Гелиоцентризм Коперника — астрономическая модель, разработанная Николаем Коперником и опубликованная в 1543 году. Эта модель помещала Солнце в центр Вселенной , неподвижное, а Земля и другие планеты вращались вокруг него по круговым траекториям , измененным эпициклами , и с одинаковыми скоростями. Модель Коперника заменила геоцентрическую модель Птолемея , которая преобладала на протяжении столетий и которая помещала Землю в центр Вселенной.
Хотя он распространил набросок своей собственной гелиоцентрической теории среди коллег где-то до 1514 года, он не решился опубликовать его, пока его ученик Ретикус не настоятельно попросил сделать это позже . Задачей Коперника было представить практическую альтернативу модели Птолемея, более элегантно и точно определив продолжительность солнечного года, сохранив при этом метафизические следствия математически упорядоченного космоса. Таким образом, его гелиоцентрическая модель сохранила несколько элементов Птолемея, что привело к неточностям, таким как круговые орбиты планет , эпициклы и равномерные скорости, [1] и в то же время использовала такие идеи, как:
Филолай (IV в. до н. э.) был одним из первых, кто выдвинул гипотезу о движении Земли , вероятно, вдохновленный теориями Пифагора о сферическом движущемся земном шаре. В III в. до н. э. Аристарх Самосский предложил то, что было, насколько известно, первой серьезной моделью гелиоцентрической Солнечной системы , развив некоторые теории Гераклида Понтийского (говоря о «вращении Земли вокруг своей оси» каждые 24 часа). Хотя его оригинальный текст был утерян, ссылка в книге Архимеда «Счетчик песчинок » ( Archimedis Syracusani Arenarius & Dimensio Circuli ) описывает работу, в которой Аристарх выдвинул гелиоцентрическую модель. Архимед писал:
Ты [царь Гелон] знаешь, что «вселенная» — это название, данное большинством астрономов сфере, центром которой является центр Земли, а ее радиус равен прямой линии между центром Солнца и центром Земли. Это общепринятое мнение, которое ты слышал от астрономов. Но Аристарх выпустил книгу, состоящую из определенных гипотез, в которой, как следствие сделанных предположений, оказывается, что вселенная во много раз больше, чем только что упомянутая «вселенная». Его гипотезы заключаются в том, что неподвижные звезды и Солнце остаются неподвижными, что Земля вращается вокруг Солнца по окружности, Солнце лежит в середине Земли, и что сфера неподвижных звезд , расположенная примерно в том же центре, что и Солнце, настолько велика, что круг, по которому, как он предполагает, вращается Земля, имеет такую же пропорцию к расстоянию неподвижных звезд, как центр сферы имеет отношение к ее поверхности. [2]
Распространено заблуждение, что современники Аристарха отвергли гелиоцентрическую точку зрения. Это результат перевода Жилем Менажем отрывка из «О кажущемся лице в сфере Луны» Плутарха . Плутарх сообщал, что Клеант (современник Аристарха и глава стоиков ) , как поклонник Солнца и противник гелиоцентрической модели, получил от Аристарха шутку, что его следует обвинить в нечестии. Менаж, вскоре после процессов над Галилеем и Джордано Бруно , изменил винительный падеж (определяющий объект глагола) на именительный (субъект предложения), и наоборот, так что обвинение в нечестии упало на гелиоцентрическую опору. Возникшее в результате заблуждение об изолированном и преследуемом Аристархе передается и сегодня. [3] [4]
Преобладающей астрономической моделью космоса в Европе за 1400 лет до XVI века была система Птолемея, геоцентрическая модель, созданная римским гражданином Клавдием Птолемеем в его «Альмагесте» , датируемом примерно 150 годом н. э. На протяжении всего Средневековья о ней говорили как об авторитетном тексте по астрономии, хотя ее автор оставался малопонятной фигурой, часто ошибочно принимаемой за одного из правителей Птолемея в Египте. [5] Система Птолемея опиралась на многие предыдущие теории, рассматривавшие Землю как неподвижный центр Вселенной. Звезды были помещены в большую внешнюю сферу, которая вращалась относительно быстро, в то время как планеты находились в меньших сферах между ними — по одной для каждой планеты. Чтобы объяснить явные аномалии в этой точке зрения, такие как явное ретроградное движение планет, использовалась система деферентов и эпициклов . Считалось, что планета вращается по малому кругу (эпициклу) вокруг центра, который, в свою очередь, вращается по большему кругу (деференту) вокруг центра на Земле или около нее. [6]
