Эволюция Вселенной и происхождение жизни - Теерикор Пекка. Страница 21
Суд над Галилеем стал частью коперниканской революции и вынудил учен. ых искать дополнительные доказательства в пользу новой системы мира. Однако история с Галилеем заставила на некоторое время прекратить открытые дискуссии на эту тему. Одним из тех, кого в 1633 году встревожили новости из Рима, был Рене Декарт (1596–1650), французский философ и математик, только что закончивший работу «Мир». В этой книге он представил свою физическую систему мира, включающую гелиоцентризм. Декарт решил отложить рукопись, и она была опубликована лишь после его смерти.
Впрочем, Декарт сделал и многое другое, что повлияло на философию, физику и математику еще при его жизни. Отправной точкой «картезианской физики» был закон инерции. Он обсуждался Галилеем, но только Декарт сформулировал его для идеальной частицы в бесконечном пространстве. Если частица не соприкасается с другой частицей, то она будет либо сохранять начальное состояние покоя, либо двигаться с постоянной скоростью по прямой. Закон Декарта о движении свободной частицы по инерции очень похож на первый закон движения Ньютона, который мы обсудим позднее. Однако, в отличие от гравитационного притяжения сквозь пустое пространство, в физике Декарта ничего не происходит, пока частица не отклонится при столкновении с другой частицей; иными словами — изменения в нашем мире вызываются столкновениями. Нет загадочного взаимодействия на расстоянии; все тела постоянно находятся в контакте с другими телами. Даже пространство между звездами не пустое, а заполнено частицами эфира.
Исходя из этих предположений, Декарт объяснял различные явления, включая движение планет: вместо гравитации их движение вызвано частицами эфира, роящимися вокруг Солнца. Подобные же вихри существуют и вокруг других звезд. Солнечный вихрь смог захватить оказавшиеся поблизости мертвые звезды, так появились планеты, в том числе и Земля.
Описывая движение планет, картезианская физика смогла предложить только качественное, туманное объяснение этого явления. Ньютон же с помощью своих новых законов движения, включая гравитационное притяжение сквозь пустое пространство, смог построить количественную математическую физику, которая заменила декартовскую физику. Тем не менее исследовательская позиция Декарта влияла на научное мышление в течение всего периода коперниканской революции. Декарта часто называют отцом современной математики. Он объединил геометрию с алгеброй, создав аналитическую геометрию, в которой положение точки на математической плоскости определяется двумя координатами — x и у. Говорили, что корни этой идеи уходят в его детство, когда он наблюдал за мухой, ползавшей по потолку над его кроватью. Как описать путь мухи? Это можно сделать, если каждую точку потолка описать парой чисел (x:, у). В качестве примера можно привести прямоугольную систему координат. В ней расстояние между любыми двумя точками можно определить просто из разности координат: (расстояние)2 = (расстояние по x)2 + (расстояние по y)2.
Время в современном смысле ввел в науку Галилей. В своих опытах с шаром, катящимся вниз по наклонной плоскости, он вместо часов использовал биение собственного сердца. Кроме того, он измерял время, взвешивая воду, вытекшую через отверстие в сосуде, но затем он понял, что для этой цели можно использовать маятник. Рассказывают, что в возрасте 20 лет, когда он оказался на мессе в кафедральном соборе, его внимание привлекли люстры, свисающие с потолка на длинных цепях. От сквозняка они величественно раскачивались. Люстры были подвешены на цепях одинаковой длины, но имели разный вес. Однако раскачивались они при этом с одинаковой частотой. Это подтолкнуло Галилея к опыту, показавшему, что в действительности период качания зависит не от веса груза у маятника, а от его длины. Галилею пришла идея, что можно собрать часовой механизм, используя постоянные колебания маятника, если умудриться поддерживать эти колебания и механически считать их количество. С уменьшением длины маятника период становится короче, поэтому можно точно измерять короткие интервалы времени.
