Тема 4. Утверждение Гелиоцентризма

Гравитация. Физической основой геоцентрической космологии была теория вложенных сфер, в которой планеты переносятся в своём движении твёрдыми небесными сферами. Во-первых, суточные траектории звезд таковы, как будто они привязаны к единой сфере, совершающей вращение вокруг Земли за звёздные сутки. Во вторых, без привлечения представления о твёрдых сферах, к которым привязаны планеты, практически невозможным было дать физическую трактовку птолемеевым эпициклам.

Однако в рамках гелиоцентризма необходимость в небесных сферах отсутствует, ведь если видимые суточные движения звезд обусловлены суточным вращением Земли, то внешняя небесная сфера, несущая на себе звёзды, оказывается попросту ненужной. Однако эта сфера является лишь внешней границей всей системы сфер, к которым привязаны планеты. Таким образом, если внешней сферы не существует, то и вся эта система небесных сфер оказывается ненужной. Первым обратил на это внимание Джордано Бруно («Пепельная трапеза», 1584).

Титульный лист «Новой астрономии» Кеплера — книги, где впервые была высказана гипотеза о движении планет под действием сил, исходящих от Солнца

Тогда вставал вопрос о том, что (если не сферы) движет планетами. Бруно, как и многие другие учёные (в частности, Тихо Браге, Уильям Гильберт) полагал, что планеты являются живыми, разумными существами, которыми движут их собственные души. Некоторое время такого мнения придерживался и Кеплер, однако в процессе построения теории движения Марса он пришёл к выводу, что движение планет управляется силами, исходящими от Солнца («Новая астрономия», 1609). Таких сил в его теории было три: одна подталкивает планету по орбите, действуя по касательной к траектории (за счёт этой силы планета и движется), другая то притягивает, то отталкивает планету от Солнца (за счёт неё орбита планеты является эллипсом) и третья действует поперек плоскости эклиптики (благодаря чему орбита планеты лежит в плоскости, не совпадающей с плоскостью эклиптики). Первую из них («круговую» силу) он считал убывающей обратно пропорционально расстоянию от Солнца.

С мнением Кеплера согласились далеко не все учёные. Так, Галилей отождествлял движение планет с инерциальным. Кеплерову теорию отверг и ведущий астроном-теоретик середины XVII века Исмаэль Буллиальд, по мнению которого планеты движутся вокруг Солнца не под действием исходящих от него сил, а в результате некоторого внутреннего стремления. Кроме того, если бы круговая сила и существовала, она убывала бы обратно второй степени расстояния, а не первой, как считал Кеплер. Однако поиск динамического объяснения планетных движений поддерживали Джереми Хоррокс и Исаак Бекман. Декарт полагал, что планеты переносятся вокруг Солнца гигантскими вихрями. Мнение Кеплера о движении планет под действием Солнца поддержал Дж. А. Борелли («Теория Медичийских планет», 1666). По его мнению, от Солнца исходят три силы: одна продвигает планету по орбите, другая притягивает планету к Солнцу, третья (центробежная), наоборот, отталкивает планету. Эллиптическая орбита планеты является результатом противоборства двух последних.

Движение планет как суперпозиция падения на Солнце и движения по инерции (согласно Р. Гуку). В 1666 г. Роберт Гук высказал предположение, что для объяснения движения планет достаточно одной только силы притяжения к Солнцу, просто нужно предполагать, что планетная орбита является результатом сочетания (суперпозиции) падения на Солнце (благодаря силе притяжения) и движения по инерции (по касательной к траектории планеты). По его мнению, эта суперпозиция движений и обусловливает эллиптическую форму траектории планеты вокруг Солнца, (близкие взгляды, но в достаточно неопределённой форме, высказывал и Кристофер Рен). Гук впервые поставил задачу о выводе законов Кеплера, исходя из принципа инерции и предположения о существовании направленной к Солнцу силы. Гук догадывался, что сила тяготения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до Солнца, однако он не мог этого доказать.

Первым, кому удалось установить закон действия силы тяготения и вывести отсюда законы движения планет, был Исаак Ньютон («Математические начала натуральной философии», 1687 г.) Закон всемирного тяготения, окончательно сформулированный Ньютоном, позволил дать единообразное объяснение земной тяжести, движению Луны вокруг Земли и планет вокруг Солнца, приливам. Одновременно был сформулирован общий метод, позволявший решить любые задачи механики.