Космология

Гелиоцентрическая система мира: от Аристарха до Ньютона

Отправлено: Декабрь 17, 2017 в 21:11

Категория: «Как это работает?»

Впервые идея о том, что Земля вращается вокруг Солнца, возникла в умах древнегреческих ученых. Отцом-основателем гелиоцентризма считается Аристарх Самосский, родившийся около 310 года до нашей эры. Насколько хорошо ему удалось проработать свою гипотезу доподлинно неизвестно, вся доступная историкам информация сводится лишь к нескольким упоминаниям в трудах Архимеда и Плутарха. Единственная дошедшая до нас работа Аристарха касается измерения расстояний до Луны и Солнца, а также вычисления их размеров.

Попятное движение планет

Гелиоцентризм устранял ряд серьезных проблем геоцентрической системы мира, например, попятное движение планет. Чем дальше внешняя (относительно земной орбиты) планета, удалена от Солнца, тем дольше ее период обращения. Рассмотрим для примера Юпитер с орбитальным периодом 11,86 лет. За счет более высокой скорости и меньшего радиуса орбиты Земля регулярно сближается с ним и «совершает обгон». Если в это время наблюдать Юпитера на фоне неподвижных звезд, то создается впечатление, что он движется по своей орбите в обратном направлении, навстречу Земле. Для объяснения такого наблюдаемого поведения планет в геоцентрической модели использовалась сложная система эпициклов, требующая огромного количества нетривиальных вычислений.

О гелиоцентрической системе мира достаточно положительно отзывался Архимед, известным сторонник данной гипотезы был вавилонский астроном Селевк, про последователей Аристарха писал древнегреческий философ Секст Эмпирик. Однако, гипотеза оказалась слишком смелой для своего времени и была забыта греками, вероятными причинами считаются: возросший уровень религиозного догматизма; астрология, пришедшая на смену астрономии; общий кризис науки после II века нашей эры.

«И всё-таки она вертится!»

В средние века и в эпоху раннего возрождения гелиоцентризм был практически забыт, имеется лишь ряд упоминаний о схожих гипотезах у индийских и арабских астрономов. Знаковым же для всей астрономии можно назвать 1543 год, когда вышел монументальный труд польского астронома Николая Коперника «О вращениях небесных сфер», в котором он изложил свой взгляд на гелиоцентрическую систему. Ученый постулировал ряд аксиом: все шесть (известных в то время) планет вращаются вокруг Солнца; Луна вращается вокруг Земли; расстояние от нашей планеты до Солнца значительно меньше расстояния до звезд; Земля вращается вокруг собственной оси. Для точного описания движения планет Коперник по-прежнему использовал эпициклы, но ему удалось сократить их количество с 77 до 34. Несмотря на ряд серьезных недостатков, например, сохранившийся особый статус Земли (согласно теории, только она двигалась по орбите равномерно), работа польского астронома дала мощный толчок дальнейшему развитию гелиоцентрической системы мира.

Гелиоцентрическая система Коперника

Одним из великих мыслителей эпохи возрождения, поддержавшим теорию Коперника, являлся Джордано Бруно. Он не только активно отстаивал модель мира, в которой Земля и другие планеты обращаются по круговой орбите вокруг Солнца, но и отбросил за ненадобностью концепцию небесных сфер, объяснив суточные траектории звезд вращением нашей планеты, а также, пусть и ошибочно, но объяснил наблюдаемый эффект прецессии. Бруно выдвинул ряд смелых предположений, таких как: бесконечность Вселенной, существование других планетных систем и наличие в Солнечной системе не открытых планет. Он был одним из первых, кто всерьез рассмотрел концепцию относительности движения, а также выдвинул гипотезу об отсутствии центра Вселенной. Скорее всего «излишне прогрессивные» взгляды Джордано Бруно на космологию сыграли не последнюю роль в решении суда инквизиции, согласно которому 17 февраля 1600 года он был сожжен заживо.

