Жер орталық модель: Көне космология тарихы

Кіріспе

Жерді орталыққа қоятын ғаламның ескірген сипаттамасы

Астрономияда геоцентрлік модель (кейде геоцентризм деп те аталады, көбінесе Птолемей жүйесімен бейнеленеді) – Жерді ғаламның ортасында көрсететін ескірген сипаттама. Көптеген геоцентрлік модельдерде Күн, Ай, жұлдыздар және планеталардың бәрі Жерді айналып жүреді. Геоцентрлік модель көптеген еуропалық ежелгі өркениеттерде, мысалы, классикалық Грециядағы Аристотельдің және римдік Египеттегі Птолемейдің, сондай-ақ Исламның алтын ғасырында ғалам туралы басым түсінік болды. Екі бақылау Жердің ғаламның орталығы болғаны туралы идеяны қолдады. Біріншіден, Жердегі кез келген нүктеден Күн Жерді күніне бір рет айналып жүргендей көрінеді. Ай мен планеталардың өз қозғалысы болғанымен, олар да Жерді шамамен күніне бір рет айналып жүргендей көрінеді. Жұлдыздар Жердің географиялық полюстері арқылы өтетін осьтің айналымымен күніне бір рет айналатын аспан сферасында бекітілгендей сезіледі. Екіншіден, Жердегі бақылаушы үшін Жер қозғалмайтын сияқты көрінеді; ол қатты, тұрақты және қимылсыз секілді. Ежелгі грек, рим және ортағасырлық философтар геоцентрлік модельді көбінесе шар тәрізді Жермен біріктірді, бұл кейбір мифологиядағы ескі, жалпақ Жер моделінен өзгеше. Алайда, грек астрономы және математигі Самос тұрғыны Арристарх (шамамен б.з.д. 310 – шамамен б.з.д. 230) Күннің айналысында белгілі барлық планеталарды дұрыс ретпен орналастыратын гелиоцентрлік модельді жасады. Ежелгі гректер планеталардың қозғалысы шеңбер тәрізді деп сенді, бұл көзқарас 17 ғасырға дейін Батыс мәдениетінде сынға түспеді, осы кезде Иоганн Кеплер орбиталар гелиоцентрлік және эллипстік екенін болжады (Кеплердің планеталар қозғалысының бірінші заңы). 1687 жылы Ньютон эллипстік орбиталарды өзінің гравитация заңдарынан шығаруға болатынын көрсетті. 2-ші ғасырда жасалған Птолемейдің геоцентрлік моделінің астрономиялық болжамдары 1500 жылдан астам уақыт бойы астрологиялық және астрономиялық карталарды жасау үшін негіз болды. Геоцентрлік модель ерте заманауи кезеңге дейін үстемдік құрды, бірақ 16 ғасырдың соңынан бастап Коперник (1473–1543), Галилей (1564–1642) және Кеплер (1571–1630) жасаған гелиоцентрлік модельмен біртіндеп ығыстырылды. Бұл екі теорияның арасындағы кезеңге көп қарсылық болды, себебі геоцентрлік гипотеза ұзақ уақыт бойы дәлірек нәтижелер берді. Сонымен қатар, кейбіреулер жаңа, беймәлім теорияның геоцентризм туралы қалыптасқан консенсусты жоққа шығара алмайды деп ойлады.