Дополнительная теория к гомоцентрическим сферам, которые использовал Птолемей: сферы, внутри которых вращались планеты, сами могли немного вращаться. Эта теория предшествовала Птолемею (она была впервые разработана Евдоксом Книдским ; ко времени Коперника она ассоциировалась с Аверроэсом ). Также популярными среди астрономов были такие вариации, как эксцентрики — с помощью которых ось вращения была смещена и не полностью находилась в центре. Планеты также были сделаны так, чтобы они демонстрировали нерегулярные движения, которые отклонялись от равномерной и круговой траектории. Эксцентрики движений планет были проанализированы, чтобы совершать обратные движения за периоды наблюдений. Это ретроградное движение создало основу для того, почему эти конкретные пути стали известны как эпициклы. [7]
Уникальным вкладом Птолемея в эту теорию был эквант — точка, вокруг которой центр эпицикла планеты двигался с равномерной угловой скоростью, но которая была смещена относительно центра ее деферента. Это нарушало один из фундаментальных принципов аристотелевской космологии, а именно, что движения планет должны объясняться в терминах равномерного кругового движения, и считалось серьезным недостатком многими средневековыми астрономами. [8]
В 499 году нашей эры индийский астроном и математик Ариабхата , находившийся под влиянием греческой астрономии, [9] предложил планетарную модель, которая явно включала вращение Земли вокруг своей оси, что он объясняет как причину того, что, по-видимому, является видимым движением звезд на запад. Он также считал, что орбиты планет являются эллиптическими . [10] Последователи Ариабхаты были особенно сильны в Южной Индии , где, среди прочего, следовали его принципам суточного вращения Земли, и на них был основан ряд второстепенных работ. [11]
Несколько исламских астрономов подвергли сомнению кажущуюся неподвижность Земли [12] [13] и ее центральность во Вселенной. [14] Некоторые признавали, что Земля вращается вокруг своей оси, например , Аль-Сиджзи [15] [16], который изобрел астролябию, основываясь на вере некоторых его современников, «что движение, которое мы видим, обусловлено движением Земли, а не движением неба». [16] [17] То, что и другие, помимо аль-Сиджзи, придерживались этой точки зрения, дополнительно подтверждается ссылкой на арабский труд XIII века, в котором говорится: «По мнению геометров [или инженеров] ( muhandisīn ), Земля находится в постоянном круговом движении, и то, что кажется движением небес, на самом деле вызвано движением Земли, а не звезд». [16]
В XII веке Нур ад-Дин аль-Битруджи предложил полную альтернативу системе Птолемея (хотя и не гелиоцентрическую). [18] [19] Он объявил систему Птолемея воображаемой моделью, успешно предсказывающей положения планет, но не реальные или физические. Альтернативная система Аль-Битруджи распространилась по большей части Европы в XIII веке. [19] Математические методы, разработанные в XIII-XIV веках арабскими и персидскими астрономами Муайядом ад-Дином аль-Урди , Насиром ад-Дином аль-Туси и Ибн аль-Шатиром для геоцентрических моделей движения планет, очень похожи на некоторые из методов, которые позже использовал Коперник в своих гелиоцентрических моделях. [20]
Марциан Капелла (V в. н. э.) высказал мнение, что планеты Венера и Меркурий не вращаются вокруг Земли, а вращаются вокруг Солнца. [21] Модель Капеллы обсуждалась в раннем Средневековье различными анонимными комментаторами IX в. [22] и Коперник упоминает его как человека, повлиявшего на его собственную работу. [23] Макробий (420 г. н. э.) описал гелиоцентрическую модель. [9] Иоанн Скот Эриугена (815–877 г. н. э.) предложил модель, напоминающую модель Тихо Браге. [9]
