Астрономия за 1 час - Наталья Сердцева

Галилей разглядел горы и впадины на Луне и темные пятна на Солнце; он заметил, что пятна перемещаются, и пришел к заключению, что Солнце, как и Земля, вращается вокруг своей оси. Он понял, что Луна не светится, а лишь отражает падающий на нее солнечный свет. Ему удалось обнаружить у Юпитера четыре спутника, позже их назвали в его честь Галилеевыми. Еще одна находка Галилея относилась к Венере: он увидел, что у этой планеты, как и у Луны, есть фазы.

После того как Галилей выпустил книгу «Диалоги о двух главнейших системах мира», на него обрушился гнев инквизиции. Гелиоцентризм был официально запрещен как вредная и опасная ересь, к Галилею применили пытки и заставили его публично отказаться от своих взглядов.

Изобретение телескопа позволило астрономам в прямом смысле приблизиться к тайнам звездного неба. Вплоть до XVII в. наблюдения за небесными объектами были случайными и не систематизированными. Но с того момента, как телескопы стали доступны, сотни энтузиастов стали вести регулярные наблюдения и делать заметки. Астрономия становилась точной наукой.

Одним из первых систематизацией и классификацией звездного неба занялся астроном из Дании Тихо Браге. Ему удалось не только усовершенствовать существующие астрономические приборы, но и создать множество собственных, облегчивших наблюдения и расчеты. В течение 20 лет Браге практически ежедневно регистрировал положение на небе планет, Луны и Солнца; этот титанический труд позволил создать точнейшие таблицы. Кроме того, Тихо Браге составил каталог звезд, включивший в себя около тысячи объектов. Ему же принадлежит честь открытия сверхновой звезды в созвездии Кассиопеи и доказательство того, что комета – это небесное тело, а не атмосферное явление.

1.3. Небесная механика Ньютона и законы движения небесных тел

Наблюдения и измерения Тихо Браге позволили его ученику, немецкому ученому Иоганну Кеплеру, сделать следующий шаг в развитии астрономии.

Геоцентрическая система мира Птолемея и гелиоцентрическая система Коперника

Рассчитывая орбиту Марса, Кеплер обнаружил, что она представляет собой не окружность, как считал Коперник и другие ученые, а эллипс. Поначалу он не распространял этот вывод на другие планеты, но позже понял, что не только Марс, а все планеты имеют эллипсоидную орбиту Таким образом был открыт первый закон движения планет Кеплера. В современной формулировке он звучит так: каждая планета Солнечной системы обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.

Второй закон движения планет явился логичным следствием первого. Еще до формулировки первого закона, наблюдая за перемещением Марса, Кеплер заметил, что планета движется тем медленнее, чем дальше она находится от Солнца. Эллиптическая форма орбиты полностью объясняет эту особенность движения. За равные промежутки времени прямая, соединяющая планету с Солнцем, описывает равные площади – это второй закон Кеплера.

Второй закон объясняет изменение скорости движения планеты, но не дает никаких расчетов. Формула, позволяющая вычислить, с какой скоростью вращаются планеты и какое время занимает их путь вокруг Солнца, заключается в третьем законе Кеплера.

Исследования Кеплера поставили точку в споре между системами мира Птолемея и Коперника. Он убедительно доказал, что в центре нашей системы находится Солнце, а не Земля. После Кеплера в научном мире больше не предпринимались попытки реанимировать геоцентрическую систему.

Точность трех законов движения планет, открытых Кеплером, подтвердили многочисленные астрономические наблюдения. Тем не менее основания и причины этих законов оставались неясными до тех пор, пока в конце XVII в. не проявился гений Ньютона.

Всем известна история о том, как Ньютон открыл закон всемирного тяготения: ему на голову упало яблоко, и Ньютон понял, что яблоко притянула к себе Земля. В расширенной версии этой легенды присутствует еще и Луна, на которую смотрел ученый, сидя под яблоней.

После падения яблока Ньютон осознал, что сила, заставившая яблоко упасть, и сила, удерживающая Луну на земной орбите, имеет одну и ту же природу.

