Объясняя мир. Истоки современной науки

Вайнберг Стивен

3. Галилей сообщил, что в телескоп планеты «представляют свои шарики совершенно круглыми и точно очерченными, как маленькие Луны», но он не смог увидеть подобных изображений у звезд. Вместо этого он узнал, что, хотя звезды, рассматриваемые в телескоп, выглядят более яркими, они не кажутся значительно больше. Его объяснение этого явления было путаным. Галилей не знал, что кажущийся видимый размер звезд вызван преломлением в различных направлениях лучей света в атмосфере Земли, а не чем-либо, присущим самой звезде или ее окружению. Именно из-за этих атмосферных флюктуаций звезды выглядят мерцающими {201} . Галилей решил, что, поскольку невозможно получить изображения звезд с помощью телескопа, они находятся гораздо дальше, чем планеты. Как он отметил позднее, это помогло ему объяснить, почему мы не наблюдаем годичный звездный параллакс, если Земля обращается вокруг Солнца.

201

Угловой

размер планет достаточно велик, чтобы лучи с различных точек их дисков, направленные в глаз наблюдателя, проходя сквозь земную атмосферу, располагались на расстояниях, превышающих размер обычных атмосферных возмущений. Таким образом, эффекты нескольких различных возмущений на пути лучей света от отдельных точек диска планеты взаимно не коррелируют и вследствие этого чаще взаимно компенсируются, а не усиливаются. Поэтому мы не видим планеты мерцающими.

4. Самое впечатляющее и важное открытие, описанное в «Звездном вестнике», было сделано 7 января 1610 г. Наведя телескоп на Юпитер, Галилей увидел, что «Юпитеру сопутствуют три звездочки, хотя и небольшие, но очень яркие». Вначале он подумал, что это еще три неподвижные звезды, слишком тусклые, чтобы заметить их раньше, хотя и удивился тому, что они были расположены точно по прямой линии, параллельной эклиптике: две к востоку от Юпитера и одна – к западу. Но следующей ночью все три «звезды» оказались к западу от Юпитера, а 10 января были видны только две, обе на востоке. В конце концов 13 января Галилей увидел четыре такие «звезды», причем все они были расположены более или менее вдоль эклиптики. Он пришел к выводу, что у Юпитера имеется четыре спутника, наподобие земной Луны, которые, как и она, обращаются примерно в плоскости орбиты планеты, которая близка к плоскости эклиптики. Сейчас эти (самые большие) спутники Юпитера известны как Ганимед, Ио, Каллисто и Европа. Они были названы по именам возлюбленных Юпитера {202} .

202

Галилео расстроился бы, если бы узнал, что именно эти названия прижились в дальнейшем и употребляются в наше время. Так спутники Юпитера назвал в 1614 г. Симон Майр, немецкий астроном, который оспаривал первенство Галилея в их открытии.

Это открытие стало важным подтверждением теории Коперника. С одной стороны, система Юпитера и его спутников в миниатюре демонстрировала, как, по представлению Коперника, должны выглядеть Солнце и окружающие его планеты. Небесные тела обращались вокруг небесного тела, которое не являлось Землей. Кроме того, существование спутников у Юпитера полностью разрешило вопрос, который задавали противники теории Коперника: если Земля находится в движении, то как Луна не улетает от нее? Все соглашались с тем, что Юпитер двигается, но его спутники явно оставались при нем.

Хотя эти результаты были получены слишком поздно, чтобы включить их в «Звездный вестник», Галилей к концу 1611 г. измерил периоды обращения четырех открытых им спутников Юпитера и в 1612 г. опубликовал их на первой странице труда, посвященного другим вопросам {203} . Сравнение результатов, полученных Галилеем, с современными значениями (в днях, часах и минутах) приводятся в таблице ниже.

Такая точность измерений была достигнута Галилеем путем тщательных наблюдений и точного хронометража {204} .

203

Галилео Галилей. Рассуждение о телах, пребывающих в воде// Избранные труды: в 2 т. Т. 2/Пер. и прим. И. Н. Веселовского. – М.: Наука, 1964. С. 39.

204

Предположительно, Галилей пользовался не часами, а ориентировался по видимому движению звезд. Поскольку звездам необходимо примерно 24 часа, чтобы совершить видимый оборот вокруг Земли на 360°, изменение положения звезды на один градус указывает на то, что прошла 1/360 часть этого времени, то есть 4 минуты.

