КОПЕРНИКАНСКАЯ РЕВОЛЮЦИЯ

Под копе́рниковской револю́цией понимают смену парадигм с модели мироздания Птолемея, согласно которой Земля является центром вселенной, на гелиоцентрическую модель с Солнцем в центре нашей солнечной системы. Это событие стало одной из стартовых точек начала научной революции XVI столетия. Учение Коперника положило начало революционной перестройке не только в астрономии и естествознании, но и в методах научного исследования и познания. Это был «переворот действительно глубинный, проникающий до сердцевины духа и оказывающийся во всех сферах культуры — в религиозной, художественной, практической — далеко не только в научной. Пробужденные им энергии действуют во всей истории новоевропейской культуры, и вновь и вновь всплывает в сознании участников этой истории образ "коперниканской революции"»[1]. Произошло радикальное изменение образа мышления естествоиспытателей от средневековой схоластики и закостенелых, освящённых авторитетом церкви догм к непосредственному исследованию реального мира.

«Контроверза» Птолемей – Коперник уже по постановке драматична, поскольку жили они в различные периоды истории и их представления о мире были различны. Клавдий Птолемей (129 – 201 гг), знаменитый александрийский астроном, математик и географ, был одним из крупнейших учёных эпохи позднего эллинизма; как астроном он не имел себе равных в течение целого тысячелетия, а его основное произведение, «Альмагест» (сам он называл его «Большое построение» или «Математическое построение») занял господствующее положение в европейской астрономии на 14 столетий[2]. Как и другие античные ученые, он был твёрдо убеждён в принципиальном различии между земными и небесными явлениями, поскольку несовершенная земная материя не может быть отождествлена с неизменной, вечной материей небесных тел – эфиром, из которого построены небесные тела. Как формулировал сам Аристотель, «математическую точность можно требовать <…> лишь для предметов, у которых нет материи», то есть математическое описание «…не подходит для науки о природе; ибо природа во всех, можно сказать, случаях связана с материей»[3]. В небесах же совершенные и абсолютно упорядоченные движения звёзд происходит в полном соответствии со строгими и неизменными законами геометрии. «Естественные» движения в небесах проходят по круговой орбите, ибо <…> никакое изменение не является бесконечным и непрерывным, кроме кругового перемещения».[4] Как резюмирует З.М.Нугаев, «согласно Аристотелю, математическая астрономия возможна, а математическая физика – нет». Именно в русле учения Аристотеля лежали представления Птолемея о мироздании, и это отчётливо отразилось в его «Математическом построении».

Конкурент александрийского астронома, гениальный польский учёный Николай Коперник (1473 – 1543 гг.) жил и творил в великую эпоху, когда человек с удивлением увидел, насколько раздвинулись пределы Земли (Великие географические открытия), когда видные церковные иерархи заговорили о бесконечности вселенной и об отсутствии привелигированного положения ни у Земли, ни у Солнца, движущихся в пространстве (Николай Кузанский), когда начал зарождаться капитализм, когда явственно проявился светский характер культуры и её антропоцентризм, когда людям открылись сокровища античности. Коперник остро чувствовал громоздкость птолемеевской геоцентрической системы, её непоследовательность и отсутствие возможности дальнейшего развития. Как глубоко религиозный человек, он считал, что Творец, создавая Вселенную, действовал по единому плану, и поэтому не мог сотворить столь сложный и противоречивый механизм, как птолемеевская модель. Не отказываясь от Аристотелевых положений о естественных круговых движениях, он для упрощения и уточнения э модели мира поставил Солнце в центр Вселенной и тем самым совершил революционный переворот, которым, по словам Энгелься, «бросил... вызов церковному авторитету в вопросах природы. Отсюда начинает свое летосчисление освобождение естествознания от теологии».

