Вопрос 2. История исследований и новейшие открытия в космологии

Первые попытки объяснить наблюдаемые на небе явления имели в своей основе мифологические представления и волю сверхъестественных существ — Богов. Древние люди накопили достаточно много данных наблюдения о звездном небе. Об этом свидетельствуют древние сооружения, наличие календарей и т.д. В Египте и Вавилоне сопоставление геометрических и временных координат небесных тел с будущим урожаем и судьбами людей привело к возникновению астрологии.

Первые картины мира опирались на мифологические представления и данные обыденного опыта (зрительные ощущения). Например, вселенная по представлениям египтян, имела вид долины, вытянутой с севера на юг, в центре ее находится Египет. Небо поддерживалось на столбах и было подобно железной крыше, на которой в виде светильников подвешены звезды. В Вавилоне был другой образ мироустройства: Земля имела вид выпуклого острова, небо представлялось как твердый купол, на нем прикреплены небесные светила. В Древней Греции был совершен переход от простого созерцания и «наивного» толкования природы к попыткам научного объяснения наблюдаемых явлений. Такие попытки предпринимали Пифагор Самосский, Евдокс Книдский, Аристарх Самосский, Аристотель, Гиппарх из Никеи. Кратко рассмотрим космологические взгляды Аристотеля, поскольку именно его взгляды господствовали в физике и астрономии на протяжении почти двух тысячелетий.

По Аристотелю, мир имеет форму шара, геометрически идеальной сфеы, с весьма большим, но все же конечным радиусом. Космос (мир) объемлет в себе не только все пространство (место, занимаемое телом), но и все время (мера движения). Земля неподвижно пребывает в центре мира. Со всей силой своего авторитета Аристотель положил на долгие времена конец зарождавшейся в пифагореизме гелиоцентрической космологии (такое предположение выдвигал древнегреческий философ Аристарх Самосский в III в. до н. э.). Мысль о движении Земли Аристотель решительно отклоняет. Против этого он приводит следующий аргумент: если бы Земля двигалась в пространстве, то это движение должно сопровождаться регулярным видимым перемещением звезд (эффект годичного параллактического смещения звезд был открыт в XIX веке). Выдающимся достижением его космологии было строгое доказательство шаровидной формы Земли. Шаровидность эту он доказывает из наблюдений, сделанных во время затмений Луны. Эти наблюдения показывают, что тень Земли, надвигающаяся на видимую поверхность Луны во время лунного затмения, имеет круглую форму. По объяснению Аристотеля, только шаровидное тело, которым в этом случае является Земля, может отбрасывать в мировое пространства — в сторону, противоположную Солнцу, — тень, которая в проекции на шаровую поверхность Луны представится темным кругом, надвигающимся на диск полной Луны. К тому же выводу — о шаровидности Земли — ведет по Аристотелю, свойственное Земле тяготение к центру мира. Результатом этого тяготения должна была получиться шарообразная форма. Диаметр земного шара был определен Аристотелем с преувеличением против действительности. В то же время Аристотель смело утверждал, что по объему Земля меньше других небесных тел.

Геоцентрическая система мира.

Вершиной практически нацеленной античной науки стала геоцентрическая астрономия Клавдия Птолемея (после 83 — после 161). Небесная механика Птолемея строилась исключительно на астрономических вычислениях. Его не смущало, что в его системе использовались различные геометрические конструкции для различных небесных тел — лишь бы расчеты сошлись. Тем более его не волновала «проблема Гиппарха» — почему одни и те же наблюдения могут быть описаны совершенно различными моделями и теориями. (Гиппарх из Никеи (190 — 125 до н. э.) был первым, кто соединил систематические астрономические наблюдения и их математический анализ). Главный труд Птолемея — «Великое математическое построение астрономии в 13 книгах» (Megiste syntaxis), который арабскими математиками был назван «Альмагест» (араб. «величайшее») и под этим названием в латинском переводе дошел до нас. Это настоящая энциклопедия античной астрономии. 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.

Клавдий Птолемей: «Легче, кажется, двигать самые планеты, чем постичь их сложное движение…»

Астрономы древности на основании наблюдений небесных тел могли придти к заключению о гелиоцентрическом строении мира. Однако из-за ограниченности знаний (например, отсутствие понятий «гавитация», «инерция») был сделан противоположный вывод: Земля на несколько столетий стала центром мира. Критикуя в «Альмагесте» идею гелиоцентризма, Птолемей указывает, что она обладает «большой простотой» и что с астрономической точки зрения ей «ничто не мешает». То есть в формальном отношении гелиоцентрическая система признавалась Птолемеем вполне удовлетворительной. Главное возражение сводилось к содержательным физическим аргументам, которые вполне соответствовали возможностям науки того времени, а уровень науки каждого исторического периода отражает достижения практики этого периода.

