Мир не так прост, как нам кажется, но он не сложнее, чем есть…

Мегамир – мир нашей вселенной, состоящей из ста миллиардов галактик, в каждой из которых около ста миллиардов звёзд.

Какова структура и форма нашей Метагалактики (наблюдаемой части Вселенной) ?

С открытием слабой поляризации реликтового фонового космического излучения ученые склонны полагать, что Метагалактика скорее ближе к плоской, чем к сферической. Запущенный механизм вращения Большим взрывом около 13 млрд. лет назад, создал необходимые условия, когда мы a priori можем предполагать сплюснутость вселенной тем больше, чем с большей скоростью она вращается. В условиях расширяющейся вселенной и большой относительной скорости вращения она должна быть стороннему наблюдателю видеться как уплощенный, расширяющийся диск разбегающихся галактик.

Конец геоцентрической системы Птолемея

Десятки тысяч лет назад, когда человек ушел в своем развитии от братьев меньших – животных, он пытался определить свое место в окружающем мире и представить себе его картину. Осваиваясь в земном пространстве, он не мог не обращать свой взор к небу, где, помимо, казавшихся ему, неподвижных друг относительно друга звезд, видел сложные пути перемещения небесных тел: Солнца, Луны, Венеры, Меркурия, Марса, Юпитера и Сатурна.

Еще египтяне знали, что движение Солнца и Луны можно предсказать. Те, кто умел это делать, занимали особое положение – они были жрецами, знающими тайны богов. Жрецы объявляли о начале года, о праздниках, о сроках полевых работ. Постепенно формировалась необходимость соизмерять жизнь с календарем.

Греки пошли дальше египтян. Они задумались над тем, как устроена вся вселенная, как движутся планеты.

Еще в III веке до нашей эры Аристарх Самосский высказал идею о гелиоцентрической системе – системе планет с Солнцем в центре. Во II веке до нашей эры на острове Родосе и в Александрии наблюдал звезды Гиппарх, который первым научился предсказывать положение Солнца и Луны, создав первую теорию их движения. Древние астрономы видели, что каждая планета перемещается по своим особым правилам; поэтому они говорили о теории движения Марса, Луны и т.д., разделяя сложное движение на несколько более простых. Первым главным движением было суточное перемещение неба, вторым – его годовое движение. В этих двух движениях участвовали все семь сфер, которые тянули за собой планеты. Восьмая сфера (к ней были прикреплены звезды) была неподвижна. Однако эти простые движения не удовлетворяли «принципу инерции Аристотеля». Скорости их были непостоянны. Наблюдалось изменение в направлении перемещения планет («попятное» движение). Тем не менее, теория Гиппарха позволяла определять положение Солнца и Луны с ошибкой меньше одной угловой минуты.

Первую последовательную схему планетной системы дал Клавдий Птолемей, работавший в Александрии в средине II века нашей эры. Он в значительной степени опирался на труды Гиппарха, которые, к сожалению, не дошли до наших дней. Свои представления о мире он изложил в сочинении «Математический трактат в XIII книгах». В арабском переводе, в котором с ним знакомились средневековые ученые, оно называлось «Альмагест» (от греческого слова – величайшее).

Птолемей считал, что в центре вселенной расположена Земля, а вокруг нее вращается семь сфер, которые влекут за собой семь планет в таком порядке: Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн. Однако он ничего не говорил о причине движения небесных тел. Почти вся наука о движении обобщена Аристотелем (384 – 322 г. до н.э.). Он указывал, что … «единому и простому телу присуще и простое движение. Из простых же движений – одно прямолинейное, другое круговое; из прямолинейных – одно движение идет вверх, другое вниз. Поэтому всякое простое движение идет или к середине вниз, или от середины вверх, или вокруг середины, и это движение круговое. Только Земле и воде, которые считаются тяжелыми, следует двигаться вниз, т.е. стремиться к середине, воздух же и огонь, обладающие легкостью, должны двигаться вверх и удаляться от середины. И, кажется, вполне сообразным приписать этим четырем стихиям прямолинейное движение, а небесным телам предоставить вращаться вокруг середины». Вот и вся механика древних в понимании Аристотеля.

