2.4: Народження сучасної астрономії

Last updated
Save as PDF

Page ID: 78433

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

навчальні цілі

До кінця розділу ви зможете:

Поясніть, як Коперник розробив геліоцентричну модель Сонячної системи
Поясніть Коперніканську модель руху планет і опишіть докази або аргументи на його користь
Опишіть відкриття Галілея, що стосуються вивчення руху і сил
Поясніть, як відкриття Галілея нахилили баланс доказів на користь моделі Коперника

Астрономія не зробила великих успіхів у розорваній міжусобиці середньовічної Європи Зародження і розширення ісламу після сьомого століття призвело до розквіту арабської та єврейської культур, які зберегли, переклали і додали до багатьох астрономічних ідей греків. Багато з назв найяскравіших зірок, наприклад, сьогодні взяті з арабської, як і такі астрономічні терміни, як «зеніт».

Оскільки європейська культура почала виходити з її довгого, темного віку, торгівля з арабськими країнами призвела до повторного відкриття стародавніх текстів, таких як Альмагест, і до пробудження інтересу до астрономічних питань. Цей час відродження (по-французьки «ренесанс») в астрономії втілилося в творчості Коперника (рис.\(\PageIndex{1}\)).

альт — \(\PageIndex{1}\)Малюнок Миколи Коперника (1473-1543). Коперник був кліриком і вченим, який зіграв провідну роль у виникненні сучасної науки. Хоча він не зміг довести, що Земля обертається навколо Сонця, він представив такі переконливі аргументи на користь цієї ідеї, що він перевернув хід космологічної думки і заклав основи, на яких Галілей і Кеплер так ефективно будували в наступному столітті.

Коперник

Однією з найважливіших подій епохи Відродження стало витіснення Землі з центру Всесвіту, інтелектуальна революція, ініційована польським кліриком у шістнадцятому столітті. Микола Коперник народився в Торуні, меркантильному містечку вздовж річки Вісли. Його підготовка була в галузі права і медицини, але основними його інтересами були астрономія і математика. Його великим внеском в науку стала критична переоцінка існуючих теорій руху планет і розробка нової сонцецентричної, або геліоцентричної, моделі Сонячної системи. Коперник дійшов висновку, що Земля - це планета і що всі планети оточують Сонце. Тільки Місяць обертається навколо Землі (рис.\(\PageIndex{2}\)).

Коперник детально описав свої ідеї у своїй книзі De Revolutionibus Orbium Coelestium (Про революцію небесних куль), опублікованій у 1543 році, в рік його смерті. До цього часу стара система Птолемеїв потребувала значних коригувань, щоб правильно передбачити положення планет. Коперник хотів розробити вдосконалену теорію, з якої розраховувати планетарні положення, але при цьому він сам був не вільний від усіх традиційних забобонів.

Він почав з кількох припущень, які були поширеними в його час, таких як ідея про те, що рухи небесних світил повинні складатися з комбінацій рівномірних кругових рухів. Але він не припускав (як це робила більшість людей), що Земля повинна бути в центрі Всесвіту, і він представив захист геліоцентричної системи, яка була елегантною і переконливою. Його ідеї, хоча і не були широко прийняті лише через століття після його смерті, багато обговорювалися серед вчених і, врешті-решт, мали глибокий вплив на хід світової історії.

Одне із заперечень, висловлених проти геліоцентричної теорії, полягало в тому, що якби Земля рухалася, ми всі відчували або відчували б цей рух. Тверді предмети будуть зірвані з поверхні, кулька, що впав з великої висоти, не вдарив би об землю прямо під нею і так далі. Але рухома людина не обов'язково усвідомлює цей рух. Ми всі відчували, як сусідній поїзд, автобус чи корабель, здається, рухаються, лише щоб виявити, що саме ми рухаємося.

Коперник стверджував, що видимий рух Сонця навколо Землі протягом року може бути однаково добре представлений рухом Землі про Сонце. Він також міркував, що видиме обертання небесної сфери можна пояснити, припускаючи, що Земля обертається, поки небесна сфера нерухома. На заперечення про те, що якщо Земля обертається навколо осі, вона розлетиться на шматки, Коперник відповів, що якщо такий рух розірве Землю на частини, то все ще швидший рух набагато більшої небесної сфери, необхідної геоцентричною гіпотезою, буде ще більш руйнівним.