На самом деле, конечно, все было далеко не так просто До открытия знаменитого закона Ньютон много лет посвятил изучению механики, закономерностей движения и взаимодействия между телами. Он был не первым, кто предположил существование сил тяготения. Об этом говорил еще Галилео Галилей, но он считал, что притяжение к Земле действует только на нашей планете и простирается всего лишь до Луны. Кеплер, открывший законы движения планет, был уверен, что они работают исключительно в космосе и не имеют отношения к земной физике. Ньютон же смог объединить эти два подхода – он был первым, кто осознал, что физические законы, в первую очередь закон всемирного тяготения, универсальны и применимы ко всем материальным телам.

Суть закона всемирного тяготения сводится к тому, что между абсолютно всеми телами во Вселенной существует притяжение. Сила притяжения зависит от двух главных величин – массы тел и расстояния между ними. Чем тяжелее тело, тем сильнее оно притягивает к себе более легкие тела. Земля притягивает Луну и удерживает ее на своей орбите. Луна тоже оказывает на нашу планету определенное воздействие (оно вызывает приливы), но сила притяжения Земли, за счет большей массы, значительнее.

Кроме закона всемирного тяготения, Ньютон сформулировал три закона движения. Первый из них называют законом инерции. Он гласит: если на тело не воздействует сила, оно будет оставаться в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Второй закон вводит понятие силы и ускорения, и эти две величины, как доказал Ньютон, зависят от массы тела. Чем больше масса, тем меньшим будет ускорение при определенной приложенной силе. Третий закон Ньютона описывает взаимодействие двух материальных объектов. Самая простая его формулировка гласит: действие равно противодействию.

Открытия, совершенные Исааком Ньютоном, и выведенные им формулы дали астрономии мощный инструмент, позволивший продвинуть эту науку далеко вперед. Многие явления, не имевшие раньше объяснений, раскрыли свою природу. Стало понятно, почему планеты вращаются вокруг Солнца, а спутники вокруг планет, не улетая в открытый космос: их удерживает сила притяжения. Скорость движения планет остается равномерной благодаря закону инерции. Округлая форма небесных тел также получила свое объяснение: она приобретается благодаря гравитации, притяжению к более массивному центру.

1.4. Кометы, планеты, спутники: открытия XVIII–XIX вв.

В начале XVIII в. астрономы стали выдвигать первые гипотезы происхождения Земли, Солнечной системы и вселенной. Одна из них принадлежала английскому ученому Уильяму Уинстону. Он предполагал, что наша планета раньше была кометой, которая после столкновения с другой кометой изменила форму и направление движения. Натуралист и естествоиспытатель из Франции Жан Бюффон выдвинул следующую гипотезу образования планет: миллионы лет назад огромная комета столкнулась с Солнцем, в результате чего часть вещества светила была выброшена в космос. Из этого вещества образовались все планеты нашей системы.

Большая часть остальных теорий также были катастрофическими, лишь философ Иммануил Кант и физик Пьер-Симон Лаплас считали, что Вселенная развивалась эволюционно, без глобальных катастроф. Звезды, в том числе и наше Солнце, и планеты появились благодаря физическим законам из скоплений материи. Томас Райт, астроном из Великобритании, выдвинул революционную гипотезу: Вселенная представляет собой огромное количество скоплений звезд, «звездных островов», как он их назвал. «Острова» находятся в постоянном движении, вращаясь вокруг нескольких «божественных центров».

В 1718 г. Эдмунд Галлей опроверг многовековую убежденность астрономов в неподвижности звезд. Изучая античные каталоги небесных объектов, он сравнил их с современными и понял, что некоторые звезды изменили свое положение. Это стало первым шагом в изучении собственного движения звезд.

Имя Галлея в первую очередь связано с известной кометой. Астроном посвятил много лет ее изучению и смог предсказать следующее появление «хвостатой» в зоне видимости нашей планеты.

Галлей сделал потрясающее открытие: кометы движутся не беспорядочно, а по заданным эллиптическим орбитам.

Так же как другие небесные тела, кометы подчиняются закономерностям. Еще одно достижение ученого – более точное, чем это было прежде, определение расстояния от Земли до Солнца. Для расчетов он использовал момент прохождения Венеры по диску светила. Черную точку на диске он принял за вершину треугольника, а расстояние между двумя точками наблюдения на Земле – за его основание.