Накопление знаний об окружающем мире привело к развитию астрономических исследований не только в Европе, но и в Азии. Самый крупный степной квадрант позволил Бируни (973 – 1048) измерить положение Солнца с точностью около 2°. Им впервые наиболее точно определен радиус Земли, равный 6000 км (против современного 6371 км). Бируни высказывал сомнения по поводу геоцентрической системы Птолемея в своей «Книге истолкования основных начал астрономии».

Важнейшие достижения астрономии связаны с именем Улугбека (Мухаммед Тарагай, 1394 – 1449 гг). Он со своими соратниками заново измерил главные астрономические постоянные – наклон эклиптики к экватору, положение на небе точки весеннего равноденствия, уточнил длину тропического солнечного года, составил новый каталог из 1018 звезд (через 13 веков после Птолемея!), который получил название «Новые астрономические таблицы». Свои исследования он выполнял с помощью самого крупного на то время квадранта, радиус которого равнялся 40 м. Обсерватория Улугбека была разрушена, а сам он убит в результате конфликта на идейной почве с мусульманским духовенством.

Геоцентрическая система Птолемея просуществовала 15 веков и дожила, почти не изменившись, до Николая Коперника (1473 – 1543). Церковь стимулировала развитие астрономии для целей создания календаря. Но Николай Коперник поставил перед собой задачу, кроме уточнения календаря на основе астрономических наблюдений, исключить противоречия в наблюдаемом движении небесных тел и совместить «принцип инерции Аристотеля» на основе кинематики движения. Так что не вопрос о календарной реформе, который всплыл во времена Коперника, интересовал самого астронома. Вопрос о календарной реформе был лишь поводом для того, чтобы ответить на вопросы, которые волновали великого астронома. Он не мог принять сложной системы катящихся сфер Птолемея, его «эпициклов» и «деферентов».

Гелиоцентрическая система

Гипотеза Коперника была проста. Оказалось, что надо всего-навсего поменять в старой птолемеевской системе Землю и Солнце местами, оставив только Луну вращаться вокруг Земли. Но эта простая гипотеза была недоступна для понимания большинству современников Коперника. Первый раз в истории науки наблюдатель был лишен своего привилегированного (центрального) положения, и обсуждался вопрос о картине, наблюдаемой в другой (движущейся относительно наблюдателя) координатной системе. Такой шаг был еретическим не только с точки зрения церкви: – Земля и человек перестали быть главными во вселенной, – но и с точки зрения механики – никогда еще относительность движения не использовалась для решения конкретных задач.

Поместив центр планетной системы в Солнце, Коперник сразу же упростил ее схему. Тысячи лет очевидная птолемеевская ситема оказалась неверной. Вероятная же гелеоцентрическая модель Коперника многим его современникам казалась не очевидной, противоречащей логике наблюдений… Но в том-то и дело: наблюдаемое не всегда истинно, если от наблюдения скрыта некоторая сущность, ведущая к парадоксам.

По схеме Коперника суточное движение неба объяснялось вращением Земли вокруг своей оси, годичное движение – обращением ее вокруг Солнца. Исчезло неравенство «попятного» движения планет, которое стало следствием разной угловой скорости движения Земли и других планет на своих орбитах. Замечательным способом отпала необходимость и в гипотезе о вращении восьмой сферы: для объяснения движения звезд достаточно было предположить, что плоскость орбиты Земли медленно вращается в сторону, обратную движению самой Земли по орбите.

