Научная революция (от Коперника до Ньютона)

Вайнберг поднимает вопрос, почему научная революция произошла именно в это время и в этом месте, и констатирует, что объяснений предложено предостаточно. Среди способствовавших этому факторов назывались:

1. Появление централизованных государств. Как именно это способствовало прогрессу науки, Вайнберг не уточняет. Возможно, имелась в виду экономическая выгода от единого рынка и правового поля в большой стране, а повышение общего благосостояния вело к тому, что и науке стало больше перепадать – Авт.

2. Падение Константинополя, заставившее византийских ученых бежать на Запад вместе с древними рукописями.

3. Возрождение.

4. Изобретение печатного станка.

5. Открытие Америки, подтвердившее, что древние многого не знали.

6. Социальные отношения и идеология, созданные Реформацией.

Эти факты мало что объясняют, взятые по отдельности. Записывая Возрождение в причины научной революции, мы тут же получаем вопрос о причинах Возрождения. Византийские книги могли быть полезны, но не сделали научной революции в самой Византии. Есть уважаемое мнение (его, в частности, придерживается Э. Тоффлер, и, если верить Лему, Леви-Стросс), что капитализм, научная и промышленная революции есть результат воздействия многих факторов, из которых трудно выделить главный, если он вообще есть. Вайнберг не упомянул еще возросшие требования технологии. Так, Тарталья и компания занимались траекториями полета ядер тяжелых пушек – и обнаружили неправоту Аристотеля (с его взглядами на траектории падающих тел). Гюйгенс занимался часами не просто так, а в связи с проблемой определения долготы, что стало жизненно важным с появлением плавания через океаны (а не вдоль берегов). Список примеров, наверное, можно продолжить – Авт.

Коперник

Коперник родился в 1473 г., учился в Краковском университете, а также трех итальянских, получил степень доктора юриспруденции. Вообще многие упоминаемые Вайнбергом ученые той эпохи по первому образованию были медиками или юристами. Получая хороший доход с необременительной церковной должности, он мог заниматься астрономией в свое удовольствие. В 1510 г. он поселился во Фромборке, где на собственные средства построил небольшую обсерваторию и прожил до самой смерти в 1543 г.

Коперник написал анонимный (и опубликованный лишь после смерти автора) «Малый комментарий о гипотезах, относящихся к небесным движениям».

В нем он заявляет, что:

1.Центр мира находится около Солнца (не в самом Солнце – Копернику, как и Птолемею, пришлось ввести эксцентр – но на небольшом расстоянии от него).

2. Вокруг этого центра обращаются планеты, в т.ч. и Земля (Луна обращается вокруг Земли). Нет единого мнения, считал ли Коперник планеты прикрепленными к материальным сферам, как Аристотель. Во всяком случае, о небесной тверди он говорил.

3. Высшее небо (вероятно, высшее – это содержащее звезды, хотя Вайнберг не говорит об этом прямо) неподвижно, его видимое движение вызвано вращением Земли вокруг своей оси.

4. Расстояние между Солнцем и Землей пренебрежимо мало по сравнению с расстоянием от Солнца до небесной тверди. Отношение этих расстояний меньше отношения радиуса Земли к расстоянию от Земли до Солнца. Вайнберг полагает, что так Коперник пытался объяснить отсутствие годичного параллакса звезд, хотя нигде в этом труде параллакс не упомянут.

Эта модель была основана не на собственных наблюдениях Коперника, а на сведениях Альмагеста.

Коперник выделил ряд эстетических преимуществ своей теории. Во-первых, он избавлялся от ряда явно подгоночных положений Птолемея, касающихся взаимного положения планет – обращение Земли вокруг Солнца заменяло их. Во-вторых, она позволяла вычислить размеры орбит, не прибегая к дополнительным предположениям. Птолемей в «Планетных гипотезах» положил, что максимальное расстояние от Земли до планеты равно минимальному расстоянию от Земли до следующей планеты. Это эстетическое требование «пусть там не будет лишнего пространства», никак не вытекающее ни из наблюдений, ни из Альмагеста. Напротив, схема Коперника позволяла найти радиусы орбит из наблюдений. Коперник правильно нашел порядок, в коем планеты расположены относительно Солнца. Он вычислил также периоды планет, причем расхождение с известными сегодня значениями составило для Меркурия 2%, Венеры – 20%, Марса 33%, период Юпитера он правильно оценил в 11 лет, а вот с Сатурном промахнулся более чем в два раза (посчитал, что 13 лет, тогда как на самом деле 29). Вайнберг приводит периоды по Копернику в абсолютных цифрах, сравнения с реальностью мои – Авт.