Галилей посвятил свой «Звездный вестник» Козимо II Медичи, бывшему своему ученику, ставшему впоследствии Великим герцогом Тосканы, и назвал четыре спутники Юпитера «Медицейскими звездами». Это был хорошо рассчитанный комплимент. В Падуе у Галилея было неплохое жалованье, но ему сказали, что оно никогда не будет повышено. Кроме того, за это жалованье Галилео должен был преподавать,

отнимая время от своих научных изысканий. Он был готов заключить соглашение с Козимо, который называл его придворным математиком и философом, к тому же профессорская должность в Пизе не предполагала обязанностей преподавать. Галилей настаивал на титуле придворного философа, поскольку, несмотря на достижения, которых добились в астрономии такие математики, как Кеплер, и на аргументы таких профессоров, как Клавий, статус математиков был гораздо ниже, чем тот, который имели философы. Также Галилей хотел, чтобы его работы принимали серьезно, как то, что философы называли «физикой», то есть как объяснение природы Солнца, Луны и планет, а не как математическое описание явлений.

Летом 1610 г. Галилей уехал из Падуи во Флоренцию. Это решение, как выяснилось впоследствии, оказалось для него катастрофическим. Падуя находилась на территории Венецианской республики, которая в то время была под меньшим влиянием Ватикана, чем любая другая область Италии, и счастливо избежала папских запретов за несколько лет до отъезда Галилея. Переезд во Флоренцию сделал Галилея гораздо более беззащитным перед контролем Церкви. Современный университетский декан может сказать, что такой поворот событий был просто наказанием за бегство Галилея от преподавательских обязанностей. Но на какое-то время наказание было отсрочено.

5. В сентябре 1610 г. Галилей сделал пятое из своих великих астрономических открытий. Он направил телескоп на Венеру и выяснил, что у нее есть фазы, как у Луны. Галилео послал Кеплеру зашифрованное сообщение: «Мать любви [Венера] принимает формы Цинтии [Луны]». Существование фаз предполагалось и теорией Птолемея, и теорией Коперника, но фазы должны были быть разными. По теории Птолемея Венера всегда находится, более или менее, между Землей и Солнцем, поэтому она не может быть в фазе больше половины. С другой стороны, по теории Коперника Венера оказывается полностью освещенной, когда находится по другую сторону Солнца относительно Земли.

Это было первое прямое доказательство того, что теория Птолемея неверна. Вспомним, что теория Птолемея дает ту же картину солнечного и планетного движения, видимого с Земли, что и теория Коперника, какой бы размер деферента мы ни выбрали. Но она не дает ту же картину солнечного и планетного движения, как и теория Коперника, если смотреть с планет. Конечно, Галилей не мог отправиться на другую планету, чтобы увидеть, как движение Солнца и планет выглядит оттуда. Но фазы Венеры указали ему направление на Солнце с Венеры: ее яркая сторона – это та сторона, которая обращена к Солнцу. Только один частный случай теории Птолемея мог верно описать это явление – тот случай, когда деференты для Венеры и Меркурия совпадают с орбитой Солнца, что, как мы уже заметили, соответствует теории Тихо Браге. Эту версию теории никогда не принимали ни Птолемей, ни его последователи.

6. Через некоторое время после приезда во Флоренцию Галилей нашел гениальный способ изучить поверхность Солнца, спроецировав его изображение через телескоп на экран. С помощью этого метода он сделал шестое открытие: на поверхности Солнца были видны темные пятна. Результаты этих исследований он опубликовал в 1613 г. в работе «Письма о солнечных пятнах», о которой мы поговорим немного позднее.

В истории бывают моменты, когда новые технологии открывают большие перспективы для чистой науки. Усовершенствование вакуумных насосов в XIX в. сделало возможными эксперименты с электрическими разрядами в катодной вакуумной трубке, что привело к открытию электрона. Усовершенствование корпорацией Ilford фотографических эмульсий позволило открыть целую группу элементарных частиц за десятилетие, последовавшее после Второй мировой войны. Развитие микроволновых радаров во время войны позволило использовать микроволновое излучение для изучения атомов, обеспечив принципиально важное обоснование законов квантовой электродинамики в 1947 г. И не стоит забывать о гномоне. Но ни одна из этих новых технологий не позволила достичь таких впечатляющих результатов, как телескоп в руках Галилея.

Реакция на открытия Галилея колебалась от осторожной предусмотрительности до энтузиазма. Давний противник Галилея в Падуе Чезаре Кремонини отказался даже посмотреть через телескоп, как и профессор философии в Пизе Джулио Либри. С другой стороны, Галилей был избран членом «Академии деи Линчеи» – первой научной академии в Европе, основанной несколькими годами ранее. Кеплер использовал телескоп Галилея [16] и подтвердил его открытия. (Кеплер разработал теорию телескопа и вскоре изобрел собственный вариант инструмента с двумя двояковыпуклыми линзами.)

16

Один из телескопов Галилея достался Кеплеру случайно и на короткое время, с 29 августа по 9 сентября 1610 г. См.: Шмутцер Э., Шютц В. Галилео Галилей. – М.: Мир, 1987. – С. 47. – Прим. науч. ред.