Теория Николая Коперника

Введение

Коперник (1473-1543) был величайшим мыслителем, которому суждено было начать великую революцию в астрономии, повлекшую за собой революцию во всём естествознании. Ещё в конце XV в., после знакомства и глубокого изучения «Альмагеста», восхищение математическим гением Птолемея сменилось у Коперника сначала сомнениями в истинности этой теории, а затем и убеждением в существовании глубоких противоречий в геоцентризме. Геоцентризм - воззрение, согласно которому земля неподвижно покоится в центре мира, а все небесные светила движутся вокруг неё. Он начал поиск других фундаментальных астрономических идей, изучал сохранившиеся сочинения или изложения учений древнегреческих математиков и философов, в том числе и первого гелиоцентриста Аристарха Самосского, и мыслителей, утверждавших подвижность Земли.

В древности кроме Аристарха Самосского негеоцентрические идеи высказывались пифагорейцами Филолаем (считавшим, что все планеты и солнце вращаются вокруг некоего «центрального огня»), Экфантом (учение о вращении Земли вокруг своей оси), Гераклидом Понтийским (в его учении Земля находилась в центре мира, вращалась вокруг своей оси, а Меркурий и Венера вращались вокруг Солнца) и др. Кроме того, в эпохи античности и средневековья в различных мистических, эзотерических учениях духовный центр мира (Единое, Благо, Логос, Абсолют и др.) олицетворялся с Солнцем как источником «духовного» света. Такое олицетворение получило название «духовного гелиоцентризма».

Через всю яркую жизнь Коперника, начиная со студенческих лет в Кракове и до последних дней, проходит основная нить - великое дело утверждения новой системы мира, призванной заменить к корне неправильную геоцентрическую систему Птолемея.

Теория Николая Коперника

В эпоху раннего средневековья в Европе безраздельно господствовала библейская картина мира. Затем она сменилась догматизированным аристотелизмом и геоцентрической системой Птолемея. Постепенно накапливавшиеся данные астрономических наблюдений подтачивали основы этой картины мира. Несовершенство, сложность и запутанность птолемеевской системы становились очевидными. Многочисленные попытки увеличения точности системы Птолемея лишь усложняли её. (Общее число вспомогательных кругов возросло до 80). Ещё в XIII веке кастильский король Альфонсо Х высказался в том смысле, что если бы он мог давать Богу советы, то посоветовал бы при создании мира устроить его проще.

Птолемевская система не только не позволяла давать точные предсказания; она также страдала явной несистематичностью, отсутствием внутреннего единства и целостности; каждая планета рассматривалась сама по себе, имела отдельную от остальных эпициклическую систему, собственные законы движения. В геоцентрических системах движение планет представлялось с помощью нескольких равноправных независимых математических моделей. Для объяснения петель движения данной планеты предполагалось помимо движения по деференту движение по своей группе эпициклов, никак не связанных, вообще говоря, с эпициклами и деферентами других планет. Строго говоря, геоцентрическая теория не обосновала геоцентрической системы, так как объектом этой теории система планет (или планетная система) не являлась; в ней речь шла об отдельных движениях небесных тел, не связанных в некоторое системное целое. Геоцентрические теории позволяли предвычислять лишь направления на небесные светила, но не определить истинную удалённость и расположение их в пространстве. Птолемей считал эти задачи вообще неразрешимыми. Установка на поиск внутреннего единства и системности была той основой, вокруг которой концентрировались предпосылки создания гелиоцентрической системы.