Геліоцентрична модель

Найважливіша ідея Коперника De Revolutionibus полягає в тому, що Земля є однією з шести (відомих тоді) планет, які обертаються навколо Сонця. Використовуючи це поняття, він зміг виробити правильну загальну картину Сонячної системи. Він розмістив планети, починаючи найближче до Сонця, в правильному порядку: Меркурій, Венера, Земля, Марс, Юпітер і Сатурн. Далі він зробив висновок, що чим ближче планета до Сонця, тим більше її орбітальна швидкість. Своєю теорією він зміг пояснити складні ретроградні рухи планет без епіциклів і виробити приблизно правильний масштаб для Сонячної системи.

Коперник не зміг довести, що Земля обертається навколо Сонця. Насправді, з деякими коригуваннями стара система Птолемеїв могла б також враховувати рухи планет в небі. Але Коперник зазначив, що космологія Птолемеїв була незграбною і не вистачає краси і симетрії свого наступника.

За часів Коперника, насправді, мало хто думав, що існують способи довести, чи є геліоцентрична або стара геоцентрична система правильною. Давня філософська традиція, що поверталася до греків і захищалася католицькою церквою, стверджувала, що чиста людська думка в поєднанні з божественним одкровенням представляла шлях до істини. Природа, як розкривається нашими почуттями, була підозрюваною. Наприклад, Аристотель міркував, що важчі предмети (мають більшу якість, яка зробила їх важкими) повинні падати на Землю швидше, ніж легші. Це абсолютно неправильно, як показує будь-який простий експеримент скидання двох кульок різної ваги. Однак в день Коперника експерименти не носили великої ваги (якщо вибачте вираз); міркування Аристотеля були більш переконливими.

У цьому середовищі було мало мотивації проводити спостереження або експерименти, щоб розрізняти конкуруючі космологічні теорії (або що-небудь інше). Тому не повинно нас дивувати, що геліоцентрична ідея обговорювалася більше півстоліття без будь-яких тестів, застосовуваних для визначення її обґрунтованості. (Насправді в північноамериканських колоніях старша геоцентрична система все ще викладалася в Гарвардському університеті в перші роки після її заснування в 1636 році.)

Протиставте це ситуації сьогодні, коли вчені поспішають перевіряти кожну нову гіпотезу і не приймають ніяких ідей, поки не будуть отримані результати. Наприклад, коли два дослідники з Університету Юти оголосили в 1989 році, що вони виявили спосіб досягнення ядерного синтезу (процесу, який забезпечує зірки) при кімнатній температурі, інші вчені в більш ніж 25 лабораторіях по всьому США намагалися дублювати «холодний синтез» протягом декількох тижня—безуспішно, як виявилося. Теорія холодного синтезу незабаром пішла в полум'я.

Як би ми сьогодні подивилися на модель Коперника? Коли в науці пропонується нова гіпотеза або теорія, її потрібно спочатку перевірити на відповідність тому, що вже відомо. Геліоцентрична ідея Коперника проходить цей тест, оскільки дозволяє розраховувати планетарні положення принаймні так само, як і геоцентрична теорія. Наступним кроком є визначення того, які прогнози робить нова гіпотеза, що відрізняються від прогнозів конкуруючих ідей. У випадку з Коперником одним із прикладів є передбачення того, що якщо Венера оточує Сонце, планета повинна пройти повний діапазон фаз так само, як це робить Місяць, тоді як якщо вона кружляє Землю, вона не повинна (рис.\(\PageIndex{3}\)). Крім того, ми не повинні бути в змозі побачити повну фазу Венери з Землі, тому що Сонце тоді буде між Венерою і Землею. Але в ті часи, перед телескопом, ніхто не уявляв випробовувати ці прогнози.

Ця анімація показує фази Венери. Ви також можете побачити його відстань від Землі, коли вона обертається навколо Сонця.

Галілей і початок сучасної науки

Багато сучасних наукових концепцій спостереження, експериментів і тестування гіпотез за допомогою ретельних кількісних вимірювань були першопрохідцями людини, яка жила майже століття після Коперника. Галілео Галілей (Рисунок\(\PageIndex{4}\)), сучасник Шекспіра, народився в Пізі. Як і Коперник, він почав підготовку до медичної кар'єри, але мало цікавився предметом і пізніше перейшов на математику. Він обіймав посади викладачів в Університеті Пізи та Падуанському університеті, і в кінцевому підсумку став математиком великого герцога Тосканського у Флоренції.

