Система птолемея. Школьная энциклопедия

Знаменитый александрийский астроном, математик и географ II века н. э. Клавдий Птолемей - одна из крупнейших фигур в истории науки эпохи позднего эллинизма. В истории же астрономии Птолемею не было равных на протяжении целого тысячелетия - от Гиппарха (II в. до н. э.) до Бируни (X-XI в. н. э.).

История довольно странным образом обошлась с личностью и трудами Птолемея. О его жизни и деятельности нет никаких упоминаний у историков той эпохи, когда он жил. Если, например, о его современнике римском естествоиспытателе и враче Галене известно, что он родился в Пергаме в 129 г. н. э. и умер около 201 г., то даже приблизительные даты рождения и смерти Птолемея неизвестны, как неизвестны и какие-либо факты его биографии.

Птолемею повезло в другом. Почти все его основные сочинения сохранились и были по достоинству оценены потомками, начиная от его младших современников (Веттий Валент и тот же Гален) и кончая астрономами наших дней. Основной труд Птолемея, широко известный ныне под названием «Альмагест», был переведен с греческого на сирийский, среднеперсидский (пехлеви), арабский, санскрит, латынь, а позднее - на французский, немецкий, английский и русский языки. Вплоть до начала XVII в. он был основным учебником астрономии.

С именем Птолемея обычно связывают так называемую «систему мира Птолемея», где в центре расположена Земля, а вокруг нее по круговым орбитам обращаются Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер и Сатурн. При этом пять планет движутся не непосредственно вокруг Земли, а по малым кругам - эпициклам, центры которых обращаются вокруг Земли по другим кругам - деферентам.

Геоцентрическая система Птолемея противопоставляется гелиоцентрической системе Коперника, который совершил поистине революционный переворот, поставив в центр нашей планетной системы Солнце и низведя Землю до положения рядовой планеты, и якобы устранил эпициклы, показав, что они были нужны лишь для представления движения Земли вокруг Солнца.

Эта упрощенная схема, глубоко укоренившаяся среди многих лекторов, учителей, студентов и даже научных работников, на самом деле в лучшем случае неточна, а кое в чем ошибочна.

Те иллюстрации, которые изображают в книгах «систему Птолемея», это лишь грубые эскизы, отражающие только некоторые при знаки его системы: центральное положение Земли и наличие деферентов и эпициклов. Но Земля у Птолемея не совпадала с центрами деферентов, а положение эпициклов и самих планет на них зависело от положения Солнца; в теории планетных движений Птолемея фигурировали и другие круги (эквант, эксцентр).

В «Альмагесте» Птолемей широко использует результаты наблюдений и построения своего великого предшественника Гиппарха (II в. до н. э.). Надо сказать, что и о жизни Гиппарха мы имеем не больше сведений, чем жизни Птолемея. Даты его рождения и смерти неизвестны. Известно, что он родился в городе Никее, в Вифинии, а большую часть своих наблюдений провел на острове Родос.

За последние 200 лет не раз возникал вопрос, какие наблюдения и результаты заимствованы Птолемеем у Гиппарха, а какие принадлежат самому Птолемею. Дело в том, что подлинные сочинения Гиппарха до нас не дошли (за исключением небольшого «Комментария к Арату»), и вопрос этот приходится решать косвенными путями. Практически все, что известно о работах Гиппарха узнали благодаря их изложению в «Альмагесте» Птолемея. То же можно сказать и о многих других наблюдениях и математических исследованиях древнегреческих и вавилонских астрономов. Благодаря этому «Альмагест» стал своеобразной энциклопедией астрономии древности.

Не случайно «Альмагест» был переведен за полтора тысячелетия на столько языков и служил учебником астрономии во многих странах мира. Каждый уважающий себя ученый Арабского Востока и Средней Азии считал своим долгом составлять комментарии к «Альмагесту». Некоторые из них подвергали те или иные положения Птолемея критике. Среди этих ученых назовем аль-Фергани (IX в.), Сабита ибн Корру (836 - 901), его внука Ибрагима ибн Синана (908 - 946), аль-Баттани (850 - 929), аль-Фараби (870 - 950), Абу-ль-Вафу (940 - 998), Ибн аль-Хайсама, он же Альхазен (965 - 1039), Бируни (973 - 1048), Насир ад-Дина ат-Туси (1201 - 1274). Этот список можно было бы значительно расширить.

Коперник и Кеплер в своих работах также исходили из построений Птолемея. Первый из них превратил геоцентрическую систему Птолемея в гелиоцентрическую, но сохранил принцип равномерного движения по кругам и широко использовал математический аппарат Птолемея. Второй, отказавшись от этого принципа, тем не менее использовал построения Птолемея, чтобы найти истинную форму планетных орбит.

