25 Авг

ВСЕЛЕННАЯ: ОТ МИФОВ ДО …? Часть 1 От мифов до Ньютона




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Развиваясь, человечество познавало окружающий мир, пыталось давать объяснения происходящих явлений природы, строить свои модели окружающего мира. Появились, например, представления о том, что наш мир — это плита, которая покоится на спине черепахи, которая стоит на другой черепахе и т.д. Это «модель» мира у других народов видоизменялась таким образом, что плита покоится на слонах, которые стоят на черепахе.

Сейчас нам такие представления кажутся наивными. Но насколько далеко мы, человечество, продвинулись в нашем познании окружающего мира, насколько наши представления о мире соответствуют действительной картине мира?

Мифология любого, достаточно развитого народа, с разной степенью детализации и систематизации рассказывает о сотворении мира. Достаточно вспомнить мифы древней Греции. Постепенно в мифы начинают вторгаться результаты астрономических наблюдений и зрительных ощущений. В древнем Вавилоне Землю представляли в виде выпуклого острова, окруженного океаном. Небо – это твердый купол, опирающийся на Землю, на который прикреплены светила и Солнце. В древнем Китае Землю представляли в виде плоского прямоугольника, над которым на столбах поддерживается выпуклое небо. Дракон согнул центральный столб, поэтому Земля наклонилась к востоку, поэтому все реки текут на восток, небо же наклонилось на запад, поэтому небесные светила движутся с востока на запад.

Древние индийские философы имели представление о существовании во Вселенной универсального начала, принципа упорядоченного мира – «рита». Под мировым порядком понималось циклическое движение Солнца, смена сезонов, возращение Луны. В гимнах «Ригведы» (собрание преимущественно религиозных гимнов, первый известный памятник индийской литературы, около 1700—1100 гг. до н. э.) указано, что Вселенная разделяется на три части: Земля, небесный свод и небо. Солнце освещало эти части, проходя через всю Вселенную. Земля представляется как «три земли», размещенных одна в одной. А теперь вспомним, что современный взгляд на строение Земли делит ее на 3 части: ядро, мантию и кору. Что это было: простое совпадение или на чем-то основанное знание? В строфах «Ригведы» описано, что Солнце своим светом не только освещает мир, но и имеет значение для поддержания жизни на Земле. Интересно то, что индийцы утверждали, что Луна не сама светит, а «принимает свет от Солнца».

Когда Мегасфен, греческий посол в Индии, начал как-то разговор об астрономии на приеме у царя Чандрагупти Маурьи в 302 г. до н.э., тот заявил: «Наши брахманы считают, что Земля — шар!»

Ученые древней Греции создали свое представление о Вселенной, но разобщенность полисов, особенности религии привели к тому, что научные знания создавались не жрецами, а любознательными людьми – философами. Они развивали свои взгляды на устройство мира не под влиянием религии, а в ходе обсуждений, дискуссий. Поэтому уникальность Греции состоит в том, что в ней не было единого взгляда на устройство мира. Различные философские школы выдвигали и аргументировали свои модели мира. Второй особенностью всех учений о мире, сформировавшихся в древней Греции, является их достаточно низкий уровень. Предлагавшиеся модели не подвергались проверке наблюдениями. Некоторые авторы видят причину этого в том разделении общества, при котором «творцы» духовных ценностей отстранились от практической деятельности.

Так Фалес из Милета (625 – 547 гг. до н.э.), о котором известно, что он наблюдал звезды, считал, что Земля – это диск, плавающий в воде, а Анаксагор из Кламезон (500 -428 гг. до н.э.), что Земля – цилиндр, который плавает в бесконечном пространстве. Вокруг Земли движутся другие небесные тела, затмения Луны он объяснял попаданием ее в тень Земли.

У различных философских школ были различные взгляды и по вопросу положения Земли. Большинство считали Землю центром Вселенной. Это те, кто признавал Вселенную конечной.