Однако и система Коперника не объясняла неравномерность движения планет. Для этого ему самому понадобилось введение 34 кругов собственного вращения планет. То есть, система Коперника принципиально не была точнее системы Птолемея. Более того, изменение системы отсчета не могло изменить результатов вычислений. Однако переход к гелиоцентрической системе настолько изменял все представления о строении мира, что за ним вскоре последовали открытия Галилея и Кеплера, а затем и создание механики Ньютона. Поэтому книга Коперника оказалась фундаментом, на котором построена вся современная наука. Именно в этом смысле ее считают одной из величайшей книг, когда-либо написанных рукой человека, а также в том, что гелиоцентрическая система Коперника, в отличие от системы Птолемея, позволяла включить в систему расчетов движения планет расстояние от Земли до Солнца.

Коперник оставил своим последователям замечательную таблицу периодов обращения планет и их средних расстояний от Солнца. Эти числа позволили Кеплеру открыть новые законы мироздания.

При жизни мало кто понимал, что сделал Коперник. Среди тех, кто не смог его понять, унижая при этом достоинство, был Мартин Лютер, тот самый деятель Реформации в Германии (1483 – 1546), который утвердил нормы литературного языка и перевел Библию на немецкий язык. Он писал о Копернике: «Рассказывают о новом астрономе, который хочет доказать будто Земля вращается вокруг себя, а не небо, Солнце и Луна; но это все равно, как если бы кто-либо сидит в телеге или на корабле и движется, а думает, что остается на месте, а земля и деревья идут и движутся. Но тут дело просто в том, что если кто-либо хочет быть умным, то ему надо выдумать что-либо собственное и считать самым лучшим то, что он выдумал. Дурак хочет перевернуть все искусство астрономии…». Но история все расставила по своим местам.

Оценка новой теории католиками не отличалась по сути, будучи, впрочем, по форме намного более сдержанной. Так, астроном Христоф Клавий, внесший неоценимый вклад в разработку григорианского календаря, которым мы до сих пор пользуемся, писал: «Возникает сомнение, какая система предпочтительнее – Птоломея или Коперника. Обе они согласуются с наблюдаемыми явлениями

Бесконечность Вселенной

Следующий за Коперником крупный шаг в познании Мира сделал итальянский философ-пантеист Джордано Бруно (1548 – 1600). Развивая идеи Николая Кузанского и гелиоцентрическую космологию Николая Коперника, он выступил в своем сочинении «О бесконечности, вселенной и мирах» с утверждением о том, что вселенная бесконечна, что звезды – это далекие солнца, они заполняют всю вселенную и вокруг них движутся планеты, на многих из которых возможна разумная жизнь (1584 г). Тем самым он предугадал грядущие научные открытия на столетия вперед. Он писал: «Небо… единое безмерное пространство, лоно которого содержит всё, эфирная область, в которой все пробегает и движется. В нем – бесчисленные звезды, созвездия, шары, солнца и земли… разумом мы заключаем о бесконечном количестве других»; все они имеют свои собственные движения… они кружатся вокруг других». Он утверждал, что не только Земля, но и никакое другое тело не может быть общим центром мира, так как вселенная бесконечна и «центров» в ней бесконечное число. Он говорил об изменчивости тел во вселенной (признавая их развитие), в частности, об изменчивости поверхности Земли, считая, что в течение огромных промежутков времени «моря превращаются в континенты, а континенты – в моря». И эта прозорливость гения человечества подтвердится через столетия в рамках развития геологии.

Учение Бруно вскрывало убожество священного писания, опиравшегося на примитивные представления о существовании плоской Земли. Смелые идеи и выступления Бруно вызывали ненависть к ученому со стороны церкви. И когда в тоске по родине Джордано Бруно вернулся в Италию, он был выдан своим же учеником инквизиции. Его обвинили в богоотступничестве и после семилетнего заключения в тюрьме сожгли на костре в Риме на площади Цветов. Теперь здесь стоит памятник с надписью: «9 июня, 1989 г. Джордано Бруно. От столетия, которое он предвидел, на том месте, где был зажжен костер».

