До Коперника основополагающей парадигмой в европейской науке была геоцентрическая система Птолемея, в которой Земля находилась в центре мироздания. Вокруг нее на небесных сферах вращались Солнце и планеты. Интересно, что в рамках системы Птолемея расстояние между планетами невозможно было определить.

1. Система Птолемея

Однако эта система очень хорошо описывала наблюдаемое на небосводе движение планет. Например, если смотреть с Земли, то некоторые из планет двигаются сначала в одном направлении, а затем меняют его на противоположное. В рамках системы Птолемея этот факт объяснялся тем, что движение планет является наложением нескольких вращений: имеется окружность, которая называется эпицикл, по ней вращается планета. В свою очередь, центр этого круга вращается по другой окружности, которая называется дифферентом. А центр дифферента совпадает с положением Земли. Систему Птолемея можно было усложнять, добавляя эпициклы, и таким образом повышать предсказательную точность теории в части определения положения планет на небосводе. В принципе система Птолемея могла бы описывать поведение планет с любой наперед заданной точностью — достаточно было просто увеличить количество эпициклов и согласовать их вращение нужным образом.

2. Система Коперника

Коперник, как известно, изменил представление о движении планет. Это не означает, что он просто взял и сказал: «Ребята, вот, смотрите, планеты двигаются по-другому!». На самом деле он в течение нескольких десятилетий занимался собственными наблюдениями и обработкой наблюдаемых данных и пытался описать движение планет другим образом. Это был тяжелый, кропотливый труд. В его системе в центре мироздания располагалось Солнце, а планеты двигались вокруг него по идеальным окружностям.

Когда система Коперника была создана, то, несмотря на то что она более красиво и логично описывала наблюдаемые данные, системы Птолемея была значительно точнее. На тот момент в экспериментальном смысле система Коперника уступала по всем показателям системе Птолемея. И потом в новой системе тоже необходимо было добавлять эпициклы. Ведь все еще считалось, что планеты движутся по окружностям, хоть и вокруг Солнца. Более того, возникали и логические противоречия. Ведь Коперник не знал, что планеты движутся по эллипсам. Действительно, хотя эксцентриситет этих эллипсов очень мал и они слабо отличаются от окружностей, для очень большого радиуса орбиты планеты оказывалось, что эксцентриситет больше радиуса Солнца. Из-за этого получалось, что центр орбиты Юпитера, например, находится вне пределов Солнца. При создании своей системы Коперник использовал эстетические соображения, но так получалось, что она описывает ситуацию в совершенно парадоксальном ключе. Это было одной из причин, по которой Коперник задержал публикацию своего открытия.

Система Коперника не была мгновенно отвергнута Церковью. Даже папа римский приходил на лекции Коперника на эту тему и вполне благосклонно относился к его взглядам. Примерно в это же время проходила реформа календаря и стояла также задача создания точных часов, хронометров. Все это было необходимо для морских путешествий, так как это являлось основой определения долготы и широты положения корабля. Поэтому все эти планетарные вопросы стояли очень остро. Но уже следующие поколения священнослужителей, действительно, отрицательно относились к системе Коперника.

3. Исследования Тихо Браге и Кеплера

После Коперника основной вклад в эту систему внес Тихо Браге. Для него важно было доказать экспериментально, что Земля действительно движется, а не покоится. Он рассуждал очень правильно: если Земля движется, то должно меняться положение звезд на небосводе. Действительно, летом и зимой направление на звезды должно меняться, ведь Земля находится в противоположных точках своей орбиты. Сейчас известно, что точности таких измерений того времени недостаточно для наблюдения изменения положения звезд. Такие измерения впервые были проделаны только в XIX веке. Поэтому Тихо Браге заключил, что Земля на самом деле покоится. В результате предложенная им система была гибридной: Земля находилась в центре мироздания, Солнце вращалось вокруг Земли, а все остальные планеты — вокруг Солнца.

Стажером у Тихо Браге был Кеплер. В наследство ему достались наблюдения Тихо Браге, на тот момент самые надежные в мире. Пользуясь этими наблюдениями, Кеплер в течение нескольких десятилетий пытался найти форму кривых, по которым движутся планеты. У него было много иллюзий, например, по поводу того, что формы небесных сфер, на которых сидят орбиты планет, укладываются в многогранники Платона. Ведь он искал гармонию в планетарном движении.