Найбільший внесок Галілея був в області механіки, вивчення руху і дії сил на тіла. Всім людям тоді, як і нам зараз, було знайомо, що якщо щось знаходиться в стані спокою, воно має тенденцію залишатися в стані спокою і вимагає деякого зовнішнього впливу, щоб запустити його в рух. Відпочинок, таким чином, загалом розглядався як природний стан речовини. Галілей показав, однак, що відпочинок не більш природний, ніж рух.

Якщо предмет ковзає уздовж чорнової горизонтальної підлоги, він незабаром приходить в спокій, оскільки тертя між ним і підлогою діє як уповільнююча сила. Однак, якщо підлога і об'єкт добре відполіровані, об'єкт, враховуючи однакову початкову швидкість, буде ковзати далі перед зупинкою. На рівному шарі льоду він буде ковзати ще далі. Галілей міркував, що якщо всі протистоять ефекти можуть бути видалені, об'єкт буде продовжувати в стійкому стані руху до нескінченності. Він стверджував, що сила потрібна не тільки для того, щоб запустити об'єкт, що рухається від спокою, але і для уповільнення, зупинки, прискорення або зміни напрямку рухомого об'єкта. Ви оціните це, якщо ви коли-небудь намагалися зупинити прокатний автомобіль, притулившись до нього, або рухомий човен, перетягуючи на лінії.

Галілей також вивчав спосіб прискорення об'єктів —змінювати їх швидкість або напрямок руху. Галілей спостерігав за предметами, коли вони вільно падали або скочувалися по пандусу. Він виявив, що такі об'єкти прискорюються рівномірно; тобто за рівні проміжки часу вони набирають рівні прирости швидкості. Галілей сформулював ці нещодавно знайдені закони в точних математичних умовах, що дозволило майбутнім експериментаторам передбачити, наскільки далеко і як швидко будуть рухатися об'єкти в різні проміжки часу.

Підтвердження

Теоретично, якщо Галілей правий, перо і молоток, скинуті одночасно з висоти, повинні приземлитися в той же момент. На Землі цей експеримент неможливий, оскільки опір повітря і руху повітря змушують перо тремтіти, замість того, щоб падати прямо вниз, прискорюючись лише силою тяжіння. Протягом поколінь вчителі фізики говорили, що місце, де можна спробувати цей експеримент, десь там, де немає повітря, наприклад, Місяця. У 1971 році астронавт «Аполлона-15» Девід Скотт взяв молоток і перо на Місяць і спробував його, на радість фізики ботаніків всюди. NASA надає відео молотка та пера, а також коротке пояснення

Відео Малюнок\(\PageIndex{1}\): Молот проти пера на Місяці Зображення Кредит: Аполлон-15 екіпаж, NASA

Десь в 1590-х роках Галілей прийняв Коперніканскую гіпотезу про геліоцентричну Сонячну систему. У римо-католицькій Італії це не було популярною філософією, бо церковна влада все ще підтримувала ідеї Аристотеля і Птолемея, і вони мали потужні політичні та економічні причини наполягати на тому, що Земля була центром творіння. Галілей не тільки кинув виклик цьому мисленню, але й мав сміливість писати італійською, а не науковою латинською мовою, і публічно читати лекції на ці теми. Для нього не було протиріччя між авторитетом Церкви в питаннях релігії і моралі, і авторитетом природи (виявленим експериментами) в питаннях науки. Це було насамперед через Галілея та його «небезпечних» думок, що в 1616 році Церква видала заборонний указ про те, що доктрина Коперніка була «помилковою та абсурдною» і не повинна триматися чи захищатися.

Астрономічні спостереження Галілея

Невідомо, хто вперше задумав ідею об'єднання двох або більше шматочків скла для отримання інструменту, який збільшив зображення віддалених об'єктів, роблячи їх ближче. Перші такі «підзорні окуляри» (тепер називаються телескопами), які привернули багато уваги, були зроблені в 1608 році голландським виробником видовищ Гансом Ліпперші (1570—1619). Галілей почув про відкриття і, ніколи не побачивши зібраного телескопа, сконструював власний з трьохпотужним збільшенням (3 ×), завдяки чому віддалені об'єкти здавалися втричі ближче і більше (рис.\(\PageIndex{5}\)).