Создание гелиоцентрической теории было связано и с необходимостью реформы юлианского календаря, в котором две основные точки - равноденствие и полнолуние - потеряли связь с реальными астрономическими событиями. Календарная дата весеннего равноденствия, приходившаяся в IV веке н.э. на 21 марта и закреплённая за этим числом Никейским собором в 325 году как важная отправная дата при расчёте основного христианского праздника Пасхи, к XVI веку отставала от действительной даты равноденствия на 10 дней. Ещё с VIII века юлианский календарь пытались совершенствовать, но безуспешно. Латеранский собор, проходивший в 1512-1517 гг. в Риме, отметил чрезвычайную остроту проблемы календаря и предложил её решить ряду известных астрономов, среди которых был и Николай Коперник. Но он ответил отказом, т.к. считал недостаточно развитой и точной теорию движения Солнца и Луны, которые и лежат в основе календаря. Однако это предложение стало для Н. Коперника одним из мотивов совершенствования геоцентрической теории.

Другая общественная потребность, стимулировавшая поиски новой теории планет, была связана с мореходной практикой. Новые, более точные таблицы движения небесных тел, прежде всего Луны и Солнца, требовались для вычисления положений Луны для данного места и момента времени. Определяя разницу во времени одного и того же положения Луны на небе - по таблицам и по часам, установленным по Солнцу во время плавания, вычисляли долготу места на море. Долгое время это был единственный способ нахождения долготы во время длительных морских плаваний.

Совершенствование теории планетной системы стимулировалось также и нуждами всё ещё популярной тогда астрологии.

Существенно упростивший астрономические вычисления с помощью тригонометрии немецкий астроном и математик Региомонтан (его «Эфемериды» вышли в свет в 1474 г.) выдвинул идею о том, что в птлемеевской теории можно освободиться от эпициклов и деферентов, если заменить описания пяти планет (исключая Землю), вращающихся вблизи Солнца по эпициклам и деферентам, эквивалентной системой планет, вращающихся вокруг Солнца по эксцентрическим окружностям. Это был прямой путь к созданию геогелиоцентрической системы, от которой оставался лишь один шаг до «чистого» гелиоцентризма. К другим предпосылкам гелиоцентризма следует отнести, по мнению известного историка науки Т. Куна, «достижения в химическом анализе «падающих камней», имевшие место в средневековье, возрождение в эпоху Ренессанса древнемистической неоплатонистской философии, которая учила, что Солнце - это образ Бога, и атлантические путешествия, которые расширили территориальный горизонт человека эпохи Ренессанса».

Коперник первым взглянул на весь тысячелетний опыт развития астрономии глазами человека эпохи Возрождения: смелого, уверенного, творческого, новатора. Предшественники Коперника не имели смелости отказаться от самого геоцентрического принципа и пытались либо совершенствовать мелкие детали птолемеевской системы, либо обращаться к ещё более древней схеме гомоцентрических сфер. Коперник сумел разорвать с этой тысячелетней консервативной астрономической традицией, преодолеть преклонение перед древними авторитетами. Из слов Коперника можно заключить, что уже в 1506-1508 годах (возможно, даже в 1504 году) у него сложилась та стройная система взглядов на движение в Солнечной системе, которая и составляет, как принято сейчас говорить, гелиоцентрическую систему мира. Он был движим идеей внутреннего единства и системности астрономического знания, искал простоту и гармонию в природе, ключ к объяснению единой сущности многих, многих кажущихся различными явлений. Результатом этих поисков и стала гелиоцентрическая система мира.

Но как истинный учёный, Николай Коперник не мог ограничиться высказыванием гипотез, а посвятил много лет своей жизни получению наиболее ясных и наиболее убедительных доказательств своих утверждений. Используя достижения математики и астрономии своего времени, он придал своим революционным взглядам на кинематику Солнечной системы характер строго обоснованной, убедительной теории. Следует заметить, что во времена Коперника астрономия ещё не владела методами, позволяющими непосредственно доказать вращение Земли вокруг Солнца (такой метод появился почти двести лет спустя).

