Генезис. Небо и Земля. Том 1. История

§30. Персидский поэт и астроном Гийяс-ад-Дин Абу-ль-Фатх Омар ибн-Эбрахим Хайям Нишапури (Омар Хайям) (1079) включил в свой каталог координаты 36 самых ярких звёзд. В Иране Омар Хайям известен также созданием более точного по сравнению с европейским календаря, который официально используется с XI века. Под руководством Хайяма работала группа из восьми ученых, которая проводила крупномасштабные астрономические наблюдения и пересматривала астрономические таблицы. Перекалибровка календаря зафиксировала первый день года в точный момент прохождения центра Солнца через точку весеннего равноденствия. Это знаменует начало весны или Новруз, дня, когда Солнце до полудня входит в первый градус Овна. Получившийся в результате календарь был назван в честь Малик-Шаха календарем Джалали и был открыт 15 марта 1079 года.

§31. На основе работ арабского астронома и математика Абу Исхака Ибрагима ибн Яхья Аль-Заркали около 1080 года группой астрономов в результате пересчета более ранних таблиц для географических координат Толедо были созданы Толедские таблицы – астрономические таблицы для предсказания движения Солнца, Луны и планет по отношению к неподвижным звёздам. Герард Кремонский в середине XII века перевёл на латынь Толедские таблицы, которые на том момент были самыми точными в Европе. В середине XIII века Джованни Кампано пересчитал таблицы для меридиана Новары. [44]

§32. Под патронажем кастильского короля Альфонсо X в Толедо астрономы, основными из которых были Исаак Бен Сид и Иегуда Бен Моше, между 1252 и 1270 годами создали астрономические таблицы, чтобы скорректировать неточности более ранних Толедских таблиц. Альфонсовы таблицы были написаны на испанском языке и переведены на латынь. Незадолго до 1321 года работа над совершенствованием этих таблиц продолжилась в Париже. Результат работы нескольких поколений астрономов разных стран и народов был издан в печатном виде в Венеции в 1483 году как первое издание (editio princeps) Альфонсовых таблиц; второе издание вышло в 1491 году. В Альфонсовых таблицах зафиксирована длина тропического года равная 365 дней 5 часов 49 минут 16 секунд (~365.24255 дней), которая была позднее использована для григорианской реформы календаря. [45]

§33. Персидский математик и астроном Абу Джафар Мухаммад ибн Мухаммад Насир ад-Дин ат-Туси (1283) составил каталог звезд на основе каталогов Птолемея и версии Ас-Суфи. Каталог входил в «Ильханский зидж[22 - «Ильханский зидж» – Зидж-и Илхапи, на персидском языке, названный в честь правителей династии Хулагу-хана, называвших себя илъханами – «подчиняющимися великому хану» – непосредственному преемнику Чингиз-хана, правящему в Монголии и Китае.]» («Эльханские астрономические таблицы» и другие). Реконструированное значение прецессии позволяет предположить, что каталог составлялся на эпоху несколько более раннюю, чем указанная в каталоге, и, вероятно, является компиляцией различных источников. Каталог ат-Туси имеет прикладной астрологический характер. Во-первых, он содержит лишь 60 наиболее ярких звёзд, наиболее важных при составлении гороскопов. Он не включает приполярную область, поскольку, вероятно, она не считалась важной при астрологических предсказаниях. Наконец, в каталоге указывается астрологический характер каждой звезды, а именно, характер соответствующей планеты. Для каждого объекта ат-Туси дает название, указывает небесные координаты, блеск и астрологический характер, ссылку на соответствующую звезду каталога «Альмагеста» Птолемея. В зидже ат-Туси таблицы синусов и тангенсов даны впервые через 1 минуту с шестью шестидесятеричными знаками, исключительно полны и точны здесь таблицы долгот и широт городов, многие таблицы этого зиджа были заимствованы авторами последующих зиджей вплоть до Улугбека. [46]

§34. Мирза (позже Султан) Мухаммед ибн Шахрух ибн Тимур Улугбек Гураган (1437) – правитель тюркской державы Тимуридов, сын Шахруха, внук Тамерлана издал каталог «Гурганский зидж», который был составлен в Самарканде и состоит из 1018 звёзд, распределенных по 38 созвездиям. Каталог составлен на эпоху 1 мухаррама 841 года хиджры, что соответствует 5 июля 1437 года. В программу наблюдения Улугбека положен звёздный каталог «Альмагеста». 27 южных звёзд из созвездий Корабля, Центавра, Зверя и Жертвенника Улугбек сам не наблюдал, поскольку они не были видимы на широте Самарканда в XV веке. Эти звезды были перенесены в «Гурганский зидж» Улугбека по эпохе Абдуррахмана Ас-Суфи. Оценка блеска также заимствована у Ас-Суфи, что эквивалентно заимствованию из «Альмагеста». [47]