25 серпня 1609 року Галілей продемонстрував телескоп зі збільшенням 9 × урядовим чиновникам міста-держави Венеція. Під збільшенням 9 × ми маємо на увазі лінійні розміри об'єктів, що розглядаються, виявилися в дев'ять разів більшими або, як варіант, об'єкти виявилися в дев'ять разів ближче, ніж вони були насправді. Були очевидні військові переваги, пов'язані з пристроєм для бачення віддалених об'єктів. За його винахід зарплата Галілея була майже подвоєна, і йому було надано довічне перебування в якості професора. (Його колеги з університету були обурені, особливо тому, що винахід навіть не був оригінальним.)

Інші використовували телескоп перед Галілеєм, щоб спостерігати за речами на Землі. Але у спалаху проникливості, що змінила історію астрономії, Галілей зрозумів, що може повернути силу телескопа до небес. Перш ніж використовувати свій телескоп для астрономічних спостережень, Галілею довелося розробити стійке кріплення і вдосконалити оптику. Він збільшив збільшення до 30 ×. Галілео також потрібно було придбати впевненість у телескопі.

У той час людські очі вважалися остаточним арбітром правди про розмір, форму та колір. Відомо, що лінзи, дзеркала та призми спотворюють віддалені зображення, збільшуючи, зменшуючи або інвертуючи їх, або поширюючи світло в спектр (веселка кольорів). Галілей проводив неодноразові експерименти, щоб переконати себе в тому, що те, що він бачив через телескоп, ідентично тому, що він бачив близько. Тільки тоді він міг почати вірити, що чудодійні явища, виявлені телескопом на небесах, були реальними.

Почавши свою астрономічну роботу наприкінці 1609 року, Галілей виявив, що багато зірок занадто слабкі, щоб їх можна було побачити неозброєним оком, стало видно з його телескопа. Зокрема, він виявив, що деякі туманні розмивання вирішуються на багато зірок, і що Чумацький шлях - смуга білизни по нічному небу - також складався з безлічі окремих зірок.

Досліджуючи планети, Галілей виявив чотири супутники, що обертаються навколо Юпітера в часи, починаючи від трохи менше 2 днів до приблизно 17 днів. Це відкриття було особливо важливим, оскільки показало, що не все повинно обертатися навколо Землі. Крім того, це продемонструвало, що можуть бути центри руху, які самі знаходяться в русі. Захисники геоцентричного погляду стверджували, що якби Земля була в русі, то Місяць залишилася б позаду, оскільки навряд чи зможе встигнути за швидко рухається планетою. Тим не менш, тут були супутники Юпітера, які робили саме це. (Щоб визнати це відкриття та вшанувати його роботу, NASA назвало космічний корабель, який досліджував систему Юпітера Галілео.)

За допомогою свого телескопа Галілей зміг провести випробування згаданої раніше теорії Коперника на основі фаз Венери. Протягом декількох місяців він виявив, що Венера проходить через такі фази, як Місяць, показуючи, що вона повинна обертатися навколо Сонця, так що ми бачимо різні частини її денного світла в різний час (Рисунок\(\PageIndex{3}\)). Ці спостереження не могли бути змирені з моделлю Птолемея, в якій Венера кружила навколо Землі. У моделі Птолемея Венера також могла показувати фази, але вони були неправильними фазами в неправильному порядку від того, що спостерігав Галілей.

Галілей також спостерігав за Місяцем і бачив кратери, гірські хребти, долини та плоскі, темні райони, які, на його думку, можуть бути водою. Ці відкриття показали, що Місяць не може бути настільки несхожим на Землю—припускаючи, що Земля теж може належати до царства небесних тіл.

Для отримання додаткової інформації про життя та творчість Галілея див Проект Галілео в Університеті Райса.

Після роботи Галілея ставало все важче заперечувати погляд Коперника, і Земля повільно усувалася зі свого центрального положення у Всесвіті і надавала своє законне місце в якості однієї з планет, які відвідують Сонце. Однак спочатку Галілей зустрівся з великою кількістю опозиції. Римо-католицька церква, все ще відштовхуючись від протестантської Реформації, прагнула утвердити свій авторитет і вирішила зробити приклад Галілея. Йому довелося з'явитися перед інквізицією, щоб відповісти на звинувачення в тому, що його робота єретична, і в кінцевому підсумку він був засуджений до домашнього арешту. Його книги були в забороненому списку Церкви до 1836 року, хоча в країнах, де Римо-католицька церква мала менший вплив, їх широко читали та обговорювали. Лише 1992 року католицька церква публічно визнала, що помилилася в питанні цензури ідей Галілея.

