Астрономическая картина мира. 3

Государственное общеобразовательное  учреждение

Среднего профессионального образования

(среднее специальное учебное  заведение)

«Магнитогорский Технологический  колледж»

Реферат на тему:

«Астрономическая картина мира»

Магнитогорск 2013г

Астрономическая картина мира.

На протяжении веков человек  стремился разгадать тайну великого мирового «порядка» Вселенной, которую  древнегреческие философы и назвали Космосом (в переводе с греческого - «порядок», «красота»), в отличие от Хаоса, предшествовавшего, как они считали, появлению Космоса.

     Первые, дошедшие  до нас естественнонаучные представления  об окружающей нас Вселенной  сформулировали древнегреческие философы в 7-5 вв. до н. э. Их  натурфилософские учения, опирались на накопленные ранее астрономические знания египтян, шумеров, вавилонян, арийцев, но отличались существенной ролью объясняющих гипотез, стремлением проникнуть в скрытый механизм явлений.

     Наблюдение  круглых дисков Солнца, Луны, закругленной  линии горизонта, а так же  границы тени Земли, наползающей  на луну при ее затмениях,  правильная повторяемость дня  и ночи, времен года, восходов  и заходов светил  -  все это  наводило на мысль, что в основе строения вселенной лежит принцип круговых форм и движений,  «цикличности» и равномерности изменений. Но вплоть до 2 в. до н. э. не существовало отдельного учения о небе, которое объеденило бы  все знания в этой области в единую систему. Представления о небесных явлениях, как и явлениях «в верхнем воздухе» - буквально о «метеорных явлениях», долгое время входили в общие умозрительные учения о природе в целом. Эти учения несколько позднее стали называть физикой (от греческого слова «фюзис» - природа - в смысле периоды, существа вещей и явлений). Главным содержанием этой древней полу философской «физики», или в нашем понимании  - скорее натурфилософии, включавшей в качестве едва ли не главных элементов космологию и космогонию, были поиски того неизменного начала, которое, как думали, лежит в основе мира изменчивых явлений.

     Все накопленные  веками знания о природе вплоть  до технического и житейского  опыта были объединены, систематизированы,  логически предельно развиты  в первой универсальной  картине мира, которую создал в 4 веке до н. э. величайший древнегреческий философ (и, по существу, первый физик) Аристотель (384 - 322 гг. до н. э.) большую часть жизни проведший в Афинах, где он основал свою знаменитую научную школу. Это было учение о  структуре, свойствах и движении всего, что входит в понятие природы. Вместе с тем, Аристотель впервые отделил мир земных (вернее, «подлунных») явлений от мира небесного,    от   собственно    Космоса   с   его   якобы   особенными

 законами и природой  объектов. В специальном тракте «о небе»  Аристотель нарисовал свою натурфилософскую картину мира.

     Под Вселенной  Аристотель подразумевал всю  существующую материю (состоявшую, по  его теории, из четырех обычных  элементов - земли, воды, воздуха,  огня и пятого - небесного - вечно движущегося эфира, который от обычной материи отличался еще и тем, что не имел не легкости, ни тяжести). Аристотель критиковал Анаксагора за отождествления эфира  с обычным материальным элементом - огнем. Таким образом, Вселенная, по Аристотелю, существовала в единственном числе.

     В картине  мира Аристотеля впервые была  высказана идея взаимосвязанности  свойств материи, пространства  и времени. Вселенная представлялась  конечной и ограничивалась сферой, за пределами которой не мыслилось ничего материального, а потому не могло быть и самого пространства, поскольку оно определялось, как нечто, что было (или могло быть заполнено материей). За пределами материальной вселенной не существовало и времени, которое Аристотель с гениальной простотой и четкостью определил как меру движения и связал с материей, пояснив, что «нет движения без тела физического». За пределами материальной Вселенной Аристотель помещал нематериальный, духовный мир божества, существование которого постулировалось.                

