Лекции о Солнце

Анаксагору приписывается объяснение природы большого («с два воза») метеорита, рухнувшего на севере Греции в 470 или 467 году до н. э. Философ счел его куском Солнца (трудно не вспомнить носовского Незнайку, который пугал своих собратьев-коротышек жутким известием: «От Солнца оторвался кусок и летит к нам на Землю, и скоро нам всем будет крышка!»). Изучение метеорита, согласно легенде, привело Анаксагора к мысли, что все небесные светила включая Солнце и звезды – это просто раскаленные камни.

Замечательно и предложенное им объяснение, почему же эти глыбы не падают. Мыслитель считал, что к быстро вращающемуся твердому небу их прижимает центробежная сила! Но иногда случается притормаживание этого вращения, что может приводить к их падению.

Взгляды Анаксагора общественностью приняты не были, он подвергся гонениям и умер в изгнании. Еще бы – он предлагал проститься с представлениями об особой небесной (в том числе и божественной) сущности светил: Солнце в его картине мира было просто разогретым куском земной скалы… Впрочем, нечто подобное, хотя и не столь подробно, в свое время уже говорил Фалес…

Точки зрения сильно разнились. Современник Анаксагора Эмпедокл (около 490 – около 430 года до н. э.) был знаком с ним и слушал его выступления. Но Солнце, по Эмпедоклу, обладало иной сущностью. Диоген Лаэртский, излагая концепцию этого философа, писал: «Солнце он почитает обширным скопищем огня величиною больше Луны, Луну – кругловидной, небо же – кристаллообразным».

Вспоминая мыслителей Древней Греции, нельзя не вспомнить о великом философе и, пожалуй, первом настоящем физике в человеческой истории – Аристотеле (384–322 годы до н. э.). Аристотель критически осмыслил и обобщил, по сути, все разнородные и разнообразные учения того времени. Некоторые были им жестко и резко раскритикованы, некоторые включены в его собственную картину мира. При этом Аристотель основывался на наблюдениях и опыте, декларируя изгнание из науки бездоказательного вымысла. Многие детали мироздания были им подмечены совершенно правильно и точно. Но, с другой стороны, и в его собственном описании Вселенной есть немало умозрительных вещей, противоречащих опыту.

Рассуждения о достижениях Аристотеля уведут нас далеко от солнечной темы. Поэтому обратимся к цитате из сочинения Аристотеля «О небе», из которой сразу станет ясно, что же философ думал о природе Солнца.

«Земля неподвижна в центре мира, а Солнце и Луна вращаются вокруг нее, – писал Аристотель. – Наш огонь (видимо, тот, с которым мы имеем дело на Земле. – С. Я.) хотя бы по своему цвету не имеет ничего общего с солнечным белым сиянием. Солнце состоит не из огня, а из огромного количества эфира. Его тепло происходит от взаимодействия эфира при движении вокруг Земли».

По-видимому, это высказывание Аристотеля требует комментариев. Из чего построена Вселенная? Эмпедокл предлагал четыре основных элемента – землю, воду, воздух и огонь. Из них, согласно его учению, состоит все в мире, и если вещества отличаются друг от друга, то только потому, что в них разное сочетание этих элементов – например, больше или меньше воды. Аристотель принял идею Эмпедокла, но добавил к ней еще один, пятый элемент (quinta essentia, или квинтэссенцию, как позднее назвали его на латинском языке).

Болгарские астрономы и популяризаторы науки Никола Николов и Владимир Харлампиев в своей книге «Звездочеты древности» так описывают Аристотелеву картину мира: «Согласно Аристотелю, Вселенная имеет следующую структуру: самые тяжелые элементы – земля и вода – остаются внизу, над ними располагается слой воздуха и еще выше простирается самый легкий элемент – огонь. Так построена часть Вселенной до Луны, и эту часть Аристотель называл элементарным, подлунным или земным миром. Над нею находится более совершенный надлунный мир. Луна, Солнце и планеты состоят из эфира, но не вполне чистого, поскольку они расположены не очень далеко от Земли. Из самого лучшего эфира сделаны звезды и небесная сфера, к которой они прикреплены».