Идею маятниковых часов реализовал голландский физик Христиан Гюйгенс (1625–1695). В его маятниковых часах была решена проблема поддержания колебаний, а измерение времени происходило с ошибкой около 10 секунд в сутки, в отличие от существовавших до этого механических часов, дававших ошибку около 15 минут в сутки.
Возвращаясь к вопросу о движении Земли и имея в виду более поздние работы Ньютона по гравитации, укажем, что именно Гюйгенс в 1659 году определил, каким должно быть ускорение к центру, чтобы тело двигалось по круговой орбите. Он показал, как вычислить ускорение к центру: нужно разделить квадрат круговой скорости на радиус окружности. Например, на экваторе Земли скорость равна 464 м/с, а радиус Земли равен 6,380 x 106 м. Таким образом, центростремительное ускорение, необходимое для того, чтобы удержать воздух у поверхности Земли, равно (464 х 464)/6 380 000 = 0,0337 м/с2. С другой стороны, притяжение Земли придает телу центростремительное ускорение 9,8 м/с2, что гораздо больше необходимого значения. Прежде боялись, что вращение Земли может стать причиной ветра и сдуть воздух в космическое пространство. Приведенные выше вычисления показывают, что ускорение, вызванное гравитацией, гораздо больше, чем требуется для удержания воздуха у поверхности вращающейся Земли. Поэтому нет никакого риска, что воздух улетит в космос.
Первые астрономические наблюдения Галилея показали, насколько сильно даже маленький телескоп увеличивает возможности человеческого глаза. Телескоп собирает намного больше света, чем глаз. Это дает возможность увидеть гораздо более тусклые объекты, чем доступные невооруженному глазу. Например, в области Плеяд Галилей увидел 36 звезд вместо обычных 6. На фотографиях, полученных с помощью современных телескопов, в этой группе видны сотни звезд. Большой объектив значительно улучшает и разрешение. Это означает, что две близкие звезды, сливающиеся для невооруженного глаза в одно пятнышко, можно увидеть по отдельности в телескоп. Способность собирать больше света, чем глаз, и высокое разрешение дают возможность увидеть больше структур и тусклых объектов на звездном небе. Высокое разрешение позволяет более точно определять положения (координаты) звезд. А это очень важно при измерении расстояний до звезд, о чем мы расскажем в следующей главе.
Конструкцию телескопа Галилея вскоре улучшил Кеплер, предложив оптическую схему, используемую по сей день. В «кеплеровском» телескопе большая объективная линза дает изображение небесного объекта на большом расстоянии от объектива. Детали этого изображения рассматривают с помощью увеличивающей выпуклой окулярной линзы.
Качество изображения первых телескопов было плохим. Простые линзы отягощены цветовыми ошибками (хроматическая аберрация), вызванными тем, что световые лучи разного цвета не фокусируются в одной точке, поэтому изображение звезды получается размытым пятнышком, окруженным цветными разводами. В определенной степени линза действует как призма. Изобретение ахроматических объективов в XVIII веке намного улучшило изображения. Прежде для этого были вынуждены сооружать очень длинные телескопы. Когда отношение диаметра объективной линзы и ее фокусного расстояния мало, лучи света лишь слегка преломляются, цветовая погрешность меньше, а изображение резче. На рис. 7.4 показаны такие длинные телескопы Парижской обсерватории.
Рис. 7.4. «Воздушные телескопы» Парижской обсерватории XVII века. Даже при том, что они были очень неудобными в работе, с их помощью были сделаны открытия.
Христиан Гюйгенс тоже строил телескопы, самый большой из которых имел в длину 37 м. Невозможно было сделать такую гигантскую сплошную трубу, поэтому объективная линза устанавливалась на верхушке шеста или на коньке кровли, а управляли ее положением с помощью длинной веревки, стоя на земле и удерживая окуляр перед глазом. Судя по всему, очень неудобно было работать с таким инструментом, следя за вращающимся звездным небом. Тем не менее при помощи этих инструментов получали интересные наблюдательные данные. Например, Гюйгенс обнаружил, что странные отростки у Сатурна, замеченные Галилеем, в действительности являются тонким плоским диском вокруг планеты в ее экваториальной плоскости.