Природа описывается формулами. Галилей. Научный метод. - Roger Orrit

До их появления астрономы пользовались приборами для вычисления (но не для наблюдения), такими как армиллярные сферы и астролябии, с помощью которых определяли положение звезд на небосклоне. Также исследователи использовали таблицы, по которым предсказывали положение планет в определенный момент года (и таким образом составляли звездные карты) или такие явления, как затмения.

В древности инструменты, призванные облегчить работу астрономов, служили не для того, чтобы лучше рассмотреть звезды, а чтобы определить их положение и упростить расчеты. Среди этих приборов были астролябии, армиллярные сферы и секстанты. Некоторые из них помогали направить взгляд в определенную точку, например на звезду. Плоская астролябия позволяла показать на одной проекции небесный свод, его движение и перемещение Солнца в течение года.

Она также применялась для вычисления положения звезд (высот и углов). У астролябии были визирные отверстия, глядя через которые на звезду, можно было определить ее положение.

Армиллярная сфера, или сферическая астролябия, состояла из нескольких кругов, вложенных друг в друга, соответствовавших эклиптике, зодиаку, небесному экватору и небесным полюсам. Она использовалась главным образом для обучения. Другие инструменты, секстанты и квадранты, представляли собой линейки, которые упрощали высчитывание углов и позволяли перевести задачи сферической геометрии в область планиметрии, где они решались гораздо проще.

Армиллярная сфера была выполнена в виде модели небес и использовалась в учебе: она показывала движение звезд вокруг Земли, расположенной в центре.

Интерес к астрономии в древности был вызван не только жаждой знаний. Большая часть населения верила в то, что звезды влияют на судьбы людей. Знать тратила крупные суммы на консультации с астрологами, и для астрономов астрология была надежным заработком.

Помимо этого, астрономия решала практические задачи, например составление календарей. Регулярные лунные циклы, которые длятся примерно 29 дней, в разных культурах, например у мусульман, позволяли предугадать смену времен года. Звезды были ориентирами для моряков и помогали им определять местонахождение (в первую очередь широту, поскольку нахождение долготы, как мы увидим далее, было сложной задачей). Для мусульман знать свое географическое положение было очень важно, ведь мечети обязательно должны были быть обращены в сторону Мекки (это направление называется кибла). Ответственность за определение направления несли астрономы (делали они это с невысокой точностью, ведь инструментов для определения долготы не существовало).

За редким исключением все астрономы древности и Средневековья придерживались одной и той же точки зрения на устройство мира, согласно которой Земля находилась в его центре, а все планеты и звезды вращались вокруг нее. Эта теория известна как геоцентризм, Галилей изучал ее, будучи студентом медицинского факультета, и преподавал, когда сам стал профессором.

В рамках этой теории существовало два мировоззрения: физико-механическая традиция, шедшая от Аристотеля, объясняла мир как единую систему и пыталась найти причины движения; вторая, традиция астрономов и математиков, вдохновившихся трудами Птолемея, ставила целью объяснение и предсказание астрономических явлений при помощи математики без намерения описать всю реальность.

Первая положила начало натурфилософии, концептуальной дисциплине, претендующей на истинность в описании мира. В рамках этого подхода к астрономии математика использовалась только как инструмент: математические модели должны были предсказывать расположение звезд. Согласование этих моделей с действительностью полностью игнорировалось.

При наблюдении за звездами видно, что они движутся очень медленно и абсолютно синхронно, и кажется, будто они вращаются вокруг неподвижной Полярной звезды, положение которой совпадает с осью вращения Земли. По мнению древних, эти наблюдения ясно доказывали, что яркие точки являются частью движущейся твердой сферы. Когда она немного сдвигается, то все звезды одновременно перемещаются вместе с ней, что можно видеть при продолжительном наблюдении за небосводом. Этот представление о Вселенной сохранялось на протяжении тысячелетий: конечный космос, заключенный в сферу, в которой имеются светящиеся точки, называемые неподвижными звездами.

Помимо них, древние астрономы наблюдали и другие яркие точки с независимой траекторией. Греки называли их планетами, что означает «странники». В древности знали о Меркурии, Венере, Марсе, Юпитере и Сатурне, то есть о планетах, видимых невооруженным глазом. Дополняли список небесных тел Солнце и Луна.

Ощущения обманывают человека и заставляют верить, что все вращается вокруг него, в то время как Земля остается неподвижной. Эту иллюзию очень трудно разрушить, и просто удивительно, что в Древней Греции появились философы и астрономы, которые заявляли о движении Земли. Одним из них был Гераклид Понтийский (IV век до н. э.), отстаивавший версию вращения Земли. Вместо того чтобы думать о вращении Вселенной вокруг нас, он заключил: проще представить, что движемся мы. Позже астроном из Александрии Аристарх Самосский говорил, что Земля вращается не только вокруг своей оси, но и вокруг Солнца, как и другие планеты. В то время такие предположения не могли не показаться в высшей степени странными: ничто вокруг нас не указывает на то, что мы с огромной скоростью движемся в космосе. Они могли быть серьезно рассмотрены только в Новое время, когда стали использоваться телескопы, а главное, возникла новая физическая теория движения, которая объясняла, почему на поверхности Земли невозможно заметить явные признаки ее вращения. Галилей неустанно восхвалял смелость этих астрономов, которые смогли перешагнуть пределы чувственного восприятия и понять, как на самом деле устроен мир.

Аристарх (ок. 310-230 до н. э.), древнегреческий астроном, родился на острове Самос. Почти всю жизнь он трудился в Александрии, а его главным научным достижением было утверждение, что Земля движется и вращается вокруг Солнца. Труд, в котором он доказывал это предположение, не дошел до наших дней, и мы знаем о нем из упоминаний в других источниках. Некоторые философы, например Клеанф (ок. 300-232 до н.э.), требовали, чтобы его обвинили в безбожии. Аристарх также придумал способ рассчитать расстояние от нашей планеты до Солнца и утверждал, что оно равно 18-20 расстояниям от Земли до Луны (в действительности оно в 20 раз больше этой оценки).

Одно из самых устоявшихся убеждений, которое отстаивал даже Коперник (1473-1543), заключалось в том, что в космосе все движения равномерны и совершаются по круговым траекториям. Начиная с Платона предполагалось, что светила могут двигаться только по кругу и с постоянной скоростью (сегодня мы бы сказали: с постоянной угловой скоростью). Круг считался совершенной и потому божественной фигурой. Это было непреложное положение, бесспорное основание, которому ничего нельзя было противопоставить. Если данные, полученные в ходе наблюдения, противоречили ему, задача состояла в том, чтобы найти объяснение, которое сохраняло это представление о движении. Только Кеплеру удалось изменить его, предложив версию эллиптических орбит.

Древние греки считали, что все небесные тела являются частью единого целого — космоса. Почему светила движутся? Почему они подвешены в небе? Какова структура Вселенной? На эти вопросы Аристотель пытался дать логичный и рациональный ответ.

По его мнению, космос был совокупностью вращающихся сфер, заключенных одна в другую. Они состояли из вечного, неразрушающегося и прозрачного материала, называемого эфиром или квинтэссенцией. Все светила (планеты, Луна и Солнце) были включены в одну из этих сфер, все вместе они составляли единый механизм, как если бы космос был огромными часами, и шестеренки в них задавали движение всех планет. Круг и сфера были главными фигурами, описывавшими весь мир.

Граница конечной Вселенной, сфера неподвижных звезд, начала перемещаться благодаря первому импульсу, который идентифицировался с божеством, и это движение увлекало за собой соседнюю сферу. Вращение охватило сферы планет и промежуточные сферы, функция которых заключалась только в передаче движения и заполнения пустоты (Аристотель считал, что вся Вселенная заполнена). В аристотелевской системе насчитывалось 52 сферы. Передача импульса от первого движителя происходила сверху вниз до последней сферы, в которой находилась Луна.