Настоящую революцию в мире гелиоцентрических представлений совершил немецкий астроном Иоганн Кеплер, который стал убежденным сторонником гелиоцентризма еще в студенческие годы. Благодаря длительной совместной работе с датским астрономом Тихо Браге он получил в свое распоряжение огромный массив наблюдательных данных. В результате интуитивного анализа этих данных им были сформулированы три закона Кеплера, с огромной точной описывающих движение планет по орбитам. Благодаря этим законам впервые удалось с высокой точностью вычислить относительные расстояния от Солнца до всех планет, а также составить таблицы их движения, значительно превосходящие по точности все аналогичные таблицы, существовавшие ранее. Астрономы до сих пор используют законы Кеплера при проведении расчетов.

Первым человеком, направившим телескоп (зрительную трубу, по терминологии того времени) на ночное небо, был современник Кеплера – итальянский астроном, физик и механик Галилео Галилей. Благодаря сначала трехкратному, а впоследствии и 32-кратному, увеличению изобретенных им телескопов, ученый смог рассмотреть неровности лунного ландшафта, открыть четыре спутника Юпитера, увидеть пятна на Солнце и по характеру их движения установить факт вращения светила вокруг собственной оси. Обнаруженная Галилеем смена фаз Венеры, указала на вращение планеты вокруг Солнца. Данное наблюдение вполне можно самостоятельно проверить при помощи недорогого любительского телескопа, при этом оно полностью рушит классическую геоцентрическую теорию. Также телескоп позволил увидеть звезды, неразличимые невооруженным глазом, что соответствовало положению теории Коперника о гигантских расстояниях до звезд. Двигаясь по орбитам, планеты то значительно сближаются друг с другом (противостояние или оппозиция), то, напротив, оказываются по разные стороны от нашей звезды (соединение с Солнцем). Вытекающие из этого, и наблюдавшиеся Галилеем, изменения видимого размера планет также свидетельствовали в пользу гелиоцентрической системы мира. Все описанные выше открытия, впрочем, совершенно не убедили Католическую церковь и в 1663 году, представ перед судом инквизиции, ученый был вынужден отречься от своих взглядов. Именно тогда Галилей якобы произнес знаменитую фразу: «И всё-таки она вертится!»

Противостояние планет
Противостояние Земли и Марса, во время которого видимый радиус планеты близок к максимальному (кликабельно).

Споры между последователями различных теорий продолжались еще некоторое время, пока в 1687 году Исаак Ньютон не продемонстрировал, что законы Кеплера можно вывести из закона всемирного тяготения, тем самым поставив на геоцентризме жирный крест. Спустя полтора века, в 1835 году, Католическая церковь наконец признала, что Земля вращается вокруг Солнца. В православной России активная критика гелиоцентризма велась вплоть до начала XX века, в качестве «аргументов» использовались цитаты из Библии.

Эмпирические доказательства гелиоцентрической системы

Стоит отметить, что наблюдения Галилея не являются стопроцентным доказательством гелиоцентризма, и вполне возможно создать геоцентрическую систему вращения планет, согласующуюся с ними, хоть и полностью отличающуюся от классической версии Птолемея. Одной из таких систем являлась популярная некоторое время гео-гелиоцентрическая система, которая сохраняла центральное положение Земли, в то время как все остальные планеты в ней вращались вокруг Солнца. Это детище датского астронома Тихо Браге, по словам самого ученого, создавалось с оглядкой на жесткую позицию католической церкви и многими учеными воспринималось как завуалированный вариант гелиоцентризма. После открытия закона всемирного тяготения в научном сообществе не осталось никаких сомнений в том, что Земля вращается вокруг Солнца, но это уже совсем другая история.

Если вы просто хотите убедиться своими глазами, что планеты Солнечной системы вращаются вокруг своей звезды, то вам достаточно будет повторить за Галилеем наблюдение фаз Венеры, а также установить факт изменения видимого диаметра Марса. Для этого будет достаточно телескопа в районе 150-200 долларов. Начинать наблюдение Венеры можно практически в любое время года, ее полный цикл фаз длится 584 дня – время, за которое планета успевает обогнать Землю на один оборот. Для наблюдения Марса важны противостояния, три ближайших произойдут: 27 июля 2018 года (великое противостояние, т.е. максимальное сближение), 10 октября 2020 года, 8 декабря 2022 года. Видимый размер красной планеты будет постепенно увеличиваться с приближением даты противостояния и наоборот.

