Рене Декарт

Галилео Галилей

Итальянский физик, механик и астроном Галилео Галилей (1564 – 1642) стал одним основателей современного естествознания и кинематики (экспериментально-математическую науку о движении, законы которой он вывел в результате обобщения данных специально поставленных научных опытов) (См. Приложения, рис.11,с. 26).

Он ввел в механику точный количественный эксперимент и математическое описание явлений, утверждая, что «книга природы написана языком математики». Далее он разработал индуктивный метод (т.е. сначала производился количественный анализ наблюдаемых частных явлений, который затем постепенно приближался к идеальным условиям).

С астрономических наблюдений Галилея начинается новая оптическая эра в наблюдательной астрономии. Он самостоятельно сконструировал усовершенствованный вариант зрительной трубы (изобретенной в 1609 году в Голландии), применив, соответственно, для объектива и окуляра плоско-выпуклое и плоско-вогнутое стекла (См. Приложения, рис.10,с. 26). Она давала прямое мнимое изображение предмета и действовала, как теперь ясно, по принципу бинокля. Он же довел увеличение от трех до 32 раз. Благодаря телескопу Галилея колоссально расширились пределы наблюдаемой Вселенной и впервые подтвердились некоторые гениальные догадки древнегреческих натурфилософов.

Например, в бледных облаках Млечного Пути Галилей обнаружил огромные скопления звезд, подтвердив догадку Демокрита, сделал вывод о звездном составе наблюдавшихся туманностей, или, как их тогда называли «туманных звезд». До этого ученого их обычно считали более плотными частями твердой небесной сферы, якобы отражавшими солнечные лучи. Таким образом, Галилей доказал, что увеличение мощности наблюдательных средств нужно, что с его помощью можно изучать действительное строение и состав окружающей Вселенной.

Галилей окончательно отрицал возможность расположения звезд на одной сфере и утверждал, что не найдется и четырех равноудаленных от любой точки Вселенной звезд.

Однако в области астрономических исследований основное внимание Галилей сосредоточил на совершенно неожиданных, никем не предсказанных ранее явлениях, открытых им в мире планет. Ученый первым описал реальный рельеф Луны – не гладкую, а с неровностями поверхности. Открыл на диске Солнца маленьких ярких образований (очевидно, факелов), которые перемещались подобно темным пятнам. Это позволило Галилею окончательно подтвердить вращение нашего светила. Также именно он открыл спутники у Юпитера и фазы у Венеры.

Но провозглашать истинность гелиоцентрической картины мира в Италии XVII века было опасным. К сожалению, суд инквизиции принудил Галилео Галилея отказаться от «заблуждений». Но и после этого ученый продолжал работать и сумел в далекой протестантской Голландии переиздать несколько раз свои труды.

Первую универсальную физико-космологическую и космогоническую картину мира на основе гелиоцентризма попытался построить великий французский ученый и философ, физик, математик, физиолог Рене Декарт (по латыни – Картезиус, 1596 – 1650). (См. Приложения, рис.9,с. 25).

Декарт ввел новое направление в философии естествознания – построение материалистических физико-космологических картин мира, опиравшихся на механику. Также установил закон преломления света в оптике, заложил основы аналитической геометрии. Метод Декарта – логическое рассуждение как основное средство установления истины, недоверие голому эксперименту – получил название дедуктивного метода. Однако Декарт не только не отрицал необходимости экспериментального исследования, но и сам был блестящим экспериментатором в физике, особенно в оптике, механике, физиологии.

Он утверждал, что все явления природы объясняются механическим взаимодействием элементарных материальных частиц. Взаимодействие это он представлял себе в виде давления или удара при соприкосновении частиц друг с другом. Он развил возрожденную Коперником идею относительности движения. Так, если одна частица движется к другой, то с таким же правом можно считать, что вторая движется к первой.

В космогонии Декарт развил античную идею космического материального вихря. Следовательно ей, все небесные тела образовались в результате вихревых движений, происходивших в однородной вначале мировой материи – эфире. Этим и объясняется разнообразие природы.

По мнению Декарта, Солнечная система представляет собой один из таких вихрей мировой материи. Солнце состоит из более тонкой мировой материи, а планеты и кометы – из более крупных частиц, отброшенных в процессе вращения к периферии. Планеты движутся, увлекаемые мировым вихрем. Декарт внес и новую идею для объяснения тяжести: он считал, что в вихрях, возникающих вокруг планет, частицы давят друг на друга и тем вызывают явление тяжести.

