Астрономия и космология на монетах и банкнотах мира

Даже в наши дни изучение астрономии во многих странах начинается с яростного отрицания геоцентрического устройства мира, предложенного Аристотелем (384–322 до н.э.) и обоснованного Клавдием Птолемеем (90–160). Предмет спора, впрочем, не очень ясен. Начало координат можно поместить в любой точке, а расположение тел относительно друг друга не изменится. Геоцентрическая система Птолемея давала более точные координаты небесных тел, нежели гелиоцентрическая система Коперника, которая достигла этой точности лишь при учете законов Кеплера. Вместе с тем ясно, что система, в которой Солнце, Луна и звезды вращаются вокруг Земли, в гораздо большей степени отвечает нашим ощущениям, нежели система, в которой мы сами вращаемся вместе с Землей вокруг Солнца.

Со средних веков вплоть до нашего времени идут дискуссии о происхождении данных, использованных Птолемеем для составления атласа звездного неба и для расчета движения планет, Луны и Солнца. Согласно современным воззрениям, наблюдения, собственно, Птолемея были выполнены в период с 26 марта 127 года по 2 февраля 141 года. Такая точность в определении этих дат обусловлена самой природой астрономических наблюдений. Используя математические методы, можно обратить время вспять и из сегодняшнего расположения светил рассчитать их расположение в любой заранее определенный промежуток времени.

Птолемей оставил богатое научное наследие, центральное место в котором занимает тринадцатитомный «Альмагест». Название книги не оригинально и появилось в результате обратного перевода с арабского языка свода «Аль-маджести». Изначально монография называлась «Великая компиляция», что, по-видимому, наиболее точно отражает ее содержание. В этой книге содержится математическая теория движения Солнца, Луны и планет, использующая комбинации круговых движений, известных как эпициклы.

Эта достаточно сложная математическая модель является подлинным достижением Птолемея. С использованием небольшого числа параметров она весьма точно описывает движение известных тогда пяти планет. В астрономии ему не было равных со времен Гиппарха до времен Бируни.

Великий энциклопедист Востока Абу Рейхан Мухаммед ибн Ахмед aль-Бируни (973–1048) полагал, что «Всеведение Аллаха не оправдывает нашего невежества» и всю жизнь посвятил накоплению знаний. Его интересовали астрономия и география, математика и физика, геология и минералогия, химия и ботаника, история и этнография, философия и филология и в каждую из этих наук он внес заметный вклад. Как ни удивительно, период великих исторических потрясений в Средней Азии совпал с расцветом науки и культуры, так что в одно время с аль-Бируни творили многие выдающиеся ученые, включая Авиценну (980–1037).

В 1037 году аль-Бируни написал свой главный труд — «Канон Масуда». Эта работа посвящена астрономии и математике, ибо именно эти науки определяли успех в поливном земледелии и торговых путешествиях. В указанных дисциплинах достижения аль-Бируни оставались непревзойденными в течение нескольких веков. Вслед за индийским мыслителем Ариабхатой, аль-Бируни допускал, что Земля вращается вокруг своей оси. Понимая различие между «огненными телами» — Солнцем и звездами и темными телами — Луной и планетами, Бируни высказывал сомнения в справедливости геоцентрической системы мира Птолемея.

Дальнейшие успехи в развитии средневековой астрономии связаны с именем великого эмира Мухаммада Тарагая Улугбека, который родился в 1394 году в военном обозе своего деда Тимура в Султании на территории современного Ирана. Тимур свою жизнь провел в непрерывных войнах, покорив огромные территории, а его внуку по душе оказались литературные упражнения и научные изыскания. Учителями Улугбека были выдающиеся ученые, которыми славился двор Тимура, и среди них — математик и астроном Салах ад-Дин

Кози-заде ар-Руми (1364–1437). Он показал девятилетнему Улугбеку руины знаменитой обсерватории в Мараге, что, по-видимому, предопределило интересы будущего астронома. Став в пятнадцать лет правителем Мавераннахра, общирной территории в междуречье Сырдарьи и Амударьи со столицей в Самарканде Улугбек создал уникальную астрономическую обсерваторию.

Обсерватория Улугбека была оснащена также множеством приборов для выполнения астрономических измерений. В результате 30-тилетних наблюдений, начавшихся еще в 1417 году, самаркандские астрономы под руководством и при непосредственном участии Улугбека составили «Новые Гурганские Таблицы» — главный труд обсерватории, в котором содержались координаты 1018 звезд, определенных с невиданной ранее точностью. Это было последнее слово средневековой астрономии. Вслед за этим центр астрономических исследований переместился в Европу.

