Основные этапы развития представлений о строении мира. Развитие представлений о строении мира Подтверждение гелиоцентрической системы мира
В развитии наших представлений о картине Мира выделяются четыре этапа: I) древний; 2) средневековый; 3)новый и 4)новейший, или современный.
В течение первого этапа был сделан ряд открытий. Их следует оценивать как крупнейшие уже хотя бы потому, что отсчет сделанному здесь идет от нуля. Но не только поэтому. Открытия, о которых речь будет идти ниже, позволили в дальнейшем установить масштабы Мира. Остановимся вкратце на некоторых из них.
Пифагор (VI век до н.э.) высказал идею о том, что Земля и другие небесные тела - шары. Подтверждения этому были найдены еще в древности, в частности, Аристотелем в IV веке до н.э. (в этой связи возникает вопрос: какие данные указывают на то, что Земля - шар?). Эратосфен (III век до н.э.) с удивительной точностью определил радиус Земли . Согласно Эратосфену (современное значение ).
Задача №1. Предложите метод нахождения радиуса Земли. Как это можно сделать сейчас, и как это можно было сделать еще в древности?
Гиппарх (II век до н.э.) первым начал проводить систематические наблюдения положения на небе Солнца, Луны и планет. Он определил радиус Луны, расстояние до неё и разработал метод предвычисления моментов затмений.
Задача №2. Предложите метод определения расстояния до Луны.
Примерно за тысячу лет до нашей эры была установлена продолжительность года и то, что год содержит нецелое число суток. Последнее очень важно, так как оно характеризует точность его определения и уровень исследований. Сейчас мы знаем, что продолжительность года есть период вращения Земли вокруг Солнца, а суток - вокруг своей оси. И совершенно ясно, что в общем случае эти периоды не обязаны быть кратными друг другу*. Однако в то время природа этих периодов не была известна. Продолжительность года определялась с помощью измерения положения на небе небесных тел. Следовательно, эти измерения выполнялись с такой точностью, которая как раз и позволила установить, что в году нецелое число суток. (Чтобы почувствовать сложность этой проблемы, можно поставить такую задачу: предложите метод определения продолжительности года.). В I веке до н.э. при Юлии Цезаре был разработан календарь - он называется юлианским, который с незначительными изменениями дошел до наших дней.
Этот период заканчивается созданием геоцентрической системы Мира, которую принято называть Птолемеевой (II век н.э.), хотя в ее разработке принимали участие известнейшие ученые различных поколений, такие как Платон (V-IV век до н.э.), Аристотель и другие. Согласно этой системе в центре Мира находится Земля. Вокруг нее вращаются Луна, Солнце, планеты и звезды. Планеты и звезды видны как точки. Звезды отличаются от планет тем, что их расположения относительно друг друга не меняются, тогда как положения планет меняются относительно звезд и относительно друг друга (в переводе с греческого слово "планета" означает "блуждающая"). Во времена Птолемея были известны пять планет.
Обсудим вкратце систему Птолемея. В качестве первого шага естественно принять простейшую картину устройства Мира, согласно которой все небесные тела вращаются по круговым орбитам, скажем, вокруг Земли. Вообще говоря, такие идеи высказывались и до Птолемея (кстати, принцип исследования, основанный на том, что природа избирает простейшие решения, является весьма плодотворным и в дальнейшем будет неоднократно демонстрироваться). Однако уже во времена Птолемея были известны факты, которые не укладывались в эту схему. Главный из них - это так называемое попятное движение планет. Как показали наблюдения, планеты на небе прочерчивают замысловатые петлеобразные траектории (рис. 1). Необходимо было объяснить, почему в некоторые периоды планеты движутся назад.
С помощью собственных наблюдений, а также используя наблюдения Гиппарха и высказывавшиеся ранее идеи о том, что неравномерные движения небесных тел можно разложить на сумму равномерных движений по окружностям, Птолемей смог не просто объяснить попятное движение планет, но и дать метод, с помощью которого можно было наперед рассчитывать положения планет. Вкратце суть теории Птолемея заключается в следующем. Движение планет в первом приближении можно представить в виде суммы двух движений. Первое - это движение планеты по некоей окружности - эпициклу. В свою очередь, центр эпицикла, или как бы мы сейчас сказали - ведущий центр - движется по окружности большего радиуса, названной деферентом (рис. 2). В действительности для того, чтобы объяснить все известные в то время особенности в движении планет, Птолемею приходилось прибегать к более сложным построениям, номы ограничимся этой простейшей схемой.
В литературе иногда можно встретить категорическую оценку, что система Птолемея в принципе неверна и даже чуть ли не реакционная. На самом деле теория строения природных объектов сама по себе не может быть реакционной. Что же касается физического содержания, то оно, безусловно, отсутствовало в теории Птолемея. Это и неудивительно, ведь законы механики были открыты Ньютоном спустя примерно полторы тысячи лет. Система Птолемея носила чисто геометрический характер (впрочем, для того чтобы понять природу эпициклов, ниже предлагается Задача №6 ). Она прослужила до середины второго тысячелетия и вполне удовлетворяла практическим запросам того времени*.
Расположение Земли в центре Вселенной на современном языке означает, что Птолемей связал начало координат с Землей. С точки зрения современной физики выбор системы отсчета, вообще говоря, не является принципиальным в том смысле, что в любой системе отсчета можно правильно описывать явления природы. Просто некоторые системы отсчета являются более предпочтительными, поскольку в этих системах отсчета законы движения тел выглядят проще. Так, при описании движения замкнутой системы тел, взаимодействующих, скажем, гравитационно, предпочтительной является система координат, связанная с центром масс. Применительно к Солнечной системе можно сказать, что масса Солнца почти в I000 раз больше суммарной массы всех планет, и размеры ее таковы, что центр масс располагается внутри Солнца. Именно по этой причине система отсчета, связанная с Солнцем, оказывается наиболее предпочтительной при рассмотрении движения планет.
Во времена Птолемея почти не было наблюдательных данных, которые непосредственно указывали бы на движение Земли вокруг Солнца (попятные движения планет он объяснил с помощью эпициклов). Поэтому он естественно принял наиболее простую с его (да и не только его) точки зрения систему координат, связанную с Землей. Хотя еще задолго до него, в III веке до н.э. Аристарх Самосский пришел к выводу о том, что Солнце является самым большим телом в нашей системе, и поэтому оно должно быть в центре, а Земля вращается вокруг него. Однако эта идея не получила в то время должного признания, и восторжествовала геоцентрическая система Мира Птолемея - Аристотеля.
Как известно на смену античному миру пришла эпоха мрачного средневековья. Развитие всех наук затормозилось более чем на тысячу лет. Геоцентрическая система Мира совпала с установкой господствующей идеологии, что Земля в центре Вселенной. Поэтому в этот период если что и делается, то в основном для подтверждения ортодоксальной точки зрения, и напротив, пресекаются всякие попытки выйти за ее рамки. Этот период можно охарактеризовать отсутствием значительных открытий, хотя и нельзя сказать, что совершенно ничего не делалось. При каждом приличном дворе обязательно были ученые, занимавшиеся изучением небесных тел, строились обсерватории, накапливался наблюдательный материал. В частности, в начале второго тысячелетия было обнаружено значительное отклонение действительных положений планет на небе от предсказанных в рамках теории Птолемея. В общем, подготавливался фундамент для последующих эпохальных открытий.
Новое время принято отсчитывать с XVI-XVII веков, когда в Нидерландах, а затем в Англии произошли буржуазные революции. Капитализм, пришедший на смену феодализму, разрушил путы, сковывавшие развитие производительных сил и науки. Но еще раньше, в XV веке началась эпоха великих географических открытий. Освоение новых пространств, путешествия через океан, где нет никаких ориентиров, кроме звезд на небе, стимулировали разработку более точных и простых методов ориентирования и счисления времени, чем те, которые могла обеспечить геоцентрическая система Птолемея. Все это, а также накопленный материал подготовили почву для революции в наших представлениях о строении Мира, которую и совершил в середине XVI века Николай Коперник. Коперник предложил ставшую сейчас общепринятой гелиоцентрическую систему, согласно которой Солнце расположено в центре, а Земля и другие планеты вращаются вокруг него (кстати сказать, эта система строения Солнечной системы даже еще проще, чем геоцентрическая, так что принцип максимальной простоты устройства Природы здесь полностью оправдался). Попятное движение планет в теории Коперника объясняется совершенно непринужденно (как?).
Открытие Коперника оценивается как первая революция в естествознании. Оно явилось началом целой серии эпохальных открытий. После Коперника в течение короткого времени, порядка ста лет, произошел качественный скачок в понимании фундаментальных принципов устройства окружающего нас Мира. Спустя приблизительно полвека И. Кеплер открыл законы движения планет, а еще примерно через полвека И. Ньютон установил законы механики и закон всемирного тяготения. Сюда нужно также добавить развитие математики, в особенности, дифференциального и интегрального исчисления. В совокупности эти открытия позволили не только вычислять с огромной точностью движения небесных тел, но и предсказать существование новых планет - Нептуна и Плутона, Блестящим подтверждением этих идей явилось также предсказанное Ньютоном возвращение кометы Галлея.
На эту же эпоху приходится изобретение Г. Галилеем телескопа (начало XVII века). Дальнейшее его усовершенствования позволило сделать ряд новых открытий. С точностью до нескольких процентов было определено расстояние до Солнца, то есть установлены абсолютные масштабы Солнечной системы (Дж.Кассини, начало XVIII века), и стало возможным найти массу Солнца. В XIX веке измерены расстояния до ближайших звезд (Ф. Бесселем и др.).
В середине XVII века Ньютон положил начало спектральным исследованиям, разложив с помощью трехгранной призмы солнечный свет в спектр. В прошлом веке было замечено, что между видом спектра (скажем, наличием тех или иных спектральных линий) и химическим составом излучающего вещества есть связь. Тем самым появилась возможность изучать химический состав Солнца, планет и звезд. Поразительным результатом этих работ стало открытие на Солнце нового элемента - гелия, второго элемента в таблице Менделеева. Самое удивительное заключается в том, что гелий на Земле был обнаружен лишь после того, как он был открыт на Солнце. Это открытие явилось блестящим подтверждением идеи о материальном единстве Мира.
Во второй, половине прошлого века были начаты работы по спектральной классификации звезд. Одной из самых важных вех в этом направлении явилось обнаружение Э. Герцщпрунгом и Г. Ресселом в начале нашего века зависимости между светимостями, то есть мощностью излучения звезд и их спектрами. На этом фактически завершился период накопления и классификации звездных данных. Установленные связи между звездными параметрами и должна была объяснить теория строения звезд. Этим заканчивается третий этап.
Непременно нужно отметить, что огромную роль, как на этом, так и на последующем этапе сыграло изобретение в прошлом веке фотографии.
Последний, современный этап развития наших представлений о строении природы в больших масштабах можно охарактеризовать несколькими наиболее главными моментами. Становление квантовой механики сделало возможным анализ звездных спектров и определения по ним физического состояния и количественного элементного состава вещества звезд. Наконец, развитие ядерной физики привело к решению основной проблемы звезд - проблемы источниковихэнергии (А. Эддингтон, Р. Аткинсон, Ф. Хоутерманс, Г. Бете, К.-Ф. Вайцзеккер). Последующее развитие вычислительной техники позволило более-менее детально рассчитывать внутреннее строение звезд. Тем самым в основном получил свое решение вопрос о том, что представляют собой и как устроены звезды, хотя исследования звезд на этом не закончились. Они продолжаются и в нестоящее время. Можно с уверенностью сказать, что звезды - это проблема, которой еще долго будут заниматься. Нас ждет еще немало открытий. Иллюстрацией к тому является открытие нейтронных звезд.
Второе важнейшее направление исследований связано с открытием мира галактик. Спиральные туманности были известны еще в прошлом веке, но лишь в 1923 г. Э. Хаббл надежно определил расстояние до одной из ближайших галактик - Туманности Андромеды. К 30-му году были установлены размеры Млечного Пути. В I922-I924 гг. наш соотечественник А.М. Фридман на основе общей теорий относительности, созданной в 1915 г. А. Эйнштейном, разработал теорию расширяющейся Вселенной. В 1929 г. Хаббл открыл связь между скоростью удаления галактик и расстоянием до них, блестяще подтвердив тем самым теорию Фридмана. Бурное развитие этого направления началось в 60-е годы после открытия реликтового излучения и квазаров. Уже в наше время создана, пожалуй, одна из самых красивых теорий - теория "пенной" структуры Вселенной.
Что еще отличает исследования в нашу эпоху - это вывод аппаратуры за пределы земной атмосферы с помощью космических аппаратов. Исследованиям стал доступен весь диапазон электромагнитного излучения - от инфракрасного до гамма. Образно говоря, окно, через которое к нам поступает информация, стало существенно больше. Благодаря этому, сделан целый ряд крупных открытий, но еще большее количество открытий впереди. Возможно, уже в ближайшие годы мы сможем увидеть планеты у других звезд и, быть может, узнать что-то о жизни вне Земли. Это было бы самым крупным событием за всю историю человечества.
В заключение хотелось бы остановиться на таком вопросе. Прослеживая развитие науки за большой промежуток времени, можно заметить определенную корреляцию между периодами подъема в науке и потребностями той или иной эпохи. В целом, так сказать, статистически этот вывод вряд ли подлежит сомнению. Развитие общества и производительных сил, безусловно, стимулирует развитие науки и даже чуть ли не диктует те или иные открытия. Вместе с тем развитие науки может происходить относительно самостоятельно. Классическим примером тому является создание Эйнштейном общей теории относительности, которая в отличие от, скажем, специальной теории относительности или квантовой механики "в дверь не стучалась".
