Читать книгу Найкоротша історія часу - Стивен Хокинг - Страница 3

Хоча навіть у добу Христофора Колумба багато хто вважав, що Земля пласка (і сьогодні дехто досі дотримується цієї думки), сучасна астрономія сягає корінням у часи давніх греків. Десь 340 року до нашої ери давньогрецький філософ Аристотель написав твір «Про небо», у якому навів вагомі аргументи на користь того, що Земля являє собою радше сферу, аніж пласку плиту.

Одним з аргументів стали затемнення Місяця. Аристотель зрозумів, що їх спричиняє Земля, яка, проходячи між Сонцем і Місяцем, затінює останній. Учений зауважив, що тінь Землі завжди кругла. Так і має бути, якщо Земля – сфера, а не плаский диск. Якби Земля мала форму диска, її тінь була б круглою не завжди, а тільки в ті моменти, коли Сонце опиняється точно над центром диска. В інших випадках тінь видовжувалася б, перетворюючись на еліпс (видовжене коло).

Мали греки й інший аргумент на користь того, що Земля кругла. Якби вона була пласкою, то корабель, який наближається, спочатку здавався б крихітною, невиразною цяткою на обрії. Із його наближенням можна було б краще розгледіти деталі: вітрила, корпус та ін. Однак усе відбувається інакше. Коли судно з’являється на обрії, перше, що ви бачите, – це вітрила. Тільки потім в очі впадає корпус. Та обставина, що щогли, які підносяться над корпусом, першими з’являються з-за обрію, свідчить про те, що Земля має форму кулі.

Корабель з’являється з-за обрію

Давні греки приділяли значну увагу спостереженням за нічним небом. Протягом кількох століть до Аристотеля вже відстежували переміщення небесних світил. Було відзначено, що серед тисяч видимих зір, які рухалися разом, п’ять (не враховуючи Місяця) пересувалися у свій, особливий спосіб. Іноді вони відхилялися від звичайного напрямку зі сходу на захід і «задкували». Ці світила назвали словом «планета», що в перекладі з грецької означає «блукачка». Давні греки спостерігали тільки п’ять планет: Меркурій, Венеру, Марс, Юпітер і Сатурн, адже лише їх можна побачити неозброєним оком. Сьогодні ми знаємо, чому планети рухаються по дивних траєкторіях. Якщо зорі майже не рухаються порівняно з нашою Сонячною системою, то планети обертаються навколо Сонця, тож їхній шлях нічним небом куди складніший за рух далеких зір.

Аристотель вважав, що Земля нерухома, а Сонце, Місяць, планети й зорі обертаються навколо неї по колових орбітах. Він вірив у це, припускаючи з містичних причин, що Земля – центр Усесвіту, а коловий рух найдосконаліший. У ІІ столітті нашої ери інший грецький учений, Птолемей, розвинув цю ідею, побудувавши довершену модель небесних сфер. Птолемей був захопленим дослідником. «Коли я вивчаю собі на втіху, як міріади зір простують по своїх колах, – писав він, – то земля западається під моїми ногами».

У моделі Птолемея Землю оточували вісім обертових сфер. Кожна наступна сфера була більша за попередню – щось на кшталт російської матрьошки. Земля перебувала в центрі. Що саме лежить за межами останньої сфери, ніколи не уточнювали, але це, безперечно, було недосяжним для людського погляду. Тому найдальшу сферу вважали чимось на кшталт кордону, вмістищем Усесвіту. Зорі нібито займали на ній фіксовані місця, тож за обертання цієї сфери вони рухалися небом разом, зберігаючи взаємне розташування, що ми й спостерігаємо. На внутрішніх сферах розташовувалися планети. На відміну від зір, вони не були жорстко закріплені, а рухалися щодо своїх сфер по невеликих колах, які називалися епіциклами. Це обертання разом з обертанням планетних сфер і робило рух планет відносно Землі таким складним.

У такий спосіб Птолемей спромігся пояснити, чому спостережувані шляхи планет на зоряному небі значно складніші, ніж прості кола.

Модель Птолемея дозволяла досить точно передбачати місце світил на небі. Але для цього вченому довелося припустити, що інколи Місяць, долаючи свій шлях, підходить до Землі удвічі ближче, ніж в інший час. А це означає, що часом він, далебі, здається удвічі більшим! Птолемей знав про цей недолік своєї системи, і все ж вона здобула широке, хай і не загальне визнання. Християнська церква вирішила, що ця картина світу відповідає Святому Письму, бо ж має неабияку перевагу: вона залишала достатньо місця для раю й пекла за межами сфери непорушних зір.

