В которой описывается, как три выдающихся ученых мужа изменили наши представления о мире с помощью новых инструментов и своей творческой мысли

Первый телескоп был сделан в Голландии и попал в руки Галилея только в 1608 году. Предшественник ученого Тихо Браге в течение последних трех десятилетий XVI века тщательно фиксировал движение планет по небу. Браге был достаточно состоятелен, а кроме того, имел поддержку короля Дании Фредерика II, который в 1576 году подарил ему остров Вен «со всеми арендаторами и слугами короны, проживающими на нем, и с правом взимания аренды и иных пошлин… до конца жизни или до тех пор, пока он имеет желание продолжать свои studia mathematices».[31] Благодаря этому Браге удалось создать коллекцию измерительных приборов, равной которой мир еще не видел. Во времена до изобретения телескопа астрономические измерения производились исключительно невооруженным глазом с использованием квадрантов, секстантов, астролябий и иных инструментов, позволявших определять местоположение и отслеживать движение небесных тел. По сути, астрономы проводили угловые измерения небесного свода – воображаемой сферы, на которой были закреплены звезды.

Если посмотреть на небо в ясную ночь, можно увидеть множество звезд (до нескольких тысяч). Расстояние между ними кажется нам неизменным, как если бы они действительно были прибиты к темному небесному своду. С течением ночи звездное небо медленно движется с востока на запад. Из‑за этой кажущейся относительной неподвижности звезд древние наблюдатели различали на небосклоне фигуры (созвездия) и придавали им разные значения. Несмотря на то что в различных мифологиях одно и то же созвездие могло иметь разные значения, стремление к поиску смыслов в звездах является общим для всех человеческих культур. В реальности же наши органы чувств нас подводят. Во‑первых, звезды не статичны – некоторые из них движутся со скоростью много тысяч километров в секунду. Во‑вторых, они не располагаются на одном и том же двухмерном небосводе, а находятся на разных расстояниях от Земли и, следовательно, распределены в трехмерном пространстве. Небосвод – это стена из платоновской пещеры, иллюзия, возникающая вследствие нашего ограниченного восприятия реальности (хотя в данном случае, вероятно, за нашими спинами никто не стоит). Эта иллюзия объясняется огромными расстояниями, отделяющими нас от звезд. Когда мы видим с земли пролетающий над нами самолет, нам кажется, что он движется медленнее, чем на самом деле. Точно так же и звезды, находящиеся в нескольких световых годах (или сотнях световых лет) от нас, выглядят статичными.[32]

Фотографии с длинной экспозицией, сделанные в Северном полушарии, показывают, что звездное небо вращается вокруг одной неподвижной точки – Полярной звезды. На самом деле, движется не небо, а Земля, а Полярная звезда (на сегодняшний день) находится прямо над ее полюсом. В течение следующих нескольких тысяч лет она постепенно сместится из этого положения из‑за «предварения равноденствий» – колебаний земной оси.

Предположение о том, что Земля вращается вокруг своей оси, казалось людям настолько необычным, что этот факт ускользал от внимания наблюдателей многие тысячи лет. Если бы мы сказали последователю Аристотеля, что в течение 24 часов именно Земля, а не небеса над ней, делает полный оборот, он бы спросил, почему в таком случае облака и птицы остаются на месте, а подброшенные камни не зависают в воздухе. Нас поддержали бы лишь некоторые греческие мыслители вроде Экфанта и Гераклида, а до Коперника и его теории вращения Земли оставалось бы еще две тысячи лет.