Конец работы -
Эта тема принадлежит разделу:
Предмет и цели курса
Учреждение высшего профессионального образования.. южный федеральный университет.. кафедра физики космоса..
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
| Твитнуть |
Все темы данного раздела:
Предмет и цели курса
Предметом изучения настоящего курса являются планеты, звезды, Солнце как ближайшая звезда и Солнечная система, межзвездная среда, наша Галактика, другие галактики, крупномасштабная структура Вселен
В больших масштабах
Сейчас трудно определенно сказать, что побудило человека заинтересоваться звездами - практические потребности или любопытство. Скорее всего, и то и другое, хотя не исключено, что любопытство было п
Достоверность знаний о мегамире
Вопрос о достоверности наших знаний об устройстве природы в больших масштабах занимает особое место. Изучая космические объекты, приходится сталкиваться с громадными расстояниями и промежутками вре
Измерение расстояний до небесных тел
Проблема расстояний в астрофизике - проблема номер один. Ведь от ее решения зависят масштабы тех или иных объектов, следовательно, строение этих объектов и процессы, которые привлекаются для объясн
Законы Кеплера
Отталкиваясь от идеи Коперника о том, что планеты движутся по окружностям, Кеплер в течение длительного времени пытался подобрать параметры орбит так, чтобы они удовлетворяли наблюдательным данным
Движение Земли вокруг Солнца
Существуют три факта, которые непосредственно указывает на движение Земли вокруг Солнца.
1. Наблюдения показали, что угловое расстояние в полдень Солнца от экватора на одн
Солнечная система
Задача №10. Оценить отношение моментов импульса, связанных с вращением Юпитера вокруг Солнца и Солнца вокруг своей оси (табличные данные см. в Приложении 1).
Строение недр планет зонной группы
Каково строение недр планет? Наиболее изученной является Земля, поэтому естественно начать с описания недр Земли. По аналогии с Землей разрабатываются модели строения ПЗГ. Внутреннее строение недр
Химический состав Земли
Химический состав коры изучается непосредственно, информацию о составе недр Земли получают опять же с помощью сейсмических волн. Как? По зависимости r(r), а также упругих свойств среды от ра
Возраст Земли
Возраст Земли - это очень важный параметр. Знание его позволяет, в частности, сделать выбор между различными моделями эволюции Вселенной.
Но как установить возраст Земли? Идея его определе
Внутреннее строение планет-гигантов
Как уже говорилось, изучать непосредственно недра планет-гигантов (ПГ) не представляется возможным. Основную роль в их исследовании играют теоретические методы, основанные на некоторых общих данных
Окраина солнечной системы
Что находится за пределами орбиты Плутона? Возможно, за пределами орбиты Плутона располагаются еще планеты. Так, в 1992 и 1993 гг. обнаружены еще две планеты, размеры которых оказались достаточно м
Температура поверхности Солнца
Температура излучающего тела определяется с помощью законов излучения (см. Приложение 1). Первый метод заключается в следующем. Получаем спектр излучающего тела. Затем, варьируя T в формуле
Условия в недрах Солнца
Звезды, как и планеты, находятся в состоянии гидростатического равновесия. Чтобы убедиться в том, насколько точно выполняется это утверждение, сделаем следующие оценки. Предположим вначале, что гра
В чем заключается проблема? Оценим запас тепловой энергии Солнца ETO. Очевидно, что
Чтобы подойти к решению поставленного вопроса, оценим запас энергии Солнца. Для этого необходимо вспомнить известное
Активность Солнца
Как уже говорилось, глобальные характеристики Солнца практически не менялись на протяжении нескольких миллиардов лет. Однако локальные могут претерпевать временные флуктуации. Общей причиной зарожд
Звездная величина
Приемная аппаратура регистрирует освещенность Em , создаваемую той или иной звездой на Земле, т.е. количество энергии, падающей в единицу времени на единичную площадку в некотором
Спектры нормальных звезд
Спектр звезды, т.е. распределение энергии по длинам волн является наиболее полной характеристикой ее излучения. Если известен спектр звезды, то путем интегрирования по длине волны рассчитывается ос
Диаграмма спектр - светимость
В начале нашего века Герцшпрунг и Рессел установили связь между дифференциальными и интегральными характеристиками звезд, построив по результатам наблюдений диаграмму спектр - светимость (рис. 27;
Определение расстояний до удаленных звезд
Отвлечемся на короткое время от изучения строения звезд и обратимся к проблеме расстояний. Расстояния до удаленных звезд можно определить с помощью диаграммы Г-Р. В самом деле, спектральный класс з
Определение радиусов и масс звезд
Для понимания диаграммы Г-Р очень важным является вопрос о радиусах и массах звезд.
Непосредственно измерить радиусы звезд не удается, т.к. из-за громадных расстояний их видимые размеры ок
Феноменологическая связь между параметрами для звезд ГП
После того, как были определены из наблюдений радиусы и массы звезд, встал вопрос: существует ли связь между светимостью звезды, ее массой и радиусом? Оказалось, что такая связь действительно сущес
Качественное рассмотрение проблемы
Выше получена связь между различными параметрами звезд на основе эмпирических данных. Поставим теперь такой вопрос: каковы модели строения звезд различных типов? Следует сразу оговориться: ответить
Математическая формулировка проблемы
Сформулируем уравнения, описывающие внутреннее строение звезд. Уравнение равновесия (2.3):
. (4.13)
Применение методов подобия
Уравнения равновесия звезды для заданного химического состава, конкретного типа ТЯР и механизма переноса энергии можно решить численно с помощью компьютеров, и тем самым рассчитать структуру звезд
Внутреннее строение звезд
Звезда является весьма сложным природным объектом. Поэтому, как уже говорилось выше, рассчитать в деталях ее структуру можно, лишь привлекая компьютерные методы. Однако и в этом случае приходится с
Белые карлики
Задача №33. Из соображений подобия найти качественную связь между радиусом R u массой. MS звезды, вещество которой подчиняется уравнению состояния
Эволюция звезд
Проблема звездной эволюции принадлежит к числу фундаментальных проблем. Решалось она в течение нескольких десятилетий. Были и неправильные пути. Так, наличие ГП на диаграмме ГР наталкивало на мысль
Изохроны. Определение возрастов шаровых скоплений
Из рис. 42 видно, что положение той или иной звезды на диаграмме Г-Р определяется ее массой и временем, прошедшим от момента, когда звезда зажглась (на самом деле есть и другие факторы, влияющие на
Особенности эволюции тесных двойных звезд
Интерес к проблеме двойных звезд очень велик. Исследования их дают наиболее надежную информацию о массах и радиусах звезд, а также дополнительные сведения, которые позволяют более глубоко проверить
Физически переменные звезды
Задача №40. Из соображений размерности установить связь между периодом пульсации звезды и ее средней плотностью.
Указание: независимыми размерностными константами, которые
Заключительные этапы эволюции звезд
Финал звездной эволюции определяется рядом факторов: массой звезды, ее вращением, магнитным полем, входит ли звезда в состав тесной двойной системы или нет, начальным химическим составом. В дальней
Белые карлики
Сама структура красного гиганта - вырожденное ядро в центре и раздувающаяся оболочка - подсказывает, как рождается белый карлик. Если звезда сбросит оболочку, то остаток будет иметь параметры белог
Сверхновые звезды
Задача №42. Из соображений размерности найти закон расширения оболочки сверхновой. Указание: считать, что расширение оболочки, есть следств
Нейтронные звезды
Задача №45.Оценить критические значения массы и радиуса звезды вещество которой полностью состоит из нейтронов. Указания: 1) принять, что п
Рентгеновские пульсары
Выше речь ила о радиопульсарах. Известны также рентгеновские пульсары (РП). То есть объекты, излучающие строго периодические импульсы в рентгеновском диапазоне. Запись излучения одного из них приве
Черные дыры
Задача №50.Рассчитать радиус rg звезды массы M, при котором свет не может от нее оторваться (Дж. Мичел, П. Лаплас). Оценить r
Развитие представлений о строении мира.
Бринев Василий Николаевич,
учитель МКОУ «Троицкая СОШ»
Кореневского района Курской области.
Представление о Земле у древних индийцев.
Земля – плоская, расположена на четырех слонах, которые в свою очередь, стоят на огромной черепахе, плавающей в воде.
Представление о Земле у египтян.
Земля – плоская, а небо – огромный купол, раскинувшимся над Землей. Звезды расположены на своде купола. Смена суток дня – движение бога Солнца Ра.
Геоцентрическая система мира .
В древности считали, что Земля является неподвижной, плоской и находится в центре мира. Подобное представление получило название антропоцентризма.
Геоцентрическая система мира .
Пифагор первым высказал мысль, что Земля имеет форму шара и находится во Вселенной без всякой опоры.
По представлениям пифагорейской школы: в самом центре Вселенной находится неподвижная Земля. Вокруг Земли вращаются, одна внутри другой, девять сфер. Это сферы Луны, Солнца и пяти планет – Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера и Сатурна. Дальше всех расположена звездная сфера.
Геоцентрическая система мира.
Один из учеников Пифагора, Филолай, утверждал, что в центре всех сфер находится центральный огонь, который дает свет и тепло всем другим небесным телам. Земля, как и все планеты, вращается со своей сферой вокруг этого огня. Солнце тоже вращается вокруг огня, но в отличие от планет своей гладкой блестящей поверхностью отражает его свет, передавая планетам.
Геоцентрическая система мира .
Солнце больше Земли. Луна отражает солнечный свет. Млечный путь состоит из огромного количества звезд.
Геоцентрическая система мира.
Аристотель предположил, что Земля имеет форму шара. Планеты размешены на особых сферах, которые вращаются вокруг Земли.
Геоцентрическая система мира .
Аристарх Самосский определил расстояние до Луны, вычислил размеры Солнца. Земля вместе с другими планетами движется вокруг солнца.
Геоцентрическая система мира.
Клавдий Птолемей разработал геоцентрическую систему мира. Планеты равномерно движутся по эпициклу – малому кругу, центр которого движется вокруг Земли по деференту – большому кругу.
Николай Коперник (1473 – 1543)
Гелиоцентрическая система мир а .
Коперник показал, что суточное движение всех светил можно объяснить вращением Земли вокруг оси, а петлеобразное движение планет – тем, что они, включая Землю, обращаются вокруг Солнца.
Гелиоцентрическая система мира.
Джордано Бруно считал, что наша солнечная система не является единственной во Вселенной. Он считал, что все видимые на небе звезды подобны Солнцу, и что вокруг каждой из них вращаются планеты. Вселенная бесконечна и не имеет какого – либо центра.
Джордано Бруно (1548 – 1600)
Галилео Галилей (1564 – 1642)
Гелиоцентрическая система мира.
Галилео Галилей открыл смену фаз Венеры. Обнаружил четыре спутника Юпитера, опровергнув представление о том, что Земля – единственный в мире центр. Он обнаружил и измерил высоту гор на Луне, наблюдал пятна на Солнце. Сделал вывод о том, что никакой «сферы неподвижных звезд» не существует.
Иоганн Кеплер (1571 – 1630)
Гелиоцентрическая система мира .
Иоганн Кеплер установил фору планетарных орбит, а также закономерность изменения скорости движения планет при их обращении вокруг Солнца.