Кроме «Альмагеста» Птолемей оставил ряд других сочинений, причем не только по астрономии, но и по математике, оптике, географии, музыке. Ему принадлежит разработка основ математической картографии и составление списка координат 8000 географических пунктов (определенных, правда, весьма приближенно).

У Птолемея не было (насколько известно) помощников и коллег. Неизвестно, был ли у него учитель и оставил ли он сам после себя учеников. Предшественник Птолемея Гиппарх жил и работал за 300 лет до него, а ученые Арабского Востока приняли от Птолемея своеобразную научную «эстафету» лишь семь веков спустя.

По-видимому, своими успехами в области астрономии Птолемей во многом обязан знаменитой Александрийской библиотеке, которой он широко пользовался. Так стали ему известны труды Гиппарха (не дошедшие до нас), а также таких древнегреческих ученых, как Метон (V в. до н. э.), Евклид, Аристотель, Каллипп (IV в. до н. э.), Аристилл, Тимохарис, Архимед, Аристарх Самосский, Эратосфен (III в. до н. э.), Аполлоний Пергский (III - II вв. до н. э.). Птолемей широко использовал так же наблюдения астрономов Вавилона, не называя их, правда, по именам. Это в основном наблюдения лунных и солнечных затмений, а также некоторых других явлений (покрытий звезд Луною, соединений планет), проводившиеся вавилонскими астрономами начиная с III в. до н. э. Эти наблюдения послужили Птолемею для создания теории движения Луны, которой пользовались десятки поколений астрономов, моряков, путешественников.

Рассмотрим историческую обстановку, в которой пришлось жить и работать Птолемею, дадим краткий очерк развития астрономии в Вавилоне и в Древней Греции от Метона до Гиппарха (V - II вв. до н. э.), познакомимся с содержанием «Альмагеста» и с основными научными результатами, которые в нем освещаются.

Первой глобальной естественнонаучной революцией, преобразовавшей астрономию, космологию и физику, было создание последовательного учения о геоцентрической системе мира. Начало этому учению положил еще древнегреческий ученый Анаксимандр, создавший в 6-м в. до н.э. довольно стройную систему кольцевых мироустроений. Однако последовательная геоцентрическая система была разработана в 4-м в. до н.э. величайшим ученым и философом древности Аристотелем, а затем, в 1-м в. математически обоснована Птолемеем. Геоцентрическую систему мира обычно называют системой Птолемея, а естественнонаучную революцию – аристотелевской. Почему же мы называем это учение революционным.

Переход от исходного эгоцентризма, а затем племенного или этнического топоцентризма к геоцентризму представлял собой первый шаг на пути формирования его как объективной науки. Действительно, при этом непосредственная видимая полусфера неба, ограниченная горизонтом, была дополнена аналогичной небесной полусферой до полной небесной сферы. Соответственно и сама Земля, занимающая центральное положение в этой сферической Вселенной, стала считаться шарообразной. Пришлось, таким образом, признать не только возможность существования антиподов - обитателей диаметрально противоположных пунктов земного шара, но и принципиальную равноправность всех земных наблюдений мира. Вопрос же о наблюдениях, наблюдателях является весьма важным с точки зрения формирования объективной научной картины мира.

Интересно, что непосредственное подтверждение выводов о шарообразности Земли пришло значительно позже – в эпоху первых кругосветных путешествий и великих географических открытий, т.е. лишь на рубеже 15-го и 16-го веков, когда само геоцентрическое учение Аристотеля - Птолемея с его канонической системой идеальных равномерно вращающихся гомоцентрических (т.е. с единым центром) небесных сфер уже доживало свои последние годы.

Гиппарх, александрийский ученый, живший во 2 веке до н. э., и другие астрономы его времени уделяли много внимания наблюдениям за движением планет. Эти движения представлялись им крайне запутанными. В самом деле, направления движения планет по небу как бы описывают по небу петли. Эта кажущаяся сложность в движении планет вызывается движением Земли вокруг Солнца - ведь мы наблюдаем планеты с Земли, которая сама движется. И когда Земля "догоняет" другую планету, то кажется, что планета как бы останавливается, а потом движется назад. Но древние астрономы думали, что планеты действительно совершают такие сложные движения вокруг Земли.

Великий астроном и математик Клавдий Птолемей (87 - 165) сделал выбор в пользу геоцентрической модели Мира. Он завершил начатое Гиппархом математическое описание движений небесных тел и блестяще выполнил программу Платона - "с помощью равномерных и правильных круговых движений спасти явления, представляемые планетами". Он пытался объяснить устройство Вселенной с учетом видимой сложности движения планет. Считая Землю шарообразной, а размеры ее ничтожными по сравнению с расстоянием до планет и тем более звезд. Птолемей, однако, вслед за Аристотелем утверждал, что Земля - неподвижный центр Вселенной.