Для того чтобы измерять положение звезд относительно друг друга и отслеживать движущиеся по небу планеты, астрономы делят небесный свод на два полушария, разделенные экватором. В зените (высшей точке) Северного полушария находится Полярная звезда. Положение относительно экватора небесного свода называется склонением (и соответствует долготе на поверхности Земли). Соответственно, склонение Полярной звезды составляет +90°. По аналогии с наземной долготой, которая отсчитывается от выбранной произвольным образом нулевой точки в Гринвиче (Англия), на небесном своде существует прямое восхождение. Прямое восхождение принято отсчитывать от точки весеннего равноденствия, когда Солнце пересекает небесный экватор в начале весны.[33] Ситуацию немного усложняет то, что вместо углов (как в случае с широтой, долготой и склонением) прямое восхождение измеряется в часах, минутах и секундах. Для соединения двух угловых единиц астрономы используют вращение Земли. Поскольку Земля проходит 360º (полный круг) за 24 часа, значит, за один час она проходит 360º/24 = 15º, за минуту – 15º/60 = 0,25º (15 угловых минут, или 15'), а за секунду – 15 /60 = 15' (15 угловых секунд). Таким образом, прямое восхождение с угловым положением 15º относительно нулевой точки равняется одному часу. Например, чтобы найти звезду Бетельгейзе в созвездии Ориона на небесном своде, нужно использовать следующие координаты: 5 часов 52 минуты 0 секунд к востоку от точки весеннего равноденствия (прямое восхождение) и 7º 24 к северу от небесного экватора (склонение).

Но вернемся к Тихо Браге. Его огромные, построенные на заказ инструменты позволяли ему измерять позиции планет с невероятной точностью – восемь угловых минут от градуса.[34] Браге также знал, что для лучшего понимания планетарных орбит требовалась не только точность, но и регулярность. Чем больше данных у него имелось, тем лучше он мог отследить движение планет по небу. А потом, 11 ноября 1572 года, возвращаясь домой из своей алхимической лаборатории, Браге увидел новую звезду в созвездии Кассиопеи. Загадочная гостья была такой яркой, что ее можно было рассмотреть даже днем. Физика Аристотеля отрицала возможность появления новых светил, ведь небеса были незыблемы и все изменения могли происходить лишь в подлунной сфере. Любые новые объекты на звездном небе считались лишь атмосферными явлениями, предметом изучения метеорологии. Вооруженный своими инструментами, Браге тщательно измерял новое небесное тело, пока в марте 1574 года оно не скрылось из виду. Его выводы были революционными: во‑первых, новая звезда находилась дальше от Земли, чем Луна, во‑вторых, она не была кометой, так как у нее не было хвоста и она не двигалась по небу. Наблюдения Браге впервые бросили вызов установкам Аристотеля. Чтобы заявить, что определенный порядок вещей неверен и грядут перемены, требуется недюжинная интеллектуальная смелость. Современность подхода Браге проявлялась в высочайшей точности его измерений и в понимании, что теории, не подкрепленные фактами, сродни пустым раковинам – их приятно держать в руках, но у них отсутствует живое начало, raison d’etre.

Сегодня мы знаем, что Браге наблюдал взрыв сверхновой. То, что он посчитал рождением новой звезды на небе, на самом деле было смертью старой. Великолепный инструментарий и усердие Тихо Браге позволяли ему видеть мир точнее, чем это делал кто‑либо из его предшественников. Тем не менее, как часто случалось в истории науки (и часто упоминается в этой книге), его видение было ограничено имеющимися у него возможностями. Обвиняя тех, кто сомневался в нем, он в сердцах восклицал: «О глупцы! О слепцы, глядящие на небо!» Эту фразу можно отнести к каждому из нас.

Но небеса как будто сами подталкивали науку вперед. В 1577 году еще одна яркая вспышка среди звезд подбросила дров в медленно разгорающийся костер борьбы с аристотелевскими догматами. Речь идет о Великой комете 1577 года, которую видели по всей Западной Европе и которая была зафиксирована многими астрономами. Браге увидел ее 13 ноября перед закатом, возвращаясь с рыбалки, и следил за ее движением 74 дня. Сравнив свои данные с данными пражского коллеги, Браге заключил, что расстояние от кометы до Земли в три раза превышало расстояние между нашей планетой и Луной. Он также отметил, что, хотя Луна для пражского астронома находилась в другом месте, нежели для него, местоположение кометы в обоих наблюдениях оставалось неизменным. Эта техника носит название параллакс и является крайне эффективной для определения расстояния между удаленными объектами.[35] Другие астрономы также подтвердили наблюдения Браге, еще сильнее пошатнув установку Аристотеля о неподвижности небесных сфер.

