Николай Коперник и гелиоцентрическая модель Вселенной

Как известно из главы 1, в III веке до н.э. Аристарх Самосский разработал гелиоцентрическую Солнечную систему, в которой расположил все известные в то время планеты в правильном порядке по степени их удаленности от Солнца. Однако эта модель встретила настолько резкие философские и теологические возражения, в особенности со стороны имевшего огромный авторитет Аристотеля, а позднее — католической церкви, что в течение двух тысячелетий на нее практически не обращали внимания.

Когда в XV столетии над Темными веками забрезжил рассвет, европейские ученые начали переосмысливать строение мироздания. Николай Кузанский (1401–1464) — немецкий ученый и кардинал Римской католической церкви, известный своими достижениями в философии, теологии, церковной политике и астрономии, считал вполне возможным, что Земля не висит без движения в центре Вселенной, а также что небесные тела не представляют собой идеальные сферы и их орбиты — не правильные окружности. Однако в основе суждений Кузанского стояли теологические доводы, а не наблюдения. Он полагал, что Бог находится везде и нигде — одновременно и в центре Вселенной, и на ее периферии. Тем не менее работы Николая Кузанского подготовили почву для явления, которое позже назовут коперниковской революцией.

Революция эта началась благодаря человеку по имени Николай Коперник (1473–1543). По неясным причинам подробности его жизни слабо освещены в литературе, авторы чаще уделяют внимание Галилео Галилею и его конфликту с церковью. Я постараюсь в некоторой мере исправить положение, а в качестве подспорья использую недавно вышедшую биографию Коперника, написанную Давой Собел. В своей замечательной книге, озаглавленной «Более совершенные небеса»^{59}, Собел рассказывает о том, как Копернику удавалось совмещать важную церковную должность с занятиями медициной и при этом находить время на то, чтобы вдумчиво вглядываться в небо.

Николай Коперник родился в польском городе Торуне. Его воспитанием занимался дядя, Лукаш Ватценроде, каноник католической церкви, позднее ставший епископом Вармии. В 1491 году Коперник поступил в Ягеллонский университет в Кракове, где изучал логику, поэтику, риторику, натурфилософию, а также математическую астрономию, к которой проявлял наибольший интерес. «Что же может быть прекраснее небесного свода, содержащего все прекрасное», — восторгался он^{60}.

В 1496 году по настоянию дяди Коперник отправился в Италию изучать каноническое право в Болонском университете. В следующем же году благодаря дяде он стал каноником Вармии, а в 1500 году посетил Рим, где прочитал несколько лекций по математике.

В 1501 году, после краткосрочного визита на родину, Коперник снова едет в Италию, чтобы изучать медицину в Падуанском университете. Там ему преподают технику кровопускания, учение об «испорченных жидкостях» и другие медицинские премудрости тех времен. Кроме того, он учился применять астрологию в целях диагностики и лечения, хотя вряд ли когда-либо воспринимал ее всерьез.

В 1503 году Коперник получает степень доктора канонического права в университете Феррары, после чего возвращается в Польшу и становится «врачом-целителем» при епископе и канониках Вармии. Вдобавок он бесплатно занимается лечением крестьян.

В 1510 году Коперник поселился в Фромборке (Фрауенбурге), небольшом городке на северо-востоке Польши, входившем в епархию Вармии. Он приступает к исследованиям в области астрономии, одновременно выполняя множество церковных обязанностей. Тем не менее сан священника Коперник так и не принял.

Собел рассказывает, что к 1510 году Коперник, «опираясь на интуицию и математику… пришел к выводу о центральном месте Солнца во Вселенной. Для этого не требовалось каких-либо астрономических наблюдений»^{61}. Будет ошибкой, хоть и не прямой, допускать, что эта идея возникла в результате работы чистого разума. В конце концов, Коперник наблюдал за небесами и был знаком с движением планет.