Итак, Солнце у Аристотеля представляет собой сгусток таинственного «пятого элемента» – эфира, причем вдобавок не совсем чистого (видимо, с примесями как минимум огня и воздуха, – а может быть, даже и воды с землей). И если разогрев звезд, как писал философ, происходит из-за их трения об эфир во время вращательного движения вокруг Земли, то мощный дневной поток света и тепла никак не связан с перемещениями Солнца, – ведь светило не движется в своей сфере, будучи закрепленным на ней. Тепло и свет возникают из-за трения самих сфер друг о друга! Но это значит, что небесные сферы вполне материальны – твердые, плотные, задевающие друг друга. «При всей наивности картины, – пишет А. И. Еремеева, – Аристотель и здесь остается прежде всего физиком, механиком, даже инженером…»

Из всей славной когорты древнегреческих философов и ученых особое место занимает Аристарх (310–250 годы до н. э.). Его достижения впечатляют. Впрочем, трудно избавиться от ощущения, что его гениальные рассуждения либо неизвестны, либо непонятны подавляющему большинству населения земного шара и по сей день. Аристарх совершил первую из известных нам попыток в истории человечества определить размеры Солнца и Луны и расстояния до них! При этом он впервые использовал строгие геометрические построения, а не умозрительные рассуждения.

Ученый сделал следующее. Он дождался, когда Луна была в фазе первой четверти, когда на небе сияет ровно половинка лунного диска. Но это означало, как сообразил Аристарх, что в этот момент Солнце светит точно «сбоку» на лунный шар. Следовательно, угол между линиями «Луна – Земля» и «Луна – Солнце» должен быть прямым! Если начертить треугольник с вершинами в точках «Земля», «Луна» и «Солнце», то он окажется прямоугольным. А чтобы решить задачу с прямоугольным треугольником, достаточно знать еще один его элемент, – например, еще один угол. Этот угол (между направлениями на Луну и на Солнце) Аристарх измерил. Из его треугольника получалось, что если разделить расстояние от Земли до Луны (катет) на расстояние от Земли до Солнца (гипотенуза), то это отношение будет равно косинусу измеренного им угла. Другими словами, величина косинуса этого угла будет показывать, во сколько раз расстояние от Земли до Луны меньше расстояния от Земли до Солнца.

Рис. 3. Определение соотношения между расстояниями до Солнца и до Луны

Получить правильный ответ Аристарху помешала низкая точность измерения угла между направлениями на Солнце и Луну. Это непросто и сегодня, тем более что для измерений нужно выбрать момент, когда мы видим на небе ровно половину лунного диска, а это само по себе трудно. В результате у ученого получилось, что Солнце дальше Луны примерно в 19 раз (на самом деле – в 400, ошибка больше чем в 20 раз!). Тем не менее, впервые был получен неожиданный результат: Солнце расположено существенно (т. е. не в два раза) дальше Луны!

Отсюда следовал еще более глубокий вывод. Наблюдения солнечных затмений показывали, что угловые размеры Луны и Солнца на небе почти одинаковы, хорошо «подогнаны» друг к другу. В результате во время затмения Луна точно, как специальная крышка, загораживает диск Солнца. Но это означало, что если Солнце в 19 раз дальше Луны (на самом деле – в 400 раз), но имеет такие же угловые размеры, то Солнце должно быть в те же самые 19 раз больше Луны (на самом деле – в 400 раз)!

Этот вывод поражал воображение. Оставалось определить, каковы размеры Луны. Аристарх сделал и это!

Со времен Аристотеля было ясно, что лунное затмение происходит тогда, когда тень Земли падает на Луну. Если источник света (Солнце) находится очень далеко – дальше, чем экран (Луна), на который падает земная тень, – то диаметр Земли должен быть примерно равен диаметру ее тени, которую мы можем наблюдать на Луне во время лунного затмения. Аристарх довольно точно определил соотношение размеров: оказалось, тень Земли по диаметру примерно втрое больше Луны. Но тогда и сама Земля должна быть втрое больше Луны. А если это так, то, вспоминая, что Солнце оказалось, по Аристарху, больше Луны в 19 раз, следует сделать окончательный вывод: Солнце должно быть больше Земли по диаметру примерно в шесть с лишним раз (на самом деле – в 109 раз).

Вычисляя объем Солнца, Аристарх получил фантастический результат – в 250 раз больше объема Земли! Если бы он знал правильный ответ (в 1 300 000 раз), он был бы поражен еще больше. Но и то, что получилось, было удивительно. Напомним, только Анаксагор умозрительно рискнул сравнить Солнце по размерам с полуостровом Пелопонесс, и по тем временам это была неожиданная и смелая оценка. А тут на основе наблюдений и вычислений получалось нечто невообразимое – Солнце оказывалось существенно (во много раз!) больше всей громадной Земли!