В основе системы мира Птолемея лежат четыре постулата:

I. Земля находится в центре Вселенной.

II. Земля неподвижна.

III. Все небесные тела движутся вокруг Земли.

IV. Движение небесных тел происходит по окружностям с постоянной скоростью, т. е. равномерно.

Так как Птолемей считал Землю центром Вселенной, его система мира была названа геоцентрической. Вокруг земли, по Птолемею, движутся (в порядке удаленности от Земли) Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн, звезды. Но если движение Луны, Солнца, звезд круговое, то движение планет гораздо сложнее. Каждая из планет, по мнению Птолемея, движется не вокруг Земли, а вокруг некоторой точки. Точка эта в свою очередь движется по кругу, в центре которого находится Земля. Круг, описываемый планетой вокруг движущейся точки, Птолемей назвал эпициклом, а круг, по которому движется точка около Земли, - деферентом. Птолемей построил геоцентрическую модель Мира (по сути дела - модель солнечной системы), которая позволила объяснить все наблюдаемые особенности движения планет, Солнца и Луны, а главное, стала мощным инструментом для предсказания (предвычисления) положений этих небесных тел. Главный труд Птолемея - "Большое математическое построение", по гречески "Мегале математикес синтаксеос",- еще в древности получил широкую известность под названием "Магисте синтаксеос" ("Величайшее построение"). Отсюда искаженный арабский вариант названия - "Ал Магесте", или "Альмагест", под которым этот 13-томный труд известен в современном мире. "Альмагест" - это подлинная энциклопедия астрономических знаний того времени, один из шедевров мировой научной литературы.

Птолемей , а полностью - Клавдий Птолемей (Claudius Ptolemaeus) родился между 127-145 гг. нашей эры в Александрии (Египет), древний астроном, географ и математик, считавший Землю центром вселенной ("Птолемеева система"). К сожалению, о его жизни в настоящее время известно очень мало. (За исключением того, что династия Птолемеев утвердилась в Египте в результате завоеваний Александра Македонского, который отдал Египет в награду одному из своих выдающихся военачальников. Известная Египетская царица Клеопатра также носила фамилию Птолемей . - С.А.Астахов.)

Результаты его работ по астрономии были сохранены в его большой книге "Mathematike syntaxis" ("Математический Сбор"), которая, в конечном счете, становится известной как "Ho megas astronomos" ("Большой астроном"). Однако для ссылок на эту книгу в 9-м столетии арабские астрономы использовали греческий термин "Megiste" ("превосходный"). Когда определенный арабский артикль "al" (другое значение - " как", по-английски - "like") был записан слитно, название становится известным как "Almagest" ("Альмагест"), которое используется и сегодня.

Альмагест подразделяется на 13 отдельных томов , каждый из которых рассматривает определенное астрономическое понятие, относящееся к звездам и объектам солнечной системы (Земля и все другие небесные тела, относящиеся к Солнечной системе). Без всяких сомнений, Альмагест является энциклопедией природы, что и сделало его таким полезным для многих поколений астрономов и оказало на них глубочайшее влияние. В сущности, это синтез полученных Древнегреческой астрономией результатов, а также основной источник сведений о работах Гиппарха, по-видимому, являвшимся величайшим астрономом древности. В книге часто трудно определить, какие сведения принадлежат Птолемею, а какие Гиппарху, потому что Птолемей значительно дополнил данные Гиппарха своими собственными наблюдениями, по всей видимости, пользовавшись аналогичными или похожими инструментами. Например, если Гиппарх скомпоновал свой звездный каталог (первый такого типа) на основе данных о 850-ти звездах, то Птолемей расширил число звезд в его собственном каталоге до 1,022.

Птолемей снова и снова повторял наблюдения движений Солнца, Луны и планет Солнечной системы и корректировал данные Гиппарха - на этот раз для того, чтобы сформулировать собственную геоцентрическую теорию, которая в настоящее время известна в качестве Птолемеевой модели строения солнечной системы. В первой книге Альмагеста Птолемей подробно описывает эту геоцентрическую систему и пытается с помощью различных аргументов доказать, что в центре вселенной должна находится неподвижная Земля. Необходимо отметить его весьма последовательное доказательство, что в случае движения Земли, как это предполагали до этого некоторые из греческих философов, с течением времени на звездном небе проявятся и должны быть обнаружены некоторые явления, в частности параллаксы звезд. С другой стороны, Птолемей доказывал, что, поскольку все тела падают в центр вселенной, именно Земля и должна быть там расположена в соответствии с направлениями свободно падающих капель воды. Более того, если Земля не центр, тогда она должна вращаться с периодом в 24 часа, и, следовательно, тела, брошенные вертикально вверх, не должны падать на то же самое место, как это имеет место на практике. Птолемей смог доказать, что к тому времени не было получено ни одного противоречащего этим аргументам наблюдения. В результате геоцентрическая система стала абсолютной истиной для западного христианского мира вплоть до 15-го столетия, когда была вытеснена гелиоцентрической системой, разработанной великим польским астрономом Николаем Коперником.