Но его рассуждения противоречили схоластической науке, что и вызвало ненависть со стороны церкви. Все произведения его были осуждены Ватиканом и внесены в папский «Индекс» запрещенных книг. Затем королевским указом было запрещено преподавание философии Декарта во всех учебных заведениях Франции.

Картезианство все же распространялось в науке (как и все остальные запрещенные труды). Далее, в XVIII веке, естествознание жило в постоянном противостоянии картезианства и ньютонианства.

Глава 4. Развитие науки до конца XIX века

 

XVIII век вошел в историю как период быстрого развития мореплавания. Для составления точных географических карт нужно было найти метод измерения долгот на море. Многие европейские страны были заинтересованы в способе решения этой задачи и назначали все более дорогую премию лучшим изобретателям. Так были основаны первые в Европе государственные обсерватории: Копенгагенская, Парижская, Гринвичская.

Первым директором Гринвичской обсерватории стал Джон Флестимид (1646-1719), носящий титул Королевского астронома. К сожалению, государство не предусматривало финансовой помощи ученому, и если бы не наследство от отца и влиятельные друзья, Джон не смог бы первоклассно оснастить обсерваторию. Именно он составил первый звездный каталог по наблюдениям в телескоп с точным угломерным инструментом.

Исаак Ньютон (1642-1727) – английский физик, механик, астроном, математик. Сформулировал основные законы классической механики, открыл закон всемирного тяготения. В 1668 г. он разработал конструкцию зеркального телескопа-рефлектора. Главный труд Ньютона «Математические начала натуральной философии» был первым маяком для всех работ по небесной механике в течение последующих двух веков. В книге «Оптика» он объяснил большинство световых явлений с помощью развитой им теории света.

Ньютон пользовался данными Флестимида для разработки теории движения Луны, которая затем приобрела практическое значение. Теперь любой капитан корабля мог узнать точное гринвичское время по положению Луны. Зная местное время из наблюдений звезд, он без труда определял долготу своего корабля.

Английский астроном и геофизик Халли Эдмунд Галлей (второй Королевский астроном) (1656-1742) на основе ньютоновской гравитационной теории в 1705 г. установил периодичность комет и спрогнозировал возвращения кометы 1682 года. Затем он впервые научно обосновал космическую природу болидов. В 1718 обнаружил, что некоторые звезды немного изменили свое положение с античных времен и что светила, считавшиеся неподвижными, имеют собственные движения одна относительно другой. Это подтвердили и другие астрономы; вскоре собственные движения звезд стали изучаться.

Теория Ньютона о сплюснутости Земли была подтверждена в результате экспедиции Парижской академии наук (1735-1743) для измерения длины градуса в Перу и Лапландии. Далее был издан высокоточный звездный каталог Брадлея, куда входили 3268 звезд. В 1761 году М. В. Ломоносов открыл атмосферу на Венере.

Учения об устройстве мира усовершенствовались. Т. Райт создал труд «Оригинальная теория, или новая гипотеза Вселенной», где Вселенная описывалась островной и гравитационной. И. Кант во «Всеобщей естественной истории и теории неба» развил концепцию иерархической, развивающейся гравитационной Вселенной, описал космогоническую метеоритную планетную гипотезу. Ф. Эпинуса анонимно опубликовал сочинение с идеей ледяного ядра комет и гипотезой о поддержании энергии Солнца за счет падения на него комет как «топлива». В 1798-1825 гг. пятитомный «Трактат о небесной механике» Лапласа завершил создания основ классической небесной механики. Наконец, в 1800 году В. Гершелем в спектре Солнца было открыто инфракрасное излучение.

В XIX веке активизировалось составление каталогов звезд, туманностей и других объектов. Сейчас ярчайшие туманности известны по их номерам в каталоге Ш. Месье. А многие туманности и звездные скопления до сих пор обозначают их номерами по NGC (Новый общий каталог туманностей и звездных скоплений Дрейера). Также получила развитие астрофизика. Стали изучаться эволюция небесных тел, физика космических процессов.

 

Глава 5. Современные представления

 

XX век начался со свержения механики Ньютона как универсального принципа мироздания. Полностью преобразили существующую картину мира два великих открытия: квантовая механика Планка – Бора – Дирака и теория относительности Эйнштейна. Изменили они и астрономию. Александр Фридман в 1922 году стал автором теории расширяющейся Вселенной, которой придерживаются до сих пор. Немалые успехи были достигнуты и в астрофизике. Труды Шварцшильда, Эддингтона, Джинса, Шепли, Шкловского, Зельдовича и многих других в общих чертах построили картину происхождения и эволюции звезд и галактик.