In astronomy, the geocentric model (also known as geocentrism, often exemplified specifically by the Ptolemaic system) is a superseded description of the Universe with Earth at the center. Under most geocentric models, the Sun, Moon, stars, and planets all orbit Earth. The geocentric model was the predominant description of the cosmos in many European ancient civilizations, such as those of Aristotle in Classical Greece and Ptolemy in Roman Egypt, as well as during the Islamic Golden Age. Two observations supported the idea that Earth was the center of the Universe. First, from anywhere on Earth, the Sun appears to revolve around Earth once per day. While the Moon and the planets have their own motions, they also appear to revolve around Earth about once per day. The stars appeared to be fixed on a celestial sphere rotating once each day about an axis through the geographic poles of Earth. Second, Earth seems to be unmoving from the perspective of an earthbound observer; it feels solid, stable, and stationary. Ancient Greek, ancient Roman, and medieval philosophers usually combined the geocentric model with a spherical Earth, in contrast to the older flat Earth model implied in some mythology. However, the Greek astronomer and mathematician Aristarchus of Samos (c. 310 – c. 230 BC) developed a heliocentric model placing all of the then known planets in their correct order around the Sun. The ancient Greeks believed that the motions of the planets were circular, a view that was not challenged in Western culture until the 17th century, when Johannes Kepler postulated that orbits were heliocentric and elliptical (Kepler's first law of planetary motion). In 1687, Newton showed that elliptical orbits could be derived from his laws of gravitation. The astronomical predictions of Ptolemy's geocentric model, developed in the 2nd century CE, served as the basis for preparing astrological and astronomical charts for over 1,500 years. The geocentric model held sway into the early modern age, but from the late 16th century onward, it was gradually superseded by the heliocentric model of Copernicus (1473–1543), Galileo (1564–1642), and Kepler (1571–1630). There was much resistance to the transition between these two theories, since for a long time the geocentric postulate produced more accurate results. Additionally some felt that a new, unknown theory could not subvert an accepted consensus for geocentrism.

Коперник жүйесі

1543 жылы геоцентрлік жүйе алғашқы күрделі сынағына Коперниктің «De revolutionibus orbium coelestium» («Аспан денелерінің айналысы туралы») еңбегі жарияланғанда тап болды, онда Жер және басқа планеталар Күннің төңірегінде айналады делінген. Геоцентрлік жүйе содан кейін де көп жылдар бойы сақталды, себебі сол кезде Коперник жүйесі геоцентрлік жүйеге қарағанда жақсы болжамдар жасаған жоқ және ол табиғаттану философиясы мен діни нанымдарға да қиындықтар туғызды. Коперник жүйесі Птолемей жүйесінен дәлдігімен ерекшеленбеді, өйткені ол әлі де дөңгелек орбиталарды қолданды. Бұл Иоганн Кеплер олардың эллипс тәрізді екенін (Кеплердің планеталар қозғалысының бірінші заңы) жорамалдағанға дейін өзгертілмеді. 1609 жылы телескоп ойлап табылуымен Галилео Галилейдің (мысалы, Юпитердің серіктері бар екендігі) жасаған байқаулары геоцентризмнің кейбір қағидаларын күмәнден туғызды, бірақ оған елеулі қауіп төндірмеді. Айдың қараңғы «дақтарын», кратерлерін байқағандықтан, ол Айдың бұрынғыдай кемелді аспан денесі емес екенін айтты. Бұл Аристотельдің Айдың Жер мен оның ауыр элементтерімен ластанғаны, ал жоғары сфералардың эфиріне қарама-қайшы екендігін түсіндіргеніне қатысты, Айдың кемшіліктері туралы телескоп арқылы жасалған алғашқы егжей-тегжейлі байқау болды. Галилей Юпитердің серіктерін де көре алды, оларды II Козимо де Медичиге арнады және олардың Жерді емес, Юпитерді айналатынын мәлімдеді. Галилейдің байқауларын сол кездегі басқа астрономдар, соның ішінде Кристоф Шайнер, Иоганн Кеплер және Джован Пауло Лембо тез арада қолдана бастады және растады. 1610 жылдың желтоқсан айында Галилео Галилей телескопы арқылы Венераның Ай сияқты толық фазаларды көрсететінін байқады. Ол бұл байқау Птолемей жүйесімен қарама-қайшы болғанымен, гелиоцентрлік жүйенің табиғи салдары деп ойлады. Алайда Птолемей Венераның деференті мен эпициклін Күн сферасының ішінде (Күн мен Меркурийдің арасында) орналастырды, бірақ бұл кездейсоқ болды; ол Венера мен Меркурийді оңай ауыстырып, оларды Күннің екінші жағына орналастыра алатын немесе Венера мен Меркурийдің кез келген басқа орналасуын жасауға болатын, егер олар әрқашан Жерден Күн арқылы өтетін сызыққа жақын болса, мысалы Венера эпициклінің ортасын Күнге жақын орналастырған. Бұл жағдайда, егер Күн барлық жарықтың көзі болса, Птолемей жүйесі бойынша: Егер Венера Жер мен Күннің арасында болса, Венера фазасы әрқашан жарты ай немесе толық қараңғы болуы керек. Егер Венера Күннен тыс болса, Венера фазасы әрқашан дөңгелек немесе толық болуы керек. Бірақ Галилей Венераны алдымен кішкентай және толық, кейін үлкен және жарты айлық деп көрді. Бұл Птолемей космологиясымен Венераның эпициклі Күн орбитасының ішінде де, сыртында да бола алмайтынын көрсетті. Нәтижесінде Птолемейшілер Венераның эпициклі Күннің ішінде екен деген идеядан бас тарды, ал кейіннен 17 ғасырдағы астрономиялық космологиялар арасындағы бәсекелестік Тихо Брагедің Тихоникалық жүйесіне (онда Жер әлі де ғаламның орталығында болды және оның төңірегінде Күн айналды, бірақ басқа планеталар Күннің төңірегінде бір үлкен эпициклдер жиынтығында айналды) немесе Коперник жүйесінің түрлеріне бағытталды.