§35. Кардинал Римской католической церкви, философ и ученый Николай Кребс, прозванный Николаем Кузанским (1440), высказал мнение, что Вселенная бесконечна, и у неё вообще нет центра: ни Земля, ни Солнце, ни что-либо иное не занимают особого положения. [48] Все небесные тела состоят из той же материи, что и Земля, и, вполне возможно, обитаемы, хоть их жители могут быть несоизмеримыми с земными. Он утверждал, что все светила, включая Землю, движутся в пространстве, и каждый наблюдатель вправе считать себя неподвижным, а видимое движение небосвода он объяснял осевым вращением Земли.

§36. Георг Пурбах (1456), наблюдая большую комету, которая позднее была отождествлена с кометой Галлея, предпринял попытку определить размеры кометы и её удаление от Земли. [49] В своих расчётах Пурбах исходил из того, что комету следует отнести к «подлунному миру», то есть рассматривал не просто небесное тело, а метеорологические явления в верхних слоях атмосферы. Он пришёл к выводу, что расстояние до кометы превышало 1000 миль, а размер – 80 миль; и естественно эти оценки были слишком грубы, поскольку не имели достаточных фактических оснований.

§37. В 1474 году Иоганн Мюллер (Региомонтан) издал «Эфемериды» – таблицы координат звёзд, положений планет и обстоятельств соединений и затмений на каждый день с 1475 по 1506 годы. [50] Это были первые астрономические таблицы, изданные типографским способом. Ими пользовались Васко да Гама, Христофор Колумб и другие мореплаватели. Региомонтан написал ряд работ об астрономических инструментах: универсальной астролябии (так называемая «сафея», описанная Аль-Заркали), солнечных часах, армиллярной сфере (Региомонтан называл устройство «метеороскопом»). В 1496 году Региомонтан завершил перевод «Альмагеста» Птолемея, начатый Георгом Пурбахом.

§38. Джироламо Фракасторо (1535) и Пьетро Апиано (1540) обнаружили, что кометные хвосты всегда появляются вдоль направления Солнца, но в противоположном направлении к нему. [51,52] В 1538 году он описал инструмент для астрономических наблюдений, а затем десятилетия спустя Галилео Галилей сделал такой телескоп. [53]

§39. В 1543 году накануне своей смерти Николай Коперник в работе «О вращениях небесных сфер», подтвердил и возродил тезис о гелиоцентрической системе мира, выдвинутый ранее Аристархом, что позволило обосновать параметры планетной системы и открыть закономерности планетных движений. [54] Коперник заложил два новых основополагающих постулата: о существовании движения у самой Земли и о ее нецентральном положении во Вселенной. Орбитальное движение Земли Коперник понимал еще в духе древних представлений о вращательном движении, при котором наклоненная к плоскости эклиптики[23 - Экли?птика – большой круг небесной сферы, по которому происходит видимое с Земли годичное движение Солнца относительно звёзд.] ось Земли должна была описывать широкий конус, сохраняя ориентацию относительно центра вращения. Коперник ввел для компенсации такого пространственного разворота земной оси «третье» движение – обратное вращение самого тела Земли вокруг оси также перпендикулярной плоскости эклиптики. При обратном развороте Земли такой же разворот совершала и плоскость экватора. Из-за некоторого несовпадения скоростей в конце обратного разворота экватор пересекал эклиптику уже в ином месте, предваряя (на ~ 40») приход Земли в предыдущее место точки весеннего равноденствия. В итоге за 26 тысяч лет ось Земли описывала полный конус в направлении, обратном годичному орбитальному обращению Земли. Видимое движение Солнца по небу рассматривалось как кажущееся – как отображение истинного, причем двойного – годичного и суточного, движения Земли. Это сразу дало простое объяснение смены дня и ночи и смены сезонов, ввиду сохраняющихся наклона и пространственной ориентации оси вращения Земли. Этим же Коперник объяснил теорию затмений и дал оценки расстояний Земли от Солнца и Луны от Земли и их относительных размеров в земных радиусах. Он полностью отверг геоцентрический принцип и описал движение Сатурна, затем Юпитера, Марса, Венеры и Меркурия на гелиоцентрической основе, дав надежные методы расчета положений планет на небе по эклиптической долготе. Коперник изложил математическую теорию сложных видимых движений Солнца, Луны, пяти планет и сферы звезд, с приложением соответствующих математических (тригонометрических) таблиц и звездного каталога. В центре мира он поместил Солнце, вокруг которого движутся планеты, и вновь зачисленная в ранг «подвижных звезд» Земля, сохранившая статус «центра» только для одного небесного тела – Луны. Он зафиксировал, что Земля совершает вращение вокруг оси с периодом в одни сутки, двигается вокруг Солнца с периодом в год, а также указал на деклинационное[24 - Деклинационный (лат. de-clino) – отклоняющийся от отвесного направления. Коперника впервые вводит такое понятие как деклинационное движение, т.е. конусное вращение земной оси вокруг условной оси расположенной строго перпендикулярно плоскости земной эклиптики.] движение с периодом также примерно в один год, приводящее к тому, что ось Земли перемещается приближенно параллельно самой себе. Он сформулировал принцип, называемый его именем, а иногда принципом заурядности (или посредственности, или усреднения), по которому ни Земля, ни Солнце не занимают какое-то особенное положение, а во Вселенной должно иметься множество звездных систем и планет с условиями, аналогичными земным. [55]