Нові ідеї Коперника і Галілея почали революцію в нашій концепції космосу. Зрештою стало очевидно, що Всесвіт є величезним місцем і що роль Землі в ньому відносно неважлива. Ідея про те, що Земля рухається навколо Сонця, як і інші планети, підняла можливість того, що вони можуть бути самими світами, можливо, навіть підтримують життя. Як Земля була знижена зі свого положення в центрі Всесвіту, так теж було людство. Всесвіт, незважаючи на те, що ми можемо побажати, не обертається навколо нас.

Більшість з нас сьогодні сприймають ці речі як належне, але чотири століття тому такі поняття були лякаючими та єретичними для деяких, надзвичайно стимулюючими для інших. Піонери епохи Відродження розпочали європейський світ на шляху до науки і техніки, яким ми йдемо і сьогодні. Для них природа була раціональною і в кінцевому підсумку пізнаваною, а експерименти і спостереження надавали засоби для розкриття її таємниць.

СПОСТЕРЕЖЕННЯ ЗА ПЛАНЕТАМИ

Максимально в будь-який час ночі і в будь-який час року можна помітити одну або кілька яскравих планет на небі. Всі п'ять планет, відомих древнім - Меркурій, Венера, Марс, Юпітер і Сатурн - є більш помітними, ніж будь-які, крім найяскравіших зірок, і їх можна побачити навіть з міських місць, якщо ви знаєте, куди і коли дивитися. Один із способів відрізнити планети від яскравих зірок - це те, що планети менше мерехтять.

Венера, яка залишається поруч із Сонцем з нашої точки зору, з'являється або як «вечірня зірка» на заході після заходу сонця, або як «ранкова зірка» на сході до сходу сонця. Це найяскравіший об'єкт на небі після Сонця і Місяця. Вона далеко затьмарює будь-яку справжню зірку, а при найсприятливіших обставин може навіть відкинути видиму тінь. Деякі молоді військові новобранці намагалися збити Венеру як наближається ворожий корабель або НЛО.

Марс, з його характерним червоним кольором, може бути майже таким же яскравим, як Венера, коли близько до Землі, але зазвичай він залишається набагато менш помітним. Юпітер найчастіше є другою по яскравості планетою, приблизно зрівнюючи за блиском найяскравіші зірки. Сатурн тьмяніший, і він значно варіюється по яскравості, в залежності від того, чи видно його великі кільця майже на краю (слабкі) або більш широко розкриті (яскраві).

Меркурій досить яскравий, але мало хто коли-небудь помічає його, оскільки він ніколи не рухається дуже далеко від Сонця (його ніколи не буває більше 28° в небі) і завжди видно на тлі яскравого сутінкового неба.

Вірно своїй назві, планети «блукають» на тлі «нерухомих» зірок. Хоча їх очевидні рухи є складними, вони відображають основний порядок, на якому ґрунтувалася геліоцентрична модель Сонячної системи, як описано в цьому розділі. Позиції планет часто перераховуються в газетах (іноді на сторінці погоди), а чіткі карти та путівники до їх місцезнаходження можна знайти щомісяця в таких журналах, як Sky & Telescope і Astronomy (доступні в більшості бібліотек і в Інтернеті). Існує також ряд комп'ютерних програм і додатків для телефонів і планшетів, які дозволяють відображати, де знаходяться планети в будь-яку ніч.

Резюме

Микола Коперник представив геліоцентричну космологію в епоху Відродження Європи у своїй книзі De Revolutionibus. Хоча він зберіг Аристотельскую ідею рівномірного кругового руху, Коперник припустив, що Земля - це планета і що планети все кружляють навколо Сонця, виводячи Землю з її положення в центрі Всесвіту. Галілей був батьком як сучасної експериментальної фізики, так і телескопічної астрономії. Він вивчав прискорення рухомих об'єктів і в 1610 році почав телескопічні спостереження, відкривши природу Чумацького Шляху, масштабні особливості Місяця, фази Венери і чотири супутники Юпітера. Хоча його звинувачували в єресі за підтримку геліоцентричної космології, Галілею приписують спостереження і блискучі твори, які переконали більшість його наукових сучасників в реальності коперницької теорії.

Глосарій

прискорювати: змінити швидкість; прискорити, уповільнити або змінити напрямок.

геліоцентричний: в центрі на Сонці

Молот і стипендіат текст NASA