Первый набросок своей теории Коперник изложил в работе, которая известна под русским названием, как «Малый комментарий Николая Коперника относительно установленных им гипотез о небесных движениях». Эта книга не была опубликована при жизни автора. В «Малом комментарии» после краткого предисловия, завершающегося упоминанием о теории концентрических сфер Евдекса и Каллиппа, а также теории Птолемея, Коперник указывает на недостатки этих теорий, вынуждающих его предложить свою теорию.

Эта новая теория исходит из следующих требований:

1) Не существует единого  центра для всех небесных орбит  или сфер.

2) Центр Земли является  не центром мира, а лишь центром  тяготения и лунной орбиты.

3) Все сферы движутся  вокруг солнца, как вокруг своего  центра, вследствие чего Солнце  является центром всего мира.

4) Отношения расстояния  от Земли до Солнца к высоте  небесной тверди (то есть к  расстоянию до сферы неподвижных  звёзд) меньше отношения радиуса  Земли к расстоянию от неё  до Солнца, причём, расстояние от  Земли до Солнца ничтожно мало  по сравнению с высотой небесной  тверди.

5) Всякое движение, замеченное  у небесной тверди, связано не  с каким-либо движением самой  тверди, а с движением Земли. Земля  же вместе с окружающими её  стихиями (воздухом и водой) совершает  в течение суток полный оборот  вокруг своих неизменных полюсов, в то время, как твердь небесная  и расположенное на ней небо, остаются неподвижными.

6) То, что кажется нам  движением Солнца, на самом деле  связано с движениями Земли  и нашей сферы, вместе с которой  мы обращаемся вокруг Солнца, как всякая другая планета. Таким  образом, Земля обладает более  чем одним движением.

7) Кажущиеся прямые и  попятные движения планет, обусловлены  не их движениями, а движением  Земли. Следовательно, одного лишь  движения самой Земли достаточно  для объяснения многих кажущихся  неравномерностей на небе.

В этих семи тезисах чётко намечены контуры будущей гелиоцентрической системы, сущность которой заключается в том, что Земля одновременно движется и вокруг своей оси и вокруг Солнца.

Формулируя тезисы своей теории, Николай Коперник пользуется понятиями астрономии начала XVI века. Так, в его тезисах идёт речь о движении сфер, а не о движении планет. Ибо движение планет объяснялось тогда движением сфер, каждая из которых соответствовала определённой планете. Пятый тезис следует понимать так: сфера неподвижных звёзд не участвует в движении планетных сфер, а остаётся неподвижной. А в последнем тезисе речь идёт о петлях описываемых планетами на небе вследствие движения Земли вокруг Солнца. В теории Коперника, оказалось, достаточно принять допущение о том, что мы наблюдаем за планетами с движущейся Земли, плоскость орбиты которой, почти совпадает с плоскостями орбит других планет. Такое допущение существенно упрощало объяснение петлеобразного движения планет по сравнению со сложной системой эпициклов и дифферентов в теории Птолемея. Необычайно важным был и четвёртый тезис: никто до Коперника, а большинство астрономов и после его смерти, не смели приписывать Вселенной столь огромные размеры.

Сформулировав семь положений своей теории, Коперник переходит к описанию последовательности расположения небесных сфер (планет). Затем Коперник останавливается на том, почему годовое движение Солнца на небе следует объяснять лишь движением Земли.

Заканчивается «Малый комментарий» следующим утверждением: «Таким образом, всего тридцати четырёх кругов достаточно для объяснения устройства Вселенной и всего хоровода планет». Коперник необычайно гордился своим открытием, ибо видел в нём наиболее гармоничное решение проблемы, сохранявшее принцип, в силу которого все движения планет можно интерпретировать как сложения движений по окружности.

«О вращениях небесных сфер»

Первое издание книги «О вращениях небесных сфер» появилось в мае 1543 года в Нюрнберге, благодаря усилиям Тидемана Гизе, Иоахима Ретика и нюрнбергского профессора математики Шонера, взявшего на себя просмотр корректур. По приданию, сам Коперник получил экземпляр своего гениального творения в день своей смерти, незадолго до того момента, когда он навсегда закрыл глаза.