Но в какой-то момент он увидел, что все точки положения Марса при его движении вокруг Солнца ложатся идеально на эллипс. Вероятно, это было настолько сильным шоком для него, что он немедленно и безоговорочно поверил в это открытие. Кеплер опубликовал результаты своих исследований, но парадокс заключается в том, что ему никто не поверил. Несмотря на то, что Галилей и Кеплер придерживались одних взглядов на систему мира, признавая теорию Коперника верной, все равно Галилей не поверил Кеплеру в том, что планеты движутся по эллипсам. Для него это был нонсенс.

4. Реакция Галилея на законы Кеплера

Дело в том, что тот постулат механики, который мы сейчас знаем как первый закон Ньютона, был придуман Галилеем для аргументации в спорах с людьми, которые отказывались признавать систему Коперника. Эти люди возражали против взглядов Коперника примерно так: «Ну представь, как такое может быть, чтобы Земля двигалась, а мы бы этого не замечали. Мы бы слетали с нее, падали и т. д.» На что Галилей отвечал, что Земля движется по инерции, а инерциальное движение мы не чувствуем. Действительно, представьте, что мы плывем на корабле с постоянной скоростью, то есть по инерции — в отсутствии сил. Мы не почувствуем этого движения. Более того, если рядом, например, находится другой корабль, то можно перепутать, движемся ли мы относительно того корабля или корабль относительно нас.

Соответственно, Галилей считал, что именно так по инерции движется и Земля вокруг Солнца. Но, с его точки зрения, так она может двигаться только по идеальной кривой, каковой может считаться только окружность. В рамках такого подхода позволительно накладывать одно инерциальное движение на другое и получать суперпозицию нескольких круговых движений. То есть Галилей тоже описывал движение планет при помощи эпициклов, но никакого эллиптического движения он принять не мог. Он не признавал, что между Солнцем и планетами есть какие-то силы притяжения, которые, с его точки зрения, должны были быть проявлением действия на расстоянии. Это сейчас мы знаем о существовании полей, а тогда этого известно не было.

В любом случае Галилей не признал результаты Кеплера.

5. Преимущества системы Коперника

В чем, собственно, преимущество системы Коперника по сравнению с системой Птолемея? С практической точки зрения, например, в рамках системы Коперника можно сразу оценить расстояние между планетами в относительных расстояниях. Что и сделал еще Коперник, когда только ввел свою систему. Но самое главное — это то, что в основе системы Коперника лежит фундаментальный закон, который описывает движение не только планет, но и звезд, и падение камня на землю, яблока на голову человека. И в этом только и есть основное преимущество системы Коперника. Ведь для подтверждения экспериментальных наблюдений можно вводить эпициклы в системе Птолемея и все отлично описывать.

На самом деле, если задуматься, то и до сих пор развитие науки идет по увеличению количества «эпициклов». А потом кто-нибудь задумывается о сути вещей, вместо того чтобы плыть по течению со всеми, и придумывает нечто более фундаментальное, из чего следуют простым образом соответствующие законы природы.

6. Доказательство законов Кеплера

Известно, что однажды в конце XVII века в одном из баров Лондона сидели три человека — Галлей (тот, чьим именем названа знаменитая комета), Рен (архитектор собора св. Петра в Лондоне) и Гук (который известен законом Гука, хотя его заслуги много превосходят один этот закон). В этом баре они поспорили, можно ли вывести законы Кеплера из закона обратных квадратов, то есть из закона падения силы притяжения планеты к Солнцу с расстоянием как обратный квадрат. Галлей, зная Ньютона и находясь под его сильным влиянием, обратился к нему с просьбой о том, чтобы проделать этот вывод. Ньютон отказался заняться этим вопросом, сказав, что когда-то давно уже решил эту задачу, а сейчас его больше интересуют другие вопросы, алхимия например. Но под давлением Галлея он вернулся к этому вопросу и вывел математически грамотно законы Кеплера. Таким образом, в конечном счете теория Коперника восторжествовала.

Вот сколько противоречий было при создании этой системы мира, и через какие трудности ей пришлось пройти, чтобы в итоге восторжествовать.