Картинки: https://www.google.ru/search
| Общая часть |
|||||||||||||||||||||||||||||
| Предмет | Класс | Тема урока |
|||||||||||||||||||||||||||
| астрономия | Развитие представлений о строении мира |
||||||||||||||||||||||||||||
| Используемый учебник |
|||||||||||||||||||||||||||||
| Название | Класс | ||||||||||||||||||||||||||||
| Астрономия | Б.А. Воронцов-Вельяминов, Е.К. Страут |
||||||||||||||||||||||||||||
| Планируемые образовательные результаты |
|||||||||||||||||||||||||||||
| Предметные | Метапредметные | Личностные |
|||||||||||||||||||||||||||
| воспроизводить исторические сведения о становлении и развитии гелиоцентрической системы мира, объяснять петлеобразное движение планет с использованием эпициклов и дифферентов. | устанавливать причинно-следственные связи смены представлений о строении мира; характеризовать вклад ученых в становление астрономической картины мира. | высказывать убежденность в возможности познания системы мира. |
|||||||||||||||||||||||||||
| ТСО (оборудование) | Средства ИКТ (ЭФУ, программы, приложения, ресурсы сети Интернет) |
||||||||||||||||||||||||||||
| Таблица “Солнечная система”, к/ф "Астрономия" (ч.1, фр. 2 "Самая древняя наука") | Презентация к уроку |
||||||||||||||||||||||||||||
| Организационная структура урока |
|||||||||||||||||||||||||||||
| Этап урока | Образовательные задачи (планируемые результаты) | Используемые ресурсы, в т.ч. ЭФУ (для ЭФУ укажите названия конкретных объектов и страницу) | Деятельность учителя | Деятельность обучающихся | длит. этапа (мин) |
||||||||||||||||||||||||
| 1 этап Инициация Цель: Создание позитивной и комфортной атмосферы, настрой на рабочий лад, формирование команд. | Формируется коммуникативная компетентность - способность вступать в общение, устанавливать контакты между участниками. Коммуникативные УУД - умение вступать в общение, поддерживать его, что обеспечивает эффективность взаимодействия и работы учащихся в создаваемых группах. | Используется метод «Отправляемся в путешествие» | Здравствуйте, ребята. Сегодня мы с вами проводим необычный урок. Любой человек, невзирая на возраст, любит путешествовать. Вот и я вам предлагаю совершить путешествие. Правда не настоящее, а виртуальное. И это путешествие в прошлое. Средством передвижения будет машина времени. Эпиграфам к нашему уроку я взяла высказывание французского писателя Антуана Сент-Экзюпери : «У каждого человека свои звезды. Одним тем, кто странствует, - они указывают путь. Для других это просто огоньки. Для ученых они как задача, которую надо решить». Перед вами находится книга отзывов и предложений. Составьте лозунг или девиз, который характеризует вашу команду. Запишите это в книгу отзывов и предложений. | При входе в класс каждый ученик выбирает карточку и подходит к тому, столу на котором находится трафаретка с данной карточкой (заготавливаются заранее) - это позволяет сформировать группы. На каждом столе находится книга отзывов. Объединившись, ученики должны будут придумать приветствие, цитату, девиз или лозунг своей работы на уроке и записать его в книгу отзывов. | 2 мин |
||||||||||||||||||||||||
| 2 этап Погружение в тему Цель: Обеспечение мотивации обучения и осмысленности процесса обучения | осуществлять анализ объектов с выделением существенных и несущественных признаков Личностные УУД: ориентация на содержательные моменты учебной задачи Познавательные УУД: активизация мыслительной деятельности обучающихся, включение логического мышления. | Необходимые материалы: презентация со слайдами, на которых изображены вопросы. Технология проведения: Во время демонстрации слайдов группы отвечают на вопросы, зарабатывая баллы Отвечает та команда, которая первой подняла сигнальную карточку. Если ответ неправильный, то ход переходит следующей команде. Команда, которая заработала больше всего баллов получает билет 1-го класса (это дает право первыми выдвинуться в путешествие и право на две ошибки), другие команды получают билеты 2-го класса (право на 1 ошибку) и 3-го класса (ошибаться при ответах нельзя) . | Чтобы наше путешествие началось нам надо приобрести билеты. Для этого вам надо ответить на вопросы (слайды 3-9): Период обращения Сатурна вокруг Солнца около 30 лет. Найти промежуток времени между его противостоянием. [ 1/S=1/Т з - 1/Т , отсюда S=(1 . 30)/(30-1)=1,03 года] Указать вид конфигурации в положении I, II, VIII. [противостояние, нижнее соединение, западная элонгация] Найти период обращение Марса вокруг Солнца, если есть противостояние повторяется через 2,1 года. [ 1/S=1/Т з - 1/Т , отсюда Т= (Т з . S)/(S- Т з )= (1 . 2,1)/(2,1-1)=1,9лет] Указать вид конфигурации в положении V, III, VII. [восточная элонгация, верхнее соединение, восточная квадратура] Чему равен период обращение Юпитера вокруг Солнца, если его соединение повторяется через 1,1года. [ 1/S=1/Т з - 1/Т , отсюда Т= (Т з . S)/(S-Т з )= (1 . 1,1)/(1,1-1)=11 лет] Указать вид конфигурации в положении IV, VI, II. [верхнее соединение, западная квадратура, нижнее соединение] Указать вид конфигурации в положении VI, V, III. [западная квадратура, восточная элонгация, верхнее соединение] | Во время демонстрации слайдов группы отвечают на вопросы, зарабатывая баллы Цена вопроса 2 балла. Отвечает та команда, которая первой подняла сигнальную карточку. Если ответ неправильный, то ход переходит следующей команде. Команда, которая заработала больше всего баллов получает билет 1-го класса (это дает право первыми выдвинуться в путешествие и право на две ошибки), другие команды получают билеты 2-го класса (право на 1 ошибку) и 3-го класса (ошибаться при ответах нельзя) . | 7 мин |
||||||||||||||||||||||||
| 3 этап Определение ожиданий и опасений Цель: Концентрация внимания, обеспечение ответственности за результат обучения, создание психологически-комфортной обстановки | Развивать способность понимать окружающий мир, ориентироваться в нем, осознавать свою роль и предназначение. Личностные - участники не только делятся своими желаниями, но и раскрывают мотивационную сферу своей личности, свои склонности, интересы; идентифицируют себя по отношению к профессии | Метод «Билет» | Готовы ли вы к путешествию и новым познаниям? (Учитель вручает каждому участнику входной билет на транспортное средство) | Билет состоит из двух частей. На одной части ученики пишут свои ожидания от предстоящего путешествия, а на другой (зона контроля) - свои опасения. Учитель отрывает область контроля (опасения) и забирает себе, а часть билета, на которой написаны ожидания, остается у ученика. | 2 мин |
||||||||||||||||||||||||
| 4 этап. Проработка содержания темы. Цель: Обобщение и систематизация знаний, развитие знаний, умений и навыков по данной теме | Отрабатывать способность применять ранее полученные знания. Познавательные УУД : Формулирование гипотез и предположений, - умение применять полученные ранее знания Умение выбора и аргументации своей позиции. Коммуникативные УУД : умение корректно защищать свою точку зрения, умение толерантно относиться к мнению других. Личностные УУД : считаться с мнением другого человека; проявлять терпение и доброжелательность, доверие к собеседнику. Регулятивные УУД : оценивать весомость приводимых рассуждений | Презентация | Учитель обращается к детям: Чтобы ничего не упустить в путешествии, мы все увиденное и услышанное будем фиксировать в маршрутные листы. (В маршрутных листах группы учащиеся оформляют задания, оценивают выполнение и в конце урока оценивается успешность продвижения группы ). На каждой станции вы выполняете предложенные задания и набираете баллы. И так, путешествие началось и первая станция - это станция «Заморочки из бочки». Станция «Кинотеатр» Учитель. Давайте просмотрим сейчас отрывок из фильма. И попытаемся понять тему нашего урока, чтобы попасть на станцию «Неизведанная» Учитель.
Первичное представление окружающего мира:
Станция «Неизведанная» ( слайды 16-21 ) Приложение 1 | Заполняют маршрутные листы для каждой группы. Маршрутный лист группы № 1
Технология проведения : На трех столах (столы можно пронумеровать) лежат маршрутные листы, у учителя листы заданиями по станциям, инструкции к выполнению заданий. Отвечают на вопросы (слайды 10-15) Просмотр фильма Слушают лекцию и включаются в беседу | 23 мин |
||||||||||||||||||||||||
| 5 этап Эмоциональная разрядка (разминка) Цель: Снятие напряжения и усталости, расслабление или восстановление энергии | Развивать умение соотносить общеучебные знания с реальными познаваемыми объектами, формирование логического мышления. овладение креативными навыками продуктивной деятельности: выдвижение предположений, их анализ | Метод Станция "Применение" Цель метода: снижение интенсивности работы, Технология проведения: Каждой группе выдается карточка с видом созвездий. Команде нужно представить это созвездие не произнося ни слова. Другим группам необходимо отгадать, что за созвездие изображено на карточке. | Учитель. Впереди у нас станция «Применение». В литературе мы встречаем различные описания природы, вспомним Тютчева: Не то, что мните вы природа: не слепок, не бездушный лик- в ней есть душа, в ней есть свобода, в ней есть любовь, в ней есть язык… Скажите, каким языком пользуется физика для описания законов природы? Верно математическим языком. Но Вам сейчас придется использовать язык жестов, чтобы показать созвездие. Вы получили карточки с различными созвездиями. Каждой команде нужно представить это созвездие, не произнося ни слова. Другим группам необходимо отгадать, что за созвездие изображено на карточке | Выполняют задания | 3 мин |
||||||||||||||||||||||||
| 6 этап Рефлексия Цель: Получение эмоциональной и содержательной оценки процесса и результатов обучения | Развивать умение проводить анализ, рефлексию, самооценку учебно-познавательной деятельности. | Станция "Книга отзывов и предложений" | Учитель. Впереди у нас станция «Книга отзывов и предложений», т.е - конечная. Перед вами книга "Отзывов и предложений" фирмы, которая организовала вам это путешествие. Вспомните еще раз урок, себя, свои эмоции и ощущения. Что вас удивило? Что заставило задуматься? А может, вы с чем-то были не согласны? А может, вы в чем-то отличились? Задание: необходимо заполнить страничку данной книги. Домашнее задание (слайд 22) | Каждый учащийся в данной книге, в спомнив еще раз урок, себя, свои эмоции и ощущения, выражает их любым способом (стихи, цитата или просто смайлик) Подведение итогов соревнования ученики проводят самостоятельно по итоговой таблице на доске. Определяется уровень настроения на конец работы. | 3 мин |
||||||||||||||||||||||||
Приложение 1
Геоцентрическая система строения мира (от Аристотеля до Птолемея).
Первая научно обоснованная теория строения мира была разработана Аристотелем и опубликована в 355г до НЭ в книге “О небе”. Признавая шарообразность Земли, Луны и небесных тел, отказывается от движения Земли и ставит ее в центр, так как считал, что звезды должны были бы описывать круги, а не находиться на месте (что было доказано лишь в 18 веке). Система получила название геоцентрической (Гея - Земля).
С развитием астрономии и получении более точных знаний о движении планет, система была доработана Гиппархом и окончательно кинематически разработана к 150г НЭ александрийским астрономом Клавдием Птолемеем (87-165) в сочинении, состоящем из 13 книг “Великое математическое построение астрономии” (Альмагест). Для объяснения движения планет, применив систему эпициклов и деферентов.
По теории Птолемея:
Земля неподвижна и находится в центре мира;
планеты вращаются по строго круговым орбитам;
движение планет равномерно.
Гелиоцентрическая система строения мира (Коперника).
Идея поместить в центр Солнечной системы не Землю а Солнце принадлежит Аристарху Самосскому (310-230) впервые определившему расстояние до Луны, Солнца и их размеры. Но заключений и доказательств о том, что Солнце больше и вокруг движутся планеты было явно недостаточно. "Он полагает, что неподвижные звезды и Солнце не меняют свои места в пространстве, что Земля движется по окружности вокруг Солнца, находящегося в её центре" - писал Архимед. В работе "О размерах и взаимных расстояниях Солнца и Луны" Аристарх Самосский, принимая гипотезу о суточном вращении Земли, зная диаметр Земли (по Эратосфену) и считая Луну в 3 раза меньше Земли, на основе собственных наблюдений рассчитал, что Солнце - одна, ближайшая из звезд - в 20 раз дальше от Земли, нежели Луна (на самом деле - в 400 раз) и больше Земли по объему в 200-300 раз.
Только в эпоху Возрождения польский ученый Николай Коперник (1473-1543) обосновал гелиоцентрическую систему строения мира к 1539г в книге “Об обращении небесных сфер” (1543г), объяснив суточное движение светил вращением Земли и петлеобразное движение планет их обращением вокруг Солнца, рассчитав расстояния и периоды обращения планет. Однако сферу неподвижных звезд он оставил, отодвинув её в 1000 раз дальше, чем Солнце.
Подтверждение гелиоцентрической системы мира.
В трудах Галилео Галилея Галилей - открыл смену фаз Венеры, доказывающую ее вращение вокруг Солнца. Открыл 4 спутника Юпитера, доказав что не только Земля может быть центром.
В трудах Иоганна Кеплера открывает движение планет.
В трудах Исаака Ньютона опубликовывает закон всемирного тяготения.
В трудах М.В. Ломоносов не только высмеивает идеи геоцентризма в стихах, но и открывшего атмосферу на Венере.
I. Введение.
II. Картина мира.
III. Движение планет.
IV. Первые модели мира.
VI. Система Птолемея.
VII. Мир Коперника.
VIII. Солнце и звезды.
IX. Галактика.
X. Звездные миры.
XI. Вселенная.
XII. Заключение.
I. Введение.
Звездное небо во все времена занимало воображение людей. Почему зажигаются звезды? Сколько их сияет в ночи? Далеко ли они от нас? Есть ли границы у звездной Вселенной? С глубокой древности человек задумывался над этими и многими другими вопросами, стремился понять, и осмыслить устройство того большого мира, в котором мы живем.
Самые ранние представления людей о нем сохранились в сказках и легендах. Прошли века и тысячелетия, прежде чем возникла и получила глубокое обоснование и развитие наука о Вселенной, раскрывшая нам замечательную простоту, удивительный порядок мироздания. Недаром еще в древней Греции ее называли Космосом, а это слово первоначально означало «порядок» и «красоту».
II. Картина мира.
В древнеиндийской книге, которая называется «Ригведа», что значит «Книга гимнов», можно найти описание - одно из самых первых в истории человечества - всей Вселенной как единого целого. Согласно «Ригведе», она устроена не слишком сложно. В ней имеется, прежде всего, Земля. Она представляется плоской безграничной поверхностью - «обширным пространством». Эта поверхность покрыта сверху небом. А небо - это голубой, усеянный звездами «свод». Между небом и Землей - «светящийся воздух».
От науки это было очень далеко. Но важно здесь другое. Замечательна и грандиозна сама дерзкая цель - объять мыслью всю Вселенную. Отсюда берет истоки уверенность в том, что человеческий разум способен осмыслить, понять, разгадать ее устройство, создать в своем воображении полную картину мира.
III. Движение планет.
Наблюдая за годичным перемещением Солнца среди звезд, древние люди научились заблаговременно определять наступление того или иного времени года. Они разделили полосу неба вдоль эклиптики на 12 созвездий, в каждом из которых Солнце находится примерно месяц. Как уже отмечалось, эти созвездия были названы зодиакальными. Все они за исключением одного носят названия животных.
С предутренним восходом того или иного созвездия древние люди связывали свои сельскохозяйственные работы, и это отражено в самих названиях созвездий. Так, появление на небе созвездия Водолея указывало на ожидаемое половодье, появление Рыб - на предстоящий ход рыбы для метания икры. С утренним появлением созвездия Девы начиналась уборка хлеба, которая проводилась преимущественно женщинами. Спустя месяц на небе появилась соседнее созвездие Весы, в это время как раз происходило взвешивание и подсчет урожая.
Еще за 2000 лет до н. э. древние наблюдатели заметили среди зодиакальных созвездий пять особых светил, которые, постоянно меняя свое положение на небе, переходят из одного зодиакального созвездия в другое. В последствии греческие астрономы назвали эти светила планетами, т. е. «блуждающими». Это Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн, сохранившие в своих названиях до наших дней имена древнеримских богов. К блуждающим светилам были причислены также Луна и Солнце.
