Современная астрономическая и астрофизическая картина мира

В результате изучения дайной главы студент должен: знать

• • основные положения физической картины мегамира;
• • современные космологические модели;
• • категориальный аппарат астрономической картины мира;
• • основные представления о структуре Метагалактики; уметь
• • выявлять специфику современных космологических моделей;
• • аргументировано показывать диалектическую взаимосвязь картины мегамира и картины микромира;
• • выявлять основные этапы эволюции Вселенной; владеть
• • навыками приобретения и применения знаний в сфере представлений о физической картине мегамира;
• • навыками использования понятийного аппарата для объяснения современных представлений о структуре и эволюции Вселенной.

Строение Вселенной, Космоса изучают космология и астрономия (от греч. astron — звезда + nomos — закон); эволюцию Вселенной — космогония (от греч. kosmos — Вселенная и gone, goneia — рождение); космонавтика — область практического изучения Космоса.

Развитие космологических представлений в доклассических и классических картинах мира

Первые космологические идеи сохранились до наших дней в виде мифов, но сами эти мифы основывались на обстоятельных и длительных астрономических наблюдениях. В Древнем Египте связь между небесными явлениями и сезонами года была осознана, очевидно, еще в период Древнего Царства (2664—2155 до н.э.). Предвестником Нового года у древних египтян выступал Сириус. Жрецам Вавилона, Египта, Индии, Китая и др. удалось весьма точно вычислить продолжительность года, повторяемость солнечных и лунных затмений, а также выделить группу подвижных (Луна, Солнце и пять известных в то время планет, названных именами богов), а также группу неподвижных объектов (звезд).

Факты из истории науки

В Месопотамии в начале III тысячелетия до н.э. был принят лунный календарь, а через 1 тыс. лет — лунно-солнечный календарь. К лунному году (12 месяцев, 354 дня) время от времени добавлялся дополнительный «високосный» месяц, чтобы сравниться с солнечным годом (365,24 суток). Вавилонянам (халдеям) уже было известно, что 8 солнечных лет приблизительно равны 90 лунным месяцам. Точность лунного месяца составляла 2 мин, а средняя продолжительность года лишь на 30 мин отличалась от действительной длительности тропического года в середине V в. до н.э.

Из наблюдений видимого движения Солнца по небесной сфере были выделены так называемые зодиакальные созвездия, которые расположены вдоль видимого годового пути Солнца среди звезд — эклиптики. В Древней Греции, во времена Евдокса Книдского (ок. 408 до н.э. — ок. 355 до н.э.) было выделено 12 таких созвездий. Однако за прошедшие тысячелетия изменился угол наклона плоскости эклиптики по отношению к созвездиям, и Солнце во время годового пути стало проходить через тринадцатое созвездие — созвездие Змееносца.

С возникновением античной философии формируются космологические модели Вселенной, принадлежащие Пифагору, Демокриту, Платону, в числе которых — первые гелиоцентрические модели. Так, Геракл ид Понтийский признавал суточное вращение Земли и ее движение вокруг покоящегося Солнца. Аристарх Самосский считал, что Земля вращается по окружности, центром которой служит Солнце. Задача создания математической теории движений небесных тел была четко поставлена Платоном и решалась в платоновской Академии.

Информация к размышлению

Неравномерное периодическое движение можно описать с помощью кругового, используя теорию эпициклов (движение небесных тел происходит равномерно, но круговой орбите — эпициклу, центр которого, в свою очередь, совершает равномерное вращение вокруг Земли по круговой орбите — деференту) и (или) теорию эксцентриков (небесные тела равномерно движутся по окружности, центр которой не совпадает с центром Земли). В древнегреческой астрономии использовались обе эти теории. Уже Аполлоний и Гиппарх знали, что обе теории могут приводить к одинаковым результатам.

Методологически значимым итогом античной космологии стала геоцентрическая концепция Аристотеля. Сфера неподвижных звезд начала перемещаться благодаря первому импульсу от божества. Вращение охватывало сферы планет и промежуточные сферы, функция которых заключалась в передаче движения и заполнения пустоты (всего 52 сферы). Передача импульса от первого движителя происходила сверху вниз до последней сферы, в которой находилась Луна.

Эта система, усовершенствованная Птолемеем, просуществовала в течение всего Средневековья. Мир был ограничен Небесной сферой, а Земля занимала в ней центральное место и была абсолютно неподвижной. Эта система была весьма сложной, поскольку для компенсации видимого петлеобразного движения планет пришлось ввести систему дифферентов и эпициклов (см. также рисунок в задании 3 в Практикуме к настоящей главе).