     Великий  древнегреческий астроном Гиппарх  (ок.190-125 г. до н. э.) первым  попытался  раскрыть механизм наблюдаемых  движений светил.  С этой целью  он впервые использовал в астрономии  предложенный за сто лет до  него знаменитым математиком   Аполлонием Пергским геометрический метод описания неравномерных периодических движений как результата сложения более простых - равномерных круговых. Между тем именно к раскрытию простой сущности наблюдаемых сложных астрономических явлений призывал еще  Платон. Неравномерное периодическое движение можно описать с помощью кругового двумя способами: либо вводя понятие эксцентрика – окружности, по которой смещен, относительно наблюдателя, либо разлагая наблюдаемое движение на два равномерных круговых, с  наблюдателем в центре кругового движения. В этой модели  по окружности вокруг наблюдателя движется не само тело, а центр вторичной окружности (эпицикла), по которой и движется тело. Первая окружность называется деферентом (несущей). В дальнейшем   в   древнегреческой   астрономии   использовались обе

модели. Гиппарх же использовал  первую для описания движения Солнца и Луны. Для Солнца и Луны он определил  положение центров их эксцентриков, и впервые в истории астрономии разработал метод и составил таблицы  для предвычисления моментов затмений  (с точностью до 1-2 часов).

     Появившаяся  в 134 г. до н. э. новая звезда  в созвездии Скорпиона навела  Гиппарха на мысль, что изменения  происходят и в мире звезд.  Чтобы в будущем легче было  замечать подобные изменения,  Гиппарх составил каталог положений на небесной сфере 850 звезд, разбив все звезды на шесть классов и назвав самые яркие звездами первой величины.

     Начатое  математическое описание астрономических  явлений спустя почти три века  достигло своей вершины в системе мира знаменитого александрийского астронома, географа и оптика  Клавдия Птолемея (? - 168 г.). Птолемей дополнил собственными наблюдениями до 1022 звезд каталог  Гиппарха. Он изобрел новый астрономический инструмент – стенной круг, сыгравший впоследствии существенную роль в средневековой астрономии Востока и в европейской астрономии XVI в., особенно в наблюдениях Тихо Браге.

     Его фундаментальный  труд – «Большое математическое  построение астрономии в XVI книгах»,  по-гречески  «Мег  але Синтаксис», еще в древности получил широкую известность под названием «Мгистэ» («Величайшее»). Европейцы узнали о нем от арабских астрономов – под искожонным названием «Ал Маджисти», или в латинизированой трактации, «Альмагест». В нем была представлена вся совокупность астрономических знаний древнего мира. В этом труде Птолемей математический аппарат сферической астрономии – тригонометрию.  В течение столетий использовали вычисленные им таблицы синусов.

     Опираясь  на достижения Гиппарха, Птолемей  пошел дальше в изучении главных тогда для астрономов подвижных светил. Он существенно дополнил и уточнил теорию Луны, вновь переоткрыв эвекцию. Вычисленные Птолемеем на этом основании более  точные таблицы  положения Луны позволили  ему усовершенствовать теорию затмений. Для определения географической долготы места наблюдения точное предсказание момента наступления затмений имело большое значение. Но подлинным научным подвигом ученого стало создание им первой математической теории сложного видимого движения планет, чему посвящено пять из тринадцати книг «Альмагеста».

     Средние  века, сначала  IV и до XV вв. включительно, были периодом значительного  упадка в развитии естественнонаучных  знаний на европейском континенте. Причинами тому были гибель  к началу этого периода вместе  с разрушением государства Византии первого в Европе греко-римского центра культуры и науки.   

     Завоеватели  – северные «варвары» с одной  стороны, и арабские племена  с Аравийского полуострова с  другой, стояли на чрезвычайно  низком уровне развития. Лишь  спустя века более высокая античная культура стала вновь пробиваться уже в среде завоевателей, сначала в арабском мире, где раньше были переведены сохранившиеся древнегреческие научные трактаты. 

     Религия  христианства (утвердившаяся к IV в.), как  и возникшая в VII в. религия ислама на Востоке, с укреплением их как государственных религий, все более подавляли стремление к самостоятельному познанию и осмыслению мира, требуя согласования выводов о природе с первоначальными учениями основателей религии, Библии  и Корана, соответственно.

     Разумеется, в этих условиях человек не  мог перестать размышлять об  окружающем мире. Но при полном  подавлении светского образования,  особенно в феодальной Европе, центры  «учености» переместились  в монастыри. В результате, как невежественное население, так и образованные (то есть грамотные, читающие) монахи и богословы стали воспринимать окружающий мир как бы сквозь фильтр все предопределяющей религиозной интерпретации явлений. Конрасты при таком истолковании природы были огромны. Под влиянием наиболее ревностных пропагандистов веры  в массах укреплялось убеждение в ненужности, невозможности и даже греховности попыток узнать о мире больше, чем сказано в Библии.       

