Геоцентрическая модель Вселенной: история и смена парадигмы.

Введение

Устаревшее описание Вселенной с Землей в центре

В астрономии геоцентрическая модель (также известная как геоцентризм, часто конкретно иллюстрируемая системой Птолемея) является устаревшим описанием Вселенной с Землей в центре. В большинстве геоцентрических моделей Солнце, Луна, звезды и планеты вращаются вокруг Земли. Геоцентрическая модель была преобладающим описанием космоса во многих древних европейских цивилизациях, таких как у Аристотеля в классической Греции и Птолемея в римском Египте, а также в период исламского Золотого века. Два наблюдения поддерживали представление о том, что Земля является центром Вселенной. Во-первых, из любой точки на Земле Солнце, кажется, совершает оборот вокруг Земли за один день. Хотя Луна и планеты имеют собственные движения, они также кажутся вращающимися вокруг Земли примерно раз в сутки. Звезды казались неподвижно закрепленными на небесной сфере, вращающейся один раз в день вокруг оси, проходящей через географические полюса Земли. Во-вторых, Земля кажется неподвижной с точки зрения земного наблюдателя; она ощущается как твердая, стабильная и неподвижная. Древнегреческие, древнеримские и средневековые философы обычно объединяли геоцентрическую модель со сферической Землей, в отличие от более ранней модели плоской Земли, подразумеваемой в некоторых мифологиях. Однако греческий астроном и математик Аристарх Самосский (ок. 310 – ок. 230 до н.э.) разработал гелиоцентрическую модель, поместив все известные на тот момент планеты в правильном порядке вокруг Солнца. Древние греки полагали, что движения планет носят круговой характер, и это представление не было оспорено в западной культуре до XVII века, когда Иоганн Кеплер предположил, что орбиты являются гелиоцентрическими и эллиптическими (первый закон Кеплера о движении планет). В 1687 году Ньютон показал, что эллиптические орбиты могут быть выведены из его законов гравитации. Астрономические предсказания геоцентрической модели Птолемея, разработанной во II веке н.э., служили основой для составления астрологических и астрономических карт более 1500 лет. Геоцентрическая модель сохраняла свое влияние вплоть до раннего Нового времени, но с конца XVI века она постепенно уступала место гелиоцентрической модели Коперника (1473–1543), Галилея (1564–1642) и Кеплера (1571–1630). Переход между этими двумя теориями встретил значительное сопротивление, поскольку в течение долгого времени геоцентрическое представление давало более точные результаты. Кроме того, некоторые считали, что новая, неизвестная теория не может опровергнуть устоявшееся представление о геоцентризме.

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.

Коперниковая система

В 1543 году геоцентрическая система столкнулась с первым серьезным вызовом с публикацией книги Коперника De revolutionibus orbium coelestium (О вращении небесных сфер), в которой утверждалось, что Земля и другие планеты вращаются вокруг Солнца. Геоцентрическая система сохранялась еще долгие годы, поскольку в то время коперниканская система не предлагала более точных предсказаний, чем геоцентрическая, и вызывала проблемы как в области естественной философии, так и в отношении священного писания. Система Коперника не была точнее системы Птолемея, поскольку она по-прежнему использовала круговые орбиты. Это изменилось лишь тогда, когда Иоганнес Кеплер предположил, что орбиты эллиптические (первый закон Кеплера о движении планет). С изобретением телескопа в 1609 году наблюдения, сделанные Галилео Галилеем (например, открытие спутников у Юпитера), поставили под сомнение некоторые положения геоцентризма, но не представляли для него серьезной угрозы. Наблюдая темные «пятна» на Луне – кратеры, Галилей отметил, что Луна не является идеальным небесным телом, как считалось ранее. Это было первое детальное телескопическое наблюдение несовершенства Луны, которое Аристотель ранее объяснял загрязнением Луны земными и более тяжелыми элементами, в отличие от эфира высших сфер. Галилей также смог увидеть спутники Юпитера, которые он посвятил Козимо II де Медичи, и заявил, что они вращаются вокруг Юпитера, а не Земли. Наблюдения Галилея были подтверждены другими астрономами того времени, которые быстро начали использовать телескоп, включая Кристофа Шейнера, Иоганна Кеплера и Джован Паоло Лембо. В декабре 1610 года Галилео Галилей с помощью телескопа наблюдал, что Венера демонстрирует все фазы, как и Луна. Он полагал, что, хотя это наблюдение несовместимо с птолемеевской системой, оно является естественным следствием гелиоцентрической системы. Однако Птолемей помещал деферент и эпицикл Венеры полностью внутри сферы Солнца (между Солнцем и Меркурием), но это было произвольно; он мог бы так же легко поменять местами Венеру и Меркурий и поместить их на другую сторону Солнца, или создать любую другую конфигурацию Венеры и Меркурия, если бы они всегда находились вблизи линии, проходящей от Земли через Солнце, например, поместив центр эпицикла Венеры рядом с Солнцем. В этом случае, если Солнце является источником всего света, то в соответствии с птолемеевской системой: если Венера находится между Землей и Солнцем, ее фаза всегда должна быть серповидной или полностью темной. Если Венера находится за Солнцем, ее фаза всегда должна быть выпуклой или полной. Но Галилей увидел Венеру сначала маленькой и полной, а затем большой и серповидной. Это показало, что в птолемеевской космологии эпицикл Венеры не может находиться ни полностью внутри, ни полностью за пределами орбиты Солнца. В результате птолемеисты отказались от идеи, что эпицикл Венеры находится полностью внутри Солнца, а позднее в XVII веке конкуренция между астрономическими космологиями сосредоточилась на вариациях тихонической системы Тихо Браге (в которой Земля все еще находилась в центре Вселенной, вокруг нее вращалось Солнце, а все остальные планеты вращались вокруг Солнца в одном большом наборе эпициклов) или вариациях коперниканской системы.

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 проанализировал знаменитые точные наблюдения Тихо Браге и впоследствии построил свои три закона в 1609 и 1619 годах, основанные на гелиоцентрическом представлении, в котором планеты движутся по эллиптическим траекториям. Используя эти законы, он был первым астрономом, который успешно предсказал прохождение Венеры в 1631 году. Переход от круговых орбит к эллиптическим планетарным траекториям значительно повысил точность небесных наблюдений и прогнозов. Поскольку гелиоцентрическая модель, разработанная Коперником, не была точнее системы Птолемея, требовались новые наблюдения, чтобы убедить тех, кто все еще придерживался геоцентрической модели. Однако законы Кеплера, основанные на данных Браге, стали проблемой, которую геоцентристы не могли легко преодолеть. В 1687 году Исаак Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения, ранее описанный как гипотеза Робертом Гуком и другими. Его главным достижением стало математическое выведение законов Кеплера о движении планет из закона гравитации, тем самым помогая доказать последний. Это ввело понятие гравитации как силы, которая удерживала Землю и планеты в движении во Вселенной, а также не позволяла атмосфере рассеяться. Теория гравитации позволила ученым быстро построить правдоподобную гелиоцентрическую модель Солнечной системы. В своей книге "Математические начала натуральной философии" Ньютон объяснил, как гравитация, которую ранее считали загадочной, необъяснимой оккультной силой, направляет движение небесных тел и поддерживает работоспособность нашей Солнечной системы. Его описания центростремительной силы.

Несмотря на то, что теория относительности придает большее уважение геоцентрической точке зрения, чем ньютоновская физика, она не является геоцентрической. Скорее, теория относительности утверждает, что Солнце, Земля, Луна, Юпитер или любая другая точка могут быть выбраны в качестве центра Солнечной системы с одинаковой обоснованностью. Теория относительности согласуется с ньютоновскими предсказаниями о том, что независимо от того, выбрано ли Солнце или Земля произвольно в качестве центра системы координат, описывающей Солнечную систему, траектории планет образуют (приблизительно) эллипсы относительно Солнца, а не Земли. По отношению к средней системе отсчета неподвижных звезд планеты действительно движутся вокруг Солнца, которое из-за своей гораздо большей массы движется гораздо меньше, чем его собственный диаметр, и гравитация которого является определяющей при формировании орбит планет (иными словами, центр масс Солнечной системы находится близко к центру Солнца). Земля и Луна гораздо ближе к состоянию двойной планеты; центр масс, вокруг которого они оба вращаются, все еще находится внутри Земли, но примерно в 72,6% радиуса Земли от центра Земли (следовательно, ближе к поверхности, чем к центру). Принцип относительности указывает на то, что правильные математические вычисления могут быть выполнены независимо от выбранной системы отсчета, и все они будут согласованы друг с другом в отношении предсказаний фактических движений тел относительно друг друга. Нет необходимости выбирать объект в Солнечной системе с самым сильным гравитационным полем в качестве центра системы координат для предсказания движения планет, хотя это может упростить выполнение или интерпретацию вычислений. Геоцентрическая система координат может быть более удобной при работе только с телами, на которые в основном влияет гравитация Земли (такими как искусственные спутники и Луна), или при расчете того, как будет выглядеть небо при наблюдении с Земли (в отличие от воображаемого наблюдателя, смотрящего сверху на всю Солнечную систему, где другая система координат может быть более удобной).

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).

Религиозная и современная приверженность геоцентризму

Птолемеевская модель Солнечной системы доминировала до начала Нового времени; начиная с конца XVI века она постепенно уступала место гелиоцентрической модели как общепринятому описанию. Однако геоцентризм как самостоятельное религиозное убеждение никогда не исчез полностью. Например, в Соединенных Штатах в период с 1870 по 1920 год различные члены Лютеранской церкви Миссурийского Синода публиковали статьи, критикующие астрономию Коперника и поддерживающие геоцентризм.

Планетарии

Многие планетарии могут переключаться между гелиоцентрической и геоцентрической моделями. В частности, геоцентрическая модель до сих пор используется для проецирования небесной сферы и фаз Луны в образовательных целях, а также иногда для навигации.