Системы мира (от древних до Ньютона) - Г. Гурев

Оказалось, что если числа, выражающие средние расстояния планет от Солнца, повторим три раза множителями, а периоды обращения возведем в квадрат, то отношение полученных величин для каждой планеты будет одинаково. Впоследствии сам Кеплер рассказывал: «Отношение это представляло такое совпадение с моей семнадцатилетней работой над наблюдениями Тихо, что сперва я думал, не грежу ли я, не принял ли я искомое за данное». Теперь это простое соотношение, связывающее все планеты в одну систему, известно под именем третьего закона Кеплера и играет весьма важную роль в астрономии. Этот закон гласит: квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся между собой, как кубы средних расстояний планет от Солнца.

За средние расстояния планет от Солнца Кеплер принял большие полуоси планетных эллипсов, т. е. половины наибольших диаметров их орбит. У Кеплера для всех планет единицей расстояния служило среднее расстояние Земли от Солнца, так что точное определение этого расстояния получило весьма важное, кардинальное значение. Кеплер не знал еще абсолютной величины этого расстояния и поэтому не мог выразить размеров планетной системы в земных мерах, т. е. истинные размеры этой системы для него оставались неизвестными. В своих вычислениях он принимал половину наибольшего диаметра (большой оси) земной орбиты за единицу и получил, следовательно, только относительные величины расстояний планет. Он знал «план» солнечной системы, но не знал «масштаба» этого плана, т. е. его числа только показывали, во сколько раз та или иная планета дальше от Солнца или ближе к Солнцу, чем Земля.

Что же касается времен обращения различных планет вокруг Солнца, то Кеплер в целях наибольшего удобства за единицу принял период обращения Земли, т. е. год. Таким образом из третьего закона Кеплера следует, что если, например, время обращения планеты равно 27 годам, то расстояние ее от Солнца в 9 раз больше расстояния Земли от Солнца, так как 12 : 272 = 1: 729 = 13: 93. А такое именно соотношение наблюдается приблизительно у Сатурна: период обращения этой планеты равен неполным 30 годам, а расстояние от Солнца в 9 раз с небольшим больше радиуса (большой полуоси) земной орбиты.

Следовательно, если известно время обращения какой- нибудь планеты, то по нему можно найти ее среднее расстояние, принимая за единицу большой полудиаметр (полуось) земной орбиты. Кеплер открыл, что его третий закон прилагается не только к планетам, но и к движению четырех спутников Юпитера, которые были наблюдаемы Галилеем и некоторыми другими астрономами.

Работы Тихо Браге, Кеплера и Галилея, приведшие к падению старого учения о мире и к укреплению нового, имели огромное значение не только для науки о небе, но и для всего естествознания. Хотя эти ученые по условиям того времени не сумели полностью порвать со всеми старыми воззрениями, в их лице мы имеем первых естествоиспытателей в современном смысле этого слова. Тщательное наблюдение, строгий опыт и серьезная математическая обработка полученного материала сознательно применялись ими к исследованию природы и тем наносили тяжелые удары всему зданию схоластики и богословия.

XXII. ПОИСКИ ДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ СВЕТИЛ

Свои законы движения планет Кеплер нашел, исследуя хаотическую груду наблюдений, не зависимых друг от друга, не объединенных ни общей идеей, ни единым принципом. Они дали вполне ясное представление о геометрическом характере планетных движений, но не объясняли физических свойств явления, не вскрыли причины этих движений. Кеплер догадывался, что мир планет есть система, связанная «единой силой», но он не соблазнился распространенным в то время истолкованием законов в духе пифагорейцев, объяснявших явления «гармонией чисел». Он пытался заложить основы небесной механики (по его терминологии — небесной физики), найти физическое объяснение движения планет, найти силу, приводящую планеты в движение вокруг Солнца.

Эту силу Кеплер совершенно правильно видел в притяжении тел и поэтому допускал, что сила притяжения Земли не может ограничиваться телами на земной поверхности, но должна простираться в пространство. Более того, Кеплер считал, что очагом силы, управляющей движением планет вокруг Солнца, является само центральное светило, и это также было совершенно правильно. Из того, что Солнце находится в фокусе орбиты каждой планеты и что скорость планеты и время обращения зависят от расстояния ее до Солнца, он сделал вывод, что сила, которая движет все планеты, исходит от Солнца.