По мнению же италийских философов (называемых иначе пифагорейцами, последователей Пифагора (570 – 500 гг. до н.э.) в центре находится огонь (Гестия), а звезды, Солнце, Луна и шесть планет вращаются вокруг него. Такая модель Вселенной получила название пироцентрической.

Гестия отделяется рядом пустых интервалов и промежуточных сфер от крайней сферы, объемлющей вселенную и состоящей из того же огня. Верхняя часть мира между звездной твердью и периферическим огнём называется Олимпом; под ним идёт космос планет, Солнца и Луны.

Планеты вращаются вокруг Гестии, обращенные к нему всегда одной и той же стороной, отчего жители Земли, например, не видят центрального огня. Наше полушарие воспринимает свет и теплоту центрального огня через посредство солнечного диска, который лишь отражает его лучи, не будучи самостоятельным источником тепла и света.

Расстояние между светилами у пифагорейцев соответствовали музыкальным интервалам в гамме, при вращении их звучит музыка сфер, неслышимая нами. Нужно отметить, что сторонники этой школы связывали сущность мира с соотношениями между числами. Землю они считали шарообразной, а, например, Экфант и Гикет из Сиракуз, вращающейся вокруг своей оси, что является причиной смены дня и ночи.

Здесь следует отметить великую догадку пифагорейцев об относительности движения. По их мнению, хотя Земля и не центр Вселенной, но наблюдаемые явления вполне могут происходить так, как если бы Земля находилась в центре.

Большинство древнегреческих философов все же были сторонниками геоцентрической системы мира, разработанной также пифагорейцами.

Платон (427 -347 гг. до н.э.) первым предложил представить неравномерные движения светил как комбинацию совершенных движений по окружностям. Эту идею развил в своих сочинениях Евдокс Книдский (408 – 355 гг. до н.э.), разработав схему движения планет, объясняющую их попятное движение.

Выдающимся достижением античной астрономии стала теория гелиоцентрического движения планет Аристарха Самосского (320-250 гг. до н.э.), однако эта теория не оказала заметного влияния на развитие астрономии [5].

Примерно в 340 году до н. э. древнегреческий философ Аристотель написал сочинение «О небе» [1]. Глава 13 второй книги посвящена вопросам о Земле:

  • где она находится;
  • покоится ли она или движется;
  • какова ее форма.

В главе 14 Аристотель приводит свои ответы на поставленные вопросы. По его мнению

  • Земля находится в центре Вселенной;
  • Земля неподвижна;
  • Земля шарообразна.

Последнее умозаключение основано на следующих аргументах. «Так вот, когда ([разумеется, не в действительности, а в возможности имела место смесь [всех вещей], то выделявшиеся [из нее частицы земли] со всех сторон равномерно двигались к центру. … Если они двигались от всех точек периферии к одному центру равномерно, то ясно, что масса должна была получиться одинаковой со всех сторон, ибо если со всех сторон прибавляется равное количество, то периферия [массы] должна быть везде равно удаленной от центра. Но такова форма шара». И далее: «Кроме того, [шарообразность Земли] доказывается чувственным опытом. …. Факт тот, что в месячных фазах терминатор принимает всевозможные формы (он бывает и прямым, и выпуклым с обеих сторон, и вогнутым), а в затмениях терминирующая линия всегда дугообразна. Следовательно, раз Луна затмевается потому, что ее заслоняет Земля, то причина [такой] формы – округлость Земли, и Земля шарообразна» [1].

Греческие астрономы достигли значительных успехов в создании теории движения небесных тел, что объясняется двумя фактами. Во-первых, наблюдения за небесными телами, проводимые вавилонскими жрецами, накопившими большой фактический материал, были известны грекам. Во-вторых, в этот период больших высот достигла греческая математика, в частности, геометрия. В трудах Евклида (300 г. до н.э.), Аполлония Пергамского (230 г до н.э.), Архимеда (216 г до н.э.) были разработаны методы решения геометрических задач, в том числе и для решения задач астрономии, которые использовались вплоть до XVII века Птолемеем, арабскими астрономами, Коперником, Ньютоном.