Великий польский ученый, астроном и математик Николай Коперник (1473–1543) стоял у самых истоков научной революции Нового времени. Внешне жизнь Коперника не была богата событиями. За исключением лет учения в Кракове, а затем в Италии, Коперник почти всю сознательную жизнь провел в одном из удаленных уголков Европы — маленьком городке Фромборке, расположенном на побережье Балтийского моря. Именно здесь Коперником были выполнены исследования, влияние которых на последующее развитие науки трудно переоценить.

Основной заслугой Коперника было обоснование положения о том, что видимое движение Солнца и звезд объясняется не обращением их вокруг Земли, а суточным вращением самой Земли вокруг собственной оси и годичным обращением ее вокруг Солнца. Этим самым идее гелиоцентризма, высказанной еще в древности Аристархом Самосским (310–230 до н.э.), было дано научное обоснование и отвергнута господствовавшая до того геоцентрическая система Клавдия Птолемея. Разработанная Коперником теория позволила ему впервые в истории науки о небе сделать обоснованные выводы о действительном расположении планет в Солнечной системе и с весьма большой точностью определить их относительные расстояния от Солнца.

Знаменитый итальянский ученый, философ и поэт Джордано Бруно (1548–1600) был пламенным сторонником и пропагандистом учения Коперника. Преследуемый церковью он долгие годы скитался по многим городам и странам Европы. Везде он читал лекции, выступал на публичных богословских диспутах. Так, в Оксфорде в 1583 году на знаменитом диспуте о вращении Земли, бесконечности Вселенной и бесчисленности обитаемых миров в ней он, по отзывам современников, «раз пятнадцать заткнул рот бедняге доктору» — своему оппоненту.

Смелые идеи и выступления Бруно вызывали ненависть к ученому со стороны церкви. И когда в тоске по родине Бруно вернулся в Италию, он был выдан своим учеником инквизиции. Его объявили в богоотступничестве. После семилетнего заточения в тюрьме его сожгли на костре в Риме на площади Цветов.

Одним из основателей современного естествознания стал Галилео Галилей (1564–1642). Будучи еще подростком, Галилей впервые познакомился с трудами греческих и латинских философов в монастырской школе во Флоренции. В 17 лет он поступил в Пизанский университет для изучения медицины, однако основным его занятием стало изучение физики Аристотеля, сочинений Евклида (325–265 до н.э.) и особенно Архимеда (288–212 до н.э.). Физика в то время сводилась по существу к механике, проблемами которой Галилей занимался в течение всей жизни, но вместе с тем охватывала широкий круг общих мировоззренческих проблем. На месте приблизительных, а порой даже неправильных и наивных представлений, Галилей построил точную науку о движении — кинематику, законы которой впервые были выведены им как обобщение научного эксперимента.

Исследования Галилея в области механики, которые он сам считал основными в своей деятельности, в значительной степени определили дальнейшее развитие этой науки. Однако первостепенную роль в формировании нового, современного мировоззрения в области естествознания сыграли в первую очередь астрономические открытия Галилея. Впервые Галилей направил свою зрительную трубу на звездное небо в начале 1610 года. Он увидел лунный пейзаж с его кратерами и холмами, который поразил его своей необычной красотой. При этом Галилеем, уже давно стремящимся к физическому обоснованию гелиоцентризма, овладевает мысль, что Луна похожа на Землю. Наблюдаемые холмы и хребты на Луне были видимым опровержением аристотелева противопоставления небесных тел, которые он считал идеальными и неизменными, Земле. Рассматривая в телескоп Сатурн, Галилей заметил по бокам этой планеты странные выступы. В них он также заподозрил вначале спутников планеты. Однако явление все еще оставалось загадочным, и о своем открытии Галилей сообщил, как тогда было принято, в виде анаграммы — строки нарочито переставленных букв, составивших после расшифровки фразу: «Высочайшую планету тройною наблюдал» (в случае подтверждения гипотезы автор анаграммы расшифровывал ее, тем самым приоритет открытия оставался за ним). Однако предположение Галилея не оправдались: загадочные выступы оказались знаменитым кольцом Сатурна. Правильное объяснение этого феномена было дано в 1655 году Кристианом Гюйгенсом (1629–1695).