Начнём анализ коперниканской революции с истории создания геоцентрической модели Птолемея. Наблюдения Луны и Солнца проводились как в Древнем Египте, так и в Древнем Вавилоне. Но, ни египтяне, ни вавилоняне, равно как ни одна другая культура до греков не смогли (да и не пытались) составить общую картинудвижения небесных тел. В сложном поведении небесных тел древние народы не смогли усмотреть ни плана, ни порядка, ни даже определенной закономерности. Платон (427-347 гг до н.э.) был первым, кто понял, что за эмпирически фиксируемым и странным движением небесных светил скрыт определенный порядок. Он поставил перед Академией задачу поиска единой теории движений небесных тел, которая позволила бы обнаружить закономерность за кажущимся беспорядком, найти простую сущность наблюдаемых сложных явлений и «представить движение планет как комбинацию равномерных круговых движений или вращений[5].

Его ученик Евдокс (406 - 355 до н.э.) разработал первую математическуюмодель мира, которая состоит из концентрических сфер, независимо друг от друга с постоянной скоростью вращающихся вокруг Земли – одной, внешней, для удалённых звёзд, и по одной для каждого небесного тела, которые были вставлены в эти сферы «как жемчужины в оправу». Это была, с точки зрения представлений Аристотеля о естественных круговых движениях небесных тел, идеальная модель, но она была явно неадекватной: она не воспроизводила «попятные движения» планет и не объясняла видимые изменения в яркости и размерах небесных тел в процессе их движения. Тем не менее, она легла в основу описания мироздания великим Аристотелем в трактате «О небе»[6]

Другой ученик Платона, Гераклид Понтийский (IV век до н.э.), ввёл идею эпицикла – окружности, центр которой движется по другой окружности. Венера и Меркурий обращаются теперь по круговым орбитам, в центре которых находится Солнце, Если эти движения «налагаются» на движения самого Солнца вокруг Земли, то расстояния, разделяющие земного наблюдателя и Венеру и Меркурий, должны изменяться, так же как и яркости этих светил а Солнце, как и остальные планеты, вращается вокруг Земли. Солнце же, как и Венера и Меркурий обращаются теперь по круговым орбитам, в центре которых находится Земля. Наблюдаемое с Земли суточное «вращение» звёздного неба Гераклид объяснял вращением Земли вокруг своей оси.

Представитель александрийской школы, великий астроном Гиппарх Родосский (180-125 гг. до н.э.), составитель знаменитого каталога звёзд, который Птолемей использовал при построении своей модели, дал свой вариант модели Вселенной. Каждая планета П движется с постоянной скоростью по окружности, центр которой окружности О₂ перемещается с постоянной скоростью по другой окружности, в центре которой О₁, находится Земля. За счет более тщательного подбора радиусов двух (а порой и более) окружностей и скоростей точек П и О₂ , а также введения в особо сложных случаях дополнительной гипотезы, согласно которой центр самой внутренней окружности О₁ не совпадает с центром Земли, но находится где то рядом (такое движение было названо «эксцентрическим») Гиппарху удалось дать более точное описание движения Солнца и пяти известных тогда планет по сравнению со своими предшественниками.

Необходимо также отметить другое направление описаний Вселенной, развиваемое одновременно с приведёнными выше моделями и основанные на представлении об относительности движения и на потере Землёй положения центра Вселенной. Пифагореец Филолай (470 – 399 гг. до н.э.) поместил в центр мироздания невидимый с Земли Огонь, вокруг которого вращаются десять сфер (сфера неподвижных звёзд, сферы пяти известных тогда планет, сферы Луны, Солнца и Земли, а также сфера Противоземли). Об адекватности такой модели говорить не приходится. Зато модель вселенной, представленная Аристархом Самосским (310-230 гг. до н.э.), выдвинувшим гипотезу, согласно которой все планеты обращаются вокруг Солнца, была первой серьёзной попыткой построения гелиоцентрической модели Вселенной. По свидетельству Архимеда, «Аристарх Самосский написал сочинение, содержащее ряд допущений…Он принимает, что неподвижные звезды и Солнце остаются неподвижными, а Земля движется вокруг Солнца по окружности круга, в центре которого лежит Солнце…»[7] Но Гиппарх убедился по данным своих наблюдений, а также по более старым вавилонским и египетским данным, что эта гипотеза не ведёт к большей точности описания наблюдаемых явлений. Кроме того, эта гипотеза априори противоречила представлению об упомянутом выше различии между земным и небесным, которое глубоко укоренилось в античном мышлении: не случайно его отстаивал сам Аристотель, авторитет которого был непререкаем.