Около 140 года н. э. появился труд греческого ученого Птолемея «Альмагест» или «Великое математическое построение по астрономии в 13 книгах». В книге 1 Птолемей, в частности, излагает основные положения его модели мира:

  • небо имеет сферическое движение (глава 3);
  • Земля в целом имеет вид сферы (глава 4);
  • Земля находится в середине неба (глава 5);
  • по сравнению с небесами Земля является точкой (глава 6);
  • Земля не совершает никакого поступательного движения (глава 7) [5].

Модель Птолемея

В модели Птолемея Землю окружают восемь вращающихся сфер, каждая из которых больше предыдущей. Самая дальняя из сфер считалась границей Вселенной, что находится вне ее не уточнялось. На ней располагаются звезды, занимая фиксированные места, так что при вращении сферы они сохраняют взаиморасположение, т.е. то, что мы наблюдаем в действительности. Далее в порядке приближения к Земле располагаются Сатурн, Юпитер, Марс, Солнце, Венера, Меркурий, Луна. В отличии от звезд планеты движутся относительно своих сфер по окружностям, называемым эпициклами. Это вращение вместе с вращением планетных сфер приводит к тому, что наблюдаемые пути планет сложнее круговых.

Справедливости ради следует отметить, что, хотя в главе 8 Птолемей пишет о двух различных видах первых движений, понятия эпицикл в ней нет. В комментариях к труду Птолемея указано, что эпицентры и эпициклы использовались Апполонием Пергским в III-II вв. до н.э. Во II веке до н.э. Гиппарх на основе эксцентрической и эпициклической моделей создал теории движения Солнца и Луны, позволяющие определять их текущие координаты для любого момента времени [4].

Труд Птолемея на 13 веков стал основой астрономических исследований. Только в 1514 г. польский каноник Николай Коперник предложил другую модель мира. Работа «De revolutionibus orbium coelestium» («О вращении небесных сфер») была написана Николаем Коперником (1473–1543 гг.) и опубликована спустя 30 лет после написания незадолго до его смерти. Он не собирался бросить тень на труды своих предшественников и религиозных деятелей, его целью была разработка более простой модели Вселенной. Идеи Коперника стали развитием научных идей авторов, работавших до него. Еще пифагорейцы расположили в центре мира центральный огонь, «заставив» Землю вращаться вокруг него. Как уже было отмечено выше, гелиоцентрическую систему предложил и Аристарх Самосский. Движение Меркурия и Венеры ставило в тупик астрономов и философов. В V веке Марциан Капелла полагал, что Меркурий и Венера движутся по орбитам вокруг Солнца, которое в свою очередь вращается вокруг Земли.

Основные аксиомы системы Коперника таковы:

  • не существует одного общего центра для всех небесных орбит или сфер;
  • центр Земли не является центром Мира, а только центром лунной орбиты;
  • все сферы движутся вокруг Солнца, так что около него находится центр Мира;
  • расстояние между Солнцем и Землей много меньше высоты тверди (расстояния от Солнца до неподвижных звёзд) и их отношение меньше отношения радиуса Земли к расстоянию её до Солнца;
  • все движения небесной тверди принадлежат не ей самой, а являются видимыми следствиями суточного движения Земли;
  • видимое движение Солнца происходит от движения Земли вокруг Солнца
  • кажущиеся прямые и ретроградные движения планет наблюдаются из-за движения Земли и планет вокруг Солнца.

Хотя представления Коперника о Солнечной системе произвели переворот в астрономии, он сам никогда не утверждал, что его теория – это описание реального движения небесных тел, это всего лишь удобный способ выполнения расчетов. В модели Коперника, как и в более ранних моделях, предполагалось, что планеты вращаются по идеальным круговым орбитам. Это значило, что ему, как и Птолемею, приходилось использовать понятие эпицикла.