In 1543, the geocentric system met its first serious challenge with the publication of Copernicus' De revolutionibus orbium coelestium (On the Revolutions of the Heavenly Spheres), which posited that the Earth and the other planets instead revolved around the Sun. The geocentric system was still held for many years afterwards, as at the time the Copernican system did not offer better predictions than the geocentric system, and it posed problems for both natural philosophy and scripture. The Copernican system was no more accurate than Ptolemy's system, because it still used circular orbits. This was not altered until Johannes Kepler postulated that they were elliptical (Kepler's first law of planetary motion). With the invention of the telescope in 1609, observations made by Galileo Galilei (such as that Jupiter has moons) called into question some of the tenets of geocentrism but did not seriously threaten it. Because he observed dark "spots" on the Moon, craters, he remarked that the moon was not a perfect celestial body as had been previously conceived. This was the first detailed observation by telescope of the Moon's imperfections, which had previously been explained by Aristotle as the Moon being contaminated by Earth and its heavier elements, in contrast to the aether of the higher spheres. Galileo could also see the moons of Jupiter, which he dedicated to Cosimo II de' Medici, and stated that they orbited around Jupiter, not Earth. Galileo's observations were verified by other astronomers of the time period who quickly adopted use of the telescope, including Christoph Scheiner, Johannes Kepler, and Giovan Paulo Lembo. In December 1610, Galileo Galilei used his telescope to observe that Venus showed all phases, just like the Moon. He thought that while this observation was incompatible with the Ptolemaic system, it was a natural consequence of the heliocentric system. However, Ptolemy placed Venus' deferent and epicycle entirely inside the sphere of the Sun (between the Sun and Mercury), but this was arbitrary; he could just as easily have swapped Venus and Mercury and put them on the other side of the Sun, or made any other arrangement of Venus and Mercury, as long as they were always near a line running from the Earth through the Sun, such as placing the center of the Venus epicycle near the Sun. In this case, if the Sun is the source of all the light, under the Ptolemaic system:
If Venus is between Earth and the Sun, the phase of Venus must always be crescent or all dark. If Venus is beyond the Sun, the phase of Venus must always be gibbous or full. But Galileo saw Venus at first small and full, and later large and crescent. This showed that with a Ptolemaic cosmology, the Venus epicycle can be neither completely inside nor completely outside of the orbit of the Sun. As a result, Ptolemaics abandoned the idea that the epicycle of Venus was completely inside the Sun, and later 17th century competition between astronomical cosmologies focused on variations of Tycho Brahe's Tychonic system (in which the Earth was still at the center of the universe, and around it revolved the Sun, but all other planets revolved around the Sun in one massive set of epicycles), or variations on the Copernican system.

Гравитация

Иоганн Кеплер Тихо Брагедің аса дәл бақылауларын талдап, содан кейін 1609 және 1619 жылдары үш заңын құрастырды, бұл планеталар эллипстік траекториямен қозғалатын гелиоцентрлік көзқарасқа негізделген. Осы заңдарды пайдаланып, ол 1631 жылы Венераның транзитін сәтті болжаған алғашқы астроном болды. Планеталардың дөңгелек орбитадан эллипстік траекторияға өтуі аспан денелерін бақылау мен болжаудың дәлдігін едәуір арттырды. Коперник ұсынған гелиоцентрлік модель Птолемей жүйесінен де дәл болмағандықтан, геоцентрлік модельді қолдайтындарды сендіру үшін жаңа бақылаулар қажет болды. Дегенмен, Браге деректеріне негізделген Кеплер заңдары геоцентристердің жеңуі қиын болған мәселеге айналды. 1687 жылы Исаак Ньютон Роберт Гук және басқалар бұрын гипотеза ретінде келтірген әмбебап гравитация заңын тұжырымдады. Оның ең маңызды жетістігі – гравитация заңынан Кеплердің планеталар қозғалысы заңдарын математикалық тұрғыдан шығару арқылы соңғысын дәлелдеуге көмектесуі болды. Бұл Жер мен планеталарды ғарыш арқылы қозғалтатын және атмосфераның ұшып кетуін қамтамасыз ететін күш ретінде гравитацияны енгізді. Гравитация теориясы ғалымдарға Күн жүйесінің сенімді гелиоцентрлік моделін құруға мүмкіндік берді. Ньютон «Principia» еңбегінде бұрын түсініксіз, құпия күш деп саналған гравитацияның аспан денелерінің қозғалысын қалай басқаратынын және Күн жүйесінің жұмыс істеуін қалай қамтамасыз ететінін түсіндірді. Оның орталыққа қарай тартатын күш туралы сипаттамалары, Ньютон физикасы геоцентрлік көзқарасқа қарағанда көбірек сенімділік бергеніне қарамастан, салыстырмалылық геоцентрлік емес. Керісінше, салыстырмалылық теориясы Күнді, Жерді, Айды, Юпитерді немесе кез келген басқа нүктені Күн жүйесінің орталығы ретінде бірдей негізде таңдауға болады деп мәлімдейді. Салыстырмалылық Ньютонның болжамдарымен келіседі: Күн немесе Жер Күн жүйесін сипаттау үшін қолданылатын координаттар жүйесінің орталығы ретінде кездейсоқ таңдалған болса да, планеталардың траекториялары Жерге емес, Күнге қатысты эллипс құрайды. Тұрақты жұлдыздардың орташа координаттар жүйесіне қатысты планеталар шын мәнінде Күнді айналып өтеді, оның массасы өте үлкен болғандықтан, өзінің диаметріне қарағанда өте аз қозғалады және оның гравитациясы планеталардың орбиталарын анықтауда басым (яғни, Күн жүйесінің масса орталығы Күннің орталығына жақын орналасқан). Жер мен Ай екі планета жүйесіне жақын; олардың айналатын масса орталығы әлі де Жердің ішінде, бірақ Жердің радиусының шамамен 72,6%-ы Жердің орталығынан алыс (осылайша орталыққа қарағанда бетке жақын). Салыстырмалылық принципінің көрсеткені, дұрыс математикалық есептеулер таңдалған координаттар жүйесіне қарамастан жасалуы мүмкін, және олардың барлығы денелердің бір-біріне қатысты нақты қозғалысын болжау бойынша келіседі. Күн жүйесіндегі планеталық денелердің қозғалысын болжау үшін координаттар жүйесінің орталығы ретінде ең үлкен гравитациялық өріске ие объектіні таңдау қажет емес, бірақ мұны істеу есептеулерді орындауды немесе түсіндіруді жеңілдетуі мүмкін. Геоцентрлік координаттар жүйесі Жердің гравитациясына көбінесе тәуелді денелермен (жасанды серіктер мен Ай сияқты) жұмыс істегенде немесе аспанның Жерден қарағанда қалай көрінетінін есептеу кезінде ыңғайлы болуы мүмкін (бұл Күн жүйесіне төменнен қарап тұрған қиялданған бақылаушыға қарағанда, басқа координаттар жүйесі ыңғайлы болуы мүмкін).

Johannes Kepler analysed Tycho Brahe's famously accurate observations and afterwards constructed his three laws in 1609 and 1619, based on a heliocentric view where the planets move in elliptical paths. Using these laws, he was the first astronomer to successfully predict a transit of Venus for the year 1631. The change from circular orbits to elliptical planetary paths dramatically improved the accuracy of celestial observations and predictions. Because the heliocentric model devised by Copernicus was no more accurate than Ptolemy's system, new observations were needed to persuade those who still adhered to the geocentric model. However, Kepler's laws based on Brahe's data became a problem which geocentrists could not easily overcome. In 1687, Isaac Newton stated the law of universal gravitation, described earlier as a hypothesis by Robert Hooke and others. His main achievement was to mathematically derive Kepler's laws of planetary motion from the law of gravitation, thus helping to prove the latter. This introduced gravitation as the force which both kept the Earth and planets moving through the universe and also kept the atmosphere from flying away. The theory of gravity allowed scientists to rapidly construct a plausible heliocentric model for the Solar System. In his Principia, Newton explained his theory of how gravity, previously thought to be a mysterious, unexplained occult force, directed the movements of celestial bodies, and kept our Solar System in working order. His descriptions of centripetal force

Despite giving more respectability to the geocentric view than Newtonian physics does, relativity is not geocentric. Rather, relativity states that the Sun, the Earth, the Moon, Jupiter, or any other point for that matter could be chosen as a center of the Solar System with equal validity. Relativity agrees with Newtonian predictions that regardless of whether the Sun or the Earth are chosen arbitrarily as the center of the coordinate system describing the Solar System, the paths of the planets form (roughly) ellipses with respect to the Sun, not the Earth. With respect to the average reference frame of the fixed stars, the planets do indeed move around the Sun, which due to its much larger mass, moves far less than its own diameter and the gravity of which is dominant in determining the orbits of the planets (in other words, the center of mass of the Solar System is near the center of the Sun). The Earth and Moon are much closer to being a binary planet; the center of mass around which they both rotate is still inside the Earth, but is about or 72.6% of the Earth's radius away from the centre of the Earth (thus closer to the surface than the center). What the principle of relativity points out is that correct mathematical calculations can be made regardless of the reference frame chosen, and these will all agree with each other as to the predictions of actual motions of bodies with respect to each other. It is not necessary to choose the object in the Solar System with the largest gravitational field as the center of the coordinate system in order to predict the motions of planetary bodies, though doing so may make calculations easier to perform or interpret. A geocentric coordinate system can be more convenient when dealing only with bodies mostly influenced by the gravity of the Earth (such as artificial satellites and the Moon), or when calculating what the sky will look like when viewed from Earth (as opposed to an imaginary observer looking down on the entire Solar System, where a different coordinate system might be more convenient).

Геоцентризмге діндік және қазіргі заманғы берік ұмтылыс

Күн жүйесінің Птолемейлік моделі жаңа заманға дейін басым болды; 16 ғасырдың соңынан бастап ол біртіндеп гелиоцентрлік модельмен әмбебап түсінік ретінде ығыстырылды. Дегенмен, геоцентризм жеке діни наным ретінде толығымен жойылған жоқ. Мысалы, 1870-1920 жылдар аралығында АҚШ-та Миссури Синодының лютеран шіркеуінің әртүрлі өкілдері Коперник астрономиясын сынап, геоцентризмді қолдайтын мақалалар жариялады.

Планетарийлер

Көптеген планетарийлер күнцентрлік және жерцентрлік модельдер арасында көшуге мүмкіндік береді. Атап айтқанда, жерцентрлік модель әлі де аспан шарларын және ай фазаларын оқытуда, ал кейде навигацияда көрсету үшін қолданылады.