На Солнце, олицетворявшем «небесную чистоту», он обнаружил пятна, наблюдения за которыми привели его к открытию, что Солнце вращается вокруг своей оси. Отсюда сделал вывод, что различным небесным телам присуще осевое вращение. Кроме того, он обнаружил, что Млечный Путь – это гигантское скопление множества слабых звезд, не различимых невооруженным глазом. На основе астрономических наблюдений Галилей пришел к выводу, что Вселенная значительно грандиознее и сложнее, чем представлялось ранее. Стало совершенно очевидной абсурдность аристотелевской концепции, согласно которой Вселенная совершает полный оборот вокруг маленькой Земли за одни сутки.

Открытия Галилея увеличили число сторонников учения Коперника, на что церковь ответила усилением преследования коперниканцев. Галилею запретили пропагандировать учение Коперника. Однако в 1632 г. ему удалось опубликовать книгу «Диалог о двух главнейших системах мира – птолемеевой и коперниковой», в которой он сумел убедительно показать правильность гелиоцентрической системы. В 1633 г. Галилей предстал перед судом инквизиции. Престарелого ученого заставили отречься от своих взглядов и принести публичное покаяние. Лишь в 1992 г. церковь оправдала Галилея, а позднее и Бруно. Церковь судила Галилея не только за поддержку системы Коперника: аналогичные мысли столетием раньше отстаивал кардинал Н. Кузанский (1401–1464) и оставался безнаказанным. Но в то время как ученый кардинал выражал их, ссылаясь на авторитеты церкви, как то и подобает верующему, Галилей доказывал, как того требует наука, то есть предлагал проверить каждому, опираясь лишь на опыт и рациональное мышление.

Другим выдающимся последователем Коперника, внесшим значительный вклад в становление гелиоцентрической системы Мира, был австрийский астроном Иоганн Кеплер (1571–1630). Кеплер не сомневался в правильности учения Коперника, но он знал, что существуют расхождения между вычисленными и наблюдаемыми траекториями движения планет. Чтобы ликвидировать это несоответствие, Кеплеру пришлось отказаться от кругового и равномерного движения планет. На основе обобщения многочисленных результатов астрономических наблюдений, проведенных Т. Браге, Кеплер установил три закона движения планет, которые носят его имя.

1. Первый закон Кеплера. Все планеты движутся по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце (рисунок 2).

                                                               

Рисунок 2

Форму эллипса, степень его отличия от окружности принято характеризовать эксцентриситетом 

где  – расстояние от центра эллипса до его фокуса;   – большая полуось. 

Чем больше   , тем больше эллипс отличается от окружности (для окружности
 = 0).

Орбиты Венеры и Земли близки к окружностям ( = 0,0068 для орбиты Венеры и
 = 0,0167 для Земли), а орбиты других планет более вытянуты. Ближайшая к Солнцу точка орбиты называется перигелием, а наиболее удаленная – афелием.

Большая полуось орбиты планеты совпадает со средним ее расстоянием от Солнца. Среднее расстояние от Земли до Солнца принято в астрономии за единицу измерения рас-стояния и называется астрономической единицей (1 а.е. = 149600000 км).

По эллипсам движутся не только планеты, но и их естественные и искусственные спутники.

2. Второй закон Кеплера. Радиус-вектор, проведенный от Солнца до планеты, за равные промежутки времени описывает равные площади.

Площади S ₁ и S ₂ равны. Из второго закона Кеплера следует, что планеты движутся неравномерно. Из рисунка 3 видно, что дуги орбиты М ₁ М ₂ и М ₃ М ₄ планета проходит за одинаковый промежуток времени D t, но, так как М ₁ М ₂ > М ₃ М ₄, то скорость планеты вблизи перигелия будет больше скорости вблизи афелия.

 

Рисунок 3

 

3. Третий закон Кеплера. Квадраты периодов обращения двух планет относятся как кубы больших полуосей их орбит

где T ₁ и T ₂ – периоды обращения планет.

Законы Кеплера носят эмпирический характер, они отвечают на вопрос, как происходит движение планет, но не отвечают на вопрос, почему они так движутся. Кеплер не объяснил причины их движения, поскольку не существовало еще законов динамики, которые были открыты позднее И. Ньютоном.

 

Выводы

1. Родиной современного естествознания стала Древняя Греция, где в VII–VI вв.
до н.э. сформировались первые теоретические представления об окружающем нас мире. Древнегреческая наука стала называться натурфилософией. Она носила умозрительный характер, опиралась на простые наблюдения за природой, поскольку в те времена экспериментальные исследования не проводились (физический труд считался уделом рабов).