Этот вывод заставил Аристарха изменить свои прежние представления. Это обстоятельство тоже говорит в пользу данного замечательного человека. Есть множество примеров, когда ученый упрямо настаивает на своей точке зрения только потому, что она своя, – несмотря на новые факты, ее опровергающие. Ранее Аристарх, вслед за Аристотелем, был геоцентристом, считая, что неподвижная шарообразная Земля стоит в центре Вселенной. Но вообразить, каким образом гигантское Солнце кружится вокруг маленькой Земли, было трудно. Колоссальное светило, несомненно, должно было находиться в центре мира!

Аристарх стал убежденным гелиоцентристом (Солнце в центре мира). Заодно, вслед за последователями Пифагора, он возродил их старую идею движения Земли вокруг своей оси и вокруг центра мира, где теперь вместо «центрального огня» наконец расположилось Солнце. Вращение Земли вокруг своей оси, кстати, естественно объясняло смену дня и ночи.

В общем, Аристарх вполне заслуживает, чтобы мы помнили о нем как об одном из самых выдающихся интеллектуалов за всю историю человечества. К сожалению, сведения об Аристархе весьма скудны. Известно только, что он родился на острове Самос, а жил и работал в знаменитом Мусейоне – по сути дела, первом в истории университете в городе Александрии. Ученый находился на попечении государства, читал лекции. Здесь он писал свои труды, которые хранились в не менее знаменитой Александрийской библиотеке.

Многие столетия спустя, в 640 году н. э., арабы захватили Александрию и уничтожили здесь все, что могли, включая библиотеку. Это была гигантская потеря для человечества. По некоторым данным, еще 2000 лет назад здесь хранились около 400 000 томов рукописных книг, свитков пергамента и папируса. Уже никто никогда не узнает, какие древние знания о былых земных событиях, людях и культурах хранились здесь… Не сохранились, к сожалению, и труды Аристарха – до наших дней дошла лишь одна его книга «О размерах Солнца и Луны и расстояниях до них». Мы располагаем также упоминаниями о его трудах в книгах других ученых. Нет сомнений, что достижения Аристарха произвели глубокое впечатление на его образованных современников. Солнце оказалось колоссальным – значительно больше, чем люди когда бы то ни было раньше могли себе это представить.

Но само устройство Солнца, его природа и причина происхождения яркого солнечного света и мощного потока тепла оставались непонятными. Все существовавшие версии – от нагретого камня до сгустка загадочного вездесущего эфира – выглядели уязвимыми для критики со стороны думающих людей. Надлунный мир и главный его объект – сияющее Солнце – продолжали хранить свои тайны.

Вершиной греческой астрономии явилась система мира Аристотеля – Птолемея, которая включила в себя частично и результаты Аристарха. Великий александрийский математик, астроном, оптик и географ Клавдий Птолемей (около 87–165) совершил выдающийся научный подвиг. Он создал энциклопедию своего времени, включив в нее все достижения греческой науки. А эти достижения были впечатляющими: буквально за несколько столетий греки создали столько, сколько человек разумный не создал за десятки тысяч лет своего прежнего существования на нашей планете!

Труд Птолемея назывался «Математическое сочинение», или «Большое сочинение» («Мегалэ Синтаксис», как это название звучало по-гречески). Позже вместо «большого» его стали называть «величайшим» – «Мегистэ». Арабы именовали труд Птолемея «Аль Маджисти», что привело к современному обозначению «Альмагест».

«Альмагест» – это грандиозный труд в 13 книгах. В нем, помимо многого другого, математически точно описаны движения планет с учетом их сложного петлеобразного движения по небу. Сегодня мы знаем, что странные петли, которые выписывают на небе планеты, объясняются тем, что сама Земля вовсе не неподвижна, и когда мы глядим на движущуюся планету с движущейся же Земли, создается впечатление сложного петлеобразного движения. Это похоже на наблюдения с вращающейся карусели, где наблюдатель сидит на вращающемся сидении! Учитывая, что планеты движутся не по окружностям, а по слегка вытянутым орбитам (эллипсам), да еще и не в одной плоскости, да еще и с переменной скоростью, нужно признать, что задача математического описания перемещения планет (а заодно и Солнца с Луной) по небу является сложной и на сегодня!

Рис. 4. Система Птолемея. Неподвижная Земля находится в центра мира, планеты движутся по эпициклам, центры эпициклов – по деферентам (орбитам вокруг Земли). У Луны и Солнца эпициклов нет

Птолемей блестяще справился с этой задачей. Он предложил систему, которая в результате длительных и сложных вычислений давала поразительную точность определения положения планеты на небе в данный момент времени – всего лишь до 10 угловых минут! Учитывая, что система при этом была принципиально неверна (Птолемей исходил из того, что Земля неподвижна и не вращается, а светила движутся вокруг нее, причем планеты – по очень сложным составным траекториям, участвуя в перемещении одновременно по многим окружностям), это была тем более сложная проблема. Но Птолемею удалось подобрать такой набор окружностей (эпициклов) с разными диаметрами. Планеты в системе Птолемея двигались по эпициклам: планета – по первому эпициклу, центр первого эпицикла – по второму эпициклу, центр второго – по третьему, и так далее, причем диаметры и скорости вращения для каждого из эпициклов были точно подобраны. Эта невероятно сложная аналоговая система, как было указано выше, прекрасно работала и позволяла с приемлемой точностью рассчитывать перемещения планет, Солнца и Луны на фоне звездного неба.

Замечательно, что после Аристарха было известно, что Солнце значительно больше Земли. Птолемей прекрасно понимал, что движение огромного светила вокруг нашей небольшой (по сравнению с Солнцем) планеты выглядит не очень логичным. Но в пользу системы Птолемея работал набор доказательств неподвижности Земли, который 2000 лет назад выглядел вполне убедительным.

В соответствии с утверждавшейся в те годы научной методологией, которая успешно работает и сегодня, каждое научное утверждение должно быть доказано. По тем временам, убедительных доказательств вращения (и движения) Земли не было. Зато доводы в пользу неподвижности нашей планеты казались вполне логичными. Например, Птолемей считал, что в случае вращения Земли вокруг своей оси мы должны наблюдать облака, уносящиеся в направлении, противоположном вращению планеты. Это правильное рассуждение: если бы все окружающее Землю пространство было заполнено бесконечным воздухом, и облака принадлежали бы этому пространству. Кто мог подумать во времена Птолемея, что Земля вращается вместе с атмосферой, в которой плавают облака, а светила разделяет безвоздушное пространство… Были и другие соображения, работавшие в пользу идеи о неподвижности Земли. Знаний не хватало, и логика позволяла строить концепции на уровне тех знаний, которые были…

В описаниях системы Птолемея ничего не говорится о сущности Солнца. Здесь основное внимание уделялось кинематике – законам движения, которые сводились к многочисленным вращениям вокруг множества осей. Продолжала работать идея Аристотеля, предлагавшая считать Солнце сгустком таинственного эфира.

«Альмагест» оказался результатом грандиозной работы всей древнегреческой культуры. Начиная с III века этот труд изучался и комментировался. Из Греции он попал на арабский Восток и в Индию.

В начале нашей эры отношение молодой, энергичной и потому агрессивной и нетолерантной христианской религии к концепции Птолемея было скорее негативным. Помимо прочего, дело было в том, что новая религия поддерживалась не очень образованными людьми. Сложные геометрические построения в «Альмагесте» были для них абсолютно чуждыми. Даже представление о шарообразности Земли вызывало резкое неприятие: этого не могло быть! Ведь люди не могли жить на «нижней» полусфере планеты – они должны были отрываться и падать «вниз». Так рассуждал, например, христианский богослов Лактанций (250–330). А Тертуллиан (150–222) утверждал прямо: «Нам после Христа не нужна никакая любознательность, не нужно никакого исследования». Подразумевалось, что все, что следует знать человеку, содержится в Священном Писании. Если же чего-то там нет, то это неслучайно: видимо, Создатель счел нецелесообразным сообщать людям нечто. И значит, попытки узнать это нечто (сверх Писания) расценивались как ненужные и греховные, и их надлежало рассматривать как ересь.

Византийский купец и путешественник Косма (Козьма) в 547 году явил миру книгу под недвусмысленным названием «Христианская топография Вселенной, основанная на свидетельствах Священного Писания, в коем христианам нельзя сомневаться». Согласно этому труду, мир походил на внутренность гигантского сундука с плоским прямоугольным дном (Землей), боковыми стенками и крышкой (небосводом). Заход Солнца за огромную гору на севере приводил в этой системе мира к наступлению ночи, проливание воды сквозь отверстия в крышке – к осадкам. Что такое Солнце, разумеется, здесь не сообщалось. Эта картина мира, близкая к самым примитивным взглядам первобытных культур, возобладала в Европе (во всяком случае, в Восточной). Когда-то и на Руси учили космографии по творению этого авторитетного автора – Козьмы Индикоплевста (или Индикоплова, т. е. плававшего в Индию). Спорить с ним было невозможно – он ездил в Индию, всюду был и все видел, а значит, знал, о чем писал…