С приходом Нового времени задачу создания космологических моделей натурфилософия передает науке. Автором гелиоцентрической модели Вселенной стал Н. Коперник (1473—1543). В его модели Вселенная представляла собой замкнутую сферу, в центре которой находилось Солнце, а вокруг него вращались планеты, в том числе и Земля.

Мнение эксперта

«…Я ничем иным не был приведен к мысли придумать иной способ вычисления движений небесных тел, как только тем обстоятельством, что относительно исследований этих движений математики не согласны между собой. Начать с того, что движения Солнца и Луны столь мало им известны, что они не в состоянии даже доказать и определить продолжительность года. Затем, при определении движений не только этих, но и других пяти блуждающих светил, они не употребляют ни одних и тех же одинаковых начал, ни одних и тех же предположений, ни известных доказательств… Даже главного — вида мироздания и известную симметрию между частями его — они не в состоянии вывести на основании этой теории»¹.

Коперник был вынужден включить в свою систему малые эпициклы, чтобы согласовать наблюдаемое реально движение планет с теоретическим. Это усложнение связано с тем, что Коперник считал наиболее совершенным круговое движение планет (рис. 9.1). К подлинному упрощению космологической модели пришел немецкий астроном И. Кеплер (1571 — 1630), открывший эллиптические орбиты движения небесных тел. Законы И. Кеплера считаются вершиной гелиоцентрической системы.

Рис. 9.1. Сравнение системы Птолемея и системы Коперника²:

а — система Птолемея, изображенная без учета эксцентриситета, или «эквантов». Соотношения размеров орбит и радиусы эпициклов даны не «в масштабе»;

6 — система Коперника без учета малых эпициклов. Соотношения орбит даны грубо в масштабе. Орбита Луны изображена не в масштабе Успехи космологии и космогонии в XVIII—XIX вв. завершились созданием классической полицептрической картины мира, ставшей началь-^[1][2]

ным этапом развития научной космологии. Распространив закон тяготения (подтвержденный в то время лишь для Солнечной системы) на всю Вселенную, И. Ньютон рассмотрел главную космологическую проблему: конечна или бесконечна Вселенная?

Ныотон определил, что только в случае бесконечной Вселенной вещество может существовать как множество космических объектов — центров гравитации, поскольку в конечной Вселенной эти объекты в конце концов слились бы в единое тело в центре Мира.

Классическая космология Ньютона в явном или неявном виде базировалась на совокупности исходных мировоззренческих принципов, в числе которых могут быть выделены следующие:

• • Вселенная — мир, взятый в целом. Космология, астрономия, физика мегамира стремятся познать мир таким, каков он «сам, но себе», безотносительно к познавательному процессу.
• • Пространство и время во Вселенной являются абсолютными, поэтому не зависят ни друг от друга, ни от материальных объектов, ни от протекающих в мегамире процессов.
• • Пространство и время метрически бесконечны, однородны и изотропны. Таким образом, Вселенная никогда не возникала, поскольку существует вечно. Отсутствуют и пространственные границы Вселенной.
• • Вселенная стационарна в том смысле, что она не претерпевает эволюции. Отдельные космические объекты и системы могут изменяться (могут вспыхивать «сверхновые звезды», метеориты могут падать на планеты и др.), однако мир в целом остается неизменным.
• • Количество космических объектов: звезд, планет и звездных систем бесконечно велико и каждый из них проходит длительный жизненный путь. На смену погасшим звездам приходят новые, молодые светила.

В таком виде классическая полицентрическая модель просуществовала в науке вплоть до начала XX в.

Ньютон считал, что материя сама по себе является косной, пассивной и не способной к движению, поэтому он вынужден был допустить божественный «первотолчок», благодаря которому планеты не упали на Солнце, а движутся по орбитам. Кроме того, для коррекции орбит космических тел также допускалось вмешательство Бога.

Законы Кеплера и ньютоновский закон всемирного тяготения составили основу для открытия новых планет. Анализируя отклонения в движении планеты Уран, английский астроном Д. Адамс (1819—1892) и французский астроном У. Леверье (1811 — 1877) независимо друг от друга теоретически предсказали существование планеты, которую обнаружил в 1846 г. немецкий астроном И. Галле (1812—1910); это — Нептун. В 1915 г. американский астроном П. Ловелл (1855—1916) рассчитал орбиту другой планеты, обнаруженной в 1930 г. американским любителем астрономии К. Томбо; это — Плутон.

Такие исключительно точные предсказания, казалось, окончательно закрепили ньютоновскую астрономическую картину мира.

• [1] Коперник Н. О вращении небесных тел. М.: Наука, 1964. С. 12.
• [2] Роджерс Эрик. Физика для любознательных. М.: Мир, 1970. Т. 2. С. 105.