     Новый смелый  шаг в осмыслении окружающей  Вселенной сделал в XV веке Николай Кузанский (действительное имя Николай Кребс, 1401 - 1464), выдающийся немецкий философ, теолог и ученый. Он видел мир через ту же призму богословия, считая, что вся прекрасная упорядоченность Вселенной – дело рук Творца и демонстрация его могущества. Вместе с тем, Николай Кузанский первым полностью порвал с аристотелево - птолемеевым представлением о Вселенной и возродил идею, некогда отвергнутую Аристотелем, - об отсутствии у Вселенной центра и края. В посмертно изданном сочинении, с названием более чем критическим – «Об ученом незнании», - он изложил свои весьма нетрадиционные       космологические          взгляды.          Вселенная

 провозглашалась неограниченной, поскольку в противном случае  необходимо было бы допустить  нечто, существующее за ее пределами, что в свою очередь противоречило бы определению Вселенной, как включающей все сущее. (Любопытно, что Вселенная названа у него именно «безграничной», что приближает его рассуждения к современным представлениям.) На основании этой концепции Вселенной Николай Кузанский сделал заключение, что не только Земля, но и  Солнце и вообще любое космическое тело не могут быть центром Вселенной,  центр которой, по его образному выражению, «везде», а граница «нигде». В этом  утверждении он пошел не только против геоцентризма, но и против ранних гелиоцентристов, считавших Солнце центром всего мира, и мыслил более глубоко, нежели Коперник. Эти идеи Николая Кузанского первым воспринял и развил далее в XVI веке Джордано Бруно.

     К концу  первого десятилетия того же века в Европе появился мыслитель, которому суждено было начать первую великую революцию в астрономии, в корне изменившем, однако, и всю физическую картину мира, то есть развившуюся в революцию универсальную. Этим мыслителем был гениальный польский ученый Николай Коперник (1473-1543). Еще в 90-е годы XV века, после первого глубокого восхищения математическим гением Птолемея, Коперник убедился в существовании глубоких противоречий между его теории мира и наблюдениями. Восхищение сменилось сомнениями.… В поисках других идей он изучил в подлинниках сохранившиеся сочинения или изложения учений древнегреческих математиков или натурфилософов, иначе, первых физиков. Среди них были и автор геоцентрической системы, и истинный гелиоцентрист Аристарх Самосский, и пифагорейцы, также утверждавшие подвижность  Земли и учившие всеобщей числовой гармонии мира.                  

     В отличие  от своих современников и предшественников, пытавшихся лишь совершенствовать  детали птолемеевой системы либо  же обращаться к древней схеме гомоцентрических сфер, но не имевших смелости отказаться от самого геоцентрического принципа, Коперник сумел преодолеть это преклонение перед авторитетами и робость перед догмой и вместе с тем глубоко понять плодотворность и истинность идеи древнегреческой натурфилософии  –  искать  простоту и гармонию в природе как ключ к объяснению явлений, искать единую сущность многих кажущихся различными явлений. В итоге уже к 1530 году в основном  было  завершено,   но   только   в   1543   году   полностью

увидело свет одно из величайших творений в истории человеческой мысли – «Николая Коперника Торунского. О вращении небесных сфер. Шесть  книг».

Вновь, кавк и в «Альмагесте», содержанием этих  шести книг-глав стала вся, теперь уже современная  Копернику астрономия. Коперник изложил математическую теорию сложных видимых движений Солнца, Луны, пяти планет и сферы звезд с соответствующими математическими таблицами и приложением каталога звезд. Но в основу объяснений был положен принцип, обратный геоцентризму. В центре мира Коперник поместил Солнце, вокруг которого движутся планеты, - среди них впервые зачисленная в ранг «подвижных звезд» Земля со своим спутником – Луной. На огромном рассоянии от планетной системы находилась сфера звезд. Его вывод о чудовищной удаленности этой сферы теперь диктовался и самим гелиоцентрическим принципом: только так мог Коперник согласлвать его с видимым отсутствием у звезд смещений за счет движения самого наблюдателя вместе с Землей, отсутствием у них параллаксов.