Учитывая, что Браге делал свои открытия всего через 30 лет после публикации книги Коперника в 1543 году, было бы логично предположить, что он с радостью принял гелиоцентрическую модель. Увы, это было не так. По определенным физическим и теологическим мотивам он отказался ее поддерживать и вместо этого предложил странную гибридную модель с двумя центрами. Земля продолжала быть неподвижным центром всего сущего, Солнце и Луна вращались вокруг нее, а все остальные планеты – вокруг Солнца. Создавая эту запутанную структуру, Браге полагался одновременно и на библейские догматы, и на свою незыблемую веру в силу наблюдений. Он тщательно регистрировал и сравнивал положения звезд в разные времена года, чтобы получить хотя бы малейшее доказательство движения Земли (при этом применялась та же техника параллакса, что и при наблюдении за Великой кометой 1577 года), но не обнаружил ничего, что искал. Если бы Земля двигалась вокруг Солнца, то в разное время года звезды, расположенные к ней ближе, оказывались бы в разных положениях относительно более далеких. Браге не нашел желаемых доказательств, потому что звездный параллакс невозможно увидеть невооруженным глазом, пусть даже с самыми точными измерительными инструментами. Как и все остальные его современники, он смотрел на небо и был слеп, хоть и видел дальше остальных. Кроме того, Браге не мог представить себе новую физику, которая объяснила бы модель Вселенной с Солнцем в центре. Несмотря на то что его собственные наблюдения указывали на неправоту Аристотеля, разделявшего реальность на две отдельные области, Браге не был готов сделать еще один шаг вперед и поверить, что перед ним лежали законы абсолютно новой физики, ждущие, пока их откроют.

Тем не менее у него хватило смелости отойти от идеи существования хрустальных сфер, так как в его модели космоса они неизбежно сталкивались бы между собой. Он предположил, что, если бы сферы существовали, кометы пролетали бы сквозь них, как пули сквозь стекло, оставляя за собой след из осколков, хотя собранные им данные были недостаточно точными для того, чтобы доказать это. Избавившись от священных небесных сфер, Браге столкнулся с проблемой. Как объяснить движение светил по небу, если движущих их сфер на самом деле не существует? Будучи совершенно уверенным в своих наблюдениях, Браге считал, что планеты просто движутся в пустом пространстве, но при этом не мог объяснить их вращение, которое сам же и измерял с такой точностью. Ему нужен был архитектор, человек с достаточным воображением и знаниями в математике, готовый доказать, что его модель правильно описывает положение вещей. Ему нужен был Иоганн Кеплер.

В истории науки найдется немного персонажей, столь же интересных, как этот блестящий, храбрейший и крайне неуравновешенный немецкий астроном, который в самые мрачные моменты своей жизни считал себя самым слабым и безвольным человеком, будучи в реальности гигантом мысли и героем борьбы за свободу вероисповедания. Испытав немало жизненных трагедий, перенеся ужасное детство и множество эмоциональных потрясений в личной жизни, пережив жестокую конфронтацию между католиками и лютеранами в Центральной Европе в первых десятилетиях XVII века, Кеплер обратил свой взгляд к небесам, надеясь найти в них тот порядок, которого ему так не хватало на Земле.[36]

Кеплер стал ассистентом Браге в начале 1600‑х годов. К тому моменту состоятельный астроном уже вышел из фавора датской короны и стал придворным математиком Рудольфа II, правителя Священной Римской империи, трон которого находился в Праге. Браге не мог отказаться от привычных ему блеска и роскоши и потому построил в замке Бенатки, примерно в 40 милях от столицы, сложную астрономическую обсерваторию, полную дорогих инструментов и многочисленных ассистентов.

