Аристотель и философские основания античной космологии
Ко времени Аристотеля древние греки знали, что Земля – шар, и знание это, вероятно, восходит к временам Пифагора (7 в. до н.э.). Аристотель приводит два веских аргумента в пользу шарообразности Земли.Во-первых, древние греки совершенно правильно определяли причины солнечного и лунного затмений. Лунное затмение – это покрытие Луны тенью Земли, когда Земля находится между Солнцем и Луной. Но тень Земли – круглая. Разумеется, греки понимали, что круглую тень может давать не только шар, но и диск, усечённый конус, полусфера и ещё множество геометрических фигур. Однако диск отбросит круглую тень, если Солнце будет стоять перпендикулярно к его поверхности, иначе тень будет эллиптическая. А Солнце в Греции так стоять не может, только в тропиках.Во-вторых, чем дальше двигаться на север, тем ниже будут стоять светила. При правильных наблюдениях можно не только доказать шарообразность Земли, но зная расстояние смещения к северу и изменение угла наклона светила, точно вычислить окружность и диаметр Земли. Допустим, сместившись на тысячу единиц длины (миль, стадий, километров) к северу, мы замечаем, что Солнце стоит на 10° ниже. Предполагая, что Земля – шар, рассуждаем следующим образом – если длина дуги в 10° составляет 1000 километров, полная окружность в 360° должна составлять 36 000 км. Если, смещаясь на разные углы, мы получаем одинаковые длины окружности, то Земля, без сомнения – шар.Аристотель, ориентируясь по Полярной звезде, выполнил эту операцию с большой ошибкой, но столетием спустя александриец Эратосфен очень точно вычислил окружность Земли.Земля – шар, находящийся внутри других, полых прозрачных шаров, на поверхности которых находятся светила – небесных сфер. Сферы, несущие Солнце, Луну, звёзды и планеты, вращаются вокруг неподвижной Земли, перемещая светила. Такое представление о строении Космоса возникло лет за триста до Аристотеля, и постепенно усложняясь, просуществовало около 2 тысяч лет.Древние астрономы различали неподвижные звёзды и планеты. Планэтэс по гречески означает «блуждающий». Некоторые звёзды медленно перемещаются относительно других звёзд – это и есть планеты: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Однако движение планет по небосводу является более сложным, чем движение Луны или Солнца, оно никогда не бывает круговым. Солнце и неподвижные звёзды тоже не имеют постоянной траектории вращения: Солнце, например, летом явно выше, чем зимой. Однако если солнечную сферу связать с другой сферой, вращающейся в ином направлении и с иной скоростью, то можно сравнительно точно рассчитать положение дневного светила для всех времён года. Итак, увеличиваем количество сфер – и получаем большую точность предсказаний. Астроном Эвдоксий, живший несколько раньше Аристотеля, оперировал уже 27 сферами.Аристотель попытался объяснить устройство Вселенной. Он определил отличие точных и естественных наук приблизительно так же, как и мы сейчас, и поставил задачей вывести движение физических тел «из самих себя». Движение тела может быть естественным и неестественным. Естественное движение – это движение тела к его естественному месту. Вода течёт вниз, потому что там, внизу – её естественное место. Дым поднимается наверх, потому что там его естественное место. А чем определяется «естественное место» тела? Его «сущностью», которое существенно зависит от состава тела. На Земле все тела состоят из четырёх элементов – земли, воды, воздуха и огня, но каждое вещество в отдельности образовано своим соотношением этих элементов. В Космосе преобладает эфир – пятый элемент, наиболее лёгкий из всех. Из чистого эфира состоит самая внешняя сфера – сфера неподвижных звёзд. Другие сферы содержат примесь иных элементов, которые и задают их «естественное место».И тогда всё становится понятным – Земля состоит из земли, поэтому находится в центре Вселенной. Вода растекается поверх Земли, воздух – поверх воды, а выше всех – эфирные сферы (не так уж важно, сколько). Естественное движение небесных эфирных тел – круговое. Самая внутренняя сфера – сфера Луны, которая из-за близости Земли неизбежно содержит наибольшее количество утяжеляющих её примесей тяжёлых элементов.