Птолемей установил следующей порядок для объектов Солнечной системы: Земля (центр), Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер и Сатурн. Для объяснения неравномерностей движения этих небесных тел ему, точно так же, как и Гиппарху, потребовалась система дифферентов и эпициклов или один из подвижных эксцентров (обе системы разработаны Аполлоном из Пергама, греческим геометром 3-го столетия до нашей эры), чтобы описывать их перемещения только и исключитеьно с помощью равномерного движения по окружностям.

В Птолемеевой системе дифференты являются большими кругами с центром на Земле, а эпициклы - круги меньшего диаметра, центры которых равномерно перемещаются по окружностям дифферентов . При этом Солнце, Луна и планеты перемещаются по окружностям своих собственных эпициклов. Или, для подвижного эксцентра существует окружность с центром, смещенным относительно Земли в сторону планеты, перемещающейся вокруг этой окружности. Обе схемы являются математически эквивалентными. Но даже с введением этих понятий могли быть объяснены еще не все наблюдавшиеся элементы движения планет. Введя в астрономию еще одно понятие, Птолемей с блеском показал свою гениальность. Он предположил, что Земля должна быть расположена на некотором расстоянии от центра дифферента для каждой планеты и, что центр планетарного дифферента и эпицикла для принятого равномерного циклического движения является воображаемой точкой, лежащей между местоположением Земли и другой воображаемой точкой, которую он назвал эквантом. При этом Земля и эквант лежат на одном диаметре соответствующего планетарного дифферента. Кроме того, он считал, что расстояние от Земли до центра дифферента должно быть равно расстоянию от центра дифферента до экванта. При помощи этой гипотезы Птолемей смог гораздо точнее объяснить множество наблюдавшихся элементов планетных движений.

В Птолемеевой системе плоскость эклиптики является явным солнечным годовым путем на фоне звезд . Следует положить, что плоскости дифферентов планет наклонены на небольшие углы относительно плоскости эклиптики, но плоскости их эпициклов должны быть наклонены на те же самые углы относительно дифферентов, чтобы плоскости эпициклов всегда были параллельными плоскости эклиптики. Плоскости дифферентов Меркурия и Венеры выбирались такими, чтобы обеспечить колебания этих планет относительно плоскости эклиптики (выше - ниже), и, следовательно, плоскости их эпициклов были подобраны, чтобы обеспечить соответствующие колебания уже относительно их дифферентов.

Однако, еще необходимо было объяснить так называемое ретроградное (обратное) движение, которое периодически наблюдалось в виде явных обратных петель траекторий внешних планет на фоне звезд (для Марса, Юпитера и Сатурна).

Хотя Птолемей и понимал, что планеты располагаются значительно ближе к Земле, чем "фиксированные" или "неподвижные" звезды, он, по всей видимости, верил в физическое существование "кристаллических сфер", к которым - как тогда говорили - прикреплены все небесные тела . За пределами сферы неподвижных звезд, Птолемей предполагал существование других сфер, заканчивающихся связью с "primum mobile" ("первичным движителем" - может быть, Богом?), который и обладал необходимой мощностью для обеспечения движения остальных сфер, составляющих всю наблюдаемую вселенную.

Как, в первую очередь, геометр, Птолемей выполнил несколько важнейших математических работ . Разработанные им новые геометрические теоремы и доказательства он изложил в книге, названной "Аналемма" ("Peri analemmatos" - греч., "De analemmate" - лат.), где подробно обсудил свойства проекций точек на небесную сферу (воображаемая сфера, расширяющаяся наружу с Земли для бесконечности, на поверхность которой проецируются расположенные в пространстве объекты), в частности, на три плоскости, расположенных между собой по правилу правого винта ("буравчика", если исходить из школьного учебника физики) под прямыми углами друг к другу - горизонт, меридиан, и первичная вертикаль. В другой книге - "Planisphaerium" - Птолемей имеет дело со стереографическим проекциями - вычерчиванием проекций твердого тела на плоскость - однако, и здесь он использовал южный полюс небесной сферы в качестве центра своих проекций. (Точка пересечения линий проекций используется для получения перспективных искажений, например, в аксонометрических проекциях.)