Один из основоположников теоретической астрофизики – немецкий астроном Карл Шварцшильд (1873–1916). В 1906 году он построил теорию переноса лучистой энергии веществом звезды. На основе открытия ввел систему уравнений, описав перенос лучистой энергии из недр Солнца наружу. Решив эти уравнения, он смог вычислить температуру каждого слоя внутри Солнца. Далее ученый сформулировал общие уравнения звездной статистики, дал общее полное решение этих уравнений. Независимо от А. Зоммерфельда вывел основные правила квантования, дал полную теорию эффекта Штарка (влияние электрического поля на свет), начал развивать квантовую теорию молекулярных спектров. В 1911 объяснил распределение яркости в хвосте кометы Галлея механизмом флуоресцентного свечения молекул.

Ученым удалось определить размеры и общую массу нашей Галактики, а также выяснить, что Солнце расположено в ней далеко от центра. Вращение Галактики было обнаружено на основе статистического анализа русским астрономом М. А. Ковальским в 1859 и детально исследовано голландским астрономом Я. Оортом в 1927.

Эйнар Герцшпрунг (1873–1967), датский астроном, составил диаграмму зависимости звездной величины от показателя цвета звезд в скоплениях Плеяды и Гиады (1911). Через два года американский астроном Ресселл построил аналогичную диаграмму для всех звезд с известными расстояниями, получившую название диаграммы Герцшпрунга – Расселла. На ней звезды разбиваются на группы по сходным физическим характеристикам. Большинство звезд расположились на «Главной последовательности», простирающейся по диагонали от горячих голубых звезд со светимостью в 1000 раз большей, чем у Солнца, через белые звезды, желтовато-белые, желтые (Солнце), оранжевые к красным карликам, в 1000 раз слабее Солнца. Эта диаграмма стала основой для исследований эволюции звезд.

Имя Эдвина Хаббла, американского астронома (1889-1953), встало в один ряд с Николаем Коперником (См. Приложения, рис.12,с. 26). Оба они совершили революцию в представлениях о Вселенной.

В 1923-1924 гг. он доказал звездный состав туманности Андромеды и двух других спиральных туманностей и, обнаружив в них цефеиды, убедительно определил расстояние до ближайшей из них в 900000 св. лет, что сняло все сомнения в реальности островного характера наблюдаемой Вселенной. Годом позже разработал первую классификацию галактик, в основном оставшуюся неизменной до сих пор.

Он исследовал интересное явление, состоящее в том, что линии спектра далёких галактик смещены в красную сторону (красное смещение). Если это смещение трактовать как эффект Доплера, то оно свидетельствует об удалении галактик со скоростями, пропорциональными их расстоянию, т. е. об общем расширении наблюдаемой части Вселенной.

Коэффициент пропорциональности Н, или постоянная Хаббла, является одной из фундаментальных постоянных величин в космологии. Его значение, определенное Хабблом как 550 км/(с*Мпк), в настоящее время, после неоднократного уточнения, принимается равным 75 (вернее от 50 до 100) км/(с*Мпк). Это значит, что галактики, удаленные на 1 млн парсек, удаляются от нас со средней скоростью 75 км /с, а те, что в 100 раз дальше, разлетаются в 100 раз быстрее.

Вся наша наблюдаемая Вселенная, оказалась эволюционирующим в целом объектом, имеющим начало, развитие и конец. На основе открытия Хаббла Георгий Гамов сформировал в 40-70-е гг. новая космологическая теория "Большого Взрыва" как начала нашей Вселенной. Но только в самые последние годы было обосновано, что и эта, казалось, универсальная картина относится лишь к части материального мира – к нашей Метагалактике. Это показано в новой теории "расширяющейся Вселенной", в которой утверждается возможность множественности как во времени, так и в пространстве самих Метагалактик.

Происходит огромное развитие техники наблюдений. Строятся большие рефлекторы, в которых быстро темнеющие металлические зеркала заменены стеклянными, посеребрёнными химическим путём или покрытыми слоем алюминия катодным распыливанием в высоком вакууме. Диаметр зеркал увеличивают, что позволяет рассматривать звёзды в 1010 раз слабее наиболее ярких.

Большие успехи достигнуты в создании новых типов приёмников излучения. Благодаря фотоэлектронным умножителям, электронно-оптическим преобразователям, методам электронной фотографии и телевидения значительно повысилась точность и чувствительность фотометрических наблюдений. Стал доступным наблюдению мир далёких галактик, находящихся на расстояниях млрд световых лет.