Гелиоцентрическая картина мира и её доказательства
Отцом новой космологии стал Николай Коперник, знаменитый астроном и католический священник, изложивший основы гелиоцентрической системы в книге «О вращении небесных сфер». Очень осторожное изложение материала в книге Коперника. Новая гипотеза подавалась как одна из альтернатив. Аристарх Самосский утверждал, что Солнце находится в центре мироздания, а Земля вращается вокруг него.Научная теория должна на основании минимального числа допущений объяснять наибольшее количество фактов. Далее мы увидим, что новые теории побеждают старые, сокращая количество допущений и увеличивая количество объяснённых феноменов. Первая такая редукция допущений осуществлена Коперником, причём в очень явном виде. Количество сфер в системе Птолемея достигало 55, плюс допущения о существовании эквантов, эксцентриков, эпициклов. От почти всего этого можно отказаться, признав Землю одной из планет, вращающихся вокруг Солнца! Сложные петлеобразные траектории движения планет «внешнего круга» – Марса, Юпитера, Сатурна – становятся просто круговыми. Более того, новая гипотеза шла дальше объяснения фактов, выводимых из геоцентрической модели – Коперник рассчитал относительные радиусы орбит всех планет, что на основании прежних представлений вычислить было невозможно.Одним из самых ярких сторонников теории Коперника был Джордано Бруно. Это был не астроном, а философ, священник эпохи Реформации, горячий сторонник Лютера и борец со схоластикой. Он утверждал, что Вселенная бесконечна, наше Солнце – это одна из многих звёзд, вокруг которых тоже вращаются обитаемые планеты.Первым крупным астрономом, который попытался проверить правильность теории Коперника, был датчанин Тихо Браге. Благодаря заслугам отца Браге, датский король выделил огромную сумму денег, которую Тихо потратил на строительство лучшей в мире обсерватории Ураниборг. Четырнадцать лет подряд Браге со своими учениками вёл ежесуточные наблюдения за звёздным небом. При новом датском короле Браге вынужден был бежать в Прагу, где и умер. Его архив оказался в руках секретаря и помощника Браге – Иоганна Кеплера, открытия которого окончательно утвердили гелиоцентрическую картину мира.Браге совершил самые точные наблюдения за звёздным небом, которые были сделаны невооружённым глазом и умер за 8 лет до изобретения Галилеем телескопа.Галилея смело можно назвать отцом экспериментальной физики. Он же сыграл огромную роль в зарождении новой философии естествознания. Галилей открыл математический закон, описывающий падение тел и то, что впоследствии стало называться первым законом Ньютона. С помощью телескопа Галилей находит на Луне моря и горы. Но моря состоят из воды, а горы – из земли, следовательно, их естественное место и естественное место Луны в целом должно быть внизу, на Земле. Он наводит на Солнце свой телескоп и обнаруживает на нём пятна, которые смещаются к правому краю диска и через 27 дней появляются слева в том же порядке – следовательно, солнечный шар вращается вокруг своей оси! Он открывает 4 спутника Юпитера, движение которых не вписывается в систему небесных сфер. И, наконец, он обнаруживает фазы Венеры, наличие которых предсказано Коперником. Последнее наблюдение является прямым подтверждением гелиоцентрической теории – Венера не светящийся диск, а шар, подобно Луне, освещаемый Солнцем.Иоганн Кеплер почти не проводил самостоятельных наблюдений над звёздами – у него было слабое зрение. Однако удивительный математический талант позволил ему завершить гелиоцентрическую картину мира, пользуясь таблицами Тихо Браге. Кеплер верил, что в основе мироздания лежит простой математический закон. Семь лет он считал орбиту Марса, получил фигуру, отличную от окружности и вынужден был признать её как данность. Космос управлялся тремя законами Кеплера, о существовании которых раньше никто не догадывался.Первый закон Кеплера: планеты движутся не по круговым, а по эллиптическим орбитам. В фокусе эллипса находится Солнце.Второй закон Кеплера: планеты движутся с непостоянной скоростью. Постоянна площадь, которую заметает за единицу времени радиус-вектор, опущенный от Солнца.Третий закон Кеплера: кубы длинных радиусов орбит относятся к квадратам времени обращения планет как постоянные величины.Благодаря его законам, расчет движения светил стал абсолютно точным, «астрономически точным» и использование телескопов доказывало отсутствие ошибок в его вычислениях.Абсолютный закон, управляющий движением небесных тел, который искал Кеплер, был установлен Ньютоном – закон всемирного тяготения. Приняв его, можно вывести все три закона Кеплера. Это – хороший пример редукции допущений при расширении сферы действия теории на всю Вселенную. При этом проявляется закономерность, названная впоследствии «принципом соответствия» - новая теория не опровергает предшествующую, та просто становится частной отраслью новой теории. Следует отметить, что принцип соответствия начинает работать только в средневековой науке – птолемеева космология не является частным случаем космологии Коперника. Причиной тому является отсутствие в современной науке аргументов ad hoc. Она основана на проверяемых допущениях.Закон всемирного тяготения был открыт Ньютоном для объяснения законов Кеплера. Таким образом, законы Кеплера выводятся из закона всемирного тяготения, а истинность закона тяготения подтверждается законами Кеплера. Элемент тавтологии очевиден и желательна внешняя, прямая проверка закона тяготения. Она была выполнена Кавендишем через много лет после смерти Ньютона.Ввод закона всемирного тяготения повлёк за собой пересмотр всей картины Космоса. Поскольку жёстких сфер нет, звёзды могут располагаться без всякой связи друг с другом. Ньютон вынужден был признать бесконечность Вселенной в пространстве – в ограниченной Вселенной все тяготеющие массы должны упасть в общий центр. Однако звёзды находятся на тех же местах, где их наблюдали древние греки. Только в бесконечной Вселенной тяготение масс с одной стороны будет уравновешено тяготением со стороны противоположной. Впоследствии в так называемой «механистической» картине мира бесконечность Вселенной в пространстве была дополнена бесконечностью во времени.Закон всемирного тяготения не имел никакого физического объяснения. Тяготение есть сила, действующая на расстоянии, передающаяся через пустоту, причём мгновенно.