Клавдий Птолемей: «Если бы Земля имела движение, общее со всеми другими тяжелыми телами, то, очевидно, вследствие своей массы она опередила бы эти тела, оставила бы всех животных, а равно и прочие тяжелые тела без всякой поддержки в воздухе, а наконец скоро и сама выпала бы из неба. Таковы последствия, к которым мы пришли: нелепее и смешнее нельзя себе вообразить».

В этом рассуждении содержится мысль, что движение Земли изменит происходящие на ней процессы. Факты, противоречащие геоцентризму, астрономы пытались согласовать с наличной системой астрономических знаний. Окончательно это и сделал Птолемей, объяснивший реально наблюдаемое, «петлеобразное» движение планет по небосводу теорией эпициклов и эквантов, которая математически точно описывала траекторию движения любой планеты. Согласно этой теории движение небесных тел происходит по круговой орбите, эпициклу (без попятных движений), центр которого, в свою очередь, совершает равномерное движение вокруг Земли по круговой орбите — деференту. Комбинируя наблюдения с расчетами, Птолемей методом последовательных приближений получил, что отношения радиусов эпициклов к радиусам деферентовравны: для Меркурия – 0,376; Венеры – 0,720; Марса – 0,658; Юпитера – 0,192; Сатурна – 0,103. Любопытно, что для предвычисления положения планеты на небе не было необходимости знать расстояние до планеты, достаточно было знать соотношение радиусов эпициклов и деферентов (по сути дела предвычислялись направления на небесные светила).

Итогом было создание геоцентрической картины мироздания: в центре вселенной находится неподвижная Земля. Ближе к Земле находится Луна, затем следуют Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер и Сатурн. Объясняя данный порядок планет, Птолемей исходил из предположения, что чем быстрее движется планета, тем ближе к Земле она расположена.

Явление было приведено в соответствие с мыслимой сущностью не совсем точно (хотя и удовлетворяло многие поколения астрономов). Согласно системе Птолемея для описания движения планеты необходимо было постоянно изменять количество эпициклов, что делало сложными вычисления (к XVI веку движение планет объяснялось с помощью более чем 80 кругов, при 40 изначальных). К тому же получалось, что планеты вовсе не двигаются по эпициклам, а последние просто являются приемом описания реального движения. Строго говоря, геоцентризм Птолемея нельзя назвать системой, поскольку в ней не было внутреннего единства и целостности; каждая планета рассматривалась сама по себе, имела отдельную от других планет эпициклическую систему, свои собственные законы движения. Впоследствии именно стремление выявить (угадать) внутреннее единство и системность движений небесных тел стало предпосылкой коперниканской революции.

Гелиоцентрическая система мира.

Перестройка принципов античной и средневековой науки произошла первоначально теоретически. Это было осуществлено в «принципе совпадения противоположностей», автор которого — Николай Кузанский (1401 — 1464). Он осуществил отождествление понятий «единое» и «беспредельное», тем самым разрушив ту картину космоса, из которой исходили не только Платон и Аристотель, но и Птолемей и Архимед. Для античной науки и большинства представителей античной философии космос был очень большим, но конечным телом. А признак конечности тела — это возможность различить в нем центр и периферию, «начало» и «конец». Согласно Николаю Кузанскому, центр и окружность космоса — это Бог, а потому хотя мир не бесконечен, однако его нельзя помыслить и конечным, поскольку у него нет пределов, между которыми он был бы замкнут. Все это противоречит принципам аристотелевской физики и астрономии Птолемея. Николай Кузанский по сути дела подготовил коперниканскую революцию в астрономии.

Николай Коперник.

Стимулом создания гелиоцентрической системы мира для каноника Николая Коперника (1473 — 1543) оказалось задание усовершенствовать церковный календарь, полученное им от папского секретариата. Главный труд Н. Коперника — «Об обращении небесных сфер» (1543) вышел с посвящением папе римскому.

Проблема календаря: Никейский собор (325 г. н.э.) закрепил за 21 марта (день весеннего равноденствия в IV веке) статус отправной даты при расчетах пасхи. К XVI веку отставание от действительной даты равноденствия составляло 10 дней. Латеранский собор (1512 – 1517) предложил ряду астрономов решить проблему календаря. Солнечный год составляет 365 суток, 5 часов, 48 минут, 46 секунд. По Юлианскому календарю год равен 365 суток, 6 часов. Поэтому из-за разницы в почти 11 минут он отставал от истинного на 3 суток за каждые 400 лет. В 1582 году была проведена реформа календаря. Григорианский календарь устраняет эту погрешность тем, что те года число сотен которых делится на 4 без остатка, не считаются високосными (1600, 2000, 2400 – не учитываются). По григорианскому календарю ошибка в 1 сутки накопится за 3300 лет.

Выполнение поставленной задачи потребовало создания единой планетной системы, подчиненной общему объяснительному принципу. Потребовалось уже не просто «спасение явлений», то есть всего лишь удобные расчетные модели. Коперник выдвигал новую норму исследований: математическое совершенство искомой системы должно быть результатом ее соответствия реальности. Это потребовало, в свою очередь, методологически взвешенного отказа от «кажимости», видимости, то есть рассмотрения небесных движений не с геоцентрической позиции, а с «позиции Господа Бога», как писал Коперник (гелиоцентризм «подписывался» священными символами, а именно образом Святой Троицы: Солнце — Бог-Отец, звезды и пространство — Бог-Сын и Бог-Дух Святой). В таком случае единственным выходом было принятие семи аксиом, в числе которых — чрезвычайная удаленность звездного неба, центральное положение Солнца и движение Земли.

Николай Коперник: «Всякое представляющееся нам изменение места происходит вследствие движения наблюдаемого предмета или наблюдателя…, так как не может быть замечено движение тел, одинаково перемещающихся».

Н. Коперник изменил принцип объяснения планетного движения: Земля стала рядовой планетой, а позиция земного наблюдателя уступила место некоторому «космическому взгляду» со стороны. Формой, верного содержания теории гелиоцентризма, оказались упрощение и точность математических расчетов. Новая система мира разрушила античный космос. Движение Земли повлекло за собой эффект параллельного смещения. Для его устранения Коперник резко увеличил границы Вселенной, он называет ее «подобной бесконечности» (он все же полагал, что Вселенная где-то заканчивается твердой сферой) одновременно показывая, что размеры Земли по сравнению с размерами Вселенной исчезающе малы.

Томас Кун: «После Коперника астрономы стали жить в совершенно ином мире».

Расширение границ Вселенной, начатое Коперником, было продолжено. Так, в 1577 г. датский астроном Тихо Браге (1546 — 1601) рассчитал орбиту кометы, проходившую вблизи Венеры. По его расчетам получалось, что эта комета должна была натолкнуться на твердую поверхность сферы, ограничивающей Вселенную, если бы таковая существовала. Значительно дальше Коперника пошел Джордано Бруно (1548 — 1600), который отрицал наличие центра Вселенной и отстаивал идеи ее бесконечности.

Расширение теоретических горизонтов сопровождалось расширением горизонтов наблюдаемых. Галилео Галилей (1564 — 1642) в 1609 г. изготовил телескоп (первоначально с трехкратным увеличением) и сделал ряд интересных наблюдений и открытий. Он установил вращение Солнца вокруг своей оси, наблюдал пятна на Солнце, горы на Луне, открыл 4 спутника Юпитера (Ио, Европа, Ганимед, Каллисто), убедился, что кажущийся туманностью Млечный Путь состоит из множества отдельных звезд. С одной стороны была доказана «неидеальность» небесных тел, а с другой — стало очевидным, что Вселенная гораздо больше, чем кажется невооруженным глазом, что в ней очень много неизвестного.

Католическая церковь всеми доступными ей способами боролась против последователей учения Коперника, но прервать преемственность научной мысли было уже невозможно. Иоган Кеплер (1571 — 1630) продолжил разрушение аристотелевских догм, доказав в своих трех законах, что орбиты планет эллиптические. Помимо новых открытий предпринимались попытки объяснить причины движения планет. Такова, например, «теория вихрей», автором которой был Рене Декарт (1596 — 1650).Согласно этой теории мировое пространство заполнено легким веществом, способным образовывать гигантские вихри, которые увлекают небесные тела и приводят их в движение. Универсальный объяснительный принцип движения сформулировал Исаак Ньютон (1643 — 1727), открыв закон всемирного тяготения. Этот закон позволил отвечать не только на вопрос «как», но и «почему» происходит движение и стал основой небесной механики.

Джон Бернал: «Созданная Ньютоном теория тяготения и его вклад в астрономию знаменуют последний этап преобразования аристотелевской картины мира, начатого Коперником. Ибо представление о сферах, управляемых перводвигателем или ангелами по приказу Бога, Ньютон успешно заменил представлением о механизме, действующем на основании простого естественного закона…».

Небесная механика И. Ньютона позволила расширить границы Солнечной системы (например, открытие Нептуна и Плутона), открыть и объяснить многие явления. Классическая ньютоновская космология задала следующие постулаты мироустройства: вселенная стационарна и не претерпевает эволюции (изменяться могут конкретные космические системы, но не мир в целом); пространство и время Вселенной абсолютны, они не зависят от материальных объектов и процессов; пространство и время однородны и изотропны, а также метрически бесконечны. Вселенная понималась как все существующее, «мир в целом». Космология, с точки зрения механицизма Ньютона, познает мир таким, каким он существует сам по себе, безотносительно к условиям познания. В целом астрономия была статичной: изучалось движение планет и комет, описывались звезды, создавались их классификации, но вопрос об эволюции Вселенной не ставился.

В ньютоновской космологии возникали два парадокса, связанные с постулатом бесконечности Вселенной. Первый парадокс получил название гравитационного. Суть его заключается в том, что если Вселенная бесконечна и в ней существует бесконечное количество небесных тел, то сила тяготения будет бесконечно большая, и Вселенная должна сколлапсировать, а не существовать вечно. Второй парадокс называется фотометрическим: если существует бесконечное количество небесных тел, то должна быть бесконечная светимость неба, что не наблюдается. Эти парадоксы были разрешены в рамках релятивистской космологии.

С XVII по XIX века основной целью астрономов было изучение нашей галактики — Млечного пути. Только в XIX веке удалось понять, что это единая система, заключающая в себе все видимые звезды. В начале XX века были построены новые телескопы (например, 100-дюймовый телескоп обсерватории в Маунт Вилсон, построенный в 1915 г.) и перед астрономами открылись совершенно неожиданные горизонты. Возникает новая система знания, так называемая «внегалактическая астрономия».

Релятивистская космология.

Огромный период времени ученые занимались описанием и изучением «внешних» объектов. Открытия спектроскопии в XIX веке положили начало изучению внутренней структуры небесных тел на основе исследования излучаемого ими света. К началу XX века сформировалась астрофизика. Астрофизика отличается от физики тем, что она раскрывает структуры не только в пространстве, но и во времени (не только предсказание положения тел, но и изучение «прошлых состояний» с помощью метода экстраполяции).

Современная (релятивистская) космология складывается в 20 годы XX века на основе общей теории относительности (ОТО), автором которой был Альберт Эйнштейн (1879 — 1955). Основное уравнение ОТО связывает геометрию пространства с плотностью и распределением материи в пространстве. Впервые в науке Вселенная предстала как физический объект, в теории фигурируют ее параметры: масса, плотность, размер, температура. В 1922 г. русский математик и геофизик Александр Фридман (1888 — 1925) отбросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и получил решение уравнений Эйнштейна, описывающее Вселенную с «расширяющимся» пространством. Изучение спектров галактик позволило сделать массу открытий, в том числе одно — фундаментальной важности. Все галактики удаляются от нас. Это подтвердил Эдвин Хаббл (1889 — 1953), открыв в 1929 году «красное смещение».

XX век стал веком грандиозных открытий в астрономии, например, применение телескопа «Хаббл» привело к тому, что количество наблюдаемого материала превысило все, что накапливалось тысячелетиями. При исследованиях космического пространства стали использовать радиоизлучение и рентгеновское излучение (помимо оптического диапазона), расширились методы познания Вселенной. В 1963 году были открыты квазары, в 1965 — реликтовое излучение в 1967 — пульсары,. Космос населяют «черные» и «белые» дыры, «белые» и «красные» карлики, нейтронные звезды, мощные рентгеновские радиоисточники, кометы и протуберанцы, солнечный и звездный ветер и т.д. В 1965 г. Георгий (Джордж) Гамов (1904 –1968) открыл реликтовое (остаточное) излучение уже погасших звезд. В XX веке человек вышел в космическое пространство (космическим пространством считается пространство выше орбиты наименьшего перигея искусственного спутника Земли, т.е. выше 110 – 140 км над уровнем океана) и активно его осваивает.

«Расширение горизонтов» и изучение Вселенной продолжаются.