Кроме того, Птолемей разработал собственный календарь , который, кроме предсказаний погоды, указывал времена восходов и заходов звезд в утренние и вечерние сумерки. Другие математические публикации содержат работу (в двух томах), носящую название "Hypotheseis ton planomenon" ("Планетарная гипотеза"), и две отдельных геометрических публикации, одна из которых содержит обоснование существования не более чем трех измерений пространства; в другой он предпринимает попытку доказательства постулата о параллельных Эвклида. Согласно одному обзору Птолемей написал три книги по механике; другое руководство, тем не менее, упоминает только об одной - "Peri ropon" ("О балансировке").

Работы Птолемея в области оптических явлений были зафиксированы в "Оптике" ("Optica"), оригинальное издание которой состояло из пяти томов. В последнем томе он работает с теорией преломления (изменение направления света и других энергетических волн при переходе ими границы раздела среды с одной плотностью в среду с другой плотностью) и при этом обсуждает изменения местоположения небесных светил в зависимости от высоты стояния над горизонтом. Это было первой документальной попыткой объяснения реально наблюдаемого явления (атмосферной рефракции). Следует упомянуть и о трехтомной монографии Птолемея о музыке, известной, как "Гармоника" ("Harmonica").

Репутация Птолемея, как географа, зиждется, главным образом, на его "Geographike hyphegesis" ("Справочнике по географии"), который был подразделен на восемь томов; и которые содержали информацию о том, как создавать карты и списки мест в Европе, Африке и Азии и создавать таблицы местоположения географических объектов по широте и долготе. Отметим, тем не менее, что в Руководстве было и много ошибок - например, экватор был установлен слишком далеко к северу, а величина окружности Земли была почти 30 процентов меньше той, которая, строго говоря, уже была достаточно точна определена (Эратосфеном); также существовали некоторые противоречия между текстом и картами. Конечно же, Руководство в целом не может считаться "хорошей географией", потому что Птолемей ничего не упоминает о климате, природных условиях, жителях или специфических характеристиках стран, с которыми он имеет дело. Также небрежны его географические проработки таких объектов, как реки и горные области. Т.е. работа получилась весьма ограниченного применения.

ЛЕКЦИЯ № 3

ЗАКОНЫ ДВИЖЕНИЯ НЕБЕСНЫХ ТЕЛ.

Системы мира Птолемея и М.Коперника

Научное мировоззрение пришло на смену господствовавшему в средние века церковно-догматическому лишь после длительной борьбы. Эпоха возрождения в науке потребовала гораздо больше усилий и даже жертв, нежели возрождение в искусстве или литературе. Борьба старого и нового в естествознании нашла свое внешнее выражение прежде всего в борьбе между сторонниками системы мира Птолемея и системы мира Коперника. Интересно сравнить основные утверждения сторонников обоих учений с точки зрения современной теории движения.

Птолемей - известный александрийский астроном, живший во втором столетии нашей эры. Он дал геоцентрическую схему строения солнечной системы. В центре мира находится неподвижная Земля (рис. 4).

Рис. 4. Система Птолемея по средневековым представлениям

Вокруг нее движутся Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер и Сатурн (других планет в то время не знали). А так как древние греки считали идеальной линией окружность, то астрономам того времени казалось естественным, что небесные тела могут двигаться только по круговым орбитам. Чтобы согласовать систему Птолемея с наблюдениями, пришлось предположить, что планеты движутся по вспомогательным окружностям, которые назвали эпициклами. Центры же эпициклов в свою очередь движутся вокруг Земли по круговым орбитам, так называемым деферентам. Чем точнее становились данные наблюдений, тем больше приходилось усложнять систему Птолемея. Для объяснения движения планет требовалось брать все больше и больше эпициклов - их число достигло наконец нескольких десятков (рис. 5). Однако, несмотря на сложность, геоцентрическая система оставалась общепризнанной до начала XVII в.

Рис. 5. Система эпициклов

Вдоль деферента движется центр первого эпицикла, вдоль первого эпицикла - центр второго эпицикла, вдоль второго эпицикла - центр третьего эпицикла и т. д., наконец, вдоль последнего эпицикла движется сама планета.

В 1530 г. выдающийся польский астроном Николай Коперник написал небольшой трактат, в котором утверждал, что Земля, как и все остальные планеты, обращается вокруг Солнца. Этот трактат не был напечатан, переписанный же от руки, он распространялся среди ученых - современников Коперника. За несколько дней до смерти Коперника (в 1543 г.) была напечатана его основная работа «Об обращениях небесных сфер». На страницах этой книги новое учение было изложено с математическими обоснованиями

Систему мира Коперника стали называть гелиоцентрической , чем подчеркивалось центральное положение Солнца в ней (рис. 6). Интересно отметить, что идея гелиоцентрической системы мира высказывалась уже Аристархом Самосским, который жил в IV-III вв. до нашей эры, но у него для подтверждения этой идеи не было достаточных данных наблюдений. Обвиненный в отрицании богов, он должен был покинуть Афины. Так уже первому «коперниканцу» пришлось пострадать за свое учение.