По всей видимости, Николай Коперник ничего не знал о модели, предложенной Аристархом Самосским. Он кратко, не приводя доказательств, изложил свои основные идеи в 40-страничном труде, озаглавленном Commentariolis (у Собел — «Малый комментарий»). Коперник отправил его своим друзьям, которые сделали с него копии и разослали их дальше. В этом труде Коперник однозначно определяет свою позицию в отношении гелиоцентризма:

«Все сферы окружают Солнце, как будто оно находится в середине, а потому центр Вселенной близок к Солнцу. Все видимые нами движения Солнца производятся не им, а Землей и нашей сферой, вместе с которой мы вращаемся вокруг Солнца, как и всякая другая планета»^{62}.

Неоднозначность пришла позже.

В 1511 году капитул назначил Коперника своим канцлером, возложив на него ответственность за всю свою громоздкую финансовую отчетность. Кроме того, под его управление перешло 150 тыс. акров церковной земли, и Копернику пришлось заниматься сугубо мирскими делами — любые сделки между крестьянами, работавшими на этой земле, могли осуществляться только после его утверждения.

Несмотря на эти сложные обязанности, Копернику удалось провести ряд наблюдений, которые позволили ему определить продолжительность года с точностью до секунды — намного точнее, чем любые часы того времени.

В 1512 году Коперника, уже ставшего известным астрономом, пригласили в Рим, чтобы он помог осуществить реформу календаря. Юлианский календарь к тому времени окончательно разошелся с реальностью. В особенности церковь беспокоило значительное смещение праздника Пасхи, все сильнее удалявшегося от дня, установленного Первым Никейским собором в 325 году (первое воскресенье после первого полнолуния, которое наступает вслед за весенним равноденствием). В 1582 году церковь приняла новый, григорианский календарь, который все еще используется в наши дни, хотя записи предложенных Коперником правок не сохранились. Создатели григорианского календаря усовершенствовали старый юлианский календарь, которым пользовались еще со времен Юлия Цезаря. В новом календаре на 400 лет приходилось 97 високосных годов, а не 100, как в юлианском. При этом три года из четырех, открывающих новые века второго тысячелетия, стали невисокосными (1700, 1800, 1900 годы).

Коперника также волновало обесценивание валюты: в 1517 году он опубликовал трактат Meditata, в котором изложил свои соображения о том, как решить проблему денег путем правильной чеканки монет. Любопытно, что Исаак Ньютон в поздние годы своей жизни служил смотрителем Королевского монетного двора в Англии.

В 1517 году Мартин Лютер (1483–1546) написал свои знаменитые 95 тезисов и начал тем самым протестантскую реформацию. Одним из его первых последователей стал бывший католический священник Андреас Осиандер (1498–1552), позднее сыгравший значительную роль в публикации великой работы Коперника. Однако сам Коперник ни разу не дал повода усомниться в своей преданности католической церкви.

В книгу Собел включена очаровательная пьеса в двух актах, в которой описывается визит 25-летнего немца Георга Иоахима Ретика (1514–1574) к 65-летнему Копернику в 1539 году. Ретик был лютеранином, а также профессором математики и поэтики в университете Виттенберга, где жил и работал Лютер. В те времена въезд в Польшу лютеранам был запрещен, однако Ретику каким-то образом удалось проникнуть туда.

Хотя Лютер отвергал астрологию как «творение дьявола», Ретик верил, что в ней можно найти сведения о глубочайшей сущности космоса, и поэтому искал астрономические знания, которые должны были приблизить открытие этих сведений. Он составил множество собственных гороскопов и был уверен, что его жизнь будет недолгой, а потому ему нужно было действовать быстро, чтобы успеть достичь хоть чего-то. Он дожил до 60 лет — почтенного для тех времен возраста.

Будучи в Нюрнберге, Ретик впервые услышал о польском канонике, который описывал движения небесных тел, поместив в центре их орбит Солнце. Он отправился на север Польши, чтобы узнать об этом больше.

Действие пьесы Собел охватывает период с мая 1539 года, когда Ретик появляется на пороге дома Коперника, а затем постепенно становится его ассистентом, помогая ему издать трактат «О вращении небесных сфер» (De revolutionibus orbium celestium), вплоть до смерти Коперника 24 мая 1543 года.

Коперникне горел желанием публиковать свои находки, однако Ретик настоял на этом. Равно как и Тидеман Гизе (1480–1550)^[4], епископ Кульмский, с которым Коперник поддерживал дружеские отношения. Он был рад узнать, что Ретик знаком с Иоганном Петреусом (1497–1550), уважаемым печатником научных текстов из Нюрнберга.

Во второй половине 1539 года Ретик написал краткое изложение модели Коперника в форме письма другому своему наставнику, Иоганну Шёнеру (1477–1547). Он назвал его «Первое сообщение» (Narratio Prima) и опубликовал у Петреуса в следующем году.

Вскоре после этого на сцене появляется Андреас Осиандер. Как упоминалось ранее, Осиандер был одним из первых последователей Лютера, а также теологом и математиком-любителем. Кроме того, он дружил с Петреусом, который, возможно, попросил у него совета о том, как лучше опубликовать книгу Коперника. Осиандер написал Копернику, предложив ему добавить предисловие с пояснением, что математические гипотезы — это «не догматы, а основания для вычислений; так что, даже если они неверны, это неважно, коль скоро они точно воспроизводят явления движений»^{63}. Ретику он дал похожий совет, написав, что «перипатетики и теологи охотно успокоятся, если услышат, что […] настоящие гипотезы выдвигаются не потому, что они в самом деле верны».

В сентябре 1541 года Ретик покинул Фромборк с рукописью в руках. В октябре он вернулся в университет Виттенберга, где стал деканом факультета искусств. Отнюдь не все принимали его с распростертыми объятиями. По слухам, Лютер однажды за обедом сделал следующее замечание: «Что поделаешь, теперь всякий, кто хочет считаться умным, не должен соглашаться с чем-либо, что считают верным другие. Он должен все делать на свой манер. [Включая Лютера?] Именно так поступает тот парень, что решил перевернуть всю астрономию. Даже в этих вещах, что сейчас ставятся с ног на голову, я верю в Священное Писание, ибо Иисус Навин приказал остановиться Солнцу, а не Земле»^{64}.

Ретик и Гизе предпринимали героические попытки примирить модель Коперника с Книгой Иисуса Навина (ИсНав 10:12–13). Таким же образом они пытались справиться с псалмом 93, в котором говорится о том, что основание Земли всегда неподвижно, и другими библейскими противоречиями. Ретик написал трактат, в котором пытался примирить идеи Коперника со Священным Писанием, однако он так и не был опубликован.

Б мае 1542 года Ретик наконец приехал в Нюрнберг и привез с собой большую часть рукописи. Он передал ее Петреусу, который незамедлительно запустил ее в печать. Ретик занимался вычиткой печатных страниц сразу после их выхода из-под станка. Однако в октябре, когда работа была закончена только наполовину, он покинул Нюрнберг, чтобы занять место профессора высшей математики в университете Лейпцига.

С этого момента и до конца корректурой занимался Осиандер. В ноябре 1542 года у 69-летнего Коперника случился инсульт, и он больше не мог следить за тем, как идет подготовка книги. Через полгода, 24 мая 1543 года, его друг Ежи Доннер вложил в руки парализованному последние страницы книги, только что привезенные из Нюрнберга, а в следующее мгновение увидел, что жизнь покинула его^{65}. Работа Николая Коперника была завершена.

Католическая церковь в те времена не считала трактат «О вращении небесных сфер» еретическим. Коперник посвятил его папе Павлу III. Во-первых, работа была узкоспециализированной, так что только человек с глубокими познаниями в математике мог разобраться в ней. Во-вторых, ее не требовалось понимать буквально. Осиандер включил в книгу анонимное предисловие, в котором модель Коперника представлялась просто инструментом для астрономических вычислений, не имеющим никакой философской или богословской подоплеки:

«…Некоторые ученые, без сомнения, были уязвлены до глубины души и считают, что свободные искусства, сложившиеся давно и имеющие прочное основание, не должны приводиться в беспорядок. Но если эти люди изучат вопрос внимательно, то обнаружат, что автор этого труда не сделал ничего предосудительного. Ведь слагать историю движений небесных тел посредством тщательного и умелого исследования есть прямая обязанность астронома. Затем он должен понять и описать причины этих движений или гипотезы о них. […] Автор этой книги блестяще справился с обеими обязанностями, ведь эти гипотезы не обязаны быть верными или даже вероятными. […] Философ, возможно, будет скорее искать подобие истины. Но никто из них не может понять и сказать что-либо наверняка, если только им не будет Божественного откровения. […] Что касается гипотез, то пусть никто не ждет от астрономии ничего определенного, ведь если он примет за истину идеи, задуманные для другой цели, то закончит чтение этого труда большим глупцом, чем был вначале».

Модель Коперника изображена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Модель Солнечной системы, предложенная Коперником. Система, которую позже защищал Галилео Галилей (1564–1652), в целом выглядит так же, однако он добавил орбиты четырех спутников Юпитера, которые ему удалось разглядеть в свой новый телескоп. Изображение предоставлено Обсерваторией Земли НАСА (NASA's Earth Observatory), это упрощенная версия иллюстрации к книге Николая Коперника «О вращении небесных сфер»

На самом деле книга «О вращении небесных сфер» состоит из шести томов. В ней изложена единая система, в которой планеты расположены в правильном порядке расстояний от Солнца, а их периоды обращения вокруг него, как оказалось, были рассчитаны с поразительной точностью. Однако в модели Коперника орбиты все еще круговые, поэтому ему не удалось обойтись без эпициклов. Как следствие, оригинальная модель была сложнее представленной на рис. 2.1, но тем не менее проще Птолемеевой.

 

Первая реакция

Хотя церковь тотчас не отвергла модель Коперника, как раз в этот период стали набирать силу течения, которые в конечном счете привели к осуждению этой модели в религиозных кругах. В эпоху Реформации между протестантами и католической церковью возник глубокий раскол по вопросам источника религиозного авторитета. Несмотря на то что церковь почитала Библию, последняя не обладала высшим авторитетом в богословских вопросах. Таким авторитетом обладал исключительно папа, так как считалось, что непрерывная цепочка пап восходит к святому Петру, которому Иисус Христос поручил власть над всеми земными делами. Реформатская церковь искала замену авторитету пап, и единственной достойной альтернативой была Библия. Причем это означало, что ее нужно воспринимать буквально, как слово, исходящее от Бога.

Даже в наши дни непогрешимость Библии остается основной догмой многих протестантских сект. Это приводит их последователей к отрицанию таких научных открытий, как эволюция или возраст Земли, в то время как у католиков проблем с этим практически не возникает. Папы считают большинство научных открытий приемлемыми, до тех пор пока те не отрицают Божественное творение и нематериальную природу души. (Остается спорным вопрос о том, верят ли католическая церковь и умеренные христиане в биологическую эволюцию в научном понимании, то есть как проходившую без контроля со стороны Бога.)

Мартин Лютер и другие реформаторы, проповедовавшие, что в Библии заложена буквальная истина, не принимали картину мира Коперника, так как она противоречила Священному Писанию. Однако следует заметить, что Лютер умер всего через три года после публикации трактата «О вращении небесных сфер», задолго до серьезного научного обоснования изложенной там модели. Тем не менее в следующем столетии под натиском реформации римская католическая церковь, движимая иезуитами, признала необходимость занять более консервативную позицию по многим вопросам. Это означало в том числе и отторжение идей Коперника и математического метода вычисления бесконечно малых величин, который в конечном счете привел к появлению математического анализа^{66}.

Еще одним крайне неудобным диссидентом для христианской церкви был итальянский монах-доминиканец Джордано Бруно (1548–1600), унять которого ей удалось только с помощью костра. Бруно исповедовал довольно много различных ересей, чем заслужил свою участь, однако именно его космологические представления имеют отношение к нашей истории. Вероятно, он воспринял и распространил некоторые идеи упомянутого ранее Николая Кузанского^{67}. Бруно предположил, что Солнце — всего лишь одна звезда во Вселенной, состоящей из бесконечного числа миров и не имеющей центра. Более того, в этих мирах обитают другие разумные существа.