Начиная с XIII века европейские ученые хорошо знали о проблемах с астрономией Птолемея. Дебаты были ускорены приемом критики Птолемея Аверроэсом и снова возродились с восстановлением текста Птолемея и его переводом на латынь в середине XV века. [24] Отто Э. Нойгебауэр в 1957 году утверждал, что дебаты в латинской науке XV века также должны были быть основаны на критике Птолемея, произведенной после Аверроэса, персидской школой астрономии эпохи Ильханидов (XIII-XIV века), связанной с обсерваторией Мараги (особенно трудами аль-Урди, аль-Туси и аль-Шатира). [25] Утверждалось, что Коперник мог независимо открыть пару Туси или взять эту идею из « Комментария к первой книге Евклида» Прокла , [26] на который ссылался Коперник. [27] Другим возможным источником знаний Коперника об этом математическом устройстве являются « Вопросы о силе» Николая Орезма , который описал, как возвратно-поступательное линейное движение небесного тела может быть получено комбинацией круговых движений, подобных тем, которые предложил аль-Туси. [28]
Во времена Коперника самой современной версией системы Птолемея была версия Георга фон Пейербаха (1423–1461) и его ученика Региомонтана (1436–1476). Состояние вопроса, полученное Коперником, суммировано в Theoricae novae planetarum Пейербаха, составленном на основе лекционных заметок Региомонтана в 1454 году, но не напечатанном до 1472 года. Пейербах пытается дать новое, математически более элегантное представление системы Птолемея, но он не приходит к гелиоцентризму. Региомонтан был учителем Доменико Марии Новары да Феррары , который, в свою очередь, был учителем Коперника. Существует вероятность, что Региомонтанус уже пришел к теории гелиоцентризма до своей смерти в 1476 году, поскольку он уделил особое внимание гелиоцентрической теории Аристарха в своей поздней работе и упоминает «движение Земли» в одном из писем. [29]
Состояние знаний о планетарной теории, полученных Коперником, суммировано в Theoricae Novae Planetarum Пейербаха (напечатано в 1472 году Региомонтаном). К 1470 году точность наблюдений Венской школы астрономии, членами которой были Пейербах и Региомонтан, была достаточно высока, чтобы сделать неизбежной разработку гелиоцентризма, и, действительно, возможно, что Региомонтан пришел к явной теории гелиоцентризма до своей смерти в 1476 году, примерно за 30 лет до Коперника. [29]
Основная работа Коперника, De revolutionibus orbium coelestium ( О вращении небесных сфер ; первое издание 1543 г. в Нюрнберге, второе издание 1566 г. в Базеле ), [30] представляла собой сборник из шести книг, опубликованных в год его смерти, хотя он пришел к своей теории несколькими десятилетиями ранее. Работа знаменует начало перехода от геоцентрической (и антропоцентрической ) вселенной с Землей в ее центре. Коперник считал, что Земля — это еще одна планета , вращающаяся вокруг неподвижного Солнца один раз в год и оборачивающаяся вокруг своей оси один раз в день. Но хотя Коперник поместил Солнце в центр небесных сфер, он поместил его не в точный центр вселенной, а около него. Система Коперника использовала только равномерные круговые движения, исправляя то, что многие считали главной неизящностью в системе Птолемея.
Модель Коперника заменила эквантовые окружности Птолемея большим количеством эпициклов. 1500 лет модели Птолемея помогли Копернику создать более точную оценку движения планет. [31] Это главная причина того, что система Коперника имела даже больше эпициклов, чем система Птолемея. Большее количество эпициклов, как оказалось, имело более точные измерения того, как планеты были действительно расположены, «хотя и недостаточно, чтобы волноваться». [32] Систему Коперника можно обобщить в нескольких предложениях, как это сделал сам Коперник в своем раннем Commentariolus , который он передал только друзьям, вероятно, в 1510-х годах. «Маленький комментарий» никогда не был напечатан. О его существовании было известно только косвенно, пока его копия не была обнаружена в Стокгольме около 1880 года, а еще одна в Вене несколько лет спустя. [33]
Основными особенностями теории Коперника являются:
Вдохновение пришло к Копернику не из наблюдений за планетами, а из чтения двух авторов, Цицерона и Плутарха [ требуется ссылка ] . В трудах Цицерона Коперник нашел изложение теории Гикета . Плутарх предоставил изложение пифагорейцев Гераклида Понтийского , Филолая и Экфанта. Эти авторы предложили движущуюся Землю, которая не вращается вокруг центрального Солнца. Коперник цитировал Аристарха и Филолая в ранней рукописи своей книги, которая сохранилась, заявляя: «Филолай верил в подвижность Земли, и некоторые даже говорят, что Аристарх Самосский придерживался этого мнения». [34] По неизвестным причинам (хотя, возможно, из-за нежелания цитировать дохристианские источники), Коперник не включил этот отрывок в публикацию своей книги.