Все эти гипотезы были обсуждены и в той или иной степени учтены Клавдием Птолемеем при создании обессмертившей его имя первой в истории человечества научной парадигмы, в основе которой лежала первая научно обоснованная картина мира. Вполне сознательно он остановился на геоцентрической модели Вселенной, во-первых, вследствие её кажущейся очевидности («всё, что трудно понимается, представляется широким кругам негодным для практического применения»[8]), а во-вторых, по рациональным соображениям, связанным с принципами физики Аристотеля. Согласно одному из них, скорость любого тела пропорциональна его массе. Поэтому если бы Земля двигалась вокруг Солнца, она далеко позади себя оставила бы более легкие тела – животных, людей, строения и т.д. Далее, он утверждает, что если бы Земля перемещалась в пространстве, то свободное падение тел во всех местах Земли не было бы вертикальным, а поскольку вся Вселенная действует на Землю со всех сторон равномерно, то она и не может сдвинуться и должна находиться в центре Вселенной[9]. В то же время, он отмечает, что ход небесных явлений не противоречит гипотезе о вращении Земли. Далее, он отмечает:«Движение небесных тел должно быть наименее вынужденным и наиболее легким. Среди плоских фигур окружность есть путь наименьшего сопротивления движению, а сфера – среди объемных тел»[10]. Отсюда – Земля и всё небесные тела имеют сферическую форму, Земля колоссально удалена от сферы звёзд, а Солнце, Луна и планеты перемещаются по круговым орбитам. Но, как показал анализ, «идеальная» в этом отношении модель Евдокса неадекватна. Поэтому Птолемей формулирует первую аксиому своей небесной геометрии следующим образом: «Перед нами стоит задача доказать, что, как в случае пяти планет, так и в случае Солнца и Луны, все видимые нерегулярности вполне объяснимы посредством равномерных круговых движений, свободных от каких бы то ни было несоразмерностей и беспорядков»[11]. Для решения этой задачи Птолемей, сохраняя положение о равномерном движении небесных тел (разумеется, исключая звёзды), был вынужден комбинировать различные круговые движения, подключая также в случае необходимости отсутствие концентричности таких движений. Это была сложнейшая задача, применение гелеоцентрической модели значительно её упростило бы, но благодаря своему выдающемуся математическому таланту, Птолемей успешно её разрешил, используя представление о эпициклах, деферентах и эксцентриках.

Привожу определение этих терминов:

· Эпицикл – несущий планету круг, центр которого движется по окружности, называемой деферентом вокруг Земли;

· Деферент – круг, центр которого не совпадает с центром Земли, по которому движется эпицикл;

· Эксцентриситет – круговые траектории планетных движений, в которых центр окружности не совпадал с центром Земли;

· Эквант – точка, на которой движение светила по эксцентрическому кругу представляется равномерным (предшествовал фокусу эллипса в открытом впоследствии Кеплером эллиптическом движении планет).

Согласно модели Птолемея, вокруг неподвижной Земли находится окружность, центр которой не совпадает с центром Земли (т.е. деферент – эксцентрик, что уже является отступлением от картины мира Евдокса –Аристотеля). По деференту движется центр меньшей окружности (эпицикла) с угловой скоростью, которая постоянна, но не по отношению к собственному центру деферента и не по отношению к Земле, а по отношению к точке, расположенной симметрично центру деферента относительно Земли. Эта вспомогательная точка, относительно которой движение планеты является равномерным (выравнивающим), а также соответствующая ей окружность введена Птолемеем для более точного описания наблюдаемых неравномерностей в видимых движениях называется эквантом. Его введение ещё более нарушило принцип построения картины мира Аристотелем («Особенный удар по платоновской эвристике нанесло введение экванта: оно было равносильно ее полной отмене» - отмечает Р.М.Нугаев). Более того, для описания движения Луны пришлось вводить дополнительные эпициклы, причём планета находилась на последнем из них. Всего же птолемеевская картина мира включала 79 кругов. Таким образом, геометрическая модель мира у Птолемея позволяла разложить сложные элементы движения на простые (как и требовал этого Платон) и впервые давала возможность предсказать сложные петлеобразные пути планет, их положение на небесной сфере на любой момент времени. Сам Птолемей объяснил сложность своих построений неполнотой нашего проникновения в суть вещей на тот период.

