Стивен Вайнберг - Объясняя мир. Истоки современной науки

• Название: Объясняя мир. Истоки современной науки
• Автор: Стивен Вайнберг
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2015
• ISBN: 978-5-9614-4084-3

Книга одного из самых известных ученых современности, нобелевского лауреата по физике, доктора философии Стивена Вайнберга – захватывающая и энциклопедически полная история науки. Это фундаментальный труд о том, как рождались и развивались современные научные знания, двигаясь от простого коллекционирования фактов к точным методам познания окружающего мира. Один из самых известных мыслителей сегодняшнего дня проведет нас по интереснейшему пути – от древних греков до нашей эры, через развитие науки в арабском и европейском мире в Средние века, к научной революции XVI–XVII веков и далее к Ньютону, Эйнштейну, стандартной модели, гравитации и теории струн. Эта книга для всех, кому интересна история, современное состояние науки и те пути, по которым она будет развиваться в будущем.

---

Гномон – прекрасный пример важной связи между наукой и техникой: техническое приспособление, придуманное с практической целью, которое дает возможность совершать научные открытия. С помощью гномона стал доступным точный подсчет дней в каждом из времен года – промежуток времени от одного равноденствия до солнцестояния и затем до следующего равноденствия. Так, Евктемон, живший в Афинах современник Сократа, открыл, что длительности времен года не совпадают в точности. Это оказалось неожиданным, если считать, что Солнце движется вокруг Земли (или Земля вокруг Солнца) по правильной окружности с Землей (или Солнцем) в центре с постоянной скоростью. Исходя из этого предположения, все времена года должны быть строго одинаковой длины. Веками астрономы пытались понять причину их фактического неравенства, но правильное объяснение этой и других аномалий появилось лишь в XVII в., когда Иоганн Кеплер понял, что Земля обращается вокруг Солнца по орбите, которая является не кругом, а эллипсом, и Солнце расположено не в его центре, а смещено в точку, которая называется фокусом. При этом движение Земли то ускоряется, то замедляется по мере приближения или удаления от Солнца.

Луна для земного наблюдателя тоже вращается вместе со звездным небом каждую ночь с востока на запад вокруг северного полюса мира и так же, как Солнце, медленно движется по зодиакальному кругу с запада на восток, но ее полный оборот по отношению к звездам, «на фоне» которых он происходит, занимает чуть больше 27 суток, а не год. Поскольку для наблюдателя Солнце движется по зодиаку в ту же сторону, что и Луна, но медленнее, проходит около 29,5 суток между моментами, когда Луна оказывается в том же положении по отношению к Солнцу (на самом деле 29 суток 12 часов 44 минуты и 3 секунды). Так как фазы Луны зависят от взаимного расположения Солнца и Луны, именно этот интервал в 29,5 суток и есть лунный месяц{74}, то есть время, проходящее от одного новолуния до другого. Давно было замечено, что лунные затмения происходят в фазе полнолуния и их цикл повторяется каждые 18 лет, когда видимый путь Луны на фоне звезд пересекается с путем Солнца{75}.

В некотором отношении Луна более удобна для календаря, чем Солнце. Наблюдая фазу Луны в какую-либо ночь, можно приблизительно сказать, сколько дней прошло с момента последнего новолуния, и это гораздо более точный способ, чем пытаться определять время года, просто глядя на солнце. Поэтому лунные календари были очень распространены в Древнем мире и до сих пор находят применение – например, таков исламский религиозный календарь. Но, само собой, для того, чтобы строить планы в сельском хозяйстве, мореходстве или военном деле, надо уметь предугадывать смену времен года, а она происходит под влиянием Солнца. К сожалению, в году не целое число лунных месяцев – год примерно на 11 суток длиннее, чем 12 полных лунных месяцев, и по этой причине дата любого солнцестояния или равноденствия не может оставаться одной и той же в календаре, основанном на смене фаз Луны.

Другая известная сложность заключается в том, что сам год занимает не целое число суток. Во времена Юлия Цезаря было принято считать каждый четвертый год високосным. Но это не решило проблему полностью, поскольку год длится не в точности 365 суток с четвертью, а на 11 минут дольше.

История помнит бессчетные попытки создать календарь, который учитывал бы все указанные сложности – их было так много, что нет смысла говорить здесь обо всех. Фундаментальный вклад в решение этого вопроса сделал в 432 г. до н. э. афинянин Метон, который, возможно, был коллегой Евктемона. Используя, вероятно, вавилонские астрономические хроники, Метон определил, что 19 лет точно соответствуют 235 лунным месяцам. Погрешность составляет лишь 2 часа. Поэтому можно создать календарь, но не на один год, а на 19 лет, в котором и время года, и фаза Луны окажутся точно определенными для каждого дня. Дни календаря будут повторяться каждые 19 лет. Но поскольку 19 лет почти точно равняются 235 лунным месяцам, этот промежуток на треть суток короче, чем ровно 6940 дней, и по этой причине Метон предписал каждые несколько 19-летних циклов выбрасывать один день из календаря.