Следующее по времени событие, относящееся к нашей истории, произошло в 1572 году, когда датский астроном Тихо Браге (1546–1601) увидел в небе яркую быстро исчезнувшую вспышку — взрыв сверхновой. Это стало первым свидетельством того, что в небесах тоже происходят непредсказуемые изменения вопреки традиционным представлениям об их совершенстве и неизменности. Английский астроном Томас Диггес (1546–1595) безуспешно пытался измерить параллакс сверхновой Браге и сделал вывод, что она должна находиться за пределами орбиты Луны.

Диггес в 1576 году опубликовал первый англоязычный комментарий к модели Коперника. Он внес существенное изменение в космологическую картину, отказавшись от представления об ограниченной сфере неподвижных звезд, окружающей Солнечную систему, в пользу бесконечного космического пространства с множеством звезд. Отсутствие наблюдаемого параллакса убедило его в том, что они находятся на огромном расстоянии от Земли, как и предполагал Коперник.

Браге соглашался с тем, что модель Коперника «очень тонко устраняет те места, которые являются излишними и несоответственными системе Птолемея», однако он возразил, что «тело Земли велико, медлительно и непригодно для движения, на него не может повлиять движение (особенно три движения), не более, чем могут быть смещены светила мирового эфира»^{68}.

Итак, Браге опубликовал модель, уже предложенную предшественниками. Неподвижная Земля расположена в центре, Луна и Солнце вращаются вокруг нее, в то время как остальные планеты вращаются вокруг Солнца. И в самом деле, результаты наблюдений тех времен лучше укладывались в эту модель, нежели в систему Коперника. К тому же она не противоречила учению церкви, что на некоторое время сделало ее весьма популярной.

 

Кеплер и законы движения планет

На теоретическом уровне модель Коперника проще модели Птолемея, особенно в том, что касается отображения движения планет, но в качестве вычислительного инструмента она изначально не была лучше, поскольку входные данные для нее содержали ошибки. Ситуация изменилась с появлением данных наблюдений Браге и Иоганна Кеплера (1571–1630), которые были значительно точнее. Более того, Кеплер сделал большой шаг вперед, предложив три закона движения планет, которые с большой точностью описывали эти новые данные.

Законы движения планет Кеплера.

1. Все планеты движутся по эллиптическим орбитам, в одном из фокусов которых находится Солнце.

2. Отрезок прямой, соединяющий Солнце и планету, отсекает равные площади за равные промежутки времени.

3. Квадраты периодов обращения планет относятся как кубы больших полуосей их орбит.

 

Направляя телескоп в небеса

История Галилея известна всем, но ее часто понимают неправильно. В моих предыдущих книгах, в особенности в «Боге и атоме»^{69}, я отдал должное его огромному вкладу в физику. Здесь же хочу заострить внимание на его работе в области астрономии. В отличие от Осиандера, Галилей не удовлетворился признанием гелиоцентрической модели в качестве просто полезного инструмента для предсказания небесных явлений. Он настаивал, что наш мир устроен именно так. Кеплер был того же мнения.

В 1608 году голландский мастер по изготовлению очков Ханс Липпергей (или Липперсгей) (1570–1619) изобрел зеркальный телескоп. Первые модели давали увеличение всего в несколько раз, но Галилей усовершенствовал конструкцию. Он направил в небо новый мощный прибор, увеличивающий изображение в 30 раз.

Свои первые наблюдения Галилей описал в работе, вышедшей в 1610 году под названием «Звездный вестник» (Sidereus nuncius)^{70}. Он сообщил о горах и кратерах, которые увидел на поверхности Луны. Он увидел в десять раз больше звезд, чем доступно невооруженному глазу, а также размытые туманности, которые счел подобными Млечному Пути скоплениями звезд, расположенными слишком далеко, чтобы рассмотреть их по отдельности.

На рис. 2.2 приведены иллюстрации из «Звездного вестника» — зарисовки лунной поверхности, выполненные Галилеем. Эти находки, а также обнаруженные позже пятна на Солнце стали прямым, полученным в ходе опыта опровержением распространенного убеждения в том, что небесные тела представляют собой идеальные сферы, как учил Аристотель.