Вероятно, прошло много столетий, прежде чем древним астрономам удалось установить определенные закономерности в движении планет и, прежде всего, установить промежутки времени, по истечении которых положение планеты на небе по отношению к Солнцу повторяется. Этот промежуток времени позже был назван синодическим периодом обращения планеты. После этого можно было делать следующий шаг - строить общую модель мира, в которой для каждой из планет было бы отведено определенное место и, пользуясь которой, можно было бы заранее предсказать положение планеты на несколько месяцев или лет вперед.
По характеру своего движения на небесной сфере по отношению к Солнцу планеты (в нашем понимании) подразделяются на две группы. Меркурий и Венера названы внутренними или нижними, остальные - внешними или верхними.
Угловая скорость Солнца больше скорости прямого движения верхней планеты. Поэтому Солнце постепенно обгоняет планету. Как и для внутренних планет, в момент, когда направление на планету и на Солнце совпадает, наступает соединение планеты с Солнцем. После того как Солнце обгонит планету, она становится видимой перед его восходом, во второй половине ночи. Момент, когда угол между направлением на Солнце и направлением на планету составляет 180 градусов, называется противостоянием планеты. В это время она находится в середине дуги своего попятного движения. Удаление планеты от Солнца на 90 градусов к востоку называется восточной квадратурой, а на 90 градусов к западу - западной квадратурой. Все упомянутые здесь положения планет относительно Солнца (с точки зрения земного наблюдателя) называются конфигурациями.
При раскопках древних городов и храмов Вавилонии обнаружены десятки тысяч глиняных табличек с астрономическими текстами. Их расшифровка показала, что древние вавилонские астрономы внимательно следили за положением планет на небе; они сумели определить их синодические периоды обращения и использовать эти данные при своих расчетах.
IV. Первые модели мира.
Несмотря на высокий уровень астрономических сведений народов древнего Востока, их взгляды на строение мира ограничивались непосредственными зрительными ощущениями. Поэтому в Вавилоне сложились взгляды, согласно которым Земля имеет вид выпуклого острова, окруженного океаном. Внутри Земли будто бы находится «царство мертвых». Небо - это твердый купол, опирающийся на земную поверхность и отделяющий «нижние воды» (океан, обтекающий земной остров) от «верхних» (дождевых) вод. На этом куполе прикреплены небесные светила, над небом будто бы живут боги. Солнце восходит утром, выходя из восточных ворот, и заходит через западные ворота, а ночью оно движется под Землей.
Согласно представлениям древних египтян, Вселенная имеет вид большой долины, вытянутой с севера на юг, в центре ее находится Египет. Небо уподоблялось большой железной крыше, которая поддерживается на столбах, на ней в виде светильников подвешены звезды.
В Древнем Китае существовало представление, согласно которому Земля имеет форму плоского прямоугольника, над которым на столбах поддерживается круглое выпуклое небо. Разъяренный дракон будто бы согнул центральный столб, вследствие чего Земля наклонилась к востоку. Поэтому все реки в Китае текут на восток. Небо же наклонилось на запад, поэтому все небесные светила движутся с востока на запад.
И лишь в греческих колониях на западных берегах Малой Азии (Иония), на юге Италии и в Сицилии в четвертом веке до нашей эры началось бурное развитие науки, в частности, философии, как учения о природе. Именно здесь на смену простому созерцанию явлений природы и их наивному толкованию приходят попытки научно объяснить эти явления, разгадать их истинные причины.
Одним из выдающихся древнегреческих мыслителей был Гераклит Эфесский (около 530 - 470 гг. до н. э.). Это ему принадлежат слова: «Мир, единый из всего, не создан никем из богов и никем из людей, а был, есть и будет вечно живым огнем, закономерно воспламеняющимся и закономерно угасающим...» Тогда же Пифагор Самосский (ок. 580 - 500 гг. до н. э.) высказал мысль о том, что Земля, как и другие небесные тела, имеет форму шара. Вселенная представлялась Пифагору в виде концентрических, вложенных друг в друга прозрачных хрустальных сфер, к которым будто бы прикреплены планеты. В центре мира в этой модели помещалась Земля, вокруг нее вращались сферы Луны, Меркурия, Венеры, Солнца, Марса, Юпитера и Сатурна. Дальше всех находилась сфера неподвижных звезд.
Первую теорию строения мира, объясняющую прямое и попятное движение планет, создал греческий философ Евдокс Книдский (около 408 - 355 гг. до н. э.). Он предложил, что у каждой планеты имеется не одна, а несколько сфер, скрепленных друг с другом. Одна из них совершает один оборот в сутки вокруг оси небесной сферы по направлению с востока на запад. Время обращения другой (в обратную сторону) предполагалось равным периоду обращения планеты. Тем самым объяснялось движение планеты вдоль эклиптики. При этом предполагалось, что ось второй сферы наклонена к оси первой под определенным углом. Комбинация с этими сферами еще двух позволяла объяснить попятное движение по отношению к эклиптике. Все особенности движения Солнца и Луны объяснялось с помощью трех сфер. Звезды Евдокс разместил на одной сфере, вмещающей в себя все остальные. Таким образом, все видимое движение небесных светил Евдокс свел к вращению 27 сфер.
Уместно напомнить, что представление о равномерном, круговом, совершенно правильном движении небесных тел высказал философ Платон. Он же высказал предположение, что Земля находится в центре мира, что вокруг нее обращается Луна, Солнце, далее утренняя звезда Венера, звезда Гермеса, звезды Ареса, Зевса и Кроноса. У Платона впервые встречаются названия планет по имени богов, полностью совпадающие с вавилонскими. Платон впервые сформулировал математикам задачу: найти, с помощью каких равномерных и правильных круговых движений можно «спасти явления, представляемые планетами». Другими словами, Платон ставил задачу построить геометрическую модель мира, в центре которой, безусловно, должна была находиться Земля.
Усовершенствованием системы мира Евдокса занялся ученик Платона Аристотель (384 - 322 гг. до н. э.). Так как взгляды этого выдающегося философа - энциклопедиста безраздельно господствовали в физике и астрономии в течение почти двух тысяч лет, то остановимся на них поподробнее.
Аристотель, вслед за философом Эмпедоклом (около 490 - 430 гг. до н. э.), предположил существование четырех «стихий»: земли, воды, воздуха и огня, из смешения которых будто бы произошли все тела, встречающиеся на Земле. По Аристотелю, стихии вода и земля естественным образом стремятся двигаться к центру мира («вниз»), тогда как огонь и воздух движутся «вверх» к периферии и тем быстрее, чем ближе они к своему «естественному» месту. Поэтому в центре мира находится Земля, над ней расположены вода, воздух и огонь. По Аристотелю, Вселенная ограничена в пространстве, хотя ее движение вечно, не имеет ни конца, ни начала. Это возможно как раз потому, что, кроме упомянутых четырех элементов, существует еще и пятая, неуничтожимая материя, которую Аристотель назвал эфиром. Из эфира будто бы и состоят все небесные тела, для которых вечное круговое движение - это естественное состояние. «Зона эфира» начинается около Луны и простирается вверх, тогда как ниже Луны находится мир четырех элементов.
Вот как описывает свое понимание мироздания сам Аристотель:
«Солнце и планеты обращаются около Земли, находящейся неподвижно в центре мира. Наш огонь, относительно цвета своего, не имеет никакого сходства со светом солнечным, ослепительной белизны. Солнце не состоит из огня; оно есть огромное скопление эфира; теплота Солнца причиняется действием его на эфир во время обращения вокруг Земли. Кометы суть скоропреходящие явления, которые быстро рождаются в атмосфере и столь же быстро исчезают. Млечный Путь есть не что иное, как испарения, воспламененные быстрым вращением звезд около Земли... Движения небесных тел, вообще говоря, происходят гораздо правильнее, чем движения замечаемые на Земле; ибо, так как тела небесные совершеннее любых других тел, то им приличествует самое правильное движение, и вместе с тем самое простое, а такое движение может быть только круговым, потому что в этом случае движение бывает вместе с тем и равномерным. Небесные светила движутся свободно подобно богам, к которым они ближе, чем к жителям Земли; поэтому светила при движении своем не нуждаются в отдыхе и причину своего движения заключают в самих себе. Поэтому высшие области неба, более совершенные, содержащие в себе неподвижные звезды, имеют наиболее совершенное движение - всегда вправо. Что же касается части неба, ближайшей к Земле, а поэтому и менее совершенной, то эта часть служит местопребыванием гораздо менее совершенных светил, каковы планеты. Эти последние движутся не только вправо, но и влево, и притом по орбитам, наклоненным к орбитам неподвижных звезд. Все тяжелые тела стремятся к центру Земли, а так как всякое тело стремится к центру Вселенной, то поэтому и Земля должна находиться неподвижно в этом центре».
При построении своей системы мира Аристотель использовал представления Евдокса о концентрических сферах, на которых расположены планеты и которые вращаются вокруг Земли. По Аристотелю, первопричиной этого движения является «первый двигатель» - особая вращающаяся сфера, расположенная за сферой «неподвижных звезд», которая и приводит в движение все остальное. По этой модели лишь одна сфера в каждой из планет вращается с востока на запад, остальные три - в противоположном направлении. Аристотель считал, что действие этих трех сфер должно компенсироваться дополнительными тремя внутренними сферами, принадлежащими той же планете. Именно в этом случае на каждую последующую (по направлению к Земле) планету действует лишь суточное вращение. Таким образом, в системе мира Аристотеля движение небесных тел описывалось с помощью 55 твердых хрустальных сферических оболочек.
Позже в этой системе мира было выделено восемь концентрических слоев (небес), которые передавали свое движение друг другу. В каждом таком слое насчитывалось семь сфер, движущих данную планету.
Во времена Аристотеля высказывались и другие взгляды на строение мира, в частности, что не Солнце обращается вокруг Земли, а Земля вместе с другими планетами обращается вокруг Солнца. Против этого Аристотель выдвинул серьезный аргумент: если бы Земля двигалась в пространстве, то это движение приводило бы к регулярному видимому перемещению звезд на небе. Как мы знаем, этот эффект (годичное параллактическое смещение звезд) был открыт лишь в середине 19 века, через 2150 лет после Аристотеля...
На склоне своих лет Аристотель был обвинен в безбожии и бежал из Афин. На самом деле в своем понимании мира он колебался между материализмом и идеализм. Его идеалистические взгляды и, в частности, представление о Земле как центре мироздания было приспособлено для защиты религии. Вот почему в середине второго тысячелетия нашей эры борьба против взглядов Аристотеля стала необходимым условием развития науки...
V. Первая гелиоцентрическая система.
Современникам Аристотеля уже было известно, что планета Марс в противостоянии, а также Венера во время попятного движения значительно ярче, чем в другие моменты. По теории сфер они должны были бы оставаться всегда на одинаковом расстоянии от Земли. Именно поэтому тогда возникали и другие представления о строении мира.
Так, Гераклит Понтийский (388 - 315 гг. до н. э.) предполагал, что Земля движется «...вращательно, около своей оси, наподобие колеса, с запада на восток вокруг собственного центра». Он высказал также мысль, что орбиты Венеры и Меркурия являются окружностями, в центре которых находится Солнце. Вместе с Солнцем эти планеты будто бы и обращаются вокруг Земли.
Еще более смелых взглядов придерживался Аристарх Самосский (около 310 - 230 гг. до н. э.). Выдающийся древнегреческий ученый Архимед (около 287 - 212 гг. до н.э.) в своем сочинении «Псаммит» («Исчисление песчинок»), обращаясь к Гелону Сиракузскому, писал о взглядах Аристарха так:
«Ты знаешь, что по представлению некоторых астрономов мир имеет форму шара, центр которого совпадает с центром Земли, а радиус равен длине прямой, соединяющей центры Земли и Солнца. Но Аристарх Самосский в своих «Предложениях», написанных им против астрономов, отвергая это представление, приходит к заключению, что мир гораздо больших размеров, чем только что указано. Он полагает, что неподвижные звезды и Солнце не меняют своего места в пространстве, что Земля движется по окружности вокруг Солнца, находящегося в его центре, и что центр сферы неподвижных звезд совпадает с центром Солнца, а размер этой сферы таков, что окружность, описываемая по его предположению, Землей, находится к расстоянию неподвижных звезд в таком же отношении, в каком центр шара находится к его поверхности».
VI. Cистема Птолемея.
Становление астрономии как точной науки началось благодаря работам выдающегося греческого ученого Гиппарха. Он первый начал систематические астрономические наблюдения и их всесторонний математический анализ, заложил основы сферической астрономии и тригонометрии, разработал теорию движения Солнца и Луны и на ее основе - методы предвычисления затмений.
Гиппарх обнаружил, что видимое движение Солнца и Луны на небе является неравномерным. Поэтому он стал на точку зрения, что эти светила движутся равномерно по круговым орбитам, однако центр круга смещен по отношению к центру Земли. Такие орбиты были названы эксцентрами. Гиппарх составил таблицы, по которым можно было определить положение Солнца и Луны на небе на любой день года. Что же касается планет, то, по замечанию Птолемея, он «не сделал других попыток объяснения движения планет, а довольствовался приведением в порядок сделанных до него наблюдений, присоединив к ним еще гораздо большее количество своих собственных. Он ограничился указанием своим современникам на неудовлетворительность всех гипотез, при помощи которых некоторые астрономы думали объяснить движение небесных светил».
Благодаря работам Гиппарха астрономы отказались от мнимых хрустальных сфер, предположенных Евдоксом, и перешли к более сложным построениям с помощью эпициклов и деферентов, предложенных еще до Гиппарха Аполлоном Пергским. Классическую форму теории эпициклических движений придал Клавдий Птолемей.