С самого начала Браге и Кеплер преследовали разные цели. Первому нужна была теоретическая помощь для обоснования странной геоцентрической модели, которая, как он полагал, соответствовала не только его собственным наблюдениям, но и Священному Писанию. Второй же, будучи преданным последователем Коперника, хотел использовать данные Браге, чтобы раз и навсегда доказать истинность гелиоцентрической структуры космоса. Несмотря на то что они проработали вместе всего полтора года, это было эпическое столкновение. Браге не соглашался предоставить результаты своего многолетнего упорного труда немецкому последователю Коперника, Кеплеру же не терпелось начать собственную работу. После многочисленных споров Браге наконец дал Кеплеру доступ к своим записям о движении Марса. Это был хитрый ход, ведь Браге знал, что Марс движется по крайне странной орбите, порой делая резкие скачки в сторону от привычного круга.[37] Задачей Кеплера было объяснить траекторию Марса с помощью циркулярных движений, используя собранные Браге данные.

Кеплер надеялся, что эта работа займет у него лишь пару недель, а в итоге закончил ее через девять лет. В 1609 году он с гордостью опубликовал свою «Новую астрономию», в которой заявил, что Марс движется не по круговой, а по эллиптической орбите. Это было неожиданное решение, противоречащее тысячелетним представлениям астрономов, но Кеплер ни на шаг не отступал от наблюдений Браге. После нескольких лет экспериментов с кругами и эллипсами Кеплер применил идею Птолемея об экванте к Солнцу, немного сместив его из центра всех планетарных орбит. Этот подход сработал почти идеально, вот только два наблюдаемых параметра отличались от расчетов на основании его модели на восемь угловых минут, то есть на 8 / 60 одного градуса. Большинство людей просто проигнорировали бы эти несоответствия и посчитали бы такую модель максимально точным приближением к истинному положению вещей (так оно и было). Но неуемный Кеплер знал, что может лучше использовать драгоценную информацию, оказавшуюся в его руках.

Итак, Кеплер продолжил попытки и через какое‑то время пришел к теории эллипса. Это был уже второй случай – в первый раз он отказался от идеи эллиптических орбит. Иногда ответ находится прямо у нас перед глазами, но мы не готовы его принять. Итак, звезды сошлись идеально. В руках Кеплера точнейшие данные Браге, собранные с помощью лучших инструментов, могли совершить революцию в науке. В истории науки вряд ли можно найти много примеров, столь же ярко иллюстрирующих силу точных данных как катализатора масштабных изменений в наших представлениях о мире. История Браге и Кеплера показывает нам, что наблюдатель и теоретик могут создать практически всесильный союз, пускай и не всегда столь блестящий. Перефразируя знаменитое высказывание Эйнштейна о науке и религии, «информация без теории хрома, а теория без информации слепа».

Но Кеплер не остановился на достигнутом. Для того чтобы по‑настоящему изменить науку, ему недостаточно было обосновать астрономию Коперника данными, полученными от Браге. Требовалось создать новую физику для ее объяснения. Полное название книги Кеплера звучало так: «Новая астрономия, причинно обоснованная, или Физика неба, изложенная в исследованиях движения звезды Марс по наблюдениям достопочтенного Тихо Браге». Причинно обоснованная астрономия или физика неба. Кеплер не просто описывал астрономические явления, как все его предшественники, но пытался объяснить движения светил с помощью физики, будучи уверенным в том, что они подчиняются законам причины и следствия. Это была настоящая революция – первая попытка в истории астрономии объяснить траектории планет воздействием физических сил. Кеплер предположил, что Солнце и планеты имеют магнитную природу и взаимодействуют друг с другом с помощью притяжения. На эту идею его вдохновил труд Уильяма Гилберта, придворного врача Елизаветы I, в котором автор описывал Землю как гигантский естественный магнит. Кеплер заключил, что если Земля является магнитом, то им должно быть и Солнце. А два магнита притягиваются друг к другу даже на расстоянии, как и происходит с Солнцем и планетами. В письме от 1605 года он писал: «Моя цель – показать, что небеса представляют собой не божественный организм, но скорее часовой механизм… поскольку почти все из огромного количества движений объясняются единственно простейшей магнитной силой». Революционные идеи Кеплера о физических причинах движения планет стали основанием для ньютоновской теории гравитации, созданной позднее, в XVII столетии.