Теория Птолемея была «грандиозным успехом человеческой мысли в математическом анализе явлений природы. Запутанные неравномерные видимые движения планет были представлены в ней как результат сложения простых элементов – движений по окружности, причём равномерных (правда, в этом случае с некоторыми оговорками)[12]».

В то же время, как и до него Евдокс и другие авторы, Птолемей прекрасно отдавал себе отчет в том, что его космология – не более чем удобная математическая модель, неплохо согласующаяся с результатами наблюдений. Но позже средневековье с варварской непосредственностью восприняло птолемеевскую космологию как истину в последней инстанции» -отмечает Р.М.Нугаев.

В период Средневековья (XII век, Фома Аквинский) произошло сращивание христианской религии с учением Аристотеля, дающим религии определённое научное обоснование, так что теория Птолемея также получило поддержку церкви. В то же время, король Кастилии и Леона Альфонс Мудрый (XIII век), наблюдая за оставлением альфонсианских таблиц, меланхолически заметил, что он посоветовал бы Богу сделать Вселенную (по Птолемею) лучше, а главное – проще. Тем дальше, тем больше сказывалась чрезвычайная громоздкость расчётов по теории Птолемея. В XV веке Николай Кузанский впервые решительно отошёл от аристотелево-птолемеевских построений и на основе теологического анализа возродил отрицаемые Аристотелем представления об отсутствии у Вселенной центра и границ. Он возродил принцип относительности движения и утверждал, что неподвижность своей планеты может испытывать любой наблюдатель на любой планете, утверждал вещественное единство всех космических тел, включая Землю, высказывал уверенность в населённости других планет в бесконечной Вселенной.

В 1496 году будущий каноник Фромборкского собора Вармейской епархии после четырёхлетнего изучения математики и естественных наук в Краковском университете отправился в Италию, чтобы продолжить своё образование. Он обучается в университете г. Болоньи, где в итоге и становится профессором астрономии. Во время обучения он проживал в доме известного итальянского астронома-пифагорейца Доменико Марии де Новаро (1454 – 1504 гг.), подружился с ним и помогал проводить астрономические наблюдения. Известно, что этот Новаро был одним из самых последовательных критиков Птолемея[13].

Этого каноника (на должность каноника он был выбран заочно в 1497 году) звали Николай Коперник. Первое из двадцати семи собственных наблюдений, использованных им впоследствии в своём знаменитом трактате «О вращениях небесных сфер», гениальный поляк провёл в Болонье 9 марта 1497 года.

С 1501 по 1503 г. он изучал медицину и философию в Падуанском университете», где царила атмосфера недоброжелательства по отношению к учению Птолемея, вызванноем в его теории отрицаемых Аристотелем неравномерных движений небесных тел относительно «центра мира», в котором находилась Земля. Первые сомнения в корректности теории Птолемея возникли у юного Коперника ещё в период пребывания в Италии, а в 1506-1508 гг. у него уже сложилась та стройная система взглядов на движение небесных тел и на гелиоцентрическое строение Вселенной, причём, в отличие от Птолемея, свою систему он считал не просто удобной для расчётов конструкцией, но реальной моделью Вселенной.