В книге «О вращениях небесных сфер» изложена математическая теория сложных видимых движений Солнца, луны, пяти планет и сферы звёзд с соответствующими математическими таблицами и приложением каталога звёзд.

В центре мира Коперник поместил Солнце, вокруг которого движутся планеты, и среди них впервые зачисленная в ранг «подвижных звёзд» Земля со своим спутником Луной. На огромном расстоянии от планетной системы находится сфера звёзд. Его вывод о чудовищной удалённости этой сферы диктовался гелиоцентрическим принципом; только так мог Коперник согласовать его с видимым отсутствием у звёзд смещений за счёт движения самого наблюдателя вместе с Землёй (т.е. отсутствием у них параллаксов).

Система Коперника была проще и точнее системы Птолемея, и её сразу же использовали в практических целях. На её основе составили «Прусские таблицы», уточнили длину тропического года и провели в 1582г. давно назревшую реформу календаря - был введён новый, или григорианский стиль.

Меньшая сложность теории Коперника и получавшаяся, но лишь на первых порах, большая точность вычислений положений планет по гелиоцентрическим таблицам были не самыми главными достоинствами его теории. Более того, теория Коперника при расчётах оказалась не намного проще птолемеевской, а по точности предвычислений положений планет на длительный промежуток времени практически не отличалась от неё. Несколько более высокая точность, дававшаяся на первых порах «Прусскими таблицами», объяснялась не только введением нового гелиоцентрического принципа, а и более развитым математическим аппаратом вычислений. Но и «Прусские таблицы» также вскоре разошлись с данными наблюдений. Это даже охладило первоначальное восторженное отношение к теории Коперника у тех, кто ожидал от неё немедленного практического эффекта. Кроме того, с момента своего возникновения и до открытия Галилеем в 1616 году фаз Венеры, т.е. более полувека, вообще отсутствовали прямые наблюдательные подтверждения движения планет вокруг солнца, которые свидетельствовали бы об истинности гелиоцентрической системы. В чём же действительное достоинство, привлекательность и истинная сила теории Коперника? Почему она вызвала революционное преобразование всего естествознания?

Коперниканская революция

Любое новое возникает на базе и в системе старого. Коперник в этом отношении не был исключением. Он разделял многие представления старой, аристотелевской космологии. Так, он представлял Вселенную замкнутым пространством, ограниченным сферой неподвижных звёзд. Он не отступал от аристотелевской догмы, в соответствии с которой истинные движения небесных тел могут быть только равномерными и круговыми. В этом он был даже больший консерватор и приверженец аристотелизма, чем Птолемей, который ввёл понятие экванта и допускал неравномерное движение центра эпицикла по деференту. Стремление восстановить аристотелевские принципы движения небесных тел, нарушавшиеся в ходе развития геоцентрической системы, кстати сказать, и стало для Коперника одним их мотивов поисков иных, негеоцентрических подходов к описанию движений планет.

Но, в отличие от своих предшественников, Коперник пытался создать логически простую и стройную планетную теорию. В отсутствие простоты, стройности, системности Коперник увидел коренную несостоятельность теории Птолемея, в которой не было единого стержневого принципа, объясняющие системные закономерности в движениях планет. Н. Коперник писал: «…Я ничем иным не был приведён к мысли придумать иной способ вычисления движений небесных тел, как только тем обстоятельством, что относительно исследований этих движений математики не согласны между собой. Начать с того, что движения Солнца и Луны столь мало им известны, что они не в состоянии даже доказать и определить продолжительность года. Затем, при определении движений не только этих, но и других пяти блуждающих светил, они не употребляют ни одних и тех же одинаковых начал, ни одних и тех же предположений, ни известных доказательств… Даже главного - вида мироздания и известную симметрию между частями его - они не в состоянии вывести на основании этой теории».