Как видно из писем и комментариев Галилея, он был совершенно убежден в истинности гелиоцентрической системы Коперника. Однако открыто провозгласить это в Италии XVII века значило повторить трагическую судьбу сожженного на костре Джордано Бруно. Поэтому прежде всего необходимо было убедить в благонамеренности своих открытий католическую церковь. Галилей неоднократно ездил в Рим для объяснения с папой, высшим духовенством и инквизицией. Опубликование самих астрономических открытий еще не вызвало тревоги и даже нашло признание у высоких духовных сановников. Несмотря на официальный запрет в 1616 году пропаганды системы Коперника, Галилей все еще надеялся на приемлемость для католической церкви его взглядов, правда, изложенных в осторожной форме. Система Коперника должна была при этом представляться лишь как одна из возможных и чисто абстрактных математических теорий. В 1632 году Галилей напечатал с разрешения римской духовной цензуры свой основной астрономический труд «Диалог о двух главнейших системах мира, птолемеевой и коперниковой». Догмы аристотелевой физики, которые лежали в основе мировоззрения, принятого католической церковью, как и сама система Птолемея, терпят в «Диалоге» очевидный крах, а новые идеи Коперника, дополненные еще более революционными идеями Джордано Бруно о бесконечности Вселенной, предстают перед читателями во всей своей очевидности.

Не все выдающиеся ученые обладали ангельской кротостью, но даже в этом ряду своенравным и необузданным характером выделялся датский астроном Тихо Браге (1546–1601). В студенческие годы он подрался со своим земляком на дуэли и потерял кончик носа, в результате чего вплоть до смерти его лицо украшал редкий тогда серебряный протез. Характер астронома формировался в детстве при достаточно необычных обстоятельствах. Двух лет от роду Тихо был похищен из отчего дома родным дядей адмиралом Йоргеном Браге.

Приемные родители обеспечили отроку пристойное существование, а в возрасте двенадцати лет направили в Копенгагенский университет. Здесь 21 августа 1560 года он стал свидетелем солнечного затмения, которое тем более поразило юношу, что было заранее предсказано его профессорами. С этого момента жизненный путь Тихо Браге стал полностью предопределен и он начал свои, пусть скромные вначале, астрономические наблюдения.

В возрасте двадцати пяти лет Тихо Браге приступил к сооружению своей первой обсерватории. В этот период он увлекался также алхимией и, выйдя как-то (а именно, 11 ноября 1572 года) из затемненной лаборатории вдруг увидел над своей головой новую звезду в созвездии Кассиопеи. Не веря своим глазам, Тихо помчался за своим ассистентом в алхимических упражнениях, который подтвердил ему, что это не мираж и не наваждение. Эта суперновая звезда горела на небе около шестнадцати месяцев и самим фактом своего существования разрушала аристотелеву систему строения мира. Напомним, что, согласно Аристотелю, Вселенная была разделена на идеальный и неизменный в своей идеальности космос и вечно меняющийся подлунный мир. О наблюдении суперновой Тихо написал трактат, а затем и прочел курс лекций по астрономии в Копенгагенском университете.

В 1599 году. Тихо Браге был назначен Имперским Математиком при дворе Рудольфа II, Императора Священной Римской Империи, чья резиденция тогда располагалась в Праге. Вскоре к нему присоединился Иоганн Кеплер, задачей которого стало обоснование модели Вселенной, предложенной Браге.

Во всей истории науки трудно найти человека, который, подобно Иоганну Кеплеру (1571–1630), преодолевая все превратности судьбы, с необычайной настойчивостью и трудолюбием шел бы к поставленной цели и после долгих блужданий открыл дотоле неизвестные законы природы. Формулировка трех знаменитых законов движения планет Солнечной системы укладывается в шесть строчек, но для вывода их из астрономических наблюдений Кеплеру понадобилось восемнадцать лет напряженной работы.

Свои размышления Кеплер изложил в книге «Космографическая тайна», вышедшей в 1596 году. Если отбросить неправильную «рабочую гипотезу», мистические и теологические наслоения, в этой книге можно выявить много ценных мыслей и зародыши будущих открытий Кеплера. Уже во введении автор проявил себя как убежденный сторонник учения Коперника. Свою книгу Кеплер послал некоторым выдающимся ученым, в частности датскому астроному Тихо Браге и уже известному в то время молодому итальянскому ученому Галилео Галилею. Оба они откликнулись, причем Галилей приветствовал появление нового сторонника теории Коперника. Браге же, хотя и выразил свое отрицательное отношение к априорной теории, пригласил Кеплера как молодого, подающего надежды ученого посетить его обсерваторию.