Усилия астрономов согласовать солнечные и лунные календари хорошо иллюстрирует определение дня Пасхи. Никейский собор в 325 г. объявил, что Пасху следует праздновать каждый год в воскресенье после первого полнолуния, следующего за весенним равноденствием. В период правления императора Феодосия I Великого было установлено законом, что празднование Пасхи в неправильный день строго карается. К несчастью, точная дата наблюдения весеннего равноденствия не всегда одна и та же в различных точках земли{76}. Чтобы избежать ужасных последствий от того, что кто-то где-то отмечает Пасху не в тот день, возникла необходимость назначить какой-то из дней точным днем весеннего равноденствия, а также договориться, когда именно случается следующее за ним полнолуние. Римско-католическая церковь в позднеантичный период стала пользоваться для этого Метоновым циклом, в то время как монашеские ордена Ирландии приняли за основу более ранний иудейский 84-летний цикл. Вспыхнувшая в XVII в. борьба между миссионерами Рима и монахами Ирландии за контроль над английской церковью была в основном спровоцирована спором из-за точной даты Пасхи.

До наступления Нового времени создание календарей было одним из основных занятий астрономов. В итоге в 1582 г. был создан и при покровительстве папы Григория XIII введен в употребление общепринятый в наши дни календарь. Для определения дня Пасхи теперь считается, что весеннее равноденствие всегда происходит 21 марта, но только это 21 марта по григорианскому календарю в западном мире и тот же день, но по юлианскому календарю, в странах, исповедующих православие. В результате в разных частях мира Пасху празднуют в разные дни.

Хотя астрономия была полезной наукой уже в Классическую эпоху Эллады, на Платона это не производило никакого впечатления. В диалоге «Государство» есть иллюстрирующее его точку зрения место в разговоре Сократа с его оппонентом Главконом. Сократ утверждает, что астрономия должна быть обязательным предметом, которому надо обучать будущих царей-философов. Главкон легко соглашается с ним: «По-моему, да, потому что внимательные наблюдения за сменой времен года, месяцев и лет пригодны не только для земледелия и мореплавания, но не меньше и для руководства военными действиями». Однако Сократ объявляет эту точку зрения наивной. Для него смысл астрономии заключается в том, что «… в науках этих очищается и вновь оживает некое орудие души каждого человека, которое другие занятия губят и делают слепым, а между тем сохранить его в целости более ценно, чем иметь тысячу глаз, ведь только при его помощи можно увидеть истину»{77}. Такое интеллектуальное высокомерие было менее характерно для александрийской школы, чем для афинской, но даже в работах, к примеру, философа Филона Александрийского в I в. отмечается, что «воспринимаемое умом всегда выше всего того, что воспринимается и видится чувствами»{78}. К счастью, хотя бы и под давлением практической необходимости, астрономы постепенно отучились полагаться на один лишь собственный интеллект.

7. Измерения Солнца, Луны и Земли

Одним из самых выдающихся достижений астрономии Древней Греции является успешное измерение размеров Земли, Солнца и Луны, а также расстояний от Земли до Луны и Солнца. Успех заключался не в том, что полученные величины были точными – они были далеки от точности. Наблюдения, на которых основывались вычисления, были слишком грубы, чтобы служить верными исходными данными. Но это был первый случай, когда математику использовали правильным образом, чтобы дать количественную характеристику объектам окружающего мира.

Сперва было необходимо понять природу таких явлений, как затмения Солнца и Луны, а также уяснить, что Земля имеет форму шара. И христианский мученик Ипполит Римский, и часто цитируемый философ Аэций, годы жизни которого точно неизвестны, приписывают самое раннее открытие истинных причин затмений Анаксагору, греку-ионийцу, рожденному около 500 г. до н. э. в Клазоменах близ Смирны, который занимался преподаванием наук и философии в Афинах{79}. Возможно, опираясь на подмеченный Парменидом факт, что освещенная сторона Луны всегда обращена к Солнцу, Анаксагор заключил, что «лишь Солнце дарует Луне ее свечение»{80}. Отсюда было естественным заключить, что затмения Луны происходят в те моменты, когда она проходит сквозь тень Земли. Также полагают, что он понял тот факт, что затмения Солнца происходят там, где тень Луны падает на поверхность Земли.

В вопросе определения формы Земли Аристотель продемонстрировал блестящую комбинацию наблюдательности и анализа. Диоген Лаэртский и древнегреческий географ Страбон писали, что еще Парменид задолго до Аристотеля учил, что Земля – это шар, но мы не знаем, как и почему Парменид пришел к такому выводу (если это вообще правда). Аристотель же в трактате «О небе» приводит и теоретические, и эмпирические аргументы в пользу шарообразной формы Земли. Как мы уже видели в главе 3, согласно априорной теории материи Аристотеля, тяжелые элементы, такие как земля и (в меньшей степени) вода, стремятся оказаться в центре мироздания, в то время как воздух или (в еще большей степени) огонь стремятся прочь от него. Земля является шаром, центр которого совпадает с центром всего космоса, потому что это расположение позволяет наибольшему количеству тяжелого вещества оказываться в положенном ему месте, ближе к центру. Аристотель не стал полагаться лишь на один этот аргумент, а добавил эмпирические свидетельства сферической формы земной поверхности. Тень Земли, отбрасываемая на Луну во время лунного затмения, искривлена{81}, и наблюдаемое положение звезд на небе меняется в зависимости от того, путешествует наблюдатель на север или на юг: