Кеплер. Движение планет. Танцы со звездами.: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Сегодня мы бы сказали, что «Звездный вестник» – это что-то вроде рекламного буклета, в котором Галилей восторженно описывает возможности изготовленной в его мастерской «зрительной трубы» – первого телескопа. Однако в то время книга действительно имела огромный научный интерес. Галилей передал Кеплеру экземпляр «Звездного вестника» через Джулиано Медичи, который был послом Тосканы в Праге, и ученый подробно ответил автору. Философы всего мира внимательно следили за реакцией математика, так что письмо Галилею превратилось в целую книгу, короткую, емкую и любопытную. Галилей на нее так и не ответил – это было типично для отношений между двумя великими учеными. Кеплер был гораздо более общительным, чтобы не сказать единственным участником этой беседы. К чести Галилея, однако, стоит отметить, что именно он рекомендовал Кеплера на пост главы вакантной кафедры в Падуе. Ученые однозначно уважали друг друга и, возможно, даже испытывали взаимное восхищение.

Ответ Кеплера назывался Dissertatio cum Nuncio Sidereo, или «Разговор со Звездным вестником».

В адрес ученого звучали упреки в том, что в его рукописи чрезмерно много лести Галилею, которого он называет талантливейшим, говорит о прямоте его суждений, тонкости его ума и так далее. Но в действительности не стоит принимать письменное обращение за чистую монету. При всей вежливости содержание книги критично. Кеплер говорит, что многие идеи Галилея не соотносятся с его прежними высказываниями, и даже требует признать свое первенство в отношении некоторых идей.

Перед тем как Кеплер получил Sidereus Nuncius, до него дошла новость, что Галилей открыл четыре новые планеты, и, не имея больше информации, он стал ломать голову над тем, что же это были за планеты: были это спутники планет, подобные Луне, находились ли они между орбитами Марса и Юпитера или кружили вокруг одной из неподвижных звезд? Когда книга попала Кеплеру в руки, тот узнал, что речь шла о планетах, которые мы сегодня называем Галилеевыми спутниками Юпитера. В письме, сопровождающем книгу, Галилей просил Кеплера высказать свое мнение о его труде. Но мы обсудим более важные аспекты астрономии, чем описанные Галилеем.

Кеплер напомнил коллеге, что у телескопа были предшественники, в частности описанные в работе Джамбаттиста делла Порты под названием «Естественная магия» (1558). Немецкий астроном отмечал, что он сам, изучив исследование Порты о телескопе, давал в своей «Оптике» теоретическое объяснение работы фокусирующих и рассеивающих линз. Кеплер не был точен: комбинация линз, использующаяся в телескопе, в его «Оптике» не рассматривалась, и лишь на одной странице этого труда была проиллюстрирована работа фокусирующей и рассеивающей линз.

Кеплер сам хотел построить телескоп с 32-кратным увеличением, но он этого не сделал, потому что думал, что воздух «густой» и поэтому сделает изображение мутным. Так что даже при 32-кратном увеличении Луны рассмотреть детали в ее замутненном изображении было бы невозможно. Галилей своими наблюдениями доказал, что это не так, и получил четкое изображение Луны. Из этого можно было сделать вывод, что пространство между Луной и Землей практически пустое. Сегодня такой вывод кажется наивным, но в 1610 году это был важный шаг вперед.

Иоганн Писторио (1546-1608) и Кеплер ранее вели дискуссию, в ходе которой последний утверждал, что измерения Тихо Браге не могли быть еще лучше, таким образом, наблюдательная астрономия достигла своего потолка. Погрешность наблюдений Браге составляла 2 минуты для планет и еще меньше для неподвижных звезд, а ведь этот астроном располагал лучшим на то время оборудованием. Писторио считал, что данные можно будет улучшить, используя линзы. Глядя на открытия Галилея, Кеплер должен был признать правоту Писторио.

Также ученый заявил, что он построил бы телескоп по- другому, и даже сделал некоторые расчеты для этого. У Кеплера действительно было больше возможностей, чем у Галилея, чтобы разработать модель телескопа. Хотя Галилей абсолютно не понимал, почему телескоп увеличивает изображение, однако, используя секреты голландских мастеров и совершенствуя созданный ими прибор, он двигался путем проб и ошибок, не пользуясь никакой геометрической теорией оптических лучей, и в результате пришел к успеху.

Дискуссии о Луне сегодня кажутся нам наивными, но чтобы понять их важность, нужно оказаться в 1610 году. Кеплер стремился соперничать с Галилеем не при помощи телескопа, а используя картонку с отверстием и линзу, которая проецировала изображение Луны на расстояние 12 футов. Таким образом можно было разглядеть на лунной поверхности гораздо больше деталей, чем при изучении ее невооруженным глазом. До этого Кеплер верил, что темные участки представляли собой землю, а блестящие – море, но после работы Галилея он признал, что на самом деле все было ровно наоборот, поскольку телескоп показывал наличие образований, похожих на горы, в блестящих участках. Особенно хорошо это было видно во время лунных закатов и восходов. Галилей предполагал, что Луна не состоит из воды и суши.

Материя лунного шара не является водой и землей.

Галилео Галилей

Первая известная гелиоцентрическая модель принадлежит Аристарху Самосскому (310-230 годы до н.э.). Его концепция основывалась на измерениях, а не только на теоретических выкладках. Астроном знал соотношение расстояний Земля – Солнце и Земля – Луна. Наблюдая лунное затмение, он определил размер спутника и, таким образом, расстояние до него, а затем расстояние до Солнца и его размер. Определив, что Солнце гораздо больше Земли и Луны, ученый предложил ясную и точную гелиоцентрическую модель.

Стоит упомянуть и таких сторонников гелиоцентрической гипотезы в Средние века, как Ибн-Рушд (1126-1198 годы) и его ученик Ал-Битруджи (умер в 1204 году), а также Насир ад-Дин ат- Туси (1201-1274) из Мараги, Персия.

Ранее считалось, что орбиты – это окружности, заключенные в сферы, потому что господствовала аристотелевская идея о том, что круг – самая совершенная фигура. Поскольку в действительности орбиты не круглые, а Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот, геоцентрические модели должны были включать эпициклы и другие усложнения. Круг может быть простой правильной фигурой, но два круга – это уже нечто иное, они нарушают аристотелевские простоту и совершенство. Средневековое описание космоса было очень сложным, и эта сложность привела к тому, что позднее Вольтер вложил в уста Альфонса X фразу: «Если бы Бог захотел со мной посоветоваться о строении Вселенной, я бы подал ему несколько идей». Коперник поддерживал идею о совершенстве круга, из-за чего тоже должен был добавлять в свою модель эпициклы. Так же поступил и Тихо Браге. Кеплер отказался от круга, хотя и продолжал помещать Солнце в центр Вселенной. А Николай Кузанский и Джордано Бруно первыми высказали мысль, что ни Земля, ни Солнце не находятся в центре… потому что центра нет.

Нур Ад-Дин Ал-Битруджи стал первым астрономом после Птолемея, представившим альтернативную космическую модель. Для Ал-Битруджи движение планет объяснялось физическими причинами.

Кеплер заметил и уже знакомые сегодня лунные кратеры с их характерными круглыми краями. Его интерпретация была весьма оригинальной, хотя и шутливой. Кеплер предположил, что Луну населяли селениты. Они были крупнее и сильнее человека, так как должны были переносить дневную жару, которая у них длилась целый месяц. А поскольку сами они были большими, то и все вокруг тоже создавали большим.

Вот селениты и возвели эти огромные круглые стены как защиту от Солнца. Внутренняя часть кратеров использовалась под посевы. Сегодня-то мы знаем, что кратеры – это результат метеоритного дождя, но в те времена представить такое было сложно. Кеплер считал, что Луна состоит из пористого материала, похожего на пемзу, из-за чего ее плотность должна быть низкой. Это вполне соответствовало его теории, что вращение Земли продуцирует магнетическую силу, которая заставляет вращаться Луну. А поскольку скорость вращения обратно пропорциональна массе тела, а Луна вращается быстро, то это означает, что наш спутник имеет невысокую плотность.

Наличие лунного лимба Кеплер интерпретировал как доказательство существования атмосферы. Подтверждало эту догадку и заявление Мёстлина, что он наблюдал на Луне огромное черное облако, вероятно, несущее крупную бурю.

Комментарии Кеплера дальше от реальности, чем предположения Галилея, который в целом скептически относился к мистицизму своего немецкого коллеги. Однако оба они верно объяснили пепельный отсвет на поверхности Луны – это солнечный свет, отраженный от Земли, затем его отражение доходит до Луны, и наблюдатель на Земле видит его повторное отражение. Что касается красноватого цвета Луны во время затмений, то Кеплер считал, что он вызван атмосферным преломлением в земной атмосфере, а Галилей – что это разновидность зари, что-то вроде земных рассветов.

В своей книге Кеплер цитирует Аверроэса (Ибн-Рушда), который придерживался идей, близких к гелиоцентризму.

В своих объяснениях космоса Кеплер нередко ошибался. Стоит ли удивляться этому? Ведь ученый делал первые шаги в научном познании Вселенной. Он попытался объяснить природу неподвижных звезд и вызвал жаркие дебаты, касающиеся бесконечности космоса, которая сегодня носит название фотометрического парадокса (парадокса Ольберса) (см. следующий параграф).

Галилей обнаружил, что звезд, называемых неподвижными и наблюдаемых невооруженным глазом, гораздо меньше (примерно 6000), чем тех, которые можно увидеть при помощи телескопа (более 10 ООО). Этот факт снова поднимал вопрос о том, бесконечна ли Вселенная, как предполагали Бруно, Николай Кузанский и Гильберт, или же она конечна, как считали Коперник и Кеплер. Галилей не слишком афишировал свое мнение, ведь всего шесть лет назад Бруно за излишнее свободомыслие был сожжен на костре.

В связи с дифракцией оптический прибор не может показывать изображения с неограниченной точностью. Часто в изображении две близкие точки сливаются в пятна, и возможность их различить зависит от разрешающей способности прибора. Минимальное значение пятна, или дифракционный предел, рассчитывается по формуле:

R = 1,22 λ/D

где лямбда – это длина наблюдаемой волны, D – апертура оптического прибора. Разрешающая способность тем больше, чем меньше угол R. Человеческий глаз со зрачком диаметром 2 мм может наблюдать волны длиной 500 нм и имеет разрешающую способность в 1'. Оптический телескоп диаметром 30 см имеет разрешающую способность примерно 0,5", а профессиональный, диаметром 4 м, 0,01" . Однако разрешение не может расти неограниченно из-за атмосферной турбулентности, которая продуцирует изображения размером примерно 1" в зависимости от места и времени наблюдения. Турбулентность вызывает изменение индекса рефракции, из-за чего изображение звезды расширяется, а его контрастность падает. Для предотвращения подобного эффекта все большие телескопы должны использовать специальные технологии. Так, в оптическом телескопе GRANTECAN (Большой канарский телескоп на острове Ла Пальма) диаметром 10,4 м и с разрешающей способностью 2 х 10^-4 минуты дуги применяется адаптивная оптика, в которой подвижное зеркало принимает форму, компенсирующую деформацию изображения. Линза одного из телескопов, построенных Галилеем, имела 33 мм в диаметре, поэтому его разрешающая способность была в 16 раз выше, чем у человеческого глаза, и размер звезды в нем уменьшался, а размер Луны, напротив,увеличивался.

Крупнейший в мире Большой канарский телескоп, находящийся в обсерватории Роке де Лос Мучачос, на острове Ла Пальма.

Телескоп не только увеличивал предметы и приближал их, но и собирал больше света, поскольку фокусирующая поверхность объектива была гораздо больше, чем человеческий зрачок. Это позволяло увидеть звезды, которые невозможно было различить невооруженным глазом.

Бесконечность Вселенной была связана с гелиоцентризмом, ведь если Вселенная бесконечна, у нее не может быть центра. Кеплер считал, что Вселенная конечна и представляет собой шар с полостью посередине, где находится Солнечная система. За пределами этой полости существуют звезды – самосветящиеся объекты, имеющие отличную от Солнца природу. Ученый в своей концепции опирался как на религиозное чувство, так и на наблюдения и объективные аргументы.