Спустя немногие десятилетия после кончины Коперника была раскрыта революционная сущность его нового учения. Это сделал бывший монах одного из неополитанских монастырей – Джордано Бруно (1548-1600). Его незаурядный ум  и бескомпромиссное  стремление к истине не только привели его на путь защиты и страстной пропаганды учения Коперника, но и помогли ему разбить рамки древних традиций, стеснявшие это учение, и пойти дальше в осознании истинных черт Вселенной.

     В 60-е годы по  сокращенному изложению Ретика  Бруно познакомился с гелиоцентрической теорией Коперника. Она показалась ему вначале нелепой, но заставила критически присмотреться к официальному учению Птолемея и более внимательно – к материалистическим учениям древнегреческих атомистов о бесконечности Вселенной. Особенно большую роль в формировании взглядов Бруно сыграло его знакомство с натурфилософским учением Николая Кузанского, в котором отрицалась возможность для любого тела быть центром Вселенной, поскольку она бесконечна. Пораженный этой идеей, Бруно понял, какие грандиозные перспективы открывал гелиоцентризм, если понимать его не как учение о всей Вселенной, а как теорию типичной для Вселенной системы – планетной. Это свое открытие он выразил вдохновенными словами своей поэмы о природе:

       «…Отсюда ввысь стремлюсь я, полон веры!

          Кристалл небес мне не преграда  боле.

          Но вскрывши их, подъемлюсь в  бесконечность…»

     Объединив  философско-космологическую концепцию  Николая Кузанского и четкие  астрономические выводы теории  Коперника, Бруно создал собственную естественно-философскую картину бесконечной Вселенной. Концепция Вселенной Бруно и в наши дни поражает глубиной идей и точностью научных предвидений. Она была изложена в двух сочинениях Бруно, изданных им в 1534 году: «О причине, начале и едином» и «О бесконечности, вселенной и мирах».

     Вслед за  Николаем Кузанским он отрицал  существование какого бы то  ни было центра Вселенной. Бруно  утверждал бесконечность Вселенной  во времени и пространстве  и представлял небо, как «единое,  безмерное пространство, лоно которого содержит все», как эфирную область (понимая эфир как вид обычной материи),  «в которой все пробегает и движется». Он писал: «В нем – бесчисленные звезды, созвездия, шары, солнца и земли, чувственно воспринимаемые; разумом мы заключаем о бесконечном количестве других». «Все  они, - пишет он в другом месте, - имеют свои собственные движения,  независимые от того мирового движения, видимость которого вызывается движением Земли», причем «одни кружатся вокруг других».

     Бруно писал о колоссальных различиях расстояний до разных звезд и сделал вывод, что поэтому соотношение их видимого блеска может быть обманчиво. Он разделял небесные тела на самосветящиеся – звезды, солнца и на темные, которые лишь отражают солнечный свет «из-за обилия на них водных или облачных поверхностей».

     Вплоть  до середины XVI века астрономия  в Европе была чем-то вроде  приложения математики. Хотя целью  той или иной теории и было  описание наблюдаемых явлений,  сами наблюдения, как правило,  были весьма грубыми. Но и они производились от случая к случаю, лишь в связи с тем или иным примечательным небесным явлением. Важнейшие астрономические величины все еще черпались не из новых наблюдений, а из сочинений древних греков. Например, продолжала использоваться оценка солнечного параллакса, данная еще… Аристархом Самосским (3 угловые минуты!).

     В такой  обстановке, вначале последней четверти XVI века, Европу облетела весть  о появлении в Дании на островке  Вэн невида-

нного астрономического городка, в центре которого возвышался «Небесный замок» («Ураниенборг»), где чудодействовал со своими огромными инструментами Тихо Браге (1546-1601), дворянин, променявший преимущества своего сословия на служение «Богине Неба» - Урании. К этому времени он уже был известен своими наблюдениями и описанием удивительной новой звезды, внезапно вспыхнувшей на небе в 1572 году в созвездии Кассиопеи. Тихо Браге впервые показал, что этот «огненный метеор» вовсе не атмосферное явление (как считалось в аристотелевой картине мира), а что это удивительное явление произошло на расстоянии не ближе других обычных звезд (в последствии выяснилось, что эта звезда была сверх новой).