Однако описанные выше наблюдательные доказательства не касаются непосредственно Земли и вполне соответствуют гео-гелиоцентрической картине. Конечно же существуют эмпирические доказательства того, что Земля также вращается вокруг Солнца, но они значительно более сложны для воспроизведения в «домашних» условиях. Более того, большинство из них были найдены после открытия закона всемирного тяготения, когда научное сообщество уже не сомневалось в правильности гелиоцентрической системы.

Годичный параллакс звезд

На неподвижной Земле, которая находится в центре мира, направление видимости звезд на небесной сфере всегда должно быть абсолютно одинаковым. Так как наша планета все же вращается вокруг Солнца, то позиция наблюдателя постоянно смещается в течение года, а, следовательно, немного изменяется и угол, под которым видна удаленная звезда. Предположение о существовании данного явления возникло еще во времена Аристарха, однако ввиду того, что расстояние даже до близких звезд значительно больше диаметра орбиты Земли, подтвердить его наблюдениями оказалось крайне сложно (первые успешные измерения были проведены только в XIX веке). Для ближайшей к нам звезды Проксима Центавра годичный параллакс составляет всего 0,77 секунд дуги. Запущенный в 2013 году космический аппарат Gaia способен измерять углы с точностью до 10 микросекунд дуги. Определение годичных параллаксов – это основной способ измерения расстояний до звезд: радиус орбиты Земли необходимо разделить на значение угла в радианах.

Звездный параллакс
Для близких и далеких звезд годичные параллаксы разные, поэтому мы можем наблюдать изменение видимого положения близкой звезды на фоне далеких.

Сдвиг спектральных линий

Движение Земли относительно звезд

Изменение частоты звука в зависимости от того приближается к нам его источник или удаляется известно нам как проявление эффекта Доплера. В повседневной жизни вы можете столкнуться с этим эффектом, когда рядом с вами проезжает машина скорой помощи со включенной сиреной: сначала частота звука нарастает, а затем, когда автомобиль проедет мимо вас, начинает уменьшаться. Подобное изменение частоты излучения, а, следовательно, и длины волны, характерно в том числе и для света. В ходе движения по орбите Земля то удаляется от наблюдаемой звезды, то приближается к ней, как показано на рисунке. Если постоянно анализировать спектр определенной звезды, то в нем будут видны цикличные сдвиги с периодом в один год: то в сторону красного (удаление), то в сторону синего (сближение). Подобные измерения значительно осложняются тем фактом, что все звезды, включая Солнце, вращаются вокруг центра галактики, при чем их скорость значительно варьируется в зависимости от расстояния между звездой и центром галактики.

Аберрация звездного света

Представьте, что во время дождя вы стоите под зонтом и капли падают вертикально вниз. Если вы побежите вперед, то капли начнут падать под наклоном и вам нужно будет наклонить зонт на определенный угол перед собой чтобы не промокнуть. Это достаточно грубая аналогия аберрации света, когда при переходе из одной системы отсчета к другой происходит изменение направления распространения излучения. Так как Земля каждые полгода меняет направление своего движения относительно звезды, последняя за год описывает на небесной сфере небольшой эллипс. Это явление было открытом английским астрономом Джеймсом Брэдли в 1727 году и позволило достаточно точно измерить скорость света. Угол годичной аберрации составляет примерно 20 секунд дуги.

Фотографии с Марса

Восход Солнца на красной планете
Восход Солнца на Марсе, фотография сделана 19 мая 2005 года марсоходом Spirit.
NASA/JPL/Texas A&M/Cornell

С поверхности красной планеты Солнце кажется совсем маленьким. На Земле угловой диаметр солнечного диска равен примерно 0,533 градуса, на Марсе же мы имеем значение в 0,35 градуса. Это означает, что расстояние между нашей планетой и Солнцем меньше, чем расстояние между Марсом и Солнцем. При этом, если вы будете наблюдать рассвет с разных точек марсианской орбиты, то невооруженным глазом вы не увидите никаких изменений в угловом диаметре (из-за эллиптической орбиты минимальные колебания все же имеются). Но это не главное. Сам факт того, что человечество запустило свои аппараты к Марсу и другим далеким мирам, лучшим образом подтверждает закон всемирного тяготения и теорию относительности Эйнштейна. Трудно представить себе более убедительное доказательство!