Перед тем как перейти от Кеплера к другим темам, я бы хотел обратить внимание еще на один очень важный пассаж из названия его книги – «физика неба, основанная на наблюдениях». Несмотря на то что пространные рассуждения о космосе порой заводили его слишком далеко, Кеплер понимал, что информация – это главный судья между Природой и теориями, которые мы создаем, чтобы ее объяснить. Сегодня это кажется нам очевидным, но во времена Кеплера все было совсем не так. Кеплер был человеком переходного периода, провозвестником нового. Но к этому моменту он уже был не одинок. Вдали от него, в Италии, на сцену мировой науки готовился выйти еще один последователь Коперника.

В 1610 году, всего через год после выхода «Новой астрономии» Кеплера, Галилео Галилей опубликовал свою работу Siderius Nuncius, название которой обычно переводят как «Звездный вестник». Этой небольшой книгой Галилей изменил представление человечества о Вселенной. А помог ему в этом новый мощный инструмент для наблюдения за небом – телескоп. Благодаря ему Галилей смог увидеть новый космос, полный сложности и красоты, далекой от идеализированной Аристотелевой симметрии вечных и неизменных эфирных сфер. Инструменты Браге позволяли ему измерять небесные явления с беспрецедентной точностью. Точно так же и телескоп Галилея давал ему возможность видеть дальше и точнее, чем кто‑либо из его предшественников. Как это часто случается в истории науки, новый измерительный прибор открыл людям неожиданные аспекты физической реальности. Остров знаний увеличивается неравномерно, новые участки суши поднимаются из воды и изменяют старые границы, порой до неузнаваемости.

Несмотря на то что новости об изобретении телескопа появились уже в октябре 1608 года, когда голландский мастер Иоанн Липперсгей подал заявку на регистрацию соответствующего патента (она была отклонена), свой первый телескоп Галилей создал сам. Друг Галилея, дипломат, подарил ему образчик труда Липперсгея, и Галилей осознал потенциал этого прибора. Он начал вытачивать линзы самостоятельно и к июлю 1609 года собрал телескоп с трехкратным увеличением. Вскоре после этого, в августе того же года, он представил перед венецианским сенатом инструмент, приближающий наблюдаемые объекты в восемь раз. Это позволило ему закрепить свое место в Падуанском университете и потребовать увеличения жалованья в два раза. В октябре он уже смотрел на небо через телескоп с 20‑кратным увеличением. Галилей не был одинок в своих трудах. Сегодня мы знаем, что в августе 1609 года Томас Хэрриот из Англии уже использовал устройство с шестикратным увеличением для наблюдения за Луной, хотя результаты его работы так и не были опубликованы.[38] Итак, телескоп обязан своей славой Галилею и его уверенности в том, что в его руках находится инструмент новой астрономии, если не нового мирового порядка.

О Галилее и его злоключениях по вине католической церкви написано очень много. Я и сам поднимал эту тему в своей книге «Танцующая Вселенная». Поэтому сейчас я постараюсь сфокусироваться на влиянии его открытий и на его роли в создании эмпирического метода, который впоследствии станет основой современной науки.

В «Звездном вестнике» (несомненно, в этой роли Галилей видел самого себя) он описывает три главных открытия, сделанных с помощью его телескопа и полностью противоречащих Аристотелевым взглядам на космос. Во‑первых, поверхность Луны не является ровной – на ней имеются горы и кратеры и она больше похожа на Землю, чем на идеальную сферу из чистого эфира. Во‑вторых, направив свой телескоп на Плеяды и созвездие Ориона, Галилей увидел в десять раз больше звезд, чем невооруженным глазом. Это заставило его предположить, что Млечный Путь и другие туманности являются не облачными формированиями, а бесчисленными множествами звезд. Наконец, у Юпитера обнаружилось четыре спутника, которые Галилей тут же окрестил «светилами Медичи» в стремлении получить поддержку великого герцога Тосканского Козимо II. Эти открытия, а также многие последующие наблюдения (например, фазы Венеры и пятна на Солнце) убедили Галилео, что Коперник был прав, а Аристотель – нет.[39] Даже несмотря на то что они не в полной мере доказывали теорию Коперника (и при необходимости легко вписывались в модель Браге), как, к примеру, звездный параллакс, Галилей решил заявить всему миру и церкви о том, что пришло время перемен. Это в конце концов и навлекло на него гнев инквизиции.