Рис. 2.2. Зарисовки лунной поверхности, выполненные Галилеем. Впервые опубликованы в 1610 году, источник: Галилео Галилей, «Звездный вестник» (Альберт ван Хельден, Chicago: University of Chicago Press, 1989)

В 1610 году Галилей сделал еще одно важное открытие. Оказалось, что Венера имеет фазы, подобные лунным, зависящие от изменения степени ее освещенности Солнцем, в результате вращения вокруг него внутри земной орбиты. Это наблюдение никак не укладывалось в птолемеевскую систему, хотя и не исключало других вариантов геоцентрической системы, к примеру модель Тихо Браге.

Но самой сенсационной серией наблюдений Галилея стала та, во время которой он увидел четыре спутника Юпитера. С 7 января по 1 марта 1610 года, когда позволяла погода, он зарисовывал расположение четырех объектов, обращающихся вокруг Юпитера. В «Звездном вестнике» можно увидеть около 64 таких наброска, в цитируемом издании они располагаются на страницах 65–83. Пример такой серии набросков изображен на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Пример набросков Галилея, изображающих положение спутников Юпитера. Сомнения развеялись окончательно: эти небесные тела определенно были лунами, вращающимися вокруг Юпитера, а не Земли. Но и в этом случае можно было представить геоцентрическую модель, подобную предложенной Браге, в которой не всякое небесное тело вращается вокруг Земли. Впервые опубликованы в 1610 году, источник: Галилео Галилей, «Звездный вестник» (Альберт ван Хельден, Chicago: University of Chicago Press, 1989)

Стоит отметить, что Галилей сделал ряд утверждений, не подкрепленных данными наблюдений, в частности, что приливы и отливы вызваны движением Земли вокруг Солнца и являются его свидетельством. В этом случае великий наблюдатель упустил из виду, что такая модель предсказывает только один прилив и отлив в сутки, в то время как они происходят дважды. Ранее Кеплер уже дал правильное объяснение возникновению приливов и отливов: они вызваны притяжением Луны.

В 1616 году католическая церковь запретила Галилею утверждать, что Земля движется, а Солнце висит неподвижно в центре Вселенной, так как это противоречило ряду библейских цитат, в которых говорилось, что Земля «не подвигнется» и «не поколеблется» (Пс. 93:1, 96:10, 104:5, 1-Пар. 16:30). Более того, католическая церковь признавала незыблемый авторитет аристотелевской физики, включавшей, в частности, идею абсолютного движения. Заметьте, это очень хорошо согласовывалось с доктриной абсолютной истинности церковного учения. Однако на тот момент Галилею еще не запретили заниматься его работой и он ее продолжил.

Итак, Галилей все так же наблюдал за небом в телескоп. Некоторое время спустя он навлек на себя большие неприятности. В 1632 году Галилей опубликовал «Диалог о двух главнейших системах мира, Птолемеевой и Коперниковой», в котором настойчиво защищал последнюю. Персонаж «Диалога» по имени Симплиций (Простак), представляющий сторону Аристотеля, приводит аргументы, которые ранее высказывал сам папа римский, что вызвало недовольство папы Урбана VIII, в прошлом друга и сторонника Галилея. Галилей предстал перед судом инквизиции за ослушание. Его заставили на коленях отречься от своих взглядов и приговорили к пожизненному, но довольно комфортному домашнему заключению.

Когда знаменитый французский философ Рене Декарт (1596–1650) узнал об участи Галилея, он отказался публиковать свою работу «Мир» (Le Mond), основанную на теории Коперника. Он писал своему другу: «Однако я ни за что не хочу издавать сочинение, в котором церкви могло бы не понравиться хотя бы малейшее слово. Поэтому я лучше скрою его, чем решусь выпускать в искаженном виде»^{71}.

Хотя Галилею формально запретили писать что-либо из области физики и астрономии, он продолжил свою работу в области физики и заложил тем самым основы ньютоновской механики, появившейся поколение спустя. Ньютон родился в 1642-м, в год смерти Галилея.