Галилео Галилей (1564 – 1642), один из основателей точного естествознания, вооружил астрономию своего времени инструментом, построив телескоп с 32-х кратным увеличением, и открыл горы на Луне, 4 спутника Юпитера, фазы Венеры, пятна на Солнце. Заложил основы современной механики и выдвинул идею об относительности движения. Установил закон инерции, свободного падения. Активно защищал гелиоцентрическую систему, за что был предан суду инквизиции и вынужден был отречься от учения Н.Коперника (1633).

Иоганн Кеплер понял дефекты системы Коперника: планеты на самом деле должны двигаться не по окружностям, как полагал Коперник, а по эллипсам; а описание их движения «многими окружностями» не может быть ни простым, ни точным.

В Граце Кеплер написал и издал свою первую крупную работу «Тайна вселенной» (1596), в которой он пытался построить гелиоцентрическую систему мира, устанавливая числовую зависимость между расстояниями планет от Солнца и размерами правильных многогранников. Свою книгу он послал Галилео Галилею и Тихо Браге, двум известным астрономам того времени. Оба ученых ответили незамедлительно и достойно оценили труд учёного.

После тяжелых испытаний в жизни, Кеплер работает совместно с Тихо Браге. Зимой 1601 года на основе точных для своего времени астрономических наблюдений Кеплер выводит один из законов движения планет, который впоследствии получает название Второго закона движения («закон площадей»): радиус-вектор планеты описывает в равные промежутки времени равные площади. Или иначе: радиус-вектор планеты описывает площади, пропорциональные временам.

Свой Первый закон Кеплер сформулировал в 1605 году: каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.

Оба закона Кеплера были опубликованы в его книге «Новая астрономия», которая увидела свет в 1609 году в Гейдельберге. Третий закон был найден позднее, в 1618 году. Он приведен в книге Кеплера «Гармония Мира», изданной в 1619 году. Он гласит: в невозмущенном эллиптическом движении двух материальных точек произведения квадратов времени обращения на суммы масс центральной и движущейся точек относятся как кубы больших полуосей их орбит.

Если пренебречь массами планет по сравнению с массой Солнца, получим третий закон Кеплера в его первоначальном виде: квадраты времен обращений планет вокруг Солнца пропорциональны кубам больших полуосей их эллиптических орбит.

С выходом в свет работ Коперника, Галилея, Кеплера, с открытием законов небесной механики Ньютона, которые управляли движением небесных сфер, астрономия получила надежную теоретическую и практическую базу для своего развития. Астрономия начала свое стремительное развитие.

В 1789 году основоположник звездной астрономии англичанин Вильям Гершель (1738 – 1822) построил крупный по тому времени телескоп – 12-ти метровый рефлектор с диаметром зеркала 122 см. В 1881 году он раздвигает границы Солнечной системы, открыв планету Уран. Гершель разработал новый метод изучения строения звездной системы, основанный на статистических подсчетах звезд в разных участках небосвода, и впервые установил, что все наблюдаемые звезды составляют огромную сплюснутую систему – Млечный Путь (или Галактику), к которому принадлежит и наше Солнце.

К 1802 году он открывает более 2 тысяч новых туманностей (в том числе около 200 двойных и кратных), а также сотни новых визуально-двойных звезд, которые вращаются относительно общего центра тяжести. Наконец, он на основе собранного им громадного фактического материала построил свою звездно-космогоническую теорию развития космической материи под действием сил тяготения – от разреженных, хаотических форм к сложно организованным – звездам и звездным системам. Наиболее старыми он считал шаровые скопления, которые в ходе дальнейшего сжатия, могли взрываться и давать начало новому циклу сжатия разлетевшейся материи.

На основе работ Гершеля астрономия получила мощнейший импульс своего дальнейшего развития.