Итак, искренняя вера в то, что Бог создал Вселенную по математическим законам, единым как для земных, так и для небесных явлений; уверенность в том, что «круговое движение является наиболее естественным», как учил Аристотель; недовольство громоздкой и эклектичной картиной мира, предложенной Птолемеем («те же, которые измыслили эксцентрические круги, хотя при их помощи и получили числовые результаты, в значительной степени сходные с видимыми движениями, однако должны были допустить многое, по-видимому противоречащее основным принципам равномерности движения») и вообще геоцентрической теорией («равномерные движения этих светил представляются нам неравномерными …в результате того, что Земля не находится в центре кругов, по которым они вращаются»); тщательное изучение текста «Альмагеста», в котором можно было прочесть о попытках построения гелиоцентрической модели мира[14]; гениальные откровения Николая Кузанского о единстве Вселенной и о принципе относительности движения; ясное понимание актуальности для навигации[15] и для реформы календаря[16] (а также для нужд астрологии) новой астрономии, позволяющей точно рассчитывать расположение небесных тел - плюс необыкновенный талант, исключительное трудолюбие и упорство в достижении цели – всё это позволило польскому гению совершить свой жизненный подвиг – создать революционную теорию движения небесных тел, развитие которой привело к коренной перестройке всего естествознания и к радикальному изменению образа мышления всего человечества, то есть начать коперниканскую революцию.

При этом Николай Коперник считал птолемеевскую астрономию вполне «соответствующей числовым данным». Но у Птолемея планеты движутся с равной скоростью не по своим деферентам и не относительно некоторого реального центра. Как отмечал сам Коперник в своём «Малом комментарии», написанный раньше, чем труд его жизни ««осознав эти недостатки, я часто размышлял над тем, нельзя ли найти какое-нибудь более разумное сочетание кругов, из которого можно было бы вывести каждое видимое отклонение и при котором каждый объект двигался бы равномерно вокруг собственного центра, как этого требует правило совершенного движения…У меня … появилась мысль, как этого добиться при помощи меньшего числа сфер…если только согласиться с нашими требованиями: 1. Отсутствует единый центр для всех небесных орбит или сфер; 2. Центр Земли не является центром мира, но только центром тяготения и центром лунной орбиты; 3.Все сферы движутся вокруг Солнца…, так что вблизи солнца расположен центр мира; 4.Отношение, которое расстояние между Солнцем и Землёй имеет к высоте небесной тверди меньше отношения радиуса Земли к её расстоянию от Солнца, так что по сравнению с высотой тверди оно будет даже неощутимым; 5. Все движения, замечающиеся у небесной тверди, принадлежат не ей самой, но Земле. Именно Земля с ближайшими к ней стихиями вся вращается в суточном движении вокруг неизменных своих полюсов, причём твердь и самое высшее небо остаётся всё время неподвижными; 6. Все движения, замечающиеся у Солнца не свойственны ему, но принадлежат Земле и нашей сфере, вместе с которой мы вращаемся вокруг Солнца, как и всякая другая планета; таким образом, Земля имеет несколько движений. 7. Кажущиеся прямые и попятные движения планет принадлежат не им, а Земле. Таким образом, это её движение достаточно для объяснения большого числа видимых в небе закономерностей»[17].

Как уже отмечено выше, полностью система мира, предложенная Коперником, изложена в знаменитом труде «Об обращениях небесных сфер», опубликованном в 1543 г. По структуре трактат Коперника совпадает с «Альмагестом», польский астроном во многом использует приведённый в нём материал, во многом полемизирует с Птолемеем. Так, он отметает опасения Птолемея о том, что при вращении Земли с неё снесёт всё, что её окружает, на том основании, что движение Земли по орбите является «естественным»: «поэтому напрасно боится Птолемей, что Земля и всё земное рассеется в результате вращения, происходящего по действию природы <…> вращается не только Земля с соединённой с ней водной стихией, но также и немалая часть воздуха, и всё, что каким-либо образом сродни с Землёй …имеет приобретённое движение, которое сообщается ему прилегающей Землёй..» (Блестящая догадка! В ней интуитивное предвидение закона инерции Ньютона и закона сохранения импульса). Далее, явление тяготения он рассматривает как «некоторое природное стремление, сообщённое частям божественным провидением Творца Вселенной, чтобы они стремились к целостности и единству, сходясь в форму шара». Только гений мог так рассуждать за 150 лет до Ньютона!

Итак, центром мира у Коперника служило Солнце. Вокруг него с постоянной скоростью по круговым орбитам вращались планеты, включая Землю с её собственным спутником – Луной, причём Земля совершала один оборот вокруг Солнца за год. Окружающий солнечную систему неподвижный небесный свод находится на огромном расстоянии от Земли. Для достижения достаточной адекватности он был вынужден отнести центр системы от центра Солнца, а также оставить эпициклы, но ему удалось сократить их количество, так что вместо 79 дополнительных кругов в системе Птолемея, у Коперника осталось только 34.