§40. Эразм Рейнхольд (1551) при поддержке герцога Пруссии Альберта I опубликовал новый набор астрономических таблиц на основе работы Коперника с фундаментальной экспозицией гелиоцентризма, так называемые Прусские таблицы. [56] В объяснительных канонах к таблицам Рейнхольд использовал в качестве парадигмы положение Сатурна при рождении герцога 17 мая 1490 года. С помощью этих таблиц Рейнхольд намеревался заменить Альфонсовы таблицы; он добавил новые таблицы, чтобы составители альманахов, знакомые со старыми Альфонсовыми таблицами, могли выполнять все шаги аналогичным образом. Прусские таблицы стали популярными в немецкоязычных странах по националистическим и конфессиональным причинам, и именно благодаря этим таблицам репутация Коперника была установлена как квалифицированного математика и астронома наравне с Птолемеем и помогла распространить методы расчета положения астрономических объектов Коперника.

§41. В своей работе «О новой звезде» Тихо Браге (1573) опроверг гипотезу Аристотеля о неизменности небесной сферы, заметив ранее в 1572 в созвездии Кассиопеи яркую звезду, которой до этого не было. Его измерения подтвердили, что «новые звезды» (ныне именуемые как «сверхновые звезды») не являются атмосферными явлениями, точно также, как и кометы. [57] В 1576 году Тихо Браге строит планетарную обсерваторию, а годом позднее наблюдает, что комета проходит через орбиты других планет. В 1592 году Браге составил каталог 777 звёзд со средней точностью измерения до 2?-5?. К 1598 году его уточненный каталог включал уже 1004 звезды.

§42. Одну из первых иллюстраций бесконечной Вселенной, окружающей Солнечную систему Коперника, сделал Томас Диггес (1576), который предположил, что звёзды располагаются во Вселенной не на одной сфере, а на различных расстояниях от Земли – более того, до бесконечности: «Сфера неподвижных звёзд простирается бесконечно вверх и поэтому лишена движения». [58] При этом Диггес не считал Вселенную за пределами Солнечной системы тождественной по своим физическим свойствам с Солнечной системой, а, по его мистифицированному мнению, «сфера» неподвижных звёзд есть «Дворец величайшего Бога, пристанище избранных, обиталище небесных ангелов». [59]

§43. Джордано Бруно (1584) предположил, что звезды – это Солнца, вокруг которых вращаются планеты. [60] Отвечая противникам гелиоцентрической системы, Бруно привёл ряд физических доводов в пользу того, что движение Земли не сказывается на ход экспериментов на её поверхности, опровергая также доводы против гелиоцентрической системы, основанные на католическом толковании Священного Писания. [61] В противоположность бытовавшим в то время мнениям, он полагал кометы небесными телами, а не испарениями в земной атмосфере. Бруно отвергал средневековые представления о противоположности между Землёй и небом, утверждая физическую однородность мира (учение о 5 элементах, из которых состоят все тела – земля, вода, огонь, воздух и эфир). Он предположил возможность жизни на других планетах. При опровержении доводов противников гелиоцентризма Бруно использовал теорию импетуса[25 - Теория импетуса (от лат. impetus – толчок, импульс) – натурфилософская