     Браге определял  положения и движения светил  с не бывалой до той поры  точностью. К нему стекались  многочисленные ученики, его посещали даже коронованные особы, правда, более интересуясь

предсказанием судьбы по звездам.… Впрочем, и сам Тихо Браге, вскоре пополнивший   Небесный замок еще и Звездным замком,  верил в астрологию и высказал как-то мысль, что планеты с их движениями по таинственным и удивительным законам не имели бы никакой ценности, если бы не предсказывали судьбы людей.

     Астрономией  он увлекался в ранней юности. Однако первое удивление и  восхищение точностью этой науки,  вызванное наблюдением солнечного затмения в 1560 году, которое случилось в точно предсказанный день, вскоре сменилось разочарованием. В предвычислении следующего наблюдавшегося им (1565 году) редкого небесного  явления – соединения двух планет – Юпитера  и Сатурна – старые Альфонсинские таблицы XIII века ошибались на целый месяц, и даже новые, гелиоцентрические Прусские, - на      несколько дней. Повышение точности астрономических наблюдений стало главным делом жизни Тихо Браге.

     До изобретения  телескопа наблюдения велись  невооруженным глазом. Существенного увеличения точности таких визуальных наблюдений можно было добиться лишь путем увеличения размеров инструментов – квадрантов и сектантов. На этом пути за полтора века до Браге великий узбекский ученый Улугбек достиг выдающихся успехов. Ничего не зная о своем предшественнике, по тому же пути пошел и датский астроном. Он добился невиданной для европейцев того времени точности в измерениях угловых расстояний между светилами (1-2 угловые минуты). Еще в юности он задумал и построил свой первый инструмент для точных астрономических наблюдений – огромный квадрант с радиусом

около 6 метров и латунным кругом, разделенным на минуты. Наблюдение светил для большей точности велось через два диоптра (пластинка  с маленьким круглым отверстием в центре), установленных на квадранте.

     Позднее  Галилео Галилей (1564-1642) один из  основателей современного естествознания. Уже в ранние годы, сначала  близкие друзья, а затем и ученые, знакомившиеся с его идеями, увидели  в нем не только талантливого  университецкого лектора, но и решительного и глубокого тех самых официальных взглядов в науке, которые ему приходилось излагать в своих лекциях по физике и астрономии. В письмах к друзьям и ученикам, получавших затем распространение в рукописных копиях, а также в работах, остававшихся долгое время неопубликованными, Галилей в 90-е годы XVI века начал наступление на безнадежно устаревшую, но остававшуюся догмой физику Аристотеля, на узаконенную католической церковью геоцентрическую систему мира Птолемея, на  традиционную схоластическую науку.

     Физика  в то время сводилась к механике, проблемами которой Галилей занимался  в течение всей жизни.

Вместе с тем она  охватывала широкий круг общих мировозренческих, по существу, космологических проблем. До Галилея в ней в течение веков господствовали представления аристотелевской школы перипатетиков о принципиальном различии земных (точнее, подлунных) и небесных, или космических, явлений, о существовании насильственных и естественных движений. К первым относили движения под действием механической силы. При этом считалось, что они могут продолжатся, лишь пока действует сила. Второй вид движений якобы определялся самой природой тела и геометрическими свойствами замкнутого пространства Вселенной. По Аристотелю, тяжелые тела в своем единственном движении должны были падать с различной скоростью в зависимости от своей тяжести. Аристотель полагал, что независимым от веса падение было бы лишь в пустоте, существование которой он как физик-экспериментатор отрицал.

     Галилей  совершил подлинную революцию в механике, полностью разрушив представления аристотелелевой физики, сложившийся на основе слишком грубого повседневного наблюдения, либо напротив, чисто умозрительные. Галилей впервые построил экспериментально математическую науку о движении – кинематику, законы которой он вывел в результате обобщения данных специально поставленных научных опытов.