Главное сочинение Птолемея «Математический синтаксис в 13 книгах» или, как его назвали позже арабы, «Альмагест» («Величайшее») стал известным в средневековой Европе лишь в XII в. В 1515 г. он был напечатан на латинском языке в переводе с арабского, а в 1528 г. в переводе с греческого. Трижды «Альмагест» издавался на греческом языке, в 1912 г. он издан на немецком языке.
«Альмагест» - это настоящая энциклопедия античной астрономии. В этой книге Птолемей сделал то, что не удавалось сделать ни одному из его предшественников. Он разработал метод, пользуясь которым можно было рассчитать положение той или другой планеты на любой наперед заданный момент времени. Это ему далось нелегко, и в одном месте он заметил:
«Легче, кажется, двигать самые планеты, чем постичь их сложное движение...»
«Установив» Землю в центре мира, Птолемей представил видимое сложное и неравномерное движение каждой планеты как сумму нескольких простых равномерных круговых движений.
Согласно Птолемею каждая планета движется равномерно по малому кругу - эпициклу. Центр эпицикла в свою очередь равномерно скользит по окружности большого круга, названого деферентом. Для лучшего совпадения теории с данными наблюдений пришлось предположить, что центр деферента смещен по отношению к центру Земли. Но этого было недостаточно. Птолемей был вынужден предположить, что движение центра эпицикла по деференту является равномерным (т. е. его угловая скорость движения постоянна), если рассматривать это движение не из центра деферента и не из центра Земли, а с некоторой «выравнивающей точки», названной позже эквантом.
Комбинируя наблюдения с расчетами, Птолемей методом последовательных приближений получил, что отношения радиусов эпициклов к радиусам деферентов для Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера и Сатурна равны соответственно 0.376, 0.720, 0.658, 0.192 и 0.103. Любопытно, что для предвычисления положения планеты на небе не было необходимости знать расстояния до планеты, а лишь упомянутое отношение радиусов эпициклов и деферентов.
При построении своей геометрической модели мира Птолемей учитывал тот факт, что в процессе своего движения планеты несколько отклоняются от эклиптики. Поэтому для Марса, Юпитера и Сатурна он «наклонил» плоскости деферентов к эклиптике и плоскости эпициклов к плоскостям деферентов. Для Меркурия и Венеры он ввел колебания вверх и вниз с помощью небольших вертикальных кругов. В целом для объяснения всех замеченных в то время особенностей в движении планет Птолемей ввел 40 эпициклов. Система мира Птолемея, в центре которой находится Земля, называется геоцентрической.
Кроме отношения радиусов эпициклов и деферентов для сопоставления теории с наблюдениями необходимо было задать периоды обращения по этим кругам. По Птолемею, полный оборот по окружности эпициклов все верхние планеты совершают за тот же промежуток времени, что и Солнце по эклиптике, т. е. за год. Поэтому радиусы эпициклов этих планет, направленные к планетам, всегда параллельны направлению с Земли на Солнце. У нижних планет - Меркурия и Венеры - период обращения по эпициклу равен промежутку времени, а течении которого планета возвращается к исходной точке на небе. Для периодов обращений центра эпицикла по окружности деферента картина обратная. У Меркурия и Венеры они равны году, поэтому центры их эпициклов всегда лежат на прямой, соединяющей Солнце и Землю. Для внешних планет они определяются временем, в течение которого планета, описав полную окружность на небе, возвращается к тем же звездам.
Вслед за Аристотелем Птолемей попытался опровергнуть представление о возможном движении Земли. Он писал:
«Существуют люди, которые утверждают, будто бы ничто не мешает допустить, что небо неподвижно, а Земля вращается около своей оси от запада к востоку, и что она делает такой оборот каждые сутки. Правда, говоря о светилах, ничто не мешает для большей простоты допустить это, если принимать в расчет только видимые движения. Но эти люди не сознают, до какой степени смешно такое мнение, если присмотреться ко всему, что совершается вокруг нас и в воздухе. Если мы согласимся с ними, - чего в действительности нет, - что самые легкие тела вовсе не движутся или движутся так же, как и тела тяжелые, между тем как, очевидно, воздушные тела движутся с большей скоростью, чем тела земные; если бы мы согласились с ними, что предметы самые плотные и самые тяжелые имеют собственное движение, быстрое и постоянное, тогда как на самом деле они с трудом движутся от сообщаемых им толчков, - все - таки эти люди должны были бы сознаться, что Земля вследствие своего вращения имела бы движение значительно быстрее всех тех, какие происходят вокруг нее, ибо она совершала бы такую большую, окружность в такой малый промежуток времени. Таким образом, тела, которые поддерживали бы Землю, казались бы всегда движущимися по противоположному с ней направлению, и никакое облако, ничто летящее или брошенное никогда не казалось бы направляющимся к востоку, ибо Земля опередила бы всякое движение в этом направлении».
С современной точки зрения можно сказать, что Птолемей слишком переоценил роль центробежной силы. Он также придерживался ошибочного утверждения Аристотеля, что в поле тяжести тела падают со скоростями, пропорциональными их массам...
В целом же, как заметил А. Паннекук, «Математическое сочинение» Птолемея «было карнавальным шествием геометрии, праздником глубочайшего создания человеческого ума в представлении Вселенной.. труд Птолемея предстает перед нами как великий памятник науки античной древности...».
После высокого расцвета античной культуры на европейском континенте наступил период застоя и регресса. Этот мрачный промежуток времени продолжительностью более тысячи лет был назван средневековьем. Ему предшествовало превращение христианства в господствующую религию, при которой не было места для высокоразвитой науки античной древности. В это время произошел возврат к наиболее примитивным представлениям о плоской Земле.
И лишь начиная с XI в., под влиянием роста торговых отношений, с усилением в городах нового класса – буржуазии, духовная жизнь в Европе начала пробуждаться. В середине XIII в. философия Аристотеля была приспособлена к христианской теологии, отменены решения церковных соборов, запрещавших натурфилософские идеи великого древнегреческого философа. Взгляды Аристотеля на устройство мира вскоре стали неотъемлемыми элементами христианской веры. Теперь уже нельзя было сомневаться в том, что Земля имеет форму шара, установленного в центре мира, и что вокруг него обращаются все небесные светила. Система Птолемея стала как бы дополнением к системе Аристотеля, помогающей проводить конкретные расчеты положений планет.
Основные параметры своей модели мира Птолемей определил в высшей степени искусно и с высокой точностью. Со временем, однако, астрономы начали убеждаться в том, что между истинным положением планеты на небе и расчетным существуют расхождения. Так, в начале 12 века планета Марс оказалась на два градуса в стороне от того места, где ей надлежало быть по таблицам Птолемея.
Чтобы объяснить все особенности движения планет на небе, приходилось вводить для каждой из них до десяти и более эпициклов со всё уменьшающимися радиусами так, чтобы центр меньшего эпицикла обращался по кругу большего. К 16 веку движение Солнца, Луны и пяти планет объяснялось с помощью более чем 80 кругов! И всё же наблюдения, разделённые большими промежутками времени, было трудно «подогнать» под эту схему. Приходилось вводить новые эпициклы, несколько изменять их радиусы, смещать центры деферентов по отношению к центру Земли. В конечном итоге геоцентрическая система Птолемея, перегруженная эпициклами и эквантами, рухнула от собственной тяжести...
VII. Мир Коперника.
Книга Коперника, вышедшая в год его смерти, в 1543 году, носила скромное название: «О вращении небесных сфер». Но это было полное ниспровержение взглядов Аристотеля на мир. Сложная махина прозрачных хрустальных полых сфер отошла в прошлое. С этого времени началась новая эпоха в нашем понимании Вселенной. Продолжается она и поныне.
Благодаря Копернику мы узнали, что Солнце занимает надлежащее ему положение в центре планетной системы. Земля же никакой не центр мира, а одна из рядовых планет, обращающихся вокруг Солнца. Так все стало на свои места. Строение Солнечной системы было наконец разгадано.
Дальнейшие открытия астрономов пополнили семью больших планет. Их девять: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. В таком порядке они занимают свои орбиты вокруг Солнца. Открыто множество малых тел Солнечной системы - астероидов и комет. Но это не изменило новой Коперниковой картины мира. Напротив, все эти открытия только подтверждают и уточняют ее.
Теперь мы понимаем, что живем на небольшой планете, похожей на шар. Земля вращается вокруг Солнца по орбите, не слишком отличающейся от окружности. Радиус этой окружности близок к 150 миллионам километров.
Расстояние от Солнца до Сатурна - самой дальней из известных во времена Коперника планет - приблизительно в десять раз больше радиуса земной орбиты. Это расстояние совершенно правильно определил еще Коперник. Размеры Солнечной системы - расстояние от Солнца до орбиты девятой планеты, Плутона, еще почти в четыре раза больше и составляет приблизительно 6 миллиардов километров.
Такова картина Вселенной в нашем непосредственном окружении. Это и есть мир по Копернику.
Но Солнечная система еще не вся Вселенная. Можно сказать, что это только наш маленький мирок. А как же далекие звезды? О них Коперник не рисковал высказывать никакого определенного мнения. Он просто оставил их на прежнем месте, не дальней сфере, где были они у Аристотеля, и лишь говорил, и совершенно правильно, что расстояние до звезд во множество раз больше размеров планетных орбит. Как и античные ученые, он представлял Вселенную замкнутым пространством, ограниченным этой сферой.
VIII. Солнце и звезды.
В ясную безлунную ночь, когда ничто не мешает наблюдению, человек с острым зрением увидит на небосводе не более двух - трех тысяч мерцающих точечек. В списке, составленном во 2 веке до нашей эры знаменитым древнегреческим астрономом Гиппархом и дополненном позднее Птолемеем, значится 1022 звезды. Гевелий же, последний астроном, производивший такие подсчеты без помощи телескопа, довел их число до 1533.
Но уже в древности подозревали о существовании большого числа звезд, невидимых глазом. Демокрит, великий ученый древности, говорил, что белесоватая полоса, протянувшаяся через все небо, которую мы называем Млечным Путем, есть в действительности соединение света множества невидимых по отдельности звезд. Споры о строении Млечного Пути продолжались веками. Решение - в пользу догадки Демокрита - пришло в 1610 году, когда Галилей сообщил о первых открытиях, сделанных на небе с помощью телескопа. Он писал с понятным волнением и гордостью, что теперь удалось «сделать доступными глазу звезды, которые раньше никогда не были видимыми и число которых, по меньшей мере, в десять раз больше числа звезд, известных издревле».
Но и это великое открытие все еще оставляло мир звезд загадочным. Неужели все они, видимые и невидимые, действительно сосредоточены в тонком сферическом слое вокруг Солнца?
Еще до открытия Галилея была высказана совершенно неожиданная, по тем временам замечательно смелая мысль. Она принадлежит Джордано Бруно, трагическая судьба которого всем известна. Бруно выдвинул идею о том, что наше Солнце - это одна из звезд Вселенной. Всего только одна из великого множества, а не центр всей Вселенной. Но тогда и любая другая звезда тоже вполне может обладать своей собственной планетной системой.
Если Коперник указал место Земли отнюдь не в центре мира, то Бруно и Солнце лишил этой привилегии.
Идея Бруно породила немало поразительных следствий. Из нее вытекала оценка расстояний до звезд. Действительно, Солнце - это звезда, как и другие, но только самая близкая к нам. Поэтому - то оно такое большое и яркое. А на какое расстояние нужно отодвинуть светило, чтобы и оно выглядело так, как, например, Сириус? Ответ на этот вопрос дал голландский астроном Гюйгенс (1629 - 1695). Он сравнил блеск этих двух небесных тел, и вот что оказалось: Сириус находится от нас в сотни раз дальше, чем Солнце.
Чтобы лучше представить, сколь велико расстояние до звезды, скажем, что луч света, пролетающий за одну секунду 300 тысяч километров, затрачивает на путешествие от Сириуса к нам несколько лет. Астрономы говорят в этом случае о расстоянии в несколько световых лет. По современным уточненным данным, расстояние до Сириуса - 8,7 световых лет. А расстояние от нас до солнца всего 8 световых минут.
Конечно, разные звезды отличаются друг от друга (это и учтено в современной оценке расстояния до Сириуса). Поэтому определение расстояний до них и сейчас часто остается очень трудной, а иногда и просто неразрешимой задачей для астрономов, хотя со времени Гюйгенса придумано для этого немало новых способов.
Замечательная идея Бруно и основанный на ней расчет Гюйгенса стали решительным шагом к овладению тайнами Вселенной. Благодаря этому границы наших знаний о мире сильно раздвинулись, они вышли за пределы Солнечной системы и достигли звезд.
IX. Галактика.
С XVII века важнейшей целью астрономов стало изучение Млечного Пути - этого гигантского собрания звезд, которые Галилей увидел в свой телескоп. Усилия многих поколений астрономов - наблюдателей были нацелены на то, чтобы узнать, каково полное число звезд Млечного Пути, определить его действительную форму и границы, оценить размеры. Лишь в XIX веке удалось понять, что это единая система, заключающая в себе все видимые звезды. На равных правах со всеми входит в эту систему и наше Солнце, а с ним Земля и планеты. Причем располагаются они далеко не в ее центре, а на ее окраине.
Потребовались еще многие десятилетия тщательных наблюдений и глубоких раздумий, прежде чем перед астрономами раскрылось во всей полноте строение Галактики. Так стали называть звездную систему, которую мы видим, - конечно, изнутри - как полосу Млечного Пути. (Слово «галактика» образовано от новогреческого «галактикос», что значит «млечный».)