Таким образом, расчёты по системе Коперника должны были быть несколько менее сложными, чем по системе Птолемея, и этим поспешили воспользоваться практики, использовав её для составления «Прусских таблиц» (1551 г.). На её основе была уточнена длина тропического года, а также проведена в 1582 г. реформа календаря, в результате чего был введён григорианский стиль. Церковь отнеслась к теории Коперника весьма одобрительно, считая её лишь полезным инструментом для расчётов. Да и сам Коперник был искренне верующим католиком. Не случайно свою главную работу «О вращениях небесных сфер» он представил папе Клименту VII, который ее не только одобрил, но и потребовал, чтобы Коперник опубликовал ее. Склонял Коперника к публикации этого труда и кульмский епископ Тидеман Гизе. Последний, как позже отмечал друг и ученик Коперника Георг Ретик, осознал, что «не мало будет сделано во славу Христа, если церковь будет обладать правильно установленной последовательностью времен и надежной теорией в науке о движении». О весомом авторитете Коперника в церковных кругах также говорит и то обстоятельство, что именно к нему Латеранский собор обратился с просьбой помочь в подготовке реформы календаря. Всё дело в том, что всё это было иллюзией. Не сразу было распознано, что расчёты по теории Коперника были лишь не намного проще расчётов по Птолемею, точность тех и других расчётов была практически одинаковой, и по прошествии времени выяснилось, что предвычисления положения планет по «Прусским таблицам» не столь уж точны. Церковь (а возможно и сам Коперник) не сразу заметила революционный характер теории Коперника, а когда заметила – а этот момент совпал с Контрреформацией – то начало бороться с последователями Коперника.

[1] Нугаев Р.М. Коперниканская революция: синтез физики Земли и математики неба», Казань, 2011 (электронный ресурс)

[2] Бронштэн В.А. Клавдий Птолемей, М.: Наука, 1988, с. 6.

[3] Аристотель. Метафизика. – М.: Эксмо, 2006. – С.45.

[4] Аристотель. Физика. – М.: Государственное социально-экономическое издательство. 1936. – С.166.

[5] Веселовский И.Н., Белый Ю.А. Николай Коперник. – М.: Наука, 1974, с. 177.

[6] Еремеева А.И. Астрономическая картина мира и её творцы - М.: Наука, 1984, с. 18.

[7] Цит. по: Лурье С.Я. Архимед. – М.-Л.: изд-во АН СССР, 1945. – С.57.

[8] Цит. по: Гребеников Е.А. Николай Коперник. – М: Наука, 1982, с. 79.

[9] Бронштэн В.А. Клавдий Птолемей. – М.: Наука, 1988, с. 44-49.

[10] цит. по: Морис Клайн. Математика. Поиск истины. – М.: РИМИС, 2007. – С.95.

[11] цит. по: Морис Клайн. Математика. Поиск истины. – М.: РИМИС, 2007. – С.97.

[12] Еремеева А.И. Астрономическая картина мира и её творцы», М.: Наука, 1984, с. 29.

[13] Веселовский И.Н., Белый Ю.А. Николай Коперник. – М.:Наука, 1982, с.100..

[14] Коперник не знал о модели Аристарха Самосского, но знал о представлениях пифагорейцев и о модели Гераклида Понтийского

[15] В то время единственный способ нахождения долготы в морских плаваниях основывался на знании точного положения луны в данном месте в данный момент и сравнения с её действительным положением, измеренным в это же время по часам, установленным по солнцу.

[16] Теория движения Солнца и Луны была необходима также для уточнения календаря с целью привязки основного христианского праздника Пасхи ко дню весеннего равноденствия (в то время расхождение составляло 10 дней, и не случайно Латернский собор поставил вопрос о реформе календаря).

[17] Николай Коперник. О вращениях небесных сфер. – Спб.: Амфора, 2009. – С.462.

Поиск по сайту: