Музыка сфер. Астрономия и математика - Рос Роза Мария

Литография Урбена Жана Жозефа Леверье (слева) и портрет юного Джона Куча Адамса.

Сегодня обоим учёным приписывают открытие последней планеты Солнечной системы.

В октябре 1843 года Адамс нашёл математическое решение задачи и попросил королевского астронома Джорджа Бидделя Эйри предоставить ему самые подробные данные о движении Урана, чтобы произвести расчёты максимально точно.

В сентябре 1843 года Адамс отправил Эйри результаты своих расчётов, однако тот ими не заинтересовался и предложил Адамсу обратиться к Джеймсу Чэллису, главе Кембриджской обсерватории, чтобы тот сам обнаружил новую планету.

В конце концов Чэллис начал поиски и действительно увидел Нептун, однако не зафиксировал на нём внимание, потому что прежде всего наблюдал за изменением траектории Урана.

В сентябре 1846 года свои расчёты закончил и Леверье. Он обратился к астроному Иоганну Готтфриду Галле из Берлинской обсерватории, в распоряжении которого находились лучшие телескопы того времени. Леверье попросил Галле провести наблюдения за участком неба, в котором предположительно находится новая планета. Галле немедленно принялся за работу, и спустя пять дней, 23 сентября, планета была обнаружена совсем рядом с расчётной точкой.

К ещё большему разочарованию Адамса, в следующем, 1847 году, Леверье получил премию Британского королевского астрономического общества за проведение расчётов, которые привели к открытию Нептуна. К счастью, в следующем году справедливость восторжествовала, и аналогичная премия была присуждена Адамсу.

Сегодня честь открытия в равной степени принадлежит обоим учёным. Позднее высказывались предположения, что Нептун наблюдал ещё Галилей, однако ввиду несовершенства телескопа принял его за звезду. На рисунках Галилея от 28 декабря 1612 года и 27 января 1613 года Нептун изображён как ближайшая к Юпитеру звезда.

Можно утверждать, что Нептун был открыт благодаря математике. Сделанные на бумаге расчёты указали, куда следует направить телескоп, и наблюдения подтвердили правильность этих расчётов. Открытие стало настоящим триумфом, однако повторить его ещё раз математикам не удалось.

Глава 2. А где находимся мы?

Кажется, что с начала времён человек в некотором роде чувствовал себя центром Вселенной. С развитием современной астрономии мы смогли увидеть огромную часть космоса и почувствовали, что наша планета — лишь крохотная частица, одна из планет, вращающихся вокруг небольшой звезды на окраине галактики. Одной из многих миллиардов галактик.

Геоцентризм и гелиоцентризм: преодоление конфликта

В попытках познать космос люди начали создавать различные модели Вселенной.

В примитивных космологиях древнейших цивилизаций Земля считается центром всего мира. Эта концепция соответствует нашей интуиции и в то же время достаточно проста. Можно сказать, что она вполне разумна, однако с её помощью не стоит и пытаться объяснить движение звёзд.

Согласно Платону, Земля представляла собой сферу, расположенную в центре Вселенной. Звёзды и планеты вращались вокруг Земли по окружностям в следующем порядке (от внутренних к внешним): Луна, Солнце, Венера, Меркурий, Марс, Юпитер, Сатурн и звёзды. Аристотель описал более сложную систему: сферическая Земля располагалась в центре Вселенной, а все небесные тела были закреплены на 56 концентрических сферах вокруг неё, при этом каждой планете соответствовало несколько сфер.

Учитывая, что в то время были невозможны точные астрономические наблюдения, неудивительно, что все предпочли геоцентрическую модель. В результате вращения Земли нам кажется, что небесная сфера и звёзды на ней движутся. Формы созвездий, названия которых мы позаимствовали у древних греков, в течение года не менялись. Из-за больших расстояний до звёзд параллакс был совершенно не заметен.

Главная проблема возникает при объяснении движения планет. Их считали блуждающими звёздами, которые перемещались по небосводу, порой описывая траектории в форме петель, двигаясь вперёд и назад относительно других звёзд. Концентрические модели того времени не позволяли объяснить и другие наблюдаемые явления, например изменение яркости небесных тел. Многие народы считали подобные небесные тела воплощениями божеств.

На этих наложенных друг на друга фотографиях, где изображён Марс на фоне звёздного неба, чётко видно его ретроградное, или возвратное движение.

Система Птолемея и эпициклы

Во II веке н. э. Клавдий Птолемей представил космологическую модель, которую использовали астрономы исламского и христианского мира на протяжении следующей тысячи лет. В своём шедевре «Альмагест» Птолемей свёл воедино труды древнегреческих астрономов прошлого и предложил своё объяснение странному движению планет. Движение каждой планеты описывалось взаимодействием различных сфер. Первая из них называлась деферентом. На ней не было никаких небесных тел, а центр деферента обычно совпадал с Землёй. Другая сфера, по которой двигалась планета, называлась эпициклом. Её центр находился в произвольной точке деферента. В результате совокупного движения обеих сфер планета удалялась от Земли и приближалась к ней, скорость её движения уменьшалась, после чего планета двигалась в обратном направлении — происходило так называемое ретроградное движение планет.

Порядок сфер в модели Птолемея, начиная от Земли, был таким: Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн и неподвижные звёзды.

Вверху — геоцентрическая модель Птолемея. Внизу — основные элементы этой модели, показывающие планету, расположенную на эпицикле, её деферент и траекторию, описываемую системой эпициклов.

ПЕТЛИ В ОРБИТЕ МАРСА

Внешние планеты видны с Земли как блуждающие звёзды, которые движутся вперёд и назад вследствие взаимного движения обеих планет. К примеру, когда Земля проходит через точки 1, 2, 3 и 4, как показано на рисунке, мы видим, что внешняя планета движется вперёд. Когда Земля переходит из точки 5 в точку 6, нам кажется, что планета движется назад, после чего она вновь движется вперёд из точки 7 в точки 8 и 9. Такую траекторию имеют все планеты, за исключением Меркурия и Венеры. Заметнее всего петли в траектории Марса, так как Марс движется быстрее других внешних планет, и для наблюдений требуется меньше времени. Изображения можно получить, сделав ряд фотографий со штатива, расположенного в одной и той же точке, с последующим наложением снимков.

Однако даже эта сложная модель не объясняла некоторые результаты наблюдений. К примеру, петли на орбите Марса не всегда имеют одинаковый размер, что в системе Птолемея невозможно. Чтобы разрешить это противоречие, модель была дополнена эквантом — точкой, расположенной вблизи орбиты планеты, из которой движение центра соответствующего эпицикла выглядит равномерным. Таким образом, планета движется с разными скоростями в зависимости от того, как расположен эпицикл относительно деферента. Система Птолемея была крайне сложной, так как каждой планете соответствовал эпицикл, вращавшийся вокруг своего деферента. Также казалось странным, что нечто может вращаться вокруг точки, где не находится никакое небесное тело. Возникал вопрос: почему центром вращения была именно эта точка? Однако с помощью эпициклов можно описать практически любую траекторию. Более того, в интернете можно найти системы эпициклов, с помощью которых можно обрисовать даже силуэт Гомера Симпсона, героя популярного мультсериала!