Оказалось, что Галактика имеет довольно правильное строение и форму, несмотря на видимую клочковатость Млечного Пути, на беспорядочность, с которой, как нам кажется, рассеяны звезды по небу. Она состоит из диска, гало и короны. Диск представляет собой как бы две сложенные краями тарелки. Он образован звездами, которые внутри этого объема движутся по почти круговым орбитам вокруг центра Галактики.
Диаметр диска измерен - он составляет приблизительно 100 тысяч световых лет. Это означает, что свету потребуется сто тысяч лет, чтобы пересечь диск из конца в конец по диаметру. Вот сколь огромна Галактика! А число звезд в диске - приблизительно сто миллиардов.
В гало содержится сравнимое с этим число звезд (слово «гало» означает «круглый».). Они заполняют слегка сплюснутый сферический объем и движутся не по круговым, а по сильно вытянутым орбитам. Плоскости этих орбит проходят через центр Галактики. По разным направлениям они распределены более или менее равномерно.
Диск и окружающее его гало погружены в корону. Если радиусы диска и гало сравнимы между собой по величине, то радиус короны в пять, а может быть, и в десять раз больше. Почему «может быть»? Да потому, что она невидима - из нее не исходит никакого света. Как же узнали тогда о ней астрономы?
Все тела в природе создают тяготение и испытывают его действие. Об этом говорит Закон всемирного тяготения, открытый Ньютоном. Вот и о короне узнали не по свету, а по создаваемому ею тяготению. Оно действует на видимые звезды, на излучающие свет облака газа. Наблюдая за движением этих тел, астрономы и заметили: на них кроме диска и гало действует что-то еще.
Детальное изучение этого «нечто» и позволило, в конце концов, обнаружить корону, которая создает дополнительное тяготение. Она оказалась очень массивной - в несколько раз больше массы всех звезд, входящих в диск и гало.
Таковы сведения, полученные советским астрономом Я. Эйнасто и его сотрудниками в Тартуской обсерватории.
Конечно, изучать невидимую корону очень трудно. Из-за этого и не слишком точны пока оценки ее размеров и массы. Но ее главная загадка в другом: мы не знаем, из чего она состоит. Мы не знаем, есть ли в ней звезды, пусть даже и какие-то необычные, совсем не излучающие свет.
Сейчас многие предполагают, что ее масса складывается вовсе не из звезд, а из мельчайших элементарных частиц - нейтрино. Эти частицы известны физикам уже давно, но и сами по себе они тоже в значительной степени остаются загадочными. Неизвестно о них, можно сказать, самое главное: есть ли у них масса покоя, то есть такая масса, которой частица обладает в состоянии, когда она не движется, а стоит на месте. Большинство элементарных частиц такую массу имеют.
Это, например, электроны, протоны, нейтроны, из которых состоят все атомы. А вот у фотона, кванта света, ее нет. Фотоны существуют лишь в движении. Нейтрино могли бы служить материалом для короны, но лишь в том случае, если у них есть масса покоя.
Легко представить себе, с каким нетерпением ожидают астрономы вестей из физических лабораторий, где ставятся сейчас специальные эксперименты, чтобы выяснить, есть ли у нейтрино масса покоя или нет. Возможно, именно физики и разгадают загадку невидимой короны.
X. Звездные миры.
К началу нашего века границы разведанной Вселенной раздвинулись настолько, что включили в себя Галактику. Многие, если не все, думали тогда, что эта огромная звездная система и есть вся Вселенная в целом.
Но вот в 20-е годы были построены новые крупные телескопы, и перед астрономами открылись совершенно неожиданные горизонты. Оказалось, что за пределами Галактики мир не кончается. Миллиарды звездных систем, галактик, похожих на нашу и отличающихся от нее, рассеяны тут и там по просторам Вселенной.
Фотографии галактик, сделанные с помощью самых больших телескопов, поражают красотой и разнообразием форм: это и могучие вихри звездных облаков, и правильные шары, а иные звездные системы вообще не обнаруживают никаких определенных форм, они клочковаты и бесформенны. Все эти типы галактик - спиральные, эллиптические, неправильные, - получившие названия по своему виду на фотографиях, открыты американским астрономом Э. Хабблом в 20-30-е годы нашего века.
Исследования последних лет показали, что многие крупные спиральные галактики обладают - как и наша Галактика - протяженными и массивными невидимыми коронами. Это очень важно: ведь если так, то, значит, чуть ли не вся масса Вселенной (или, во всяком случае, подавляющая ее часть) - это загадочная, невидимая, но тяготеющая «скрытая» масса.
Многие, а может быть, и почти все галактики собраны в различные коллективы, которые называют группами, скоплениями и сверхскоплениями, смотря по тому, сколько их там. В группу может входить всего три или четыре галактики, а в сверхскопление - до тысячи или даже нескольких десятков тысяч. Наша Галактика, туманность Андромеды и еще более тысячи таких же объектов входят в так называемое Местное сверхскопление. Оно не имеет четко очерченной формы.
Приблизительно так же устроены и другие сверхскопления, лежащие далеко от нас, но довольно отчетливо различимые в современные крупные телескопы.
До недавнего времени астрономы полагали, что эти объекты - самые крупные образования во Вселенной и что какие-либо еще большие системы отсутствуют. Но вот выяснилось, что это не так.
Несколько лет назад астрономы составили удивительную карту Вселенной. На ней каждая галактика представлена всего лишь точкой. На первый взгляд они рассеяны на карте хаотично. Если же приглядеться внимательно, то можно обнаружить группы, скопления и сверхскопления, которые выглядят здесь цепочками точек. Но что поразительнее всего, карта позволяет обнаружить, что некоторые такие цепочки соединяются и пересекаются, образуя какой-то сетчатый или ячеистый узор, напоминающий кружева или, может быть, пчелиные соты с размерами ячеек в 100-300 миллионов световых лет.
Покрывают ли такие «сетки» всю Вселенную, еще предстоит выяснить. Но несколько отдельных ячеек, очерченных сверхскоплениями, удалось подробно изучить. Внутри них галактик почти нет, все они собраны в «стенки».
Ячейка - это предварительное, рабочее название для самого крупного образования во Вселенной. Более крупных систем в природе нет. Это показывает карта Вселенной. Астрономия достигла, наконец, завершения одной из самых грандиозных своих задач: вся последовательность, или, как еще говорят, иерархия, астрономических систем теперь целиком известна. И все же...
XI. Вселенная.
Больше всего на свете - сама Вселенная, охватывающая и включающая в себя все планеты, звезды, галактики, скопления, сверхскопления и ячейки. Дальность действия современных телескопов достигает нескольких миллиардов световых лет.
Планеты, звезды, галактики поражают нас удивительным разнообразием своих свойств, сложностью строения. А как устроена вся Вселенная, Вселенная в целом?
Ее главное свойство - однородность. Об этом можно сказать и точнее. Представим себе, что мы мысленно выделили во Вселенной очень большой кубический объем, с ребром в 500 миллионов световых лет. Подсчитаем, сколько в нем галактик. Произведем такие же подсчеты для других, но столь же гигантских объемов, расположенных в различных частях Вселенной. Если все это проделать и сравнить результаты, то окажется, что в каждом из них, где бы их ни брать, содержится одинаковое число галактик. То же самое будет и при подсчете скоплений или даже ячеек.
Вселенная предстает перед нами всюду одинаковой - «сплошной» и однородной. Проще устройства и не придумать. Нужно сказать, что об этом люди уже давно подозревали. Указывая из соображений максимальной простоты устройства на общую однородность мира, замечательный мыслитель Паскаль (1623-1662) говорил, что мир - это круг, центр которого везде, а окружность нигде. Так с помощью наглядного геометрического образа он утверждал однородность мира.
В однородном мире все «места» равноправны и любое из них может претендовать на то, что оно - центр мира. А если так, то, значит, никакого центра мира вовсе не существует.
У Вселенной есть и еще одно важнейшее свойство, но о нем никогда даже и не догадывались. Вселенная находится в движении - она расширяется. Расстояние между скоплениями и сверхскоплениями постоянно возрастает. Они как бы разбегаются друг от друга. А сеть ячеистой структуры растягивается.
Настоящий переворот в науке о Вселенной произвели в 1922 - 1924 годах работы ленинградского математика и физика А. Фридмана. Опираясь на только что созданную тогда А. Эйнштейном общую теорию относительности, он математически доказал, что мир - это не нечто застывшее и неизменное. Как единое целое он живет своей динамической жизнью, изменяется во времени, расширяясь или сжимаясь по строго определенным законам.
Фридман открыл подвижность звездной Вселенной. Это было теоретическое предсказание, а выбор между расширением и сжатием нужно сделать на основании астрономических наблюдений. Такие наблюдения в 1928 - 1929 годах удалось проделать Хабблу, известному уже нам исследователю галактик.
Он обнаружил, что далекие галактики и целые их коллективы движутся, удаляясь от нас во все стороны. Но так и должно выглядеть, в соответствии с предсказаниями Фридмана, общее расширение Вселенной.
Конечно, это не означает, что галактики разбегаются именно от нас. Иначе мы вернулись бы к старым воззрениям, к докоперниковой картине мира с Землей в центре. В действительности общее расширение Вселенной происходит так, что все они удаляются друг от друга, и из любого места картина этого разбегания выглядит так, как мы видим ее с нашей планеты.
Если Вселенная расширяется, то, значит, в далеком прошлом скопления были ближе друг к другу. Более того: из теории Фридмана следует, что пятнадцать - двадцать миллиардов лет назад ни звезд, ни галактик еще не было, и все вещество было перемешано и сжато до колоссальной плотности. Это вещество было тогда и немыслимо горячим. Из такого особого состояния и началось общее расширение, которое привело со временем к образованию Вселенной, какой мы видим и знаем ее сейчас.
Общие представления о строении Вселенной складывались на протяжении всей истории астрономии. Однако только в нашем веке смогла появиться современная наука о строении и эволюции Вселенной - космология.
XII. Заключение.
Мы знаем строение Вселенной в огромном объеме пространства, для пересечения которого свету требуются миллиарды лет. Но пытливая мысль человека стремится проникнуть дальше. Что лежит за границами наблюдаемой области мира? Бесконечна ли Вселенная по объему? И ее расширение - почему оно началось и будет ли оно всегда продолжаться в будущем? А каково происхождение «скрытой» массы? И,наконец, как зародилась разумная жизнь во Вселенной?
Есть ли она еще где-нибудь кроме нашей планеты? Окончательные и полные ответы на эти вопросы пока отсутствуют.
Вселенная неисчерпаема. Неутомима и жажда знания, заставляющая людей задавать все новые и новые вопросы о мире и настойчиво искать ответы на них.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.
1) Космос: Сборник. Научно - популярная литература/ Сост. Ю. И. Коптев и С. А. Никитин; Вступ. ст. академика Ю. А. Осипьяна; Оформл. и макет В. Итальянцева; Рис. Е. Азанова, Н. Котляровского, В. Цикоты. - Л.: Дет. лит.,1987. - 223 с., ил.
2) И. А. Климишин. Астрономия наших дней. - М.: «Наука».,1976. - 453 с.
3) А. Н. Томилин. Небо Земли. Очерки по истории астрономии/ Научный редактор и автор предисловия доктор физико-математических наук К. Ф. Огородников. Рис. Т. Оболенской и Б. Стародубцева. Л., «Дет. лит.», 1974. - 334 с., ил.
4) Энциклопедический словарь юного астронома/ Сост. Н. П. Ерпылев. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Педагогика, 1986. - 336с., ил.
Содержание. I. Введение. II. Картина мира. III. Движение планет. IV. Первые модели мира. V. Первая гелиоцентрическая система. VI. Система Птолемея. VII. Мир Коперника. VIII. Солнце и звезды.Содержание.
I. Введение.
II. Картина мира.
III. Движение планет.
IV. Первые модели мира.
VI. Система Птолемея.
VII. Мир Коперника.
VIII. Солнце и звезды.
IX. Галактика.
X. Звездные миры.
XI. Вселенная.
XII. Заключение.
I. Введение.
Звездноенебо во все времена занимало воображение людей. Почему зажигаются звезды?Сколько их сияет в ночи? Далеко ли ониот нас? Есть ли границы у звездной Вселенной? С глубокой древности человекзадумывался над этими и многими другими вопросами, стремился понять, иосмыслить устройство того большого мира, в котором мы живем.
Самыеранние представления людей о немсохранились в сказках и легендах. Прошли века и тысячелетия, прежде чемвозникла и получила глубокое обоснование и развитие наука о Вселенной, раскрывшая нам замечательную простоту,удивительный порядок мироздания. Недаром еще в древней Греции ее называлиКосмосом, а это слово первоначально означало «порядок» и «красоту».
II. Картина мира.
В древнеиндийскойкниге, которая называется «Ригведа», что значит «Книга гимнов», можно найтиописание - одно из самых первых в истории человечества - всей Вселенной какединого целого. Согласно «Ригведе», она устроена не слишком сложно. В нейимеется, прежде всего, Земля. Она представляется плоской безграничнойповерхностью - «обширным пространством». Эта поверхность покрыта сверху небом.А небо - это голубой, усеянный звездами «свод». Между небом и Землей - «светящийся воздух».
От наукиэто было очень далеко. Но важно здесь другое. Замечательна и грандиозна самадерзкая цель - объять мыслью всю Вселенную. Отсюда берет истоки уверенность втом, что человеческий разум способен осмыслить, понять, разгадать ееустройство, создать в своем воображении полную картину мира.
III. Движение планет.
Наблюдая за годичнымперемещением Солнца среди звезд, древние люди научились заблаговременноопределять наступление того или иного времени года. Они разделили полосу небавдоль эклиптики на 12 созвездий, в каждом из которых Солнце находится примерномесяц. Как уже отмечалось, эти созвездия были названы зодиакальными. Все они заисключением одного носят названия животных.
