Солнечная система (Астрономия и астрофизика)

До Ньютона

Какие научные истины о форме и движении блуждающих светил были твердо установлены учеными античности (ограничимся Грецией, эллинистическим Египтом и Римом, где наука не была эзотерической, тайной, а была доступна любознательным свободным гражданам). Кстати, ученые той эпохи очень удивились бы постановке такого вопроса, никак не связывая между собой форму и движение планет. Но теперь мы знаем, что и то, и другое определяется гравитацией и посему ставим вопросы рядом.

1. Земля имеет форму шара. В тысячах книг вы прочтете десятки доказательств этого. Например: в море горизонт кажется круглым, где бы ни находился ваш корабль. Действительно, только шар обладает таким свойством. Находись мы на огурце, расстояние до горизонта было бы различно в разных направлениях. Но с какой точностью нам известна округлость горизонта? С очень небольшой. Только астрономические наблюдения подтверждали шарообразность Земли с высокой точностью.

Например, если вы равномерно идете точно на юг, Полярная звезда (точнее, полюс мира) равномерно опускается к горизонту, исчезает на экваторе, и вы видите равномерно подымающийся южный полюс мира. Первое определение размеров земного шара выполнил в III веке до н.э. александрийский ученый Эратосфен.

2. Античные ученые утверждали, что Солнце и Луна — шары. Что касается Луны, то тут были веские основания. На Луне нормальным невооруженным глазом видно много деталей, подчеркнем — неизменных. Поэтому ясно, что Луна обращена к нам одной стороной. Но что это — сторона плоского диска или шара, без телескопа не различить. Однако форма линии терминатора убедительно показывает, что к нам обращено полушарие.

Зато слепящий диск Солнца (последний термин употребляется в астрономии до сих пор) никак не выдает своей выпуклой формы.

Итак, древние на самом деле не знали форму Солнца. Почему же они так возлюбили шар и убедили себя в шарообразности светил? Во-первых, по аналогии с Землей и Луной. Но главная причина — религиозные и философские (короче — идеологические) догмы. Небо совершенно, небесные тела совершенны, совершенна форма их поверхности, что по пифагорейским представлениям равносильно сферичности. Редчайший в науке случай, когда предвзятая, не имеющая ни малейшей естественнонаучной опоры догма приводит к правильному ответу. Теперь сферичность Земли и других ближних небесных тел не нуждается в доказательствах: достаточно взглянуть на снятые из космоса фотографии и кинофильмы. Научный интерес представляют лишь малые отклонения от сферической формы.

3. Солнце относительно звезд для земного наблюдателя движется по большому кругу небесной сферы, получившему странное имя эклиптика, что означает круг затмений. Дело в том, что лунные затмения происходят как раз тогда, когда Луна в полнолуние попадает на эклиптику. Солнечные затмения тоже происходят на эклиптике, когда туда Луна попадает в новолуние и закрывает от нас Солнце. Но это тривиально: Солнце по определению всегда находится на эклиптике. Все же назвать солнечный путь эклиптикой — то же самое, что шоссе назвать «путем автокатастроф».

Движение Солнца неравномерно: зимой оно движется быстрее, летом — медленнее. Движение Луны сложнее. Чтобы описать его, астрономы изобрели могущественнейший прием, играющий в механике важнейшую роль и сегодня: разложение сложного движения на совокупность простых. Именно, Луна описывает большой круг, наклоненный к плоскости эклиптики примерно на 5°. Но сама эта плоскость вращается вокруг оси эклиптики по часовой стрелке (если смотреть с севера), делая полный оборот за 18,6 лет. Как и Солнце, по своему кругу Луна тоже движется неравномерно, вдобавок точка ее наибольшей скорости (перигей) движется против часовой стрелки, делая полный оборот за 9,6 лет.

Знали астрономы и более тонкие детали в движениях Солнца и Луны по небу, что позволяло им с удивлявшей современников точностью предсказывать солнечные и лунные затмения.

4. Пути планет по небу чертят столь замысловатый клубок, что поражает воображение, как древние смогли распутать его и построить непревзойденный полторы тысячи лет шедевр — теорию их движения относительно земного наблюдателя. И, как обычно, неблагодарные потомки ругали, и, бывает, ругают их до сих пор за то, что эта теория геоцентрична.

Повторю, что античные ученые с высочайшей степенью совершенства описали движение планет по небесной сфере в прошлом, настоящем и будущем относительно звезд для земного наблюдателя. Решать же, как планеты движутся на самом деле, они фактически оставили потомкам, так же как и поставленный лишь в XX в. вопрос, что же такое планеты на самом деле.

В теории движения планет, разработанной Гиппархом (II в. до н.э.) и доведенной почти до совершенства Клавдием Птолемеем (II в.н.э.) условно можно выделить два направления. Одно описывало движения малым числом сложно устроенных элементов, второе — большим числом просто устроенных элементов. Не будь провала средних веков, первое направление быстро привело бы к кеплеровскому эллипсу, второе — к ряду Фурье.

Опишем лишь более понятное второе направление.

Воображаемая точка Р₁ равномерно с угловой скоростью ω₁ движется по некоторой окружности радиуса R₁. Воображаемая точка Р₂ равномерно с угловой скоростью ω₂ движется по окружности радиуса R₂ с центром в точке Р₁. И так далее. Всего имеется κ окружностей, и по последней из них движется само светило Р. Это может быть Луна, Солнце или любая из пяти известных древним планет. Описанные κ окружностей назовем эпициклами, хотя сами авторы именовали так все окружности, кроме первой — деферента.

Рис. Наблюдаемое петлеобразное движение внешней планеты воспроизводится ее равномерным круговым движением по эпициклу, центр которого равномерно движется по круговому деференту.

Как не очень трудно показать, при достаточно большом κ и хорошо подобранных параметрах системы (радиусы R_s, угловые скорости ω_s, ориентации плоскостей эпициклов, т.е. долготы узлов Ω_s и наклоны i_s, положение центра деферента, начальные положения точек P_s) эпициклическая модель сколь угодно точно описывает реальное движение планет. Самое интересное, что необходимое число эпициклов для каждой планеты невелико, если ограничиться точностью античных наблюдений в 0,2°: например, два эпицикла для Солнца и четыре для Марса. Так что миф о сложности системы Птолемея имеет лишь одно основание. Вплоть до Коперника включительно параметры модели из наблюдений определяли безобразно плохо, что и влекло массу ненужных эпициклов, не обеспечивающих тем не менее требуемой точности. Модель Птолемея — чудо человеческого разума, рядом с которой меркнут все семь чудес древнего мира, вместе взятые.

Начали греки и построение гелиоцентрической системы мира, описывающей в хорошем приближении, как движутся планеты «на самом деле», т.е. с точки зрения не земного, а удаленного наблюдателя, скажем, от звезды γ Дракона. Теперь, хоть и в ослабленной мере, мы имеем возможность взглянуть на Солнечную систему со стороны. Из дальнего космоса глазами «Пионеров», «Вояджеров», «Галилео», «Улисса», «Кассини» мы видим внутренние планеты, включая Землю с Луной, мчащимися вокруг Солнца. Гелиоцентрическая модель гораздо экономичнее описывает движения небесных тел и позволяет находить расстояния, недоступные в классической геоцентрической теории. С чисто научной точки зрения непонятно, почему была отброшена система Аристарха Самосского, который жил много раньше Птолемея и даже Гиппарха, в III в. до н.э., начал серьезную разработку гелиоцентрической системы мира, но был изгнан из Афин.