Джордано Бруно (1548-1600), знаменитый итальянский мыслитель, считал звезды далекими солнцами, согревающими бесчисленные планеты других планетных систем. Бруно считал, что мировые системы, заключающиеся в беспредельном пространстве, населены живыми существами. Это была беспредельно смелая по тем временам мысль о пространственной бесконечности Вселенной. Идеи Бруно намного обогнали его век. Но он не мог привести ни одного факта, который бы подтверждал его космологию — космологию бесконечной, вечной и населенной Вселенной. Дж. Бруно, таким образом, отстаивал полицентризм, ведущий, в конечном итоге, к отрицанию центра Вселенной и признанию ее бесконечности.

Как известно, Дж. Бруно погиб на костре инквизиции, фактически на рубеже двух эпох: эпохи возрождения и эпохи Нового времени, охватывающей три столетия – 17,18 и 19 вв. Особую роль в этом периоде сыграл 18-й век, ознаменовавшийся рождением современной науки и, в частности, классической механики.

Такие ученые, как Иоганн Кеплер (1571–1630 гг.), Галилео Галилей (1564–1642 гг.) и Исаак Ньютон (1642–1727 гг.), в своих работах углубили человеческие знания об устройстве Солнечной системы и Вселенной.

В 1609 году Галилей, наблюдая небо с помощью телескопа, обнаружил, что Юпитер сопровождают несколько спутников, обращающихся вокруг него. Это было ударом по моделям Аристотеля и Птолемея, в которых все небесные тела вращаются вокруг Земли. Примерно в тоже время Иоганн Кеплер установил, что планеты движутся не по круговым, а по эллиптическим орбитам. Хотя это открытие позволило усовершенствовать модель Коперника, сам Кеплер считал эллипс менее совершенной фигурой, а потому рассматривал этот результат как подгонку под наблюдения, а не окончательной истиной. Эллиптические орбиты планет вызвали разочарование Кеплера еще и потому, что они противоречили его идее о том, что планеты вращаются вокруг Солнца под действием магнитных сил. И хотя предположение о том, что магнитные силы обуславливают движение планет, оказалось ошибочным, гениальным прозрением Кеплера была мысль о том, что должна существовать сила, ответственная за движение небесных тел.

Эта сила была «найдена» Исааком Ньютоном, который в 1687 году опубликовал свой труд «Математические начала натуральной философии». В книге III (отдел I) он пишет: «…опытами, так и астрономическими наблюдениями устанавливается, что все тела по соседству с Землею тяготеют к Земле, и притом пропорционально количеству материи каждого из них; так, Луна тяготеет к Земле пропорционально своей массе, и взаимно наши моря тяготеют к Луне, все планеты тяготеют друг к другу; подобно этому и тяготение комет к Солнцу. На основании этого правила надо утверждать, что все тела тяготеют друг к другу» [5]. Эта сила действует на все во Вселенной, она «заставляет планеты» двигаться по эллиптическим орбитам в соответствии с законами Кеплера. Ньютон назвал эту силу гравитацией. «Силы, которыми главные планеты постоянно отклоняются от прямолинейного движения и удерживаются на своих орбитах, направлены к Солнцу и обратно пропорциональны квадратам расстояний до центра его» (книга III; предложение II, теорема II) [4].

 

Отступление 1

Общепринято считать, что закон всемирного тяготения открыт Ньютоном. Но оказывается, что эта спорная точка зрения. И спор о приоритете начался в 17 веке, начался между Исааком Ньютоном и Робертом Гуком. «К концу жизни он насчитывал 500 открытых им законов. Надо сказать, что эти столь многочисленные открытия Гука составляют основу современной науки. Очень многие из них более или менее параллельно были открыты другими учеными, поэтому очень часто сейчас законы, открытые Гуком, известны, но приписываются другим людям. В итоге только закон упругости (сила пропорциональна удлинению) носит имя Гука, а остальные его открытия носят имена других ученых» [2].

