Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной
Шрифт:
Галилей также ясно показал присущее музыканту умение привлечь внимание, когда он объяснял людям аргументы учения Коперника. Он записал свои идеи на итальянском языке вместо латыни, языка ученых, ярко передав их через диалоги, в которых вымышленные персонажи разговаривали о науке во время совместной трапезы или прогулки. Тем самым он прославился как демократ, который пренебрег иерархией церкви и университетов, чтобы обратиться напрямую к разуму обычного человека.
Но сколь блестящим полемистом и экспериментатором он был, столь ошеломляющими в трудах Галилея были новые вопросы, на которые он ответил - частично благодаря освобождению от античных догм, что было наследием итальянского Возрождения. Античное разделение между земной и небесной сферами, которое долго мешало людям думать, кажется, не впечатлило
Галилей разрушил божественность неба, когда открыл, что
небесное совершенство было ложью. Он не изобрел телескоп, и он не мог быть единственным, кто использовал новое изобретение для взгляда в небеса. Но его уникальные кругозор и таланты позволили ему не согласиться с общепринятым мнением по поводу того, что он там увидел, а увидел он несовершенство. Солнце имеет пятна. Луна не является воплощением совершенной сферы; она имеет горы совсем как Земля. Сатурн имеет странные тройные очертания. У Юпитера есть луны, и звезд гораздо больше, чем это видно невооруженным глазом.
Это низвержение божественности было предвосхищено несколькими годами ранее, в 1577, когда датский астроном Тихо Браге наблюдал вхождение комет в совершенную сферу Небес. Тихо Браге был последним и величайшим из астрономов, пользовавшихся собственными невооруженными глазами, и на протяжении своей жизни он собрал вместе со своими ассистентами лучшие измерения движения планет из тех, что когда-либо были сделаны. Они были помещены в его книгу записей, расшифрованную около 1600 года, когда он держал на службе вспыльчивого молодого ассистента Иоганна Кеплера.
Планеты двигаются вдоль эклиптики, но не выглядят двигающимися согласованно. Все они движутся в одном и том же направлении, но иногда останавливаются и разворачиваются, двигаясь какое-то время назад. Это обратное движение было для древних великой тайной. На самом деле это означает, что Земля тоже планета, которая двигается вокруг Солнца, как и другие планеты. Планеты останавливаются и снова стартуют только с точки зрения Земли. Марс движется на восток в нашем небе, когда он впереди нас, и меняет направление, когда Земля догоняет. Его обратное движение является просто проявлением движения Земли, но древние наблюдатели не могли бы посмотреть на это так, поскольку они придерживались ложной идеи, что Земля покоится в центре вселенной. И поскольку Земля неподвижна, воспринимаемое движение планет должно быть их реальным движением; отсюда античные астрономы объясняли обратные движения, как если бы они вызывались истинным движением планет. Чтобы сделать так, они придумали неуклюжую схему, включающую два вида окружностей, в которой каждая планета прикреплена к малой окружности, вращающейся вокруг точки, которая сама движется по большой окружности вокруг Земли.
Эпициклы, как были названы эти мини-окружности, вращались с периодом в один земной год, поскольку они были ни что иное, как отражение движения Земли. Другие подгонки требовали еще больше окружностей; применялось
пятьдесят пять окружностей, чтобы все это работало. Чтобы определить правильные периоды каждой из больших окружностей, александрийский астроном Птолемей откалибровал модель с поразительной степенью точности. Несколькими столетиями позже исламские астрономы уточнили модель Птолемея, а во время Тихо Браге модель предсказывала положения планет, Солнца и Луны с точностью 1 части на 1000 - достаточно хорошо, чтобы согласовываться с большинством наблюдений Браге. Модель Птолемея была математически красива, и ее успех убедил астрономов и теологов более чем на тысячелетие, что ее исходные допущения были верны. И как они могли бы быть
Урок состоит в том, что ни математическая красота, ни согласие с экспериментом не могут гарантировать, что идея, на которой базируется теория, имеет хоть малейшее отношение к реальности. Иногда расшифровка образцов явлений в природе уводит нас в ложном направлении. Иногда мы
очень сильно обманываемся и как индивидуумы, и как общество. Птолемей и Аристотель были не меньшими учеными, чем сегодняшние ученые. Им просто не повезло, что некоторые ложные гипотезы сговорились хорошо работать вместе. От нашей способности обманываться нет лекарства, кроме такого поддержания процесса движения науки, который, в конечном счете, выводит ошибки на свет.
Расшифровать смысл того факта, что все эпициклы имеют одинаковый период и двигаются в фазе с орбитой Солнца, выпало Копернику. Он поместил Землю на ее законное место как планеты, а Солнце вблизи центра вселенной. Это упростило модель, но ввело противоречие, которое античная космология не смогла бы пережить. Почему земная сфера должна вообще отличаться от небесной, если Земля просто еще одна планета, путешествующая через небеса?
Однако Коперник был революционер поневоле, который упустил другие путеводные нити. Большим упущением было то, что даже после того как движение Земли было рассчитано, орбиты планет оказались не точно круговыми. Будучи неспособным избавиться от идеи, что движения в небе должны быть составлены из кругов, Коперник решил эту проблему точно так, как Птолемей четырнадцатью столетиями ранее. Он ввел эпициклы, чтобы подогнать теорию к данным.
Орбита Марса была менее всего круговой. Это было великое счастье Кеплера - и науки тоже - что Тихо Браге поручил ему проблему расшифровки орбиты Марса, и после многих лет работы после того, как он покинул службу у Браге, Кеплер нашел, что Марс описывает в пространстве эллипс, а не окружность.
Это было революционным в том смысле, что не могло быть очевидным для современного Кеплеру читателя. В геоцентрической космологии планеты не описывали замкнутые пути любого вида, поскольку пути каждой из планет относительно Земли комбинировались из двух круговых движений с разными периодами. Только когда орбиты очерчены вокруг Солнца, они образуют замкнутые пути. Только тогда становится возможным ответить на вопрос о форме орбиты. Так расположение Солнца в центре углубляет гармонию мира.
С того момента, когда стало понятно, что планетарные орбиты суть эллипсы, объяснительная сила теории Птолемея была разбита вдребезги. Возникла масса
новых вопросов: Почему планеты движутся по эллиптическим орбитам? И что их удерживает от того, чтобы разлететься? И что их вообще заставляет двигаться, а не неподвижно висеть в пространстве? Ответ Кеплера был ошибочным предположением, содержащим половину правды: Планеты двигает вокруг по их орбитам сила от Солнца. Представим себе Солнце как вращающегося осьминога, чьи конечности толкают планеты вокруг, когда он поворачивается. Это был первый случай, когда кто-то предположил, что Солнце является источником силы, воздействующей на планеты. Он только неправильно выбрал направление силы.
Браге и Кеплер сокрушили небесные сферы и, тем самым, унифицировали мир. Эта унификация имела серьезные следствия для понимания времени. В космологии Аристотеля и Птолемея не зависящая от времени сфера вечного совершенства окружает земную область. Рост, распад, изменение, все признаки ограниченного временем мира сосредоточены в малой области ниже сферы Луны. Выше ее имеется совершенное круговое движение, неизменное и вечное. Теперь же, после того как сфера, разделяющая ограниченное временем и вневременное была разрушена, могло бы остаться только одно представление о времени. Мог бы этот новый мир быть ограниченным во времени повсюду, с целой вселенной, подверженной росту и распаду? Или вечное совершенство могло бы быть распространено на все творение, так что изменение, рождение и смерть могли бы выглядеть не более чем иллюзиями? Мы все еще боремся с этим вопросом.