Гелиоцентрическая система

(изложение основ теории Коперника и Кеплера о вращении небесных тел вокруг Солнца)

В начале эпохи Возрождения мысль о том, что Земля не является неподвижной, а поступательно движется во Вселенной высказал Николай Кузанский, но его утверждение было сугубо философским, не связанным с объяснением конкретных астрономических явлений.

Гелиоцентризм как научное мировоззрение, отрицающее центральное положение Земли, сформировался в XVI веке, когда польский астроном Николай Коперник разработал теорию движения планет вокруг Солнца. Главной причиной обращения к гелиоцентризму было несогласие Коперника с геоцентрической теорией Птолемея. Одним из главных недостатков геоцентрического строения мира было то, что возникала иллюзия возвратного движения планет относительно Земли. Анализируя данные астрономических наблюдений Коперник объяснил причины попятных движений планет, вычислил расстояния планет от Солнца и периоды их обращений. Сложные движения планет, которые были главной загадкой астрономии с древнейших времён, в гелиоцентрической системе объясняются тем, что угловые скорости движения планет по орбитам уменьшаются с увеличением расстояния от Солнца. В результате, когда планета наблюдается в той же части неба, что и Солнце, она совершает видимое движение относительно звёзд в том же (прямом) направлении, что и Солнце: с запада на восток. Однако когда Земля проходит между Солнцем и планетой, она как бы опережает планету, в результате чего последняя движется на фоне звёзд в обратном направлении, с востока на запад. Отсюда следует, что планеты совершают попятные движения, когда планеты находятся наиболее близко к Земле и, как следствие, являясь наиболее яркими при наблюдении с Земли.

Результаты своих трудов Коперник обнародовал в книге “О вращениях небесных сфер”, изданной в 1543 году.

В некоторых отношениях теория Коперника сохраняла положения, характерные для геоцентризма:

- центром планетной системы было объявлено не столько Солнце, сколько центр земной орбиты;

- из всех планет только Земля двигалась по своей орбите равномерно, в то время как у остальных планет орбитальная скорость менялась, что Коперник объяснял комбинацией движения по большим и малым кругам.

Эти компромиссные положения учения Коперника устранил немецкий астроном Иоганн Кеплер. Он был убежден в справедливости гелиоцентризма ввиду способности этого учения дать естественное объяснение попятных движений планет и возможности вычислять на её основе масштабы планетной системы. В течение нескольких лет Кеплер работал с величайшим астрономом-наблюдателем Тихо Браге и впоследствии использовал его архив данных наблюдения. В ходе анализа этих данных Кеплер пришёл к следующим выводам:

1. Орбита каждой из планет является плоской кривой, причем плоскости всех планетных орбит пересекались в Солнце. Это означало, что Солнце находится в геометрическом центре планетной системы, тогда как у Коперника таковым был центр земной орбиты. Само понятие орбиты, кажется, также было впервые введено Кеплером.

2. Земля движется по своей орбите неравномерно. Тем самым впервые Земля уравнялась в динамическом отношении со всеми остальными планетами.

3. Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце (I закон Кеплера).

4. Кеплер открыл закон площадей (II закон Кеплера): отрезок, соединяющий планету и Солнце, за равные промежутки времени описывает равные площади. Поскольку расстояние планеты от Солнца при этом также менялось (согласно первому закону), отсюда следовала переменность скорости движения планеты по орбите. Установив свои первые два закона, Кеплер впервые оказался от догмы о равномерных круговых движениях планет, со времен Пифагора владевшей умами исследователей. Причём, скорость планеты менялась в зависимости от расстояния от Солнца, а не от некоторой бестелесной точки. Тем самым Солнце оказалось не только геометрическим, но и динамическим центром планетной системы.

5. Кеплер вывел математический закон (III закон Кеплера), который связывал между собой периоды обращений планет и размеры их орбит: квадраты периодов обращений планет относятся как кубы больших полуосей их орбит. Впервые закономерность устройства планетной системы, о существовании которой догадывались ещё древние греки, получила математическое оформление.

На основании открытых им законов движения планет Кеплер составил таблицы планетных движений (Рудольфинские таблицы), по точности далеко оставлявшие позади все таблицы, составленные ранее. Эти таблицы ещё более уточнил английский астроном Джереми, в течение долгих лет бывший единственным последователем Кеплера. Трудами Кеплера и Хоррокса был задан новый стандарт точности планетных теорий.

Выдвижение гелиоцентрической системы значительно стимулировало развитие физики. Именно на этом пути были сформулированы основополагающие положения классической механики: принцип относительности и принцип инерции. Закон всемирного тяготения, сформулированный Исааком Ньютоном в “Математических началах натуральной философии”, подтвердил справедливость законов Кеплера и завершил обоснование гелиоцентрической системы.