Коперник вслед за аш-Шатиром увеличил число эпициклов (последнему это помогло отказаться от экванта): шесть для Меркурия, три для Луны и по четыре для Венеры, Марса, Юпитера и Сатурна. Еще Коперник, «кажется» (так у Вайнберга), считал, что из-за обращения Земли вокруг Солнца земная ось будет прецессировать на 360 градусов в год, поэтому он ввел третье движение Земли, которое компенсирует это безобразие до реально наблюдаемой медленной прецессии.

Вайнберг находит интересным тот факт, что при полном отказе от эпициклов схема Коперника оказалась бы дальше от наблюдений, но ближе к истине, чем теория Птолемея. Он говорит, что так бывает: простая и красивая теория, которая не очень хорошо согласуется с наблюдениями, бывает ближе к истине, чем сложная и тщательно под эти наблюдения подогнанная.

Главный свой труд «О вращении небесных сфер» Коперник заканчивал уже при смерти. В предисловии он объясняет, что вынужден был рассмотреть гипотезу движения Земли, т.к она уже рассматривалась Гераклидом, Филолаем и Экфантом (Аристарх упоминался в рукописи, но вычеркнут). В книге 1 он постулирует, что движение небесных тел должно быть круговым или составленным из круговых, т.к.:

1. Шар – идеальная фигура.

2. Он имеет максимальный объем, что отвечает свойству Вселенной все вмещать в себя.

3. Из наблюдений видно, что Солнце, Луна и звезды круглые.

4. Капли жидкости стремятся к шарообразности, когда им ничто не мешает.

Далее излагаются те же идеи, что в «Комментарии», но, в отличие от него, с массой технических деталей.

Возмущение идеями Коперника началось еще до публикации труда. Его высказывали и католики, и протестанты (сохранился отзыв Лютера). Протестантский священник, приглашенный издателем в редакторы, добавил предисловие, где написал, что это, мол, все только гипотезы. Тем не менее, протестанты не пытались запретить книгу Коперника. До начала ХVII в. это не пытались сделать и католики.

Теория Коперника нашла отклик в среде астрономов. В 1551 г. Э. Рейнгольд, пользуясь моделью Коперника, составил новые астрономические таблицы (их назвали «Прусскими», потому что они были созданы под покровительством герцога Прусского), позволявшие вычислять положение планет в любой данный день. Эти таблицы были значительно точнее использовавшихся до этого «Альфонсовых» таблиц 1275 г., но Вайнберг связывает это с накопившимися за триста лет результатами наблюдений и, возможно, с тем, что расчеты по более простой системе Коперника содержали меньше ошибок. «Прусские таблицы» юзали все подряд, в т.ч. отрицатели системы Коперника. В частности, они использовались при создании григорианского календаря.

Тихо Браге

Дворянин Тихо Браге родился в 1546 г., учился в нескольких университетах. Он был очень впечатлен успешным предсказанием солнечного затмения, а также тем, как точно «Прусские таблицы» предсказали дату сближения Юпитера и Сатурна (ошибка в несколько дней, против нескольких месяцев для «Альфонсовых таблиц»). В 1572 г. он наблюдал «новую звезду» (сверхновую), и, не обнаружив ее параллакса, сделал вывод, что она находится дальше Луны. Это открытие, опровергавшее тезис Аристотеля, что за орбитой Луны все неизменно, прославило Браге. В 1576 г. датский король жалует ему маленький остров и средства на постройку и содержание дома и обсерватории. Уже в 1577 г. Браге наблюдал комету. Не обнаружив у нее суточного параллакса, он сделал вывод, что и комета дальше Луны. Проследив ее траекторию, он вынужден был также прийти к выводу, что комета пересекает гомоцентрические сферы, т.е. они не твердые.

В 8-й главе своей книги о комете Браге изложил свою теорию, что Земля неподвижна (и вокруг оси не вращается), Солнце обращается вокруг Земли, а планеты – вокруг Солнца. В теории Николаса Бэра, обвинившего Тихо в плагиате, все было так же, только Земля вращалась вокруг оси. Вайнберг подчеркивает, что никакими существовавшими на тот момент наблюдениями невозможно было обосновать выбор между системами Коперника и Браге.

Забавно, что теория Браге, как и любая теория неподвижной Земли, предсказывала отсутствие годичного параллакса звезд и не имела трудностей с якобы отстающим от Земли в падении камнем, т. е. в некоторых отношениях была «лучше» теории Коперника.

Наблюдения Браге были невиданно точны – положение светил на небе определялось с погрешностью всего 4 угловые минуты. В последние годы жизни он работал над новыми астрономическими таблицами – «Рудольфовыми», по имени императора Священной Римской Рудольфа II, придворным математиком коего Браге тогда был. После его смерти в 1601 г. эта работа была продолжена Кеплером.

