Історія розвитку уяви про всесвіт. Походження і розвиток всесвіту

         Доречно нагадати, що уявлення про рівномірний, круговий, абсолютно правильний рух небесних тіл виказав філософ Платон. Він же виказав припущення, що Земля знаходиться в центрі світу, що навкруги неї звертається Місяць, Сонце, далі уранішня зірка Венера, зірка Гермеса, зірки Ареса, Зевса і Кроноса. У Платона вперше зустрічаються назви планет на ім'я богів, повністю співпадаючі з вавилонськими. Платон вперше сформулював математикам задачу: знайти, за допомогою яких рівномірних і правильних кругових рухів можна "врятувати явища, що представляються планетами". Іншими словами, Платон ставив задачу побудувати геометричну модель світу, в центрі якої, безумовно, повинна була знаходитися Земля.

         Удосконаленням системи  світу Евдокса зайнявся учень  Платона Аристотель (384 – 322 рр. до н. е.). Оскільки погляди цього видатного  філософа – енциклопедиста неподільно панували у фізиці і астрономії протягом майже двох тисяч літ, то зупинюся на них детальніше.

         Аристотель, вслід  за філософом Емпедоклом (близько 490 - 430 рр. до н. е.), припустив існування  чотирьох "стихій": землі, води, повітря  і вогню, із змішення яких ніби відбулися  всі тіла, що зустрічаються на Землі. По Аристотелю, стихії вода і земля природним чином прагнуть рухатися до центру світу ("вниз"), тоді як вогонь і повітря рухаються "вгору" до периферії і то тим швидше, чим ближче вони до свого "природного місця". Тому в центрі світу знаходиться Земля, над нею розташовані вода, повітря і вогонь. По Аристотелю, Всесвіт обмежений в просторі, хоча її рух вічно, не має ні кінця ні початку. Це можливо якраз потоиу, що, окрім згаданих чотирьох елементів, існує ще і п'ята, незнищувана матерія, яку Аристотель назвав ефіром. З ефіру ніби і полягають всі небесні тіла, для яких вічний круговий рух – цей природний стан. "Зона ефіру" починається біля Місяця і тягнеться вгору, тоді як нижче за Місяць знаходиться мир чотирьох елементів.

         От як описує своє розуміння всесвіту сам Аристотель:

         "Сонце і планети  звертаються біля Землі, що  знаходиться нерухомо в центрі  світу. Наш вогонь, щодо кольору  свого, не має ніякої схожості  з світлом сонячним, сліпучої  білизни. Сонце не складається  з вогню; воно є величезне скупчення ефіру; теплота Сонця заподіюється дією його на ефір під час обігу навкруги Землі. Комети суть скороминучі явища, які швидко народжуються в атмосфері і так же швидко зникають. Чумацький Шлях є не що інше, як випаровування, запалені швидким обертанням зірок біля Землі... Рухи небесних тіл, взагалі кажучи, відбуваються набагато правильніше, ніж рухи помічаються на Землі; бо, оскільки тіла небесні вчинені за будь-які інші тіла, то їм личить найправильніший рух, і разом з тим найпростіше, а такий рух може бути тільки круговим, тому що в цьому випадку рух буває разом з тим і рівномірним. Небесні світила рухаються вільно подібно богам, до яких вони ближче, ніж до жителів Землі; тому світила при русі своєму не потребують відпочинку і причину свого руху містять в самих собі. Вищі області неба, досконаліші, містять в собі нерухомі зірки, мають тому найдосконаліший рух - завжди управо. Що ж до частини неба, найближчої до Землі, а тому і менш зробленої, то ця частина служить місцеперебуванням набагато менш досконалих світил, які планети. Ці останні рухаються не тільки управо, але і вліво, і притому по орбітах, нахилених до орбіт нерухомих зір. Всі важкі тіла прагнуть центру Землі, а оскільки всяке тіло прагне центру Всесвіту, то тому і Земля повинна знаходитися нерухомо в цьому центрі".

         При побудові своєї  системи світу Аристотель використовував уявлення Евдокса про концентричні сфери, на яких розташовані планети  і які обертаються навкруги Землі. По Аристотелю, першопричиною цього  руху є "перший двигун" - особлива сфера, розташована за сферою "нерухомих зірок", яка і приводить в рух весь інший, що обертається. По цій моделі лише одна сфера в кожній з планет обертається з сходу на захід, інші три - в протилежному напрямі. Аристотель вважав, що дія цих трьох сфер повинна компенсуватися додатковими трьома внутрішніми сферами, що належать тій же планеті. Саме в цьому випадку на кожну подальшу (у напрямку до Землі) планету діє лише добове обертання. Таким чином, в системі світу Аристотеля рух небесних тіл описувався за допомогою 55 твердих кришталевих сферичних оболонок.

         Пізніше в цій  системі світу було виділено вісім  концентричних шарів (небес), які  передавали свій рух один одному (мал. 1). В кожному такому шарі налічувалося сім сфер, рушійних дану планету.