Сравнивая движение тел  по наклонной плоскости с их свободным  падением,  он  установил единство (в частности, независимость скорости такого падения от веса тела), установил законы качения маятника и построил теорию равномерно ускоренного движения. Этим не исчерпывается его вклад в механику. С ее помощью он заложил основы более общего научного метода выявления законов природы вообще. Прежде всего, он ввел в механику точный количественный эксперимент и математическое описание явлений, утверждая, что «книга природы написана языком математики». Метод же его экспериментально – теоретического исследования заключается в количественном анализе наблюдаемых частных явлений и постепенном мысленном приближении этих явлений к некоторым идеальным условиям, в которых законы, управляющие ими, проявиться, так сказать, в чистом виде. Такой метод получил название индуктивного. Единственно, в чем Галилей  остался аристотелеанцем, - было его представление об инерциальном как движении по кругу.                      

Поиски точных законов  гелиоцентрического планетного мира стали  главным делом жизни великого немецкого астронома Иогана Кеплера(1571-1630). В ходе этой колоссальной работы проявились не только его гениальность как астронома и математика, но и смелость мысли, свобода духа, благодаря которым он сумел преодолеть тысячелетние космологические традиции и вместе  с тем возродить и поставить на службу науке известные с древности, но, по существу, забытые некоторые натурфилософские принципы, раскрыв их глубокое истинное содержание.

Уже современники Кеплера  убедились в точности открытых им трех законов планетных движений. Но они считали их удачной эмпирической находкой, «правилами», полученными без каких-либо предпосылок и обоснований, путем подбора величин. Общие размышления, связанные с идеей «мировой гармонии» и  поисками и поисками простых числовых отношений в мире, составляющие большую часть в сочинениях Кеплера: «Новая, изыскивающая причины астрономия, или физика неба»(1609) и «Гармония мира»(1619), где изложены и его законы, рассматривались как неизбежная дань эпохе, не имевшая отношения к его научным открытиям. Галилей считал их простым воскрешением древней пифагорейской идеи о роли числа во Вселенной, не совместимой с новым экспериментальным естествознанием, за которое он боролся. Поэтому  он  не   обратил   внимания   и   на   кеплеровы   законы  (а,

возможно, и не ознакомился  с ними, хотя Кеплер послал ему сочинение 1609 год).

     Первую  универсальную физико-космологическую  и космогоническую картину мира  на основе гелиоцентризма  попытался  построить великий французский  ученый и философ, физик, математик,  физиолог Рене Декарт (1596-1650). Мысль  дать общий очерк устройства и развития мира, положив в основу лишь идею вечно движущейся материи, возникла у Декарта в юности, когда ему было 23 года. Его «Трактат о системе мира», законченный в основном к 1633 году, начинал собою новое направление в философии естествознания – построение материалистических физико-космологических картин мира, опиравшихся на механику. Однако, узнав о суровом суде над Галилеем, Декарт не решился опубликовать свой труд.

     Как и  Галилей, выступив против схоластики  и догматизма, он сформулировал принципы подлинно научного познания природы и изложил их в своем труде «Рассуждение о методе». Сочинение было издано анонимно в Лейдене в 1637 г. и имело разъясняющий подзаголовок: «Чтобы хорошо направлять свой разум и отыскивать истину в науках». Основным средством установления истины Декарт провозгласил логические рассуждения, которые могли дополнить всегда несовершенный опыт, установить истинные связи между явлениями и проникнуть в их существо. Основные положения такого метода познания, получившего название рационалистического он изложил в виде четырех правил, в которых попытался привести в систему процесс познания.

      Рационалистические  воззрения Декарта, отрицавшего  первостепенное значение опыта,  признававшего врожденные идеи, на основе которых, якобы, вырабатываются аксиомы в науке, - все это послужило в дальнейшем для развития идеалисического мировоззрения. Вместе с тем скептическое  отношение Декарта к голому эксперименту, воспринимаемому вне определенной идейной атмосферы, выражало и глубоко верную идею о недостаточности для познания сущности вещей одного только опыта, который никогда не может отразить действительность во всех ее деталях и полноте. Поэтому метод Декарта вошел в науку как дедуктивный метод познания. Однако Декарт не только не  отрицал необходимости экпериментального исследования, но и сам был блестящим экспериментатором в физике, особенно в оптике, механике, а также физиологии. Он внес усовершенствование в проведение  эксперимента,  утверждал,  что  природа  материальных

вещей «…гораздо легче познается, когда мы видим их постепенное развитие, чем когда рассматриваем их как вполне уже образовавшиеся». «Рассуждение о методе» сыграло огромную прогрессивную роль в формировании нового экспериментально-теоретического естествознания и научного мировоззрения в целом.