Первые разногласия между Гуком и Ньютоном возникли по поводу природы света, в результате чего отношения между ними совершенно испортились.

24 ноября 1679 года Гук пишет Ньютону примирительное письмо, в котором предлагает совместную работу. Начинается обмен письмами, в одном из которых Гук изложил свою гипотезу тяготения, в частности, что сила притяжения между двумя телами должна быть обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними (письмо от 6 января 1680 года). После этого переписка между учеными прервалась, Ньютон Гуку больше не писал.

Не вдаваясь в историю, отметим, что 28 апреля 1686 года первый том труда «Математические начала натуральной философии» был представлен Королевскому обществу. Все три тома, после некоторой авторской правки, вышли в 1687 году.

Это при том, что первая публикация Гука о силе тяготения как о возможной причине эллиптичности орбит планет относится к 1666 г., а в 1674 г. в работе «Попытка доказать движение Земли наблюдениями» он изложил взгляды, весьма близкие к тем, которые затем были развиты Ньютоном.

Написав книгу, Ньютон не упомянул в ней о Гуке. Галлей, на деньги которого была издана книга, будучи другом и Гука, и Ньютона, убедил последнего сделать ссылку на Гука. Ньютон это сделал. Но как! Он написал, что идея закона принадлежит помимо его самого еще Галлею, Рене (президенту Королевского общества) и Гуку, хотя первые два особого отношения к закону не имели.

Кто прав споре, которому в этом году исполнилось 330 лет? Если рассматривать только формулировку основных принципов, то право на закон имеет Гук, потому что он передал Ньютону материал для исследования. Если же рассматривать эту формулировку без сопровождающего ее математического доказательства недостаточной, то прав Ньютон, и такова была его точка зрения.

Академик С.И. Вавилов отметил: «Ньютон был, очевидно, неправ: скромные желания Гука имели полное основание. Написать «Начала натуральной философии» в ХVII веке никто, кроме Ньютона, не мог, но нельзя оспаривать, что программа, план «Начал» был впервые набросан Гуком»

Сам Ньютон при помощи своей теории объяснил движение планет и основные свойства Солнечной системы. Основными положениями, на которых строится модель Ньютона, являются:

  1. Пространство и время Вселенной абсолютны, они не зависят от материальных объектов и процессов.
  2. Пространство и время бесконечны, однородны (свойства одинаковы во всех точках).
  3. Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Изменяются системы, но не мир в целом.

Из п. 1 следует, что пространство – это «вместилище» материи и его свойства никак не зависят от того, какие материальные тела в него помещены. Абсолютное время согласовывалось с законами Ньютона, которое и Ньютоном, и Аристотелем понималось как возможность однозначно измерить интервал между двумя событиями. Полученное значение будет одним и тем же, кто бы его ни измерял, если использовал точные часы.

Из п.2 следует, что Вселенная «осталась» без границ, не только Земля, но и Солнце не могло больше претендовать на роль центра Вселенной, наша Солнечная система оказывалась не более чем рядовым образованием во Вселенной. Вывод о бесконечности Вселенной был сделан Ньютоном, чтобы избежать так называемого «гравитационного парадокса», суть которого в следующем. Если предположить конечность Вселенной, то должен существовать некоторый «центр гравитации», к которому должны притягиваться все тела. Следовательно, через конечное время все тела должны собраться в «единое» тело. В тоже время бесконечность Вселенной приводит к другому гравитационному парадоксу (см. отступление 2).

Отступление 2

Математик К. Нейман и независимо от него астроном Г. Зелигер попробовали применить закон всемирного тяготения ко всей бесконечной массе небесных тел, заполняющих Вселенную. Напомним, что, зная распределение масс в пространстве, мы можем рассчитать силу, действующую на тело. Но в случае бесконечной Вселенной получается, что на материальное тело должна действовать равнодействующая бесконечного количества сил бесконечной величины. Но разность бесконечностей – это неопределенность (это может быть и ноль, и некоторая константа, и бесконечность). Значит, ньютоновская Вселенная неоднозначна, к ней не применимы законы Ньютона! Чтобы преодолеть этот парадокс, было сделано предположение о том, что плотность распределения массы быстро (быстрее, чем квадрат расстояния от точки, где находится тело, для которого рассчитывается сила гравитации) убывает. Но это значит, что Вселенная вовсе не бесконечна. Напомним, что сам Ньютон считал, что конечная Вселенная существовать не могла. Были предложены различные варианты решения гравитационного парадокса, которые, в конечном итоге, не что иное как подгонки решения под известный факт.

Как был разрешен гравитационный парадокс, будет рассмотрено ниже.

Из гравитационного парадокса следует, что гравитация, положенная в основу ньютоновской Вселенной «не позволяют» ей быть ни конечной, ни бесконечной.

Из п.3 следует, Вселенная остается неизменной, не развивается. Притом, что отдельные ее части зарождаются, развиваются и прекращают свое существование. Сама же материя, изменяя свою форму, никогда не уничтожается, она вечна, и вечно ее движение.

Важнейшее отличие идей Ньютона и Галилея от учения Аристотеля состоит в том, что Аристотель считал покой естественным состоянием любого тела, к которому оно стремится, если не испытывает действие внешней силы. У Ньютона и Галилея нет никакого стандарта покоя. Движение относительно. Можно говорить, что одно тело движется относительно другого. Но можно и утверждать, что второе тело движется относительно первого. Вспомним, например, наши ощущения, когда, сидя в отправляющемся поезде, мы видим «уходящее» назад здание вокзала. Но остался открытым вопрос: «Кто запустил это движение? Чей толчок привел Вселенную в движение?». Творцом Вселенной и человека также, как и источником первоначального импульса для ее (Вселенной) движения Ньютон считал Бога. Время, отсчитываемое от запуска Богом движения Вселенной, Ньютон рассматривал как относительное.

Следует отметить, что

  • его планетарная модель была сильно упрощенной и не учитывала, например, гравитационного взаимодействия планет;
  • Вселенная – бесконечный объект, включающий в себя весь окружающий мир, и попытка применить к ней «земные» физические законы приводит к парадоксам, которые ставят под сомнение истинность теории;
  • остался открытым вопрос о природе тяготения;
  • не было объяснено предположение о мгновенном распространении тяготения в пространстве (т. е. предположение о том, что с изменением положений тел мгновенно изменяется и сила тяготения между ними).

Сам Ньютон обнаружил в своей модели некоторые несообразности, которые он не мог объяснить. Однако он решил проблему достаточно просто, придя к выводу, что Бог всегда присутствует во Вселенной и исправляет эти несообразности.

Список литературы:

  1. Аристотель. О небе.
  2. Арнольд В.И. Гюйгенс и Барроу, Ньютон и Гук. — М.: Наука, 1989. – 96 с.
  3. Горбацкий В.Г. Лекции по истории астрономии: учебное пособие. – СПб.: Изд. С.-Петерб. ун-та, 2002. – 200 с.
  4. Ньютон И. Математические начала натуральной философии. – М.: Наука, 1989. – 714 с.
  5. Птолемей К. Альмагест: Математические сочинения в тринадцати книгах. – М.: Наука. Физматлит, 1998. – 672 с.
    ВСЕЛЕННАЯ: ОТ МИФОВ ДО …? Часть 1 От мифов до Ньютона
    В работе излагается материал, который может помочь педагогу при подготовке к факультативным занятиям по теме «Познание Вселенной», эволюция взглядов и моделей устройства окружающего нас мира.
    Written by: Комаров Павел Ильич, Коновалова Таисия Владиславовна
    Published by: Басаранович Екатерина
    Date Published: 12/10/2016
    Edition: euroasia-science.ru_#29_25.08.2016
    Available in: Ebook