Вначале католическая церковь не придала особого значения учению Коперника. Однако, когда стало ясно, что новая система мира подрывает самые основы религии, началось беспощадное преследование его сторонников. В 1600 г. за проповедь материалистического учения и за распространение учения Коперника инквизиция сожгла на костре замечательного итальянского мыслителя Джордано Бруно. Научный спор между последователями двух систем мира превратился в борьбу между прогрессивными и реакционными силами. Победили в конце концов последователи Коперника. Джордано Бруно первым утверждал, что у мира нет центра, что неподвижные звезды не образуют какой-то сферы, как это считали раньше, а являются солнцами, движущимися в мировом пространстве. Поэтому отпадает всякая возможность описать движение небесных тел относительно центра мира.

Рис. 6. Система мира по Копернику. По мнению Коперника, все неподвижные звезды располагались на одной сфере

Как и в случае других тел, для описания движения солнечной системе прежде всего нужно задать систему отсчета. Если за тело отсчета выберем Землю, получим геоцентрическую систему Птолемея. Именно картину мира Птолемея видит находящийся на земле человек, который считает Землю неподвижной, а планеты и Солнце - обращающимися вокруг нее. Если же выбрать за тело отсчета Солнце, получим гелиоцентрическую систему мира Коперника. Картину мира Коперника увидел бы наблюдатель, находящийся на Солнце. Системы мира Птолемея и Коперника не представляют собою ничего другого как описание движения солнечной системы в разных системах отсчета: в первом случае за тело отсчета принимается Земля, во втором - Солнце. Следовательно, вопрос, кто прав, Птолемей или Коперник, в современной постановке сводится к вопросу: все ли возможные системы отсчета для описания солнечной системы равноправны или какой-то из них следует отдать предпочтение?

Если окажется, что все системы отсчета равноправны, то и Птолемей, и Коперник будут одинаково правы. Но тогда с равным основанием можно было бы выбрать целый ряд других систем, например такую, где за тело отсчета взят Марс. В последнем случае получим систему мира, в которой вокруг неподвижного Марса обращаются Солнце и планеты, в том числе и Земля.

Если же, однако, выяснится, что при выборе системы отсчета всегда нужно предпочесть Солнце, то единственно верное описание солнечной системы даст схема мира Коперника.

ВВЕДЕНИЕ

Клавдий Птолемей – знаменитый александрийский астроном, математик и географ II века нашей эры, один из крупнейших ученых древности. В течении целого тысячелетия в области астрономии с Птолемеем никто не мог сравниться. Не сохранилось каких-либо упоминаний о его жизни и деятельности у историков этого периода. Также остались неизвестны даже примерные даты рождения и смерти Птолемея, также как и какие-либо факты его биографии.

Но благодаря своим трудам он остался в истории. К большой удаче современных историков, практически все его основные сочинения сохранились. Главный труд Птолемея – “Альмагест” –до начала XVII века был основным учебником астрономии.

В “Альмагесте” Птолемей обширно применяет результаты наблюдений своего великого предшественника Гиппарха (II век до н. э.). Гиппарх следил и наблюдал за небесными телами и стремился обнаружить закономерности движения планет, так как они представляли для астрономов того времени большую загадку. Планеты во время своего движения по небу как будто описывали петли. Данная трудность связана с движением самой Земли. Когда Земля как будто "догоняет" другую планету, то на первый взгляд может показаться, что планета как бы приостанавливается, а затем движется назад. Однако древние астрономы думали, что планеты на самом деле совершают такие сложные перемещения вокруг Земли и отталкиваясь от этого строили свои теории.

Глава I. Геоцентрическая система мира Птолемея

1.1.Развитие геоцентризма

С древних времён Земля считалась центром мироздания. При этом предполагалось существование центральной оси Вселенной и асимметрия «верх-низ». Землю от падения спасала какая-то опора. В ранних цивилизациях в качестве опоры выступало огромное мифическое животное или животные (слоны, киты, черепахи). Первый древнегреческий мыслитель и философ Фалес Милетский в качестве данной опоры представлял естественный объект - мировой океан. Анаксимандр Милетский допустил мысль, о том, что Вселенная является центрально-симметричной и она не имеет какой-либо определенной направленности. По этой причине, у находящейся в центре Космоса Земле отсутствует основание двигаться в каком-либо направлении, то есть она, непосредственно, свободно покоится в центре Вселенной без опоры. Ученик Анаксимандра Анаксимен не согласился с теорией своего учителя, полагая, что сжатый воздух удерживает Землю от падения. Этой точки зрения придерживался и Анаксагор. Позицию Анаксимандра разделяли, однако, пифагорейцы, Парменид и Птолемей. Не была понятна позиция Демокрита: согласно разным свидетельствам, он последовал Анаксимандру или Анаксимену.