С предутреннимвосходом того или иного созвездия древние люди связывали своисельскохозяйственные работы, и это отражено в самих названиях созвездий. Так,появление на небе созвездия Водолея указывало на ожидаемое половодье, появлениеРыб - на предстоящий ход рыбы для метания икры. С утренним появлением созвездияДевы начиналась уборка хлеба, которая проводилась преимущественно женщинами.Спустя месяц на небе появилась соседнее созвездие Весы, в это время как разпроисходило взвешивание и подсчет урожая.
Еще за 2000 лет до н.э. древние наблюдатели заметили средизодиакальных созвездий пять особых светил, которые, постоянно меняя своеположение на небе, переходят из одного зодиакального созвездия в другое. Впоследствии греческие астрономы назвали эти светила планетами, т. е.«блуждающими». Это Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн, сохранившие в своихназваниях до наших дней имена древнеримских богов. К блуждающим светилам былипричислены также Луна и Солнце.
Вероятно, прошло многостолетий, прежде чем древним астрономам удалось установить определенныезакономерности в движении планет и, прежде всего, установить промежуткивремени, по истечении которых положение планеты на небе по отношению к Солнцуповторяется. Этот промежуток времени позже был назван синодическим периодомобращения планеты. После этого можно было делать следующий шаг - строить общуюмодель мира, в которой для каждой из планет было бы отведено определенное место и, пользуясь которой,можно было бы заранее предсказать положение планеты на несколько месяцев илилет вперед.
По характеру своегодвижения на небесной сфере по отношению к Солнцу планеты (в нашем понимании)подразделяются на две группы. Меркурий и Венера названы внутренними илинижними, остальные - внешними или верхними.
Угловая скорость Солнца больше скорости прямогодвижения верхней планеты. Поэтому Солнце постепенно обгоняет планету. Как и длявнутренних планет, в момент, когда направление на планету и на Солнцесовпадает, наступает соединение планеты с Солнцем. После того как Солнцеобгонит планету, она становится видимой перед его восходом, во второй половиненочи. Момент, когда угол между направлением на Солнце и направлением на планетусоставляет 180 градусов, называется противостоянием планеты. В это время онанаходится в середине дуги своего попятного движения. Удаление планеты от Солнцана 90 градусов к востоку называется восточной квадратурой, а на 90 градусов кзападу - западной квадратурой. Все упомянутые здесь положения планетотносительно Солнца (с точки зрения земного наблюдателя) называютсяконфигурациями.
При раскопках древних городов и храмов Вавилонииобнаружены десятки тысяч глиняных табличек с астрономическими текстами. Ихрасшифровка показала, что древние вавилонские астрономы внимательно следили заположением планет на небе; они сумели определить их синодические периодыобращения и использовать эти данные при своих расчетах.
IV. Первые модели мира.
Несмотря на высокий уровень астрономических сведений народов древнего Востока, их взглядына строение мира ограничивались непосредственными зрительными ощущениями.Поэтому в Вавилоне сложились взгляды, согласно которым Земля имеет видвыпуклого острова, окруженного океаном. Внутри Земли будто бы находится«царство мертвых». Небо - это твердый купол, опирающийся на земную поверхностьи отделяющий «нижние воды» (океан, обтекающий земной остров) от «верхних»(дождевых) вод. На этом куполе прикреплены небесные светила, над небом будто быживут боги. Солнце восходит утром, выходя из восточных ворот, и заходит череззападные ворота, а ночью оно движется под Землей.
Согласно представлениям древних египтян, Вселеннаяимеет вид большой долины, вытянутой с севера на юг, в центре ее находитсяЕгипет. Небо уподоблялось большой железной крыше, которая поддерживается настолбах, на ней в виде светильников подвешены звезды.
В Древнем Китае существовалопредставление, согласно которому Земля имеет форму плоского прямоугольника, надкоторым на столбах поддерживается круглое выпуклое небо. Разъяренный драконбудто бы согнул центральный столб, вследствие чего Земля наклонилась к востоку.Поэтому все реки в Китае текут на восток. Небо же наклонилось на запад, поэтомувсе небесные светила движутся с востока на запад.
И лишь в греческих колониях на западных берегахМалой Азии (Иония), на юге Италии и в Сицилии в четвертом веке до нашей эрыначалось бурное развитие науки, в частности, философии, как учения о природе.Именно здесь на смену простому созерцанию явлений природы и их наивномутолкованию приходят попытки научно объяснить эти явления, разгадать их истинныепричины.
Одним из выдающихся древнегреческих мыслителей былГераклит Эфесский (около 530 - 470 гг. до н. э.). Это ему принадлежат слова: «Мир, единый извсего, не создан никем из богов и никем из людей, а был, есть и будет вечноживым огнем, закономерно воспламеняющимся и закономерно угасающим...» Тогда же Пифагор Самосский (ок. 580 - 500гг. до н. э.) высказал мысль о том, что Земля, как и другие небесные тела, имеетформу шара. Вселенная представлялась Пифагору в виде концентрических, вложенныхдруг в друга прозрачных хрустальных сфер, к которым будто бы прикрепленыпланеты. В центре мира в этой модели помещалась Земля, вокруг нее вращалисьсферы Луны, Меркурия, Венеры, Солнца, Марса, Юпитера и Сатурна. Дальше всехнаходилась сфера неподвижных звезд.
Первую теорию строения мира, объясняющую прямое ипопятное движение планет, создал греческий философ Евдокс Книдский (около 408 - 355 гг. до н. э.). Он предложил, что у каждой планеты имеется не одна, а несколькосфер, скрепленных друг с другом. Одна из них совершает один оборот в суткивокруг оси небесной сферы по направлению с востока на запад. Время обращениядругой (в обратную сторону)предполагалось равным периоду обращения планеты. Тем самым объяснялось движениепланеты вдоль эклиптики. При этом предполагалось, что ось второй сферынаклонена к оси первой под определенным углом. Комбинация с этими сферами ещедвух позволяла объяснить попятное движение по отношению к эклиптике. Всеособенности движения Солнца и Луны объяснялось с помощью трех сфер. ЗвездыЕвдокс разместил на одной сфере, вмещающей в себя все остальные. Таким образом,все видимое движение небесных светил Евдокс свел к вращению 27 сфер.
Уместно напомнить, что представление о равномерном,круговом, совершенно правильном движении небесных тел высказал философ Платон.Он же высказал предположение, что Земля находится в центре мира, что вокруг нееобращается Луна, Солнце, далее утренняя звезда Венера, звезда Гермеса, звездыАреса, Зевса и Кроноса. У Платона впервые встречаются названия планет по именибогов, полностью совпадающие с вавилонскими. Платон впервые сформулировалматематикам задачу: найти, с помощью каких равномерных и правильных круговыхдвижений можно «спасти явления, представляемые планетами». Другими словами,Платон ставил задачу построить геометрическую модель мира, в центре которой,безусловно, должна была находиться Земля.
Усовершенствованием системы мира Евдокса занялсяученик Платона Аристотель (384 - 322 гг. до н. э.). Так как взгляды этоговыдающегося философа - энциклопедиста безраздельно господствовали в физике иастрономии в течение почти двух тысяч лет, то остановимся на них поподробнее.
Аристотель, вслед за философом Эмпедоклом (около490 - 430 гг. до н. э.), предположил существование четырех «стихий»: земли,воды, воздуха и огня, из смешения которых будто бы произошли все тела,встречающиеся на Земле. По Аристотелю, стихии вода и земля естественным образомстремятся двигаться к центру мира («вниз»), тогда как огонь и воздух движутся«вверх» к периферии и тем быстрее, чем ближе они к своему «естественному»месту. Поэтому в центре мира находится Земля, над ней расположены вода, воздухи огонь. По Аристотелю, Вселенная ограничена в пространстве, хотя ее движениевечно, не имеет ни конца, ни начала. Это возможно как раз потому, что, кромеупомянутых четырех элементов, существует еще и пятая, неуничтожимая материя,которую Аристотель назвал эфиром. Из эфира будто бы и состоят все небесныетела, для которых вечное круговое движение - это естественное состояние. «Зонаэфира» начинается около Луны и простирается вверх, тогда как ниже Лунынаходится мир четырех элементов.
Вот как описывает своепонимание мироздания сам Аристотель:
«Солнце и планеты обращаются около Земли, находящейсянеподвижно в центре мира. Наш огонь, относительно цвета своего, не имеетникакого сходства со светом солнечным, ослепительной белизны. Солнце не состоитиз огня; оно есть огромное скопление эфира; теплота Солнца причиняетсядействием его на эфир во время обращения вокруг Земли. Кометы сутьскоропреходящие явления, которые быстро рождаются в атмосфере и столь же быстроисчезают. Млечный Путь есть не что иное, как испарения, воспламененные быстрымвращением звезд около Земли… Движения небесных тел, вообще говоря, происходятгораздо правильнее, чем движения замечаемые на Земле; ибо, так как теланебесные совершеннее любых других тел, то им приличествует самое правильноедвижение, и вместе с тем самое простое, а такое движение может быть толькокруговым, потому что в этом случае движение бывает вместе с тем и равномерным.Небесные светила движутся свободно подобно богам, к которым они ближе, чем кжителям Земли; поэтому светила при движении своем не нуждаются в отдыхе ипричину своего движения заключают в самих себе. Поэтому высшие области неба,более совершенные, содержащие в себе неподвижные звезды, имеют наиболеесовершенное движение - всегда вправо. Что же касается части неба, ближайшей кЗемле, а поэтому и менее совершенной, то эта часть служит местопребываниемгораздо менее совершенных светил, каковы планеты. Эти последние движутся нетолько вправо, но и влево, и притом по орбитам, наклоненным к орбитамнеподвижных звезд. Все тяжелые тела стремятся к центру Земли, а так как всякоетело стремится к центру Вселенной, то поэтому и Земля должна находитьсянеподвижно в этом центре».
При построении своей системы мира Аристотельиспользовал представления Евдокса о концентрических сферах, на которыхрасположены планеты и которые вращаются вокруг Земли. По Аристотелю,первопричиной этого движения является «первый двигатель» - особая вращающаясясфера, расположенная за сферой «неподвижных звезд», которая и приводит вдвижение все остальное. По этой модели лишь одна сфера в каждой из планетвращается с востока на запад, остальные три - в противоположном направлении.Аристотель считал, что действие этих трех сфер должно компенсироватьсядополнительными тремя внутренними сферами, принадлежащими той же планете.Именно в этом случае на каждую последующую (по направлению к Земле) планетудействует лишь суточное вращение. Таким образом, в системе мира Аристотелядвижение небесных тел описывалось с помощью 55 твердых хрустальных сферическихоболочек.
Позже в этой системе мирабыло выделено восемь концентрических слоев (небес), которые передавали своедвижение друг другу. В каждом таком слое насчитывалось семь сфер, движущихданную планету.
Во времена Аристотеля высказывались и другиевзгляды на строение мира, в частности, что не Солнце обращается вокруг Земли, аЗемля вместе с другими планетами обращается вокруг Солнца. Против этогоАристотель выдвинул серьезный аргумент: если бы Земля двигалась в пространстве,то это движение приводило бы к регулярному видимому перемещению звезд на небе.Как мы знаем, этот эффект (годичное параллактическое смещение звезд) был открытлишь в середине 19 века, через 2150 лет после Аристотеля...
На склоне своих лет Аристотель был обвинен вбезбожии и бежал из Афин. На самом деле в своем понимании мира он колебалсямежду материализмом и идеализм. Его идеалистические взгляды и, в частности,представление о Земле как центре мироздания было приспособлено для защитырелигии. Вот почему в середине второго тысячелетия нашей эры борьба противвзглядов Аристотеля стала необходимым условием развития науки...
V. Первая гелиоцентрическая система.
Современникам Аристотеля ужебыло известно, что планета Марс в противостоянии, а также Венера во времяпопятного движения значительно ярче, чем в другие моменты. По теории сфер онидолжны были бы оставаться всегда на одинаковом расстоянии от Земли. Именнопоэтому тогда возникали и другие представления о строении мира.
Так, Гераклит Понтийский(388 - 315 гг. до н. э.) предполагал, что Земля движется «… вращательно, околосвоей оси, наподобие колеса, с запада на восток вокруг собственного центра». Онвысказал также мысль, что орбиты Венеры и Меркурия являются окружностями, вцентре которых находится Солнце. Вместе с Солнцем эти планеты будто бы иобращаются вокруг Земли.
Еще более смелых взглядовпридерживался Аристарх Самосский (около 310 - 230 гг. до н. э.). Выдающийсядревнегреческий ученый Архимед (около 287 - 212 гг. до н.э.) в своем сочинении«Псаммит» («Исчисление песчинок»), обращаясь к Гелону Сиракузскому, писал овзглядах Аристарха так:
«Ты знаешь, что по представлениюнекоторых астрономов мир имеет форму шара, центр которого совпадает с центромЗемли, а радиус равен длине прямой, соединяющей центры Земли и Солнца. НоАристарх Самосский в своих «Предложениях», написанных им против астрономов,отвергая это представление, приходит к заключению, что мир гораздо большихразмеров, чем только что указано. Он полагает, что неподвижные звезды и Солнцене меняют своего места в пространстве, что Земля движется по окружности вокругСолнца, находящегося в его центре, и что центр сферы неподвижных звездсовпадает с центром Солнца, а размер этой сферы таков, что окружность,описываемая по его предположению, Землей, находится к расстоянию неподвижныхзвезд в таком же отношении, в каком центр шара находится к его поверхности».
VI. Cистема Птолемея.
Становление астрономии как точной науки началосьблагодаря работам выдающегося греческого ученого Гиппарха. Он первый началсистематические астрономические наблюдения и их всесторонний математическийанализ, заложил основы сферической астрономии и тригонометрии, разработалтеорию движения Солнца и Луны и на ее основе - методы предвычисления затмений.