Модель Птолемея

Однак 1514 року польський священик Миколай Коперник запропонував іншу модель. (Спочатку, імовірно, боячись, що його затаврують як єретика, учений поширював свою теорію анонімно.) Революційна ідея Коперника полягала в тому, що не всі небесні тіла мають обертатися навколо Землі. Він стверджував, що Земля й планети обертаються по колових орбітах навколо нерухомого Сонця, розташованого в центрі Сонячної системи. Подібно до моделі Птолемея теорія Коперника працювала добре, проте не зовсім відповідала спостереженням. Її відносна простота порівняно з моделлю Птолемея, здавалося б, обіцяла швидкий успіх. Утім, спливло майже століття, перш ніж цю теорію сприйняли серйозно. Два астрономи – німець Йоганн Кеплер та італієць Ґалілео Ґалілей – відкрито підтримали вчення Коперника.

1609 року Ґалілей почав спостерігати нічне небо за допомогою винайденого власноруч телескопа. Поглянувши на Юпітер, він зауважив, що навколо цієї планети кружляє кілька малих супутників. Це значило, що не всі небесні тіла обертаються навколо Землі, як вважали Аристотель і Птолемей. Водночас Кеплер удосконалив теорію Коперника, припустивши, що планети рухаються не по колах, а по еліпсах. Завдяки такій корективі передбачення цієї теорії збіглися зі спостереженнями. Відкриття Ґалілея й Кеплера завдали смертельних ударів Птолемеєвій моделі.

Хоча припущення про еліптичну форму орбіт дозволило вдосконалити модель Коперника, сам Кеплер сприймав це лише як тимчасову гіпотезу. Учений дотримувався упереджених умоглядних ідей щодо будови Всесвіту. Як й Аристотель, Кеплер вважав еліпси менш досконалими фігурами, ніж кола. Думкою про те, що планети рухаються по таких недосконалих орбітах, він гребував, тож не визнавав її остаточною істиною. Бентежило Кеплера й інше: уявлення про еліптичні орбіти не збігалося з його ідеєю про те, що планети обертаються навколо Сонця під дією магнітних сил. І хоча з тезою, що обертання планет зумовлене магнітними силами, Кеплер дав маху, слід визнати: він мав рацію, коли збагнув, що за рух небесних тіл відповідальна якась сила.

Правильне пояснення того, чому планети обертаються навколо Сонця, з’явилося набагато пізніше, 1687 року, коли Ісаак Ньютон опублікував свої «Philosophiae Naturalis Principia Mathematica»[1], певно найважливішу з будь-коли виданих праць у царині фізики. У «Principia» учений сформулював закон, згідно з яким будь-яке нерухоме тіло залишається в спокої, поки цей стан не порушить якась сила, і описав, як під впливом сили тіло рухається або змінює свій рух.

Отже, чому ж планети рухаються по еліпсах навколо Сонця? Ньютон заявив, що за це відповідальна особлива сила, і стверджував, що вона ж змушує предмети падати на Землю замість залишатися в спокої, коли ми випускаємо їх із рук. Він назвав цю силу гравітацією. (До Ньютона англійське слово gravity означало серйозність, а також властивість предметів бути важкими.) Окрім того, учений розробив математичний апарат, що дозволив кількісно описати, як реагують тіла на дію сил, що притягують їх, як гравітація, і розв’язав отримані рівняння. Таким чином, він зміг довести, що тяжіння Сонця змушує Землю й інші планети рухатися по еліптичних орбітах, точнісінько як напророкував Кеплер! Ньютон проголосив, що його закони застосовні до всього у Всесвіті – від яблука, яке падає з дерева, до зір і планет. Уперше в історії рух планет було пояснено дією тих самих законів, які визначають рух на Землі, і так був покладений початок сучасній фізиці та астрономії.

Коли було знехтувано Птолемеєві сфери, не залишалося жодної причини думати, буцімто Всесвіт має природні межі (окреслені найдальшою сферою). А оскільки положення зір здавалося незмінним, якщо не враховувати їхнього добового руху небом, спричиненого обертанням Землі навколо своєї осі, то природно було припустити, що зорі – це об’єкти, подібні до нашого Сонця, хіба що дуже-дуже далекі. Ми махнули рукою на думку, що тепер уже не тільки Земля, а й Сонце не могло претендувати на роль центра світу. Уся наша Сонячна система була не чим іншим, як звичайнісіньким об’єктом у Всесвіті.