Анаксимандр предполагал, что Земля имеет форму низкого цилиндра с высотой в три раза меньше диаметра основания. Анаксимен, Анаксагор, Левкипп предполагали, что Земля-плоская, нечто вроде крышки стола. Совершенно новый шаг сделал Пифагор, который допустил, что Земля имеет форму шара. В данном предположении за ним последовали не только пифагорейцы, но и Платон, Парменид, Аристотель. Так появилась каноническая форма геоцентрической системы, которая впоследствии разрабатывалась древнегреческими астрономами: шарообразная Земля-в центре сферической Вселенной; видимое суточное движение небесных светил-это отражение вращения Космоса вокруг мировой оси.

Анаксимандр полагал, что звёзды находятся ближе всего к Земле, затем располагались Луна и Солнце. Анаксимен первый высказал предположение, что звёзды – это самые далёкие от Земли объектами, которые закреплены на внешней оболочке Космоса. В этом ему следовали все последующие учёные (Исключение: Эмпедокла; он придерживался теории Анаксимандра). Появилось суждение (впервые, скорее всего, у Анаксимена или пифагорейцев), что чем больше период обращения светила по небесной сфере, тем оно выше и, следовательно, находится дальше. Таким образом, порядок расположения светил оказался следующим: Луна, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн и, затем, звёзды. В данный список не включены Меркурий и Венера, так как у греков возникли споры на их счёт: Аристотель и Платон помещали их сразу за Солнцем, Птолемей - между Луной и Солнцем. Аристотель полагал, что выше сферы неподвижных звёзд нет ничего, в том числе пространства, в то время как стоики считали, что наш мир погружен в бесконечное пустое пространство; следуя суждениям Демокрита предполагали, что за нашим миром (который ограничен сферой неподвижных звёзд) есть и другие миры. Это мнение поддерживали эпикурейцы,а также его ярко изложил Лукреций в поэме «О природе вещей».

1.2.Обоснование геоцентризма

Древнегреческие учёные имели разные мнения, обосновывая центральное расположение и неподвижность Земли. Анаксимандр в качестве причины указывал сферическую симметрию Космоса. Его не поддержал Аристотель, который выдвинул контрдовод: в таком случае человек, располагающийся в центре комнаты, у стен которой находится еда, должен умереть с голоду. Этот довод позже был приписан Буридану. Сам Аристотель, непосредственно, обосновывал геоцентризм следующим образом: Земля - это тяжёлое тело, а естественным местом для тяжёлых тел является центр Вселенной; и, как показывает опыт, все тяжёлые тела падают отвесно, а так как они движутся к центру мира, Земля находится в центре. Помимо этого, орбитальное движение Земли (это предполагал пифагореец Филолай) Аристотель отрицал на том основании, что оно должно вести к параллактическому смещению звёзд, которое не наблюдается.

Несколько авторов приводит и прочие эмпирические доводы. Плиний Старший в своей энциклопедии «Естественная история» аргументирует центральное расположение Земли равенством дня и ночи во время равноденствий, а также тем, что в период равноденствия восход и заход можно наблюдать на одной и той же линии, а восход солнца в день летнего солнцестояния располагается на той же линии, что и заход в день зимнего солнцестояния. С точки зрения астрономии, эти аргументы и доводы, естественно, являются заблуждением. Не лучше и аргументы, которые приводил Клеомедом в учебнике «Лекции по астрономии». Он объясняет центральность Земли от противного. Он считал, что если бы Земля располагалась к востоку от центра Вселенной, то тени на рассвете были бы короче, чем на закате, небесные тела при восходе казались бы больше, чем при заходе, а продолжительность с рассвета до полудня была бы меньше, чем от полудня до заката. Но так как этого всего нет, то можно сделать вывод, что Земля не может быть смещена к западу от центра мира. По аналогии доказывается, что Земля не может быть смещена к западу. Далее, если бы Земля располагалась севернее или южнее центра, тени на восходе Солнца были бы, соответственно, в северном или южном направлении. Кроме этого, на рассвете в дни равноденствий тени имели бы направление точно в направлении захода Солнца в эти дни, а на восходе в день летнего солнцестояния тени указывали бы на точку захода Солнца в день зимнего солнцестояния. Это также поясняет то, что Земля не смещена к северу или югу от центра. В случае, если бы Земля располагалась выше центра, то можно было бы наблюдать меньше половины небосвода, в том числе менее шести знаков зодиака; что привело бы к тому, ночь всегда была бы длиннее дня. По аналогии: Земля не может находится ниже центра мира. Из всего вышесказанного, можно сделать вывод, что она может располагаться только в центре. Приблизительно подобные аргументы в пользу центральности Земли высказывал и Птолемей в Альмагесте, книга I.Безусловно, доводы Клеомеда и Птолемея подтверждают только лишь то, что Вселенная несравненно гораздо большего размера, нежели Земля, и по этой причине также являются неосновательными.

1.3.Геоцентрическая система мира Птолемея

Птолемей, делая акцент и основываясь на достижения Гиппарха, исследовал движимые небесные светила. Он внес существенный вклад в дополнение и уточнение концепции передвижения Луны, а также усовершенствовал теорию затмений. Однако, действительно великим научным подвигом ученого было формирование им математической теории видимого движения планет. Эта теория опиралась на следующие принципы:

· Шарообразность Земли;

· Огромная удаленность от сферы звезд;

· Равномерность и круговой характер движений небесных тел;

· Неподвижность Земли;

· Центральное положение Земли во Вселенной.

Теория Птолемея сочетала концепции эпициклов и эксцентриков. Он делал предположение в пользу того, что вокруг неподвижной Земли располагается окружность (деферент) с центром, несколько смещенным относительно центра Земли (эксцентрик).Согласно деференту, движется центр меньшей окружности - эпицикл - с угловой скоростью, неизменной по отношению к собственному центру деферента и не к самой Земле, а к точке, которая располагается симметрично центру деферента относительно земли (эквант). Сама планета в системе Птолемея равномерно движется по эпициклу. С целью описать вновь открываемые неравномерности в движениях планет и Луны были введены новые дополнительные эпициклы - вторые, третьи и т.д. Планета располагалась на послед­нем. Теория Птолемея позволяла предвычислять сложные петлеоб­разные движения планет (их ускорения и замедления, стояния и попятные движения). На основе сформированных Птолемеем астрономи­ческих таблиц расположение планет можно было рассчитать с весьма высокой по тем временам точностью (имелась погрешность менее 10").

Из основных свойств планетных движений, концепция которых была определена Пто­лемеем, можно выделить несколько очень важных закономерностей:

1. Усло­вия для передвижения верхних и нижних от Солнца планет значительно различаются.

2. Характерную роль для движения как тех, так и других планет представляет Солнце.

Этапы обращения планет либо по деферен­там (у нижних планет), либо по эпициклам (у верхних) будут равны периоду обращения Солнца, то есть длинной в год. Направленность деферентов нижних пла­нет и эпициклов верхних находится в связи с плоскостью эклиптики. Тщатель­ное исследование этих свойств планетных движений подвело бы Птолемея к простому заключению, который заключался бы в следующем: Солнце, а не Земля - это центр планетной систе­мы. Этот вывод задолго до Птолемея выдвинул Аристарх Самосский. Он доказывал, что Земля в несколько раз меньше Солнца. Без сомнения понятно, что меньшее тело движется вокруг большего, а никак не наоборот. Хотя масштабы других планет прямым путем Птолемей оп­ределить не имел возможности, тем не менее было понятно, что все они гораздо меньше Солнца.

Система Птолемея не только разъясняла видимые движения планет, но также и сделала вероятной возможность вычислять их положения на будущее время с точностью, которая вполне удовлетворяла несовершенным исследованиям невооруженным глазом. Именно поэтому, хотя и неправильная в основе, система сначала не побуждала серьезных противоречий, а позже открытые возражения наперекор ей жестоко подавлялись христианской церковью.

Расхождения этой концепции с наблюдениями, которые появлялись по мере повышения точности наблюдений, исключались путем усложнения системы. К примеру, некоторые неточности в видимых движениях планет, раскрытые последующими наблюдениями, разъяснялись тем, что вокруг центра первого эпицикла обращается не планета, а центр второго эпицикла, по окружности которого движется уже планета. Когда и в подобном построении для какой-либо планеты появлялись неточности, то вводили третий, четвертый и т.д. эпициклы, до тех пор пока положение планеты на окружности последнего из них не давало более или менее приемлемого согласия с наблюдениями и исследованиями.

К началу XVI в. система Птолемея была до такой степени трудна, что не имела возможности больше удовлетворить тем условиям и требованиям, которые предъявлялись к астрономии практической жизнью, а в первую очередь мореплаванием. Необходимы были более простые способы для вычисления расположения планет. И благодаря творению гениального польского ученого Николая Коперника, который в последствии развил и заложил базу астрономии, такие методы были созданы и без них не могла бы появится и развиваться современная астрономия.