В 30-х гг. появился новый, быстро развивающийся раздел астрономии — радиоастрономия. Ученые обнаружили, что из многих точек небесной сферы к нам приходят электромагнитные излучения в диапазоне от миллиметровых до метровых волн. Таким образом были открыты квазары (определение) и пульсары. С помощью радиоастрономических наблюдений подтверждено спиральное строение Галактики.

Исследование особых частиц – нейтрино – образованных при генерировании энергии звезд, привело к возникновению ещё одной отрасли – нейтринной астрономии. Она открыла новые возможности в небесной механике и астрофизике, в частности при вычислении движения искусственных спутников и межпланетных ракет.

Получены новые сведения о движениях звёзд и расстояниях до них. Разработанные методы определения светимости звёзд по характеру их спектра позволили фотометрическим путём определять расстояния до значительно более удалённых звёзд. Пульсирующие переменные звёзды – цефеиды явились объектами, позволяющими определять расстояния до удалённых звёздных скоплений, галактик, где эти звёзды наблюдаются. Широко развилось исследование переменных звёзд, в значительной мере благодаря работам русских и советских учёных. Международный центр, систематизирующий эти исследования, теперь находится в Москве.

Современная физика помогает найти и изучить источники звёздной энергии и разработать теорию эволюции звёзд на основе ядерных процессов, совершающихся в их недрах. А результаты астрофизических исследований значительно способствовали успехам ядерной физики.

В XX веке астрономия стала всеволновой. Сначала были изобретены радиотелескопы, а во второй половине века были построены и запущены космические лаборатории, при помощи которых человек исследует Вселенную во всех диапазонах: от радио- до гамма-излучения. Запуск первого искусственного спутника Земли в 1957 году открыл новую эпоху в жизни человечества – космическую эру.

Сейчас мы живем в XXI веке. К сожалению, даже сегодня мы не можем утверждать, что наши представления об устройстве Вселенной полны и окончательны. Что еще предстоит решить нашим ученым?

- как образовались планеты Солнечной системы, их спутники и кольца;

- какова природа планет у других звезд;

- возможно ли во всех деталях понять жизнь звезд;

- в какой форме вещества содержится скрытая масса Вселенной;

- как рождались галактики разных типов;

- какие новые знания о Вселенной несут нейтринные потоки и гравитационные волны;

- можно ли понять загадку рождения Вселенной и предугадать ее дальнейшую судьбу?

Поэтому белые пятна в астрономии ждут своих ученых – первооткрывателей.

Заключение

 

Подводя итог проделанной работе, можно сказать, что двигателем любых открытий во все времена являлись практические потребности. Еще в первобытном обществе, а потом и древнейших цивилизациях люди поняли ценность знаний о небесных светилах в повседневной жизни.

Конечно, определенный застой в развитии астрономии образовывался благодаря священному стремлению людей сохранять традиции в средние века. Отказываясь принимать новые, даже теоретически и экспериментально доказанные версии устройства Вселенной, человечество тормозило эволюцию древней науки.

Когда церковью была узаконена теория Аристотеля-Птолемея, несколько веков никакие опровергающие факты не могли удалить ошибочное мнение из сознания людей (власть религии была очень велика). Христианским принципам как нельзя лучше соответствовало утверждение о центральном, непоколебимом положении Земли в мире. Поэтому гелиоцентрическая система Коперника (о центральности Солнца говорили еще в древности) стала настоящей революционной ломкой старых суждений.

Далее, согласно извечному любопытству человека, «запретное» учение Николая распространилось в среде исследователей неба. Многие не только его поддерживали, но и развивали. Так, знаменитый Джордано Бруно за опасные утверждения о том, что звезды – такие же солнца, и на них есть разумная жизнь, расплатился своей жизнью. Затем выдающийся ученый, Галилео Галилей, сконструировавший телескоп и сделавший множество открытий, подтверждающих гелиоцентрику, был вынужден отказаться от них. И лишь спустя почти 360 лет, в 1992 году был полностью оправдан католической церковью.

Новое время помогло выйти на следующий уровень развития астрономии – теперь стало ясно, что движение вперед важно, что уточнение и обновление застаревших данных просто необходимо. Различные карты звездного неба, каталоги космических объектов, а в XX веке – сооружение лучшей техники для наблюдений, а также первые полеты в космос, запуск спутников довели древнейшие представления о Вселенной до современной теории устройства мира.

Несмотря на все сложности и препятствия долгой истории развития астрономии, ученые не сходили с верного пути, не отступались от своих идей и взглядов. Мы должны быть благодарны их труду и работе, а, возможно, и последовать их примеру.