Коперник использовал то, что сейчас известно как лемма Урди и пара Туси в тех же планетарных моделях, которые встречаются в арабских источниках. [35] Более того, точная замена экванта двумя эпициклами, использованная Коперником в Commentariolus, была обнаружена в более ранней работе аш-Шатира. [36] Лунная и Меркуриальная модели аш-Шатира также идентичны моделям Коперника. [37] Это привело некоторых ученых к утверждению, что Коперник, должно быть, имел доступ к некоторым еще не идентифицированным работам об идеях тех ранних астрономов. [38] Однако ни один вероятный кандидат на эту предполагаемую работу не был обнаружен, и другие ученые утверждают, что Коперник вполне мог развить эти идеи независимо от поздней исламской традиции. [39] Тем не менее, Коперник цитировал некоторых исламских астрономов, чьи теории и наблюдения он использовал в De Revolutionibus , а именно аль-Баттани , Сабита ибн Курру , аль-Заркали , Аверроэса и аль-Битруджи . [40] Было высказано предположение [41] [42] , что идея пары Туси могла прийти в Европу, оставив мало рукописных следов, поскольку она могла возникнуть без перевода какого-либо арабского текста на латынь. Один из возможных путей передачи мог быть через византийскую науку ; Григорий Хиониадис перевел некоторые работы аль-Туси с арабского на византийский греческий . Несколько византийских греческих рукописей, содержащих пару Туси, все еще сохранились в Италии. [43]
Когда компендиум Коперника был опубликован, он содержал несанкционированное, анонимное предисловие друга Коперника, лютеранского богослова Андреаса Осиандера . Этот священнослужитель утверждал, что Коперник написал свой гелиоцентрический рассказ о движении Земли как математическую гипотезу, а не как рассказ, содержащий истину или даже вероятность. Поскольку считалось, что гипотеза Коперника противоречит ветхозаветному рассказу о движении Солнца вокруг Земли ( Иисус Навин 10:12-13), это, по-видимому, было написано для смягчения любой религиозной реакции на книгу. Однако нет никаких доказательств того, что сам Коперник считал гелиоцентрическую модель просто математически удобной, отдельной от реальности. [44]
Фактический сборник Коперника начался с письма его (к тому времени покойного) друга Николауса фон Шёнберга , кардинала-архиепископа Капуи , призывавшего Коперника опубликовать свою теорию. [45] Затем, в длинном введении, Коперник посвятил книгу Папе Павлу III , объяснив свой мнимый мотив написания книги как связанный с неспособностью более ранних астрономов прийти к согласию относительно адекватной теории планет, и отметив, что если его система увеличит точность астрономических предсказаний, это позволит Церкви разработать более точный календарь. В то время реформа юлианского календаря считалась необходимой и была одной из главных причин интереса Церкви к астрономии.
Сам труд разделен на шесть книг: [46]
С момента публикации и примерно до 1700 года лишь немногие астрономы были убеждены в системе Коперника, хотя работа была относительно широко распространена (сохранилось около 500 экземпляров первого и второго изданий, [47] что является большим числом по научным стандартам того времени). Немногие из современников Коперника были готовы признать, что Земля на самом деле движется. Даже спустя сорок пять лет после публикации De Revolutionibus астроном Тихо Браге зашел так далеко, что построил космологию, точно эквивалентную космологии Коперника, но с Землей, зафиксированной в центре небесной сферы вместо Солнца. [48] Прошло еще одно поколение, прежде чем появилось сообщество практикующих астрономов, принявших гелиоцентрическую космологию.