Кеплер

Кеплер родился в 1571 г. В его книге «Муstеrium Соsmоgrарhiсum», что переводится как «Тайна мироздания» или «Космографическая тайна», он модифицировал Коперника, связав его схему с правильными многогранниками. Каждая планета (в т.ч. Земля) была у него заключена в «сферу» (ненулевой толщины, так что в строгом смысле это не сфера, а область пространства, ограниченная двумя гомоцентрическими сферами – кажется, это называется сферическим слоем), толщина которой была равна разнице между минимальным и максимальным расстоянием от планеты до Солнца. Вокруг каждой сферы (кроме Сатурна) был описан правильный многогранник, вписанный в сферу следующей планеты (только в сферу Меркурия ничего не было вписано). Вокруг сферы Меркурия был описан октаэдр, Венеры – икосаэдр, Земли – додекаэдр, Марса – тетраэдр, Юпитера – куб. На самом деле точность получалась так себе, но уж очень Кеплера заворожило, что ему удалось обосновать число планет и соотношения орбит. Сейчас мы знаем, что Солнце – рядовая звезда, которых в одной только нашей галактике сотни миллиардов, поэтому для нас странно спрашивать, почему планет именно столько – ну сложилось так исторически, у другой звезды планет может быть больше или меньше. Но для Кеплера Солнечная система была почти всей Вселенной (идея, что звезды – тоже солнца, уже высказывалась, но в нее мало кто верил, Кеплер тоже нет). Поэтому количество планет было для него фундаментальным свойством мира, которое требовало объяснения. Вайнберг отмечает, что, если верна гипотеза мультиверса, мы со своим стремлением объяснить значения фундаментальных констант можем попадать в ту же ловушку.

Кеплер стал сотрудником Браге в 1600 г. На наблюдательном материале Браге он нашел расхождение теории Птолемея с фактическим положением Марса на 0.13 градуса. (Как отмечает Вайнберг, Марс – вообще лучший тестер любой теории: он достаточно далеко от Солнца, поэтому хорошо виден, движется по небу гораздо быстрее Юпитера и Сатурна и из всех шести видимых невооруженным глазом планет только плохо видимый Меркурий имеет более вытянутую орбиту). После смерти Браге в 1601 г. Кеплер унаследовал его должность придворного математика (а по факту, астролога) при Рудольфе II. В 1604 г. он наблюдал сверхновую – последнюю из таких близких сверхновых до 1987 г. В том же году он выпускает труд «Оптическая часть астрономии», посвященный оптике и ее астрономическим приложениям.

В 1605 г. Кеплер заканчивает, а в 1609 г. публикует работу «Новая астрономия, причинно обоснованная, или Небесная физика, основанная на комментариях к движениям звезды Марс». В ней он показывает, что, если ввести для Земли эксцентр и эквант, можно устранить большую часть расхождений между моделью Коперника и наблюдениями Браге (но не все). В ней же он формулирует первый закон Кеплера. Замена круговых орбит эллипсами поставила крест на идее, что планеты закреплены на вращающихся твердых телах. Теперь Кеплер вынужден был считать, что они движутся в пустоте.

Вайнберг подчеркивает, что, использовав в заглавии труда слово «физика», Кеплер сделал заявку на то, что определил истинные орбиты небесных тел, а не предложил еще одну удобную модель для предсказания их видимого движения. Он вообще не собирался играть в дипломатию. Вайнберг приводит цитату из «Новой астрономии»: «Совет для идиотов. Но любому, кто слишком глуп, чтобы понять астрономическую науку, или слишком слаб, чтобы поверить Копернику и не оскорбить своей веры, я бы посоветовал прекратить астрономические изыскания и заняться любыми философскими трудами, которые удовлетворят его».

В «Новой астрономии» фактически содержится второй закон Кеплера, хотя четкую формулировку он получает только в вышедшем в 1621 г. «Кратком изложении коперниканской астрономии». Открыв, что планета движется медленнее, когда находится дальше от Солнца, Кеплер пришел к выводу, что причина этого движения – «вещественная» сила со стороны Солнца, а не «дух», который, по мысли Кеплера, не должен зависеть от расстояния. Идеи о силах, действующих на расстоянии, набирали тогда популярность, частично благодаря вышедшей работе (на которую Кеплер ссылается) У. Гилберта, главы Королевского медицинского колледжа и придворного врача Елизаветы I, о магнетизме. Конечно, Кеплер еще не понимал, что сила нужна не для наличия скорости, а лишь для ее изменения. И все же переход в объяснении явлений от «духов», «предназначений» и прочей метафизики к силам, которыми действуют друг на друга материальные тела, был шагом вперед.

В 1619 г. выходит «Гармония мира», в которой формулируется и третий закон Кеплера. Здесь Кеплер снова пытается придать смысл размерам орбит с помощью правильных многогранников, а также, по выражению Вайнберга, «развлекается с пифагорейской идеей о том, что планетные периоды формируют что-то вроде музыкальной шкалы».

«Рудольфовы таблицы» были закончены только в 1627 г. Основанные на законах Кеплера, они были гораздо точнее предыдущих «Прусских таблиц».

В 1630 г. Кеплер умер.