2. Основу натурфилософских знаний образуют учения о пяти элементах – земле, воде, огне, воздухе и эфире. На их основе разрабатывались различные теоретические схемы о строении и свойствах материи. Возникли первые представления о формах существования материи – пространстве и времени, которые положены в основу научных программ.

3. Родоначальник греческой науки Фалес Милетский основал в г. Милете школу натурфилософии. Самым значительным достижением милетской школы стало построение космологической модели Вселенной. Земля помещается в центр космоса и в мировом пространстве ни на что не опирается. Космоцентризм является центральным положением всех античных научных программ.

Из всего многообразия учений древнегреческих натурфилософов условно можно выделить три научные программы: математическую, атомистическую и континуалистскую.

4. Математическая программа связана с именами Пифагора и Платона. В ее основу положена идея о божественной роли чисел, которые управляют миром. «Все есть число», – утверждал Пифагор. Сторонники математической программы считали, что числовые соотношения являются источником гармонии космоса, под которым понималось ее организованность, в противоположность хаосу.

5. Атомистическая научная программа Демокрита–Эпикура сводится к следующему: а) все тела состоят из атомов, которые являются «первокирпичиками» мироздания; б) ато-мы неделимы и неуничтожимы, а поэтому вся Вселенная вечна и бесконечна; в) атомы находятся в постоянном движении, изменяют свое положение в пространстве и во времени; г) атомы бесконечны по числу и бесконечно разнообразны по форме.

В основе материалистического учения Демокрита–Эпикура лежат два фундамен-тальных принципа. Первый из них включает идею о вечности материи и движения. Вторая важная идея, высказанная Демокритом, – это принцип причинности, согласно которому ничто в природе не совершается случайно, но «все свершается по закону и в силу необходимости». Эпикур признавал существование объективной случайности, лежащей в основе самой природы движения атомов.

6. Континуалистская научная программа Аристотеля отличается от демокритовской полной своей противоположностью – «антиатомистичностью». Он учил обратному: процесс деления любого тела можно продолжать бесконечно. За отрицание существования предела делимости материи учение Аристотеля стало называться континуалистским. Отрицает он и существование пустоты, и что все пространство космоса непрерывно заполнено материей.

Анализируя учение Аристотеля, следует подчеркнуть, что основным содержанием его натурфилософии является диалектика материи и духа. Идею он рассматривал как формообразующий принцип. Каждая вещь является соединением материи и формы. Движение в его учении подразделяется на естественное и насильственное. Естественное движение совершенно, происходит равномерно по окружности и присуще небесным телам. На земле движение насильственное происходит под действием силы, кроме движения тела вертикально вниз или вверх.

Аристотель является создателем космологической модели Вселенной – геоцентричес-кой системы Мира. Его учение было канонизировано христианской церковью и просуществовало практически в неизменном виде до XVII в.

7. Распад Римской империи, который сопровождался нескончаемыми войнами, разрушением городов, ослаблением торговых связей между народами, привел к упадку науки и греко-римской культуры. Господствующей идеологией становится христианство. Церковь объявляет открытую войну науке, научным учреждениям и отдельным ученым. Европейская наука вступила в длительный период упадка, продолжавшийся до эпохи Возрождения.

8. Со второй половины VIII в. развитие естествознания было связано с арабским
Востоком. Наиболее значительными были результаты, достигнутые на физико-
математическом направлении и астрономии. Благодаря сочинениям Хорезми Европа
познакомилась с индийской позиционной системой чисел и новым разделом математики – алгеброй. Исследования Алхазена были посвящены оптике, а Буруни – астрономии. Буруни определил угол наклона эклиптики к экватору и установил его вековые изменения.

9. Установление экономических и культурных связей стран Европы с государствами арабского Востока стимулировали развитие научных исследований. К XIII в. наука стано-вится производительной силой, возникла потребность в специалистах производства, врачах, юристах и т.д. Это привело к возникновению учебных и научных учреждений, что сопровождалось оживлением научных исследований в Европе.

 

Контрольные вопросы

1. В чем заключаются особенности натурфилософского подхода познания природы?

2. Перечислите основные положения геоцентрического учения Аристотеля–Птолемея.

3. Назовите основные принципы, положенные в основу атомизма Демокрита.

4. Какую роль сыграла математическая программа Пифагора–Платона в развитии математики?

5. В чем отличие аристотелевского подхода к проблеме материи и движения от платоновского?

6. Какой вклад внесли ученые арабского Востока в развитие естествознания?