Гиппарх обнаружил, что видимое движение Солнца иЛуны на небе является неравномерным. Поэтому он стал на точку зрения, что этисветила движутся равномерно по круговым орбитам, однако центр круга смещен поотношению к центру Земли. Такие орбиты были названы эксцентрами. Гиппархсоставил таблицы, по которым можно было определить положение Солнца и Луны нанебе на любой день года. Что же касается планет, то, по замечанию Птолемея, он«не сделал других попыток объяснения движения планет, а довольствовалсяприведением в порядок сделанных до него наблюдений, присоединив к ним ещегораздо большее количество своих собственных. Он ограничился указанием своимсовременникам на неудовлетворительность всех гипотез, при помощи которыхнекоторые астрономы думали объяснить движение небесных светил».
Благодаря работам Гиппарха астрономы отказались отмнимых хрустальных сфер, предположенных Евдоксом, и перешли к более сложнымпостроениям с помощью эпициклов и деферентов, предложенных еще до ГиппархаАполлоном Пергским. Классическую форму теории эпициклических движений придалКлавдий Птолемей.
Главное сочинение Птолемея«Математический синтаксис в 13 книгах» или, как его назвали позже арабы,«Альмагест» («Величайшее») стал известным в средневековой Европе лишь в XII в.В 1515 г. он был напечатан на латинском языке в переводе с арабского, а в 1528г. в переводе с греческого. Трижды «Альмагест» издавался на греческом языке, в1912 г. он издан на немецком языке.
«Альмагест» - это настоящаяэнциклопедия античной астрономии. В этой книге Птолемей сделал то, что неудавалось сделать ни одному из его предшественников. Он разработал метод,пользуясь которым можно было рассчитать положение той или другой планеты налюбой наперед заданный момент времени. Это ему далось нелегко, и в одном местеон заметил:
«Легче, кажется, двигать самые планеты, чемпостичь их сложное движение...»
«Установив» Землю в центре мира, Птолемей представилвидимое сложное и неравномерное движение каждой планеты как сумму несколькихпростых равномерных круговых движений.
Согласно Птолемею каждаяпланета движется равномерно по малому кругу - эпициклу. Центр эпицикла в своюочередь равномерно скользит по окружности большого круга, названого деферентом.Для лучшего совпадения теории с данными наблюдений пришлось предположить, чтоцентр деферента смещен по отношению к центру Земли. Но этого было недостаточно.Птолемей был вынужден предположить, что движение центра эпицикла по деферентуявляется равномерным (т. е. его угловая скорость движения постоянна), еслирассматривать это движение не из центра деферента и не из центра Земли, а снекоторой «выравнивающей точки», названной позже эквантом.
Комбинируя наблюдения с расчетами, Птолемей методомпоследовательных приближений получил, что отношения радиусов эпициклов крадиусам деферентов для Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера и Сатурна равнысоответственно 0.376, 0.720, 0.658, 0.192 и 0.103. Любопытно, что для предвычисленияположения планеты на небе не было необходимости знать расстояния до планеты, алишь упомянутое отношение радиусов эпициклов и деферентов.
При построении своей геометрической модели мираПтолемей учитывал тот факт, что в процессе своего движения планеты несколькоотклоняются от эклиптики. Поэтому для Марса, Юпитера и Сатурна он «наклонил»плоскости деферентов к эклиптике и плоскости эпициклов к плоскостям деферентов.Для Меркурия и Венеры он ввел колебания вверх и вниз с помощью небольших вертикальныхкругов. В целом для объяснения всех замеченных в то время особенностей вдвижении планет Птолемей ввел 40 эпициклов. Система мира Птолемея, в центрекоторой находится Земля, называется геоцентрической.
Кроме отношения радиусов эпициклов и деферентов длясопоставления теории с наблюдениями необходимо было задать периоды обращения поэтим кругам. По Птолемею, полный оборот по окружности эпициклов все верхниепланеты совершают за тот же промежуток времени, что и Солнце по эклиптике, т.е. за год. Поэтому радиусы эпициклов этих планет, направленные к планетам,всегда параллельны направлению с Земли на Солнце. У нижних планет - Меркурия иВенеры - период обращения по эпициклу равен промежутку времени, а течениикоторого планета возвращается к исходной точке на небе. Для периодов обращенийцентра эпицикла по окружности деферента картина обратная. У Меркурия и Венерыони равны году, поэтому центры их эпициклов всегда лежат на прямой, соединяющейСолнце и Землю. Для внешних планет они определяются временем, в течениекоторого планета, описав полную окружность на небе, возвращается к тем жезвездам.
Вслед за АристотелемПтолемей попытался опровергнуть представление о возможном движении Земли. Онписал:
«Существуют люди, которые утверждают, будто бы ничто немешает допустить, что небо неподвижно, а Земля вращается около своей оси отзапада к востоку, и что она делает такой оборот каждые сутки. Правда, говоря осветилах, ничто не мешает для большей простоты допустить это, если принимать врасчет только видимые движения. Но эти люди не сознают, до какой степени смешнотакое мнение, если присмотреться ко всему, что совершается вокруг нас и ввоздухе. Если мы согласимся с ними, - чего в действительности нет, - что самыелегкие тела вовсе не движутся или движутся так же, как и тела тяжелые, междутем как, очевидно, воздушные тела движутся с большей скоростью, чем телаземные; если бы мы согласились с ними, что предметы самые плотные и самыетяжелые имеют собственное движение, быстрое и постоянное, тогда как на самом делеони с трудом движутся от сообщаемых им толчков, - все - таки эти люди должныбыли бы сознаться, что Земля вследствие своего вращения имела бы движениезначительно быстрее всех тех, какие происходят вокруг нее, ибо она совершала бытакую большую, окружность в такой малый промежуток времени. Таким образом,тела, которые поддерживали бы Землю, казались бы всегда движущимися попротивоположному с ней направлению, и никакое облако, ничто летящее илиброшенное никогда не казалось бы направляющимся к востоку, ибо Земля опередилабы всякое движение в этом направлении».
С современной точки зрения можно сказать, чтоПтолемей слишком переоценил роль центробежной силы. Он также придерживалсяошибочного утверждения Аристотеля, что в поле тяжести тела падают со скоростями,пропорциональными их массам...
В целом же, как заметил А. Паннекук,«Математическое сочинение» Птолемея «было карнавальным шествием геометрии,праздником глубочайшего создания человеческого ума в представлении Вселенной…труд Птолемея предстает перед нами как великий памятник науки античнойдревности...».
После высокого расцветаантичной культуры на европейском континенте наступил период застоя и регресса.Этот мрачный промежуток времени продолжительностью более тысячи лет был названсредневековьем. Ему предшествовало превращение христианства в господствующуюрелигию, при которой не было места для высокоразвитой науки античной древности.В это время произошел возврат к наиболее примитивным представлениям о плоскойЗемле.
И лишь начиная с XI в., подвлиянием роста торговых отношений, с усилением в городах нового класса –буржуазии, духовная жизнь в Европе начала пробуждаться. В середине XIII в.философия Аристотеля была приспособлена к христианской теологии, отмененырешения церковных соборов, запрещавших натурфилософские идеи великогодревнегреческого философа. Взгляды Аристотеля на устройство мира вскоре сталинеотъемлемыми элементами христианской веры. Теперь уже нельзя было сомневатьсяв том, что Земля имеет форму шара, установленного в центре мира, и что вокругнего обращаются все небесные светила. Система Птолемея стала как бы дополнениемк системе Аристотеля, помогающей проводить конкретные расчеты положений планет.
Основные параметры своеймодели мира Птолемей определил в высшей степени искусно и с высокой точностью.Со временем, однако, астрономы начали убеждаться в том, что между истиннымположением планеты на небе и расчетным существуют расхождения. Так, в начале 12века планета Марс оказалась на два градуса в стороне от того места, где ейнадлежало быть по таблицам Птолемея.
Чтобы объяснить всеособенности движения планет на небе, приходилось вводить для каждой из них додесяти и более эпициклов со всё уменьшающимися радиусами так, чтобы центрменьшего эпицикла обращался по кругу большего. К 16 веку движение Солнца, Луныи пяти планет объяснялось с помощью более чем 80 кругов! И всё же наблюдения,разделённые большими промежутками времени, было трудно «подогнать» под этусхему. Приходилось вводить новые эпициклы, несколько изменять их радиусы, смещатьцентры деферентов по отношению к центру Земли. В конечном итоге геоцентрическаясистема Птолемея, перегруженная эпициклами и эквантами, рухнула от собственнойтяжести...
VII. Мир Коперника.
Книга Коперника, вышедшая в год его смерти, в 1543году, носила скромное название: «О вращении небесных сфер». Но это было полноениспровержение взглядов Аристотеля на мир. Сложная махина прозрачныххрустальных полых сфер отошла в прошлое. С этого времени началась новая эпоха внашем понимании Вселенной. Продолжается она и поныне.
Благодаря Копернику мы узнали, что Солнце занимаетнадлежащее ему положение в центре планетной системы. Земля же никакой не центрмира, а одна из рядовых планет, обращающихся вокруг Солнца. Так все стало насвои места. Строение Солнечной системы было наконец разгадано.
Дальнейшие открытияастрономов пополнили семью большихпланет. Их девять: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептуни Плутон. В таком порядке они занимают свои орбиты вокруг Солнца. Открытомножество малых тел Солнечной системы - астероидов и комет. Но это не изменилоновой Коперниковой картины мира. Напротив, все эти открытия только подтверждаюти уточняют ее.
Теперь мы понимаем, чтоживем на небольшой планете, похожей на шар. Земля вращается вокруг Солнца поорбите, не слишком отличающейся от окружности. Радиус этой окружности близок к150 миллионам километров.
Расстояние от Солнца до Сатурна - самой дальней изизвестных во времена Коперника планет - приблизительно в десять раз большерадиуса земной орбиты. Это расстояние совершенно правильно определил ещеКоперник. Размеры Солнечной системы - расстояние от Солнца до орбиты девятойпланеты, Плутона, еще почти в четыре раза больше и составляет приблизительно 6миллиардов километров.
Такова картина Вселенной внашем непосредственном окружении. Это и есть мир по Копернику.
Но Солнечная система еще не вся Вселенная. Можносказать, что это только наш маленький мирок. А как же далекие звезды? О нихКоперник не рисковал высказывать никакого определенного мнения. Он простооставил их на прежнем месте, не дальней сфере, где были они у Аристотеля, илишь говорил, и совершенно правильно, что расстояние до звезд во множество разбольше размеров планетных орбит. Как и античные ученые, он представлялВселенную замкнутым пространством, ограниченным этой сферой.
VIII. Солнце и звезды.
В ясную безлунную ночь, когда ничто не мешает наблюдению,человек с острым зрением увидит на небосводе не более двух - трех тысячмерцающих точечек. В списке, составленном во 2 веке до нашей эры знаменитымдревнегреческим астрономом Гиппархом и дополненном позднее Птолемеем, значится1022 звезды. Гевелий же, последний астроном, производивший такие подсчеты безпомощи телескопа, довел их число до 1533.
Но уже в древностиподозревали о существовании большого числа звезд, невидимых глазом. Демокрит,великий ученый древности, говорил, что белесоватая полоса, протянувшаяся черезвсе небо, которую мы называем Млечным Путем, есть в действительности соединениесвета множества невидимых по отдельности звезд. Споры о строении Млечного Путипродолжались веками. Решение - в пользу догадки Демокрита - пришло в 1610 году,когда Галилей сообщил о первых открытиях, сделанных на небе с помощьютелескопа. Он писал с понятным волнением и гордостью, что теперь удалось«сделать доступными глазу звезды, которые раньше никогда не были видимыми ичисло которых, по меньшей мере, в десять раз больше числа звезд, известныхиздревле».
Но и это великое открытиевсе еще оставляло мир звезд загадочным. Неужели все они, видимые и невидимые,действительно сосредоточены в тонком сферическом слое вокруг Солнца?
Еще до открытия Галилея была высказана совершеннонеожиданная, по тем временам замечательно смелая мысль. Она принадлежитДжордано Бруно, трагическая судьба которого всем известна. Бруно выдвинул идеюо том, что наше Солнце - это одна из звезд Вселенной. Всего только одна извеликого множества, а не центр всей Вселенной. Но тогда и любая другая звездатоже вполне может обладать своей собственной планетной системой.
Если Коперник указал место Земли отнюдь не вцентре мира, то Бруно и Солнце лишил этой привилегии.
Идея Бруно породила немало поразительных следствий.Из нее вытекала оценка расстояний до звезд. Действительно, Солнце - это звезда,как и другие, но только самая близкая к нам. Поэтому - то оно такое большое ияркое. А на какое расстояние нужно отодвинуть светило, чтобы и оно выгляделотак, как, например, Сириус? Ответ на этот вопрос дал голландский астрономГюйгенс (1629 - 1695). Он сравнил блеск этих двух небесных тел, и вот чтооказалось: Сириус находится от нас в сотни раз дальше, чем Солнце.
Чтобы лучше представить,сколь велико расстояние до звезды, скажем, что луч света, пролетающий за однусекунду 300 тысяч километров, затрачивает на путешествие от Сириуса к нам нескольколет. Астрономы говорят в этом случае о расстоянии в несколько световых лет. Посовременным уточненным данным, расстояние до Сириуса - 8,7 световых лет. Арасстояние от нас до солнца всего 8 световых минут.
Конечно, разные звезды отличаются друг от друга(это и учтено в современной оценке расстояния до Сириуса). Поэтому определениерасстояний до них и сейчас часто остается очень трудной, а иногда и простонеразрешимой задачей для астрономов, хотя со времени Гюйгенса придумано дляэтого немало новых способов.
Замечательная идея Бруно и основанный на ней расчетГюйгенса стали решительным шаг
