"Космографическая тайна": в поисках божественного математического порядка небес
Тихо Браге был всегда противником Коперника, Кеплер — его сторонником, "славя Солнце с энтузиазмом возрожденческого неоплатонизма" (Кун). Кеплер был математиком-неоплатоником и неопифагорейцем, его вера в гармонию мира не сочеталась с системой Браге. Природа создана в соответствии с математически- ми правилами, и обязанность ученого — понять их. Кеплер считал, что он отчасти эту обязанность выполнил, когда в 1596 г. опубликовал "Космографическую тайну". После подробного, с детальными чертежами, изложения доказательств в защиту системы Коперника он утверждает, что число планет и размеры их орбит могут быть познаны после уяснения связи между планетными сферами и пятью правильными многоугольниками (солидусами), еще называемыми "платоновскими" или "космическими", — куб, тетраэдр, додекаэдр, икосаэдр и октаэдр (куб, четырех-, двенадцати-, двадцати- и восьмиугольник). Эти фигуры, как легко догадаться, характеризуются тем, что поверхности каждого из этих тел одинаковы и равносторонни (рис. 1). Уже со времен античности было известно,
что подобными характеристиками обладают только упомянутые и продемонстрированные на рисунке тела. Кеплер в своей работе утверждает, что если бы сфера Сатурна была описана в виде куба, в которую вписана сфера Юпитера, и если бы тетраэдр был вписан в сферу Юпитера, а в него вписана сфера Марса, и так далее, чередуя три других солидуса и другие три сферы (рис. 2), тогда можно было бы убедиться в соотносительных размерах всех сфер и понять причину, почему существует только шесть планет. Кеплер пишет:
"Орбита Земли является мерой всех остальных орбит. Опиши вокруг нее додекаэдр, тогда сфера, которая, в свою очередь, опишет его, будет сфера Марса. Вокруг сферы Марса опиши тетраэдр, тогда сфера, которая его обнимет, будет сфера Юпитера. Вокруг сферы Юпитера опиши куб, заключающая его сфера будет сферой Сатурна. В орбиту Земли впиши икосаэдр, вписанная в него сфера будет сферой Венеры, в сферу Венеры впиши октаэдр, в него будет вписана сфера Меркурия. Так ты поймешь причину числа планет". Бог — математик, и работа Кеплера заключалась в поиске разгадки геометрической и математической гармонии мира. Он верил, что значительную часть этого труда ему удалось выполнить, открыв много закономерностей, хотя в будущем останутся в основном лишь три его закона о планетах. Во всяком случае, "он был убежден, что структура мира может быть определена математическим путем, ибо при сотворении мира Бог руководствовался математическими соображениями, что простота — знак истины, а математическая простота идентифицируется с гармонией и красотой. Он использовал то удивительное обстоятельство, что существует как раз пять много- угольников, соответствующих требованиям соразмерности, которые, конечно же, должны каким-то образом соотноситься со структурой вселенной, все это — недвусмысленные признаки пифагорейско-платоновскои концепции мира, проступающие здесь особенно четко. Даскурс «Тимея» вновь бросает вызов аристотелизму, непрерывной традиции средневековья, обретая твердую поступь" (Е. J. Dijksterhuis).
От "круга" к "эллипсу". "Три закона Кеплера''
Наука нуждается в творческих умах (гипотезах, теориях), воображении и одновременно в жестком контроле над гипотезами. В истории научной мысли не было, пожалуй, другого ученого, который одновременно имел бы силу воображения, как Кеплер, и столь же критически относился бы к гипотезам. Идея связи между планетами и солидусами (многоугольниками) впоследствии обнаружила свою несостоятельность. Но в ней проявилась программа исследований, в перспективе очень плодотворная. Птолемей оказался не в состоянии объяснить "нерегулярное" движение Марса, не удалось это и Копернику. Тихо Браге провел множество наблюдений, но и он, в конце концов, отступил перед трудностями. После смерти Браге к этой проблеме обратился Кеплер. Он работал над ней почти десять лет. Мы узнаем об этой изматывающей работе от самого Кеплера, который оставил нам ее детальное описание. Попытки следовали одна за другой, и все оказывались безрезультатными. Но после длинной серии неудач Кеплер приходит к мысли, что проблему вообще невозможно решить, используя комбинации кругов; все эти комбинации не соответствовали данным, получаемым в результате наблюдений, и, таким образом, предлагаемые орбиты приходилось исключать как неверные. Он проверял, кроме кругов, овальные орбиты. Но и в этом случае наблюдения опровергали теоретические предположения. Наконец он заметил, что теоретические расчеты совпадают с наблюдениями, если предположить движение по эллиптическим орбитам с варьирующейся скоростью, определяемой в соответствии с законом. Это было сенсационное открытие, окончательно разбивалась старая почитаемая догма о естественности и совершенстве кругового движения. В коперниканской вселенной простой математический способ в состоянии подчинить себе бесконечное количество наблюдении и позволяет делать надежные и четкие прогнозы. "Введя эллиптическую гипотезу вместо многовековой догмы о круговом характере и единообразии планетарных движений, Кеплер осуществил глубинный переворот внутри самой коперниканской революции" (А. Пасквинелли). Вот два закона, содержащие конечное решение проблемы, значимое вплоть до наших дней.
Первый закон: каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце (рис. 1).
Второй закон: Каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причем площадь сектора орбиты, описанная радиусом-вектором планеты, изменяется пропорционально времени (рис. 2; рисунки заимствованы из книги Куна).
Круговые орбиты Птолемея, Коперника и Галилея сменились эллипсами (Первый закон), а единообразное движение вокруг центра — законом равных площадей (Второй закон). "Впервые единственная геометрическая кривая, не соединенная с другими, и единственный закон движения достаточны, чтобы предвидеть рас- положение планет, и впервые прогнозы оказываются столь же верными, как и наблюдения. Астрономическая система Коперника, унаследованная современной наукой, является общим продуктом творчества Кеплера и Коперника" (Кун).
|