Но в своих рассуждениях об этой силе Кеплер пошел по ложному пути, потому что состояние тогдашней механики не давало ему еще возможности сделать правильные выводы, т. е. найти закон, по которому действует притяжение. Окончательно решить эту проблему удалось только Ньютону, который установил «закон всемирного тяготения» и показал, что законы Кеплера являются следствием свойств тяжести, т. е. той давно известной силы, с которой Земля притягивает тела на ее поверхности.

Птолемеева система допускала движения, совершающиеся вокруг геометрических, нематериальных точек (центров эпициклов, эксцентриков и т. д.). Некоторые движения такого рода признавал и Коперник, но он уже считал, что «Солнце управляет вращающимся вокруг него семейством светил», т. е. он признавал какое‑то «влияние» или «действие» Солнца на планеты. При этом он даже допускал, что Солнце, планеты и вообще все небесные тела обладают свойством притяжения.

Что же касается Кеплера, то он пошел значительно дальше Коперника и освободил гелиоцентрическую теорию от ее птолемеевских пережитков, так как считал бессмысленным допущение обращения материальных тел вокруг невещественных, математических точек. Кеплерова схема солнечной системы помещала вполне реальное тело. Солнце, в самую важную точку орбит — в один из фокусов эллипса — и одинаково объясняла и движение Луны вокруг Земли и четырех спутников Юпитера вокруг своей планеты. Обращения оказались связанными не с центральной точкой, т. е. не с математической фикцией, но с центральным телом.

Таким образом возник интересный вопрос, не находятся ли движения в какой‑нибудь зависимости от центрального тела. Давая положительный ответ на него, Кеплер в своей «Новой астрономии» утверждал, что сила тяжести действует не только на поверхности Земли, но и далеко за пределами земного шара, в космическом пространстве. Впрочем, напоминаем, что уже Коперник правильно полагал, что при- 12* 179

тяжение представляет собой общее свойство тел, что это качество присуще не только Земле, но и Солнцу, Луне и другим планетам.

Кеплер отвергал старинные теории движения всех тяжелых тел к центру вселенной и, подобно Копернику, считал, что сила тяжести представляет собой стремление однородных тел слиться, соединиться воедино. Но он шел значительно дальше Коперника и указывал, что центр вселенной, как нематериальная, математическая точка, т. е. как фикция, не способен привлекать к себе тела. Всякое материальное тело, — считал он, — именно потому, что оно материальное, способно покоиться на любой точке мироздания, если только' в этом месте оно находится вне круга действия сродного ему тела. Тяжесть есть стремление тел к соединению, и поэтому камень стремится не к какой‑либо точке в пространстве, но притягивается Землей и следует за ее движением. Если два камня перенесены вне сферы действия притяжения третьего тела, то они будут взаимно притягиваться, двигаться друг к другу, пока не соединятся, подобно двум магнитам, причем пройденные ими пути, — пояснял Кеплер, — должны быть обратно пропорциональны их массам.

«Если бы Луна не обращалась вокруг Земли, — писал Кеплер, — то Земля приблизилась бы к Луне на одну пятьдесят четвертую часть отделяющего их расстояния, а Луна подвинулась бы к Земле на остальные пятьдесят три части этого расстояния, и оба тела тогда соединились бы, — все это при предположении, чт^плотность Земли и Луны одинакова» (так как при одинаШвой плотности массы пропорциональны объемам; действительный же объем Земли приблизительно в 50 раз превосходит объем Луны, между тем как плотности их относятся между собой как 1:0.6). В связи с этим Кеплер давал довольно правильное объяснение приливов и отливов, уверенный в том, что действие притягательной силы Луны на Землю можно явственно видеть на морях. Все моря излились бы на Луну, если бы Земля их не удерживала; но так как Земля их удерживает, то в том месте, над которым вертикально стоит Луна, образуется на морской воде «гора», обусловливающая морские приливы; эта гора, или волна, следует за движением Луны вокруг Земли, но в конце концов она опаздывает, так как не может сравняться с Луной в скорости.

Наконец, Кеплер подчеркивал, что аристотелевское представление об абсолютной легкости некоторых веществ ложно, потому что нет веществ, стремящихся прочь от Земли, — там, где подобное явление наблюдается, происходит вытеснение более легкого вещества более тяжелым. А отсюда Кеплер сделал вывод: Земля связывает все земные 180