         За часів Аристотеля висловлювалися і інші погляди на будову світу, зокрема, що не Сонце звертається  навкруги Землі, а Земля разом  з іншими планетами звертається  навкруги Сонця. Проти цього Аристотель висунув серйозний аргумент: якби Земля рухалася в просторі, той цей рух приводив би до регулярного видимого переміщення зірок на небі. Як ми знаємо, цей ефект (річний параллактичний зсув зірок) був відкритий лише в середині 19 століття, через 2150 років після Аристотеля...

         На схилі своїх  літ Аристотель був звинувачений в єресі і втік з Афін. Насправді в своєму розумінні світу він коливався між матеріалізмом і ідеалізм. Його ідеалістичні погляди і, зокрема, уявлення про Землю як центрі всесвіту було пристосоване для захисту релігії. От чому в середині другого тисячоліття нашої ери боротьба проти поглядів Аристотеля стала необхідною умовою розвитку науки...

         Перша геліоцентрична система

         Сучасникам Аристотеля вже було відомо, що планета марс в протистоянні, а також Венера під час позаднього руху значно яскравіше, ніж в інші моменти. По теорії сфер вони повинні були б залишатися завжди на однаковій відстані від Землі. Саме тому тоді виникали і інші уявлення про будову світу.

         Так, Геракліт Понтійській (388 – 315 рр. до н. е.) припускав, що Земля  рухається "... обертально, біля своєї осі, на зразок колеса, із заходу на схід навкруги власного центру". Він виказав також думку, що орбіти Венери і Меркурія є колами, в центрі яких знаходиться Сонце. Разом з Сонцем ці планети ніби і обертаються навкруги Землі.

         Ще більш сміливих поглядів дотримувався Аристарх Самосській (близько 310 – 230 рр. до н. е.).

         Видатний старогрецький  учений Архімед (близько 287 – 212 рр. до н.е.) в своєму творі "Псамміт" ("Числення піщинок"), звертаючись до Гелона Сиракузського, писав про погляди  Аристарха так:

         "Ти знаєш, що  за уявленням деяких астрономів  світ має форму кулі, центр  якого співпадає з центром  Землі, а радіус рівний довжині  прямої, сполучаючої центри Землі  і Сонця. 

         Але Аристарх Самосській в своїх "Пропозиціях", написаних  ним проти астрономів, відкидаючи це уявлення, приходить до висновку, що мир набагато більших розмірів, ніж тільки що вказано. Він вважає, що нерухомі зірки і Сонце не міняють свого місця в просторі, що Земля рухається по колу навкруги Сонця, що знаходиться в його центрі, і що центр сфери нерухомих зірок співпадає з центром Сонця, а розмір цієї сфери такий, що коло, описуване по його припущенню, Землею, знаходиться до відстані нерухомих зірок в такому ж відношенні, в якому центр кулі знаходиться до його поверхні".

         Система Птоломея

         Становлення астрономії як точної науки почалося завдяки  роботам видатного грецького  вченого Гіппарха. Він перший почав  систематичні астрономічні спостереження  і їх всесторонній математичний аналіз, заклав основи сферичної астрономії і тригонометрії, розробив теорію руху Сонця і Місяця і на її основі – методи передобчислювання затьмарень.

         Гіппарх знайшов, що видимий рух Сонця і Місяця на небі є нерівномірним. Тому він  став на точку зору, що ці світила  рухаються рівномірно по кругових орбітах, проте центр круга зміщений по відношенню до центру Землі. Такі орбіти були названі ексцентрами. Гіппарх склав таблиці, по яких можна було визначити положення Сонця і місяця на небі на будь-який день року. Що ж до планет, то, по зауваженню Птолемея, він не "зробив інших спроб пояснення руху планет, а задовольнявся приведенням в порядок зроблених до нього спостережень, приєднавши до них ще набагато більшу кількість своїх власних. Він обмежився вказівкою своїм сучасникам на незадовільність всіх гіпотез, за допомогою яких деякі астрономи думали пояснити рух небесних світил".

         Завдяки роботам  Гіппарха астрономи відмовилися  від уявних кришталевих сфер, припущених Евдоксом, і перейшли до складніших побудов за допомогою епіциклів  і деферентів, запропонованих ще до Гіппарха Аполлоном Пергськім. Класичну форму теорії епіциклічних рухів надав Клавдій Птоломей.

         Головний твір Птолемея "Математичний синтаксис в 13 книгах" або, як його назвали пізніше араби, "Альмагест" ("Найбільше") став відомим в середньовічній Європі лише в XII в. В 1515 р. він був надрукований на латинській мові в перекладі з арабського, а в 1528 р. в перекладі з грецького. Тричі "Альмагест" видавався грецькою мовою, в 1912 р. він виданий на німецькій мові.