Немецкий астроном Фридрих Вильгельм Бессель (1784 – 1846) и русский астроном В.Я Струве открывают возможности определения расстояний до звезд. Бессель предсказывает наличие спутников у Сириуса, предвосхищает открытие двойных звезд. Французский астроном У.Ж. Жозеф Леверье (1811 – 1877) по гравитационному возмущению Урана вычислил положение Нептуна (1846), а впоследствии немецкий астроном Галле обнаружил ее в точно указанном месте. Федор Александрович Бредихин (1831 – 1904) разрабатывает первую механическую теорию движения вещества в хвостах комет.

Рубеж XIX и XX веков и XX век оказались весьма эффективны с точки зрения познания всей структуры вселенной с появлением всеволновой радиоастрономии и достижений атомной физики и астрофизики.

Английский физик и астроном Джеймс Хопвуд Джинс (1877-1946) высказывает идею о внутриатомной природе источников звездной энергии, а в 1917 году он обратил внимание на то, что вещество в недрах звезд должно быть полностью ионизованным и потому совершенно однородным, близким к состоянию идеального «электронно-ядерного» газа.

Теорию внутреннего строения звезд создает Артур Стенли Эддингтон (1882-1944). Он рассчитывает диаметр нескольких красных гигантов, определяет плотность карликового спутника звезды Сириус. Американский астроном Харлоу Шепли (1885 – 1972) предложил метод определения расстояний до удаленных звездных скоплений на основе наблюдения переменных звезд – цефеид.

Революционные исследования американского астронома Эдвина Паула Хаббла (1889 – 1953) позволили определить расстояния до далеких туманностей и галактик. Он открыл явление разбегания галактик и создал основу для исследования расширяющейся вселенной, вычислив коэффициент этого расширения (названный «постоянной Хаббла»).

Американский астроном Генри Норрис Рессел (1877 – 1957) и датский астроном Эйнар Герцшпрунг (1873 – 1967) на основе исследования светимости звезд различных классов установили зависимость (зависимость Герцшпрунга-Рессела), выражающую связь между светимостью и температурой звезд, что дало возможность наметить пути эволюции разных звезд и определить их последовательный характер изменения.

Рис.6. Диаграмма Герцшпрунга-Рессела. Иллюстрирует зависимость светимости от температуры, спектрального класса звезд и возраста их на главной последовательности. Цифрами внутри диаграммы показаны массы звезд относительно Солнца

Практически одновременно исследуется концепция образования планет Солнечной системы. Теория Джинса, популярная в 20-30-х годах нашего столетия, объяснявшая это явление выбросом струи вещества из Солнца вследствие влияния пролетавшей мимо звезды, оказалась несостоятельной. Это показали расчеты американского астронома Генри Рессела и русского астронома Н.Н.Парийского. Теория Отто Юльевича Шмидта (1891 – 1956) обосновывала «холодное» образование Земли и других планет Солнечной системы (в отличие от «горячего» происхождения по гипотезе Канта-Лапласа) из газово-пылевого облака, захваченного Солнцем. Василий Григорьевич Фесенков (1889 – 1972) показал, что Солнце и планеты вокруг него образовались одновременно из межзвездного газа. В пользу таких представлений сегодня имеются убедительные геохимические и космохимические аргументы о близости вещественного и изотопного состава вещества Солнечной системы.

Бурное развитие науки в познании микро-, макро- и мегамира стимулируется получением синтетических знаний о Природе на основе современных достижений в области всех естественных наук и технологий. Вывод на орбиту искусственных спутников Земли с различной астрономической и астрофизической аппаратурой (телескоп «Хаббл»), полет к другим планетам космических станций типа «пионеров», «вояджеров», «венер», «марсов» и так далее, высадка на поверхность Венеры, Луны, Марса космических аппаратов, полет человека к Луне, комете Галлея – это вехи современного массированного изучения окружающего мира.