Наступило наиболее благоприятное во всей жизни Кеплера десятилетие, в течение которого он выполнил важнейшие исследования в астрономии и оптике. В этот период Кеплером было опубликовано выдающееся сочинение по теоретической астрономии «Новая астрономия». Значение этой книги состоит прежде всего в том, что в ней дан вывод двух из трех знаменитых законов движения планет, названных именем Кеплера. В современной формулировке эти законы звучат так: все планеты движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых (общем для всех планет) находится Солнце (1-й закон); площади, описываемые радиусами — векторами планет, пропорциональны времени (2-й закон). Третий закон был опубликован Кеплером позже, в 1619 г. в книге «Гармония мира». Он гласит: квадраты периодов обращений планет относятся как кубы их средних расстояний от Солнца (3-й закон).

Проблемой устойчивости Солнечной системы интересовался известный французский астроном Урбен Жан Жозеф Леверье (1811–1877). В 1845 году по совету директора Парижской обсерватории Доминика Франсуа Жака Араго (1786–1853) он занялся задачей движения Урана — седьмой планеты солнечной системы. Уже в конце XVIII века астрономы стали замечать странности в поведении Урана. За почти 50 лет три раза заново вычисляли и уточняли таблицы движения этой планеты, а она упрямо сходила с пути, предусмотренного небесной механикой. В 40-е годы 19-го века расхождение между вычисленными по таблицам и наблюдаемыми положениями Урана достигало десятков угловых секунд, т.е. почти в 100 раз превышало ту наименьшую величину, с которой могли измерять положение небесных тел астрономы. Среди всевозможных гипотез неоднократно высказывалась догадка о более далекой планете, которая своим притяжением возмущает орбиту Урана.

Леверье с энтузиазмом взялся за решение предложенной Араго задачи. 10 сентября 1845 года появилась его первая работа о движении Урана, где он показал, что никакими известными причинами объяснить его «неправильное» поведение нельзя. За ней последовала вторая и третья работа, в которых сообщались необходимые координаты новой планеты, масса и элементы орбиты. Завершив свои вычисления и учитывая ограниченные возможности французских наблюдателей, Леверье 18 сентября 1846 г. направил письмо в Берлин, где регулярно выпускались самые точные карты звезд до десятой величины. Получив письмо, астроном Берлинской обсерватории Иоганн Готтфрид Галле (1812–1910) в тот же вечер направил свой телескоп на отмеченное в письме место неба и обнаружил необычную звездочку восьмой величины с явно заметным диском (истинные звезды даже в крупнейшие современные телескопы представляются точками). Сравнив ее положение с указаниями звездных карт, Галле убедился, что письмо содержало величайшее открытие. Так в списке больших планет солнечной системы прибавилась еще одна, восьмая по счету, названная затем Нептуном, удаленная от Солнца на 4,5 млрд км.

В формировании внегалактической астрономии и наблюдательной космологии выдающуюся роль сыграл американский астроном Эдвин Хаббл (1889–1953). В 1919 году ему была предложена позиция в обсерватории Маунт Вильсон в Калифорнии, где он и проработал всю свою жизнь. Прибытие Хаббла в обсерваторию совпало по времени с запуском крупнейшего в то время 100-дюймового телескопа. В те годы преобладало мнение, что весь космос сосредоточен в пределах галактики Млечного пути. Используя возможности нового телескопа, Хаббл установил присутствие пульсирующих Цефеид в нескольких спиральных туманностях, включая туманность Андромеды и Треугольник. Этот тип пульсирующих звезд меняют яркость с некоторым периодом, что позволяет использовать их в качестве астрономического репера, то есть устанавливать расстояние до них. В 1924 году Хаббл доказал, что указанные туманности расположены слишком далеко, чтобы находиться в составе Млечного пути. Тем самым, была подтверждена идея о множественности галактик, высказанная еще в 1755 году Иммануилом Кантом (1724–1804). Эдвину Хабблу принадлежит также система классификации галактик, известная в настоящее время как последовательность Хаббла.

Заведующий отделением физики твердого тела,

завкафедрой низких температур и

сверхпроводимости профессор А.Н. Васильев