         "Альмагест" - це  справжня енциклопедія античної  астрономії. В цій книзі Птоломей зробив те, що не вдавалося зробити жодному з його попередників. Він розробив метод, користуючись яким можна було розрахувати положення тієї або іншої планети на будь-який наперед заданий момент часу. Це йому далося нелегко, і в одному місці він помітив: "Легше, здається, рухати самі планети, ніж осягнути їх складний рух..."

         "Встановивши"  Землю в центрі світу, Птолемей  представив видимий складний  і нерівномірний рух кожної  планети як суму декількох простих рівномірних кругових рухів.

         Згідно Птоломею кожна планета рухається рівномірно по малому кругу – епіциклу. Центр епіцикла у свою чергу рівномірно ковзає по колу великого круга, названого деферентом. Для кращого збігу теорії з даними спостережень довелося припустити, що центр деферента зміщений по відношенню до центру Землі. Але цього було недостатньо. Птолемей був вимушений припустити, що рух центру епіциклу по деференту є рівномірним (тобто його кутова швидкість руху постійна), якщо розглядати цей рух не з центру деферента Про і не з центру Землі Т, а з деякої "вирівнюючої крапки" Е, названої пізніше еквантом.

         Комбінуючи спостереження  з розрахунками, Птоломей методом  послідовних наближень отримав, що відносини – радіусів епіциклів  до радіусів деферентів для Меркурія, Венери, марса, Юпітера і Сатурна рівні відповідно 0.376, 0.720, 0.658, 0.192 і 0.103. Цікаво, що для передобчислювання положення планети на небі не було необхідності знати відстані до планети, а лише згадане відношення радіусів епіциклів і деферентів.

         При побудові своєї геометричної моделі світу Птоломей враховував той факт, що в процесі свого руху планети дещо відхиляються від екліптики. Тому для марса, Юпітера і Сатурна він "нахилив" площини деферентів до екліптики і площини епіциклів до площин деферентів. Для Меркурія і Венери він ввів коливання вгору і вниз за допомогою невеликих вертикальних кругів. В цілому для пояснення всіх помічених у той час особливостей в русі планет Птоломей ввів 40 епіциклів. Система світу Птоломея, в центрі якій знаходиться Земля, називається геоцентричною.

         Окрім відношення радіусів епіциклів і деферентів для зіставлення  теорії із спостереженнями необхідно  було задати періоди обігу по цих  кругах. По Птоломею, повний оборот по колу епіциклів всі верхні планети  скоюють за той же проміжок часу, що і Сонце по екліптиці, тобто за рік. Тому радіуси епіциклів цих планет, направлені до планет, завжди паралелі напряму із Землі на Сонці. У нижніх планет – Меркурія і Венери – період обігу по епіциклу рівний проміжку часу, а перебігу якого планета повертається до початкової крапки на небі. Для періодів обігу центру епіциклу по колу деферента картина зворотна. У Меркурія і Венери вони рівні року. Тому центри їх епіциклів завжди лежать на прямій, що сполучає сонце і Землю. Для зовнішніх планет вони визначаються часом, в перебігу якого планета, описавши повне коло на небі, повертається до тих же зір.

         Вслід за Аристотелем  Птоломей спробував спростувати  уявлення про можливий рух Землі. Він писав:

         "Існують люди, які затверджують, ніби ніщо не  заважає допустити, що небо нерухомо, а земля обертається біля своєї осі від заходу на схід, і що вона робить такий оборот кожні доби. Правда, кажучи про світила, ніщо не заважає для більшої простоти допустити це, якщо враховувати тільки видимі рухи. Але ці люди не усвідомлюють, до якого ступеня смішно така думка, якщо придивитися до всього, що скоюється навкруги нас і в повітрі. Якщо ми погодимося з ними, – чого насправді немає, – що найлегші тіла зовсім не рухаються або рухаються так само, як і тіла важкі, тоді як, очевидно, повітряні тіла рухаються з більшою швидкістю, ніж тіла земні; якби ми погодилися з ними, що предмети найщільніші і найважчі мають власний рух, швидкий і постійний, тоді як насправді вони насилу рухаються від повідомляються вони поштовхів, - все-таки ці люди повинні були б признатися, що Земля унаслідок свого обертання мала б рух значно швидше за всі тих, які відбуваються навкруги неї, бо вона скоювала б таку велику, коло в такий малий проміжок часу. Таким чином, тіла, які підтримували б Землю, здавалися б тими, що завжди рухаються по протилежному з нею напряму, і ніяка хмара, ніщо летить або кинуте ніколи не здавалося б прямуючим на схід, бо Земля випередила б всякий рух в цьому напрямі".

         З сучасної точки  зору можна сказати, що Птоломей дуже переоцінив роль відцентрової сили. Він також дотримувався помилкового затвердження Аристотеля, що в полі тяжкості тіла падають з швидкостями, пропорційними їх масам...

         В цілому ж, як помітив  А. Паннекук, "Математичний твір" Птоломея "був карнавальним ходом  геометрії, святом якнайглибшого створіння людського розуму в представленні Всесвіту... праця Птоломея представ перед нами як великий пам'ятник науки античної старовини...".