Несмотря на всю свою новизну и революционность, работы Галилея в области астрономии все равно несли на себе печать консерватизма. Например, он так и не поверил в существование Кеплеровых эллиптических орбит. Вместо этого он предложил странный закон круговой инерции, основанный на идеях оксфордского ученого XIV века Жана Буридана. С помощью этого закона он пытался объяснить вращение планет вокруг Солнца, а впоследствии экстраполировал его и на линейную инерцию: «Тело, движущееся по ровной поверхности, будет продолжать движение в том же направлении с постоянной скоростью, если не подвергнется внешнему воздействию» (представьте себе, как человек на коньках скользит по гладкому льду замерзшего озера). Позднее Ньютон превратит эту формулировку в свой первый закон движения, введя в нее понятие силы: «Тело сохраняет постоянную скорость, если на него не воздействует чистая неуравновешенная сила». Кстати, слово «инерция» впервые встречается в Epitome Astronomiae Copernicanae Кеплера – труде в трех томах, напечатанном между 1618 и 1621 годами. В этом шедевре ранней астрономической науки Кеплер применяет свою идею эллиптических орбит ко всем планетам, а также успешно доказывает правильность своих математических формул с помощью данных, полученных от Браге. Согласно Кеплеру, инерция представляет собой сопротивление тела стартовому импульсу, выводящему его из состояния покоя.

Тем не менее и для Галилея, и для Кеплера космос оставался закрытой структурой, ограниченной сферой звезд. Идея бесконечности Вселенной вселяла в Кеплера отвращение: «Даже сами мысли об этом полны скрытого ужаса, возникающего в попытках представить себе столь полное отрицание любых границ и центров, что любое определение местоположения становится бессмысленным».[40]

Кеплер верил, что космос, созданный Богом, должен быть симметричным и геометрически упорядоченным, а не бесконечным и бесформенным. Он даже сравнивал его со Святой Троицей: Солнце, находящееся в центре, представляло Бога‑Отца, сфера звезд на периферии – Сына, а пространство между ними, наполненное солнечным (Божественным) светом, – Святой Дух. Чтобы подкрепить свое теологическое объяснение, он заявлял, что идея бесконечной Вселенной противоречит данным астрономических наблюдений, и приводил в качестве примера сверхновую 1604 года (так называемую Кеплерову сверхновую, последнюю, наблюдавшуюся невооруженным глазом). Защитники теории бесконечного космоса утверждали, что новая звезда стала заметна, приблизившись к Земле из космических глубин, а затем снова исчезла из виду, когда расстояние увеличилось. Кеплер отрицал эту идею, говоря, что звезды не могут двигаться. Кроме того, он считал, что бесконечный космос был бы однородным и выглядел бы одинаково в любой точке, в то время как наблюдения за созвездиями показывали, что это не так.

Вполне возможно, что и Кеплер, и в особенности Галилей просто не забывали об ужасной судьбе Джордано Бруно, закончившего жизнь на костре инквизиции, пускай его обвинение и казнь стали результатом скорее его борьбы с религиозными догматами, чем трудов в области астрономии. К примеру, Бруно утверждал, что Христос был не сыном Бога, а просто ловким волшебником, и что Святой Дух – это душа всего мира. Тем не менее он верил в бесконечность Вселенной и в то, что каждая звезда представляет собой солнце, вокруг которого вращаются другие планеты (подумать только, как он был прав!), населенные мыслящими существами. Эта теория также противоречила представлениям о Земле как о центре творения и людях как любимых детях Создателя.

Итак, Галилей и Кеплер подготовили сцену к выходу еще одного человека, готового изменить реальность, – Исаака Ньютона. Он не только точно сформулировал закон всемирного тяготения, применимый ко всем объектам во Вселенной, но и разбил небесный свод, показав, что за ним скрывается бесконечный космос. Ни одному человеку до него не удавалось настолько увеличить наш Остров знаний – и лишь немногим это удастся после.