Для его современников идеи, представленные Коперником, не были заметно более простыми в использовании, чем геоцентрическая теория, и не давали более точных предсказаний положения планет. Коперник знал об этом и не мог представить никаких наблюдательных «доказательств», полагаясь вместо этого на аргументы о том, что было бы более полной и элегантной системой. Модель Коперника, казалось, противоречила здравому смыслу и противоречила Библии.
Аргументы Тихо Браге против Коперника иллюстрируют физические, теологические и даже астрономические основания, по которым была отвергнута гелиоцентрическая космология. Тихо, возможно, самый выдающийся астроном своего времени, ценил элегантность системы Коперника, но возражал против идеи движущейся Земли на основе физики, астрономии и религии. Аристотелевская физика того времени (до современной ньютоновской физики оставалось еще столетие) не предлагала физического объяснения движению массивного тела, такого как Земля, но могла легко объяснить движение небесных тел, постулируя, что они состоят из другого вида субстанции, называемой эфиром , которая движется естественным образом. Так Тихо сказал, что система Коперника «... искусно и полностью обходит все лишнее или несогласное в системе Птолемея. Ни в одном пункте она не нарушает принципа математики. Тем не менее, она приписывает Земле, этому неповоротливому, ленивому телу, неспособному к движению, движение столь же быстрое, как движение эфирных факелов, и притом тройное движение». [49] Таким образом, многие астрономы приняли некоторые аспекты теории Коперника за счет других.
Коперниканская революция , парадигмальный сдвиг от птолемеевской модели небес, описывающей космос как неподвижное тело в центре Вселенной, к гелиоцентрической модели с Солнцем в центре Солнечной системы , охватывала более столетия, начиная с публикации « О вращении небесных сфер » Коперника и заканчивая работой Исаака Ньютона . Хотя его модель не была тепло принята современниками, она оказала большое влияние на более поздних ученых, таких как Галилей и Иоганн Кеплер , которые приняли, отстаивали и (особенно в случае Кеплера) стремились улучшить ее. Однако в годы после публикации «О вращении небесных сфер » для ведущих астрономов, таких как Эразм Рейнхольд, ключевой привлекательностью идей Коперника было то, что они восстановили идею равномерного кругового движения планет. [50]
В XVII веке еще несколько открытий в конечном итоге привели к более широкому признанию гелиоцентризма:
С современной точки зрения модель Коперника имеет ряд преимуществ. Коперник дал четкое объяснение причины смены времён года: ось Земли не перпендикулярна плоскости её орбиты. Кроме того, теория Коперника дала поразительно простое объяснение кажущимся ретроградным движениям планет, а именно параллактическим смещениям, возникающим в результате движения Земли вокруг Солнца, что было важным соображением в убеждении Иоганна Кеплера в том, что эта теория по существу верна. [53] В гелиоцентрической модели кажущиеся ретроградные движения планет, происходящие в противостоянии Солнцу, являются естественным следствием их гелиоцентрических орбит. Однако в геоцентрической модели они объясняются специальным использованием эпициклов , чьи обороты таинственным образом связаны с оборотами Солнца. [54]
Являлись ли положения Коперника «революционными» или «консервативными», было темой дебатов в историографии науки . В своей книге «Лунатики: История изменения видения Вселенной человеком» (1959) Артур Кестлер попытался деконструировать коперниканскую «революцию», изобразив Коперника трусом, который не хотел публиковать свою работу из-за парализующего страха насмешек. Томас Кун утверждал, что Коперник лишь перенес «некоторые свойства на многие астрономические функции Солнца, ранее приписываемые Земле». [1] Историки с тех пор утверждают, что Кун недооценил «революционность» работы Коперника и подчеркнул, насколько трудно было бы Копернику выдвинуть новую астрономическую теорию, полагаясь только на простоту геометрии, учитывая, что у него не было экспериментальных доказательств. [1]
Арьябхата... считал, что видимое вращение небес было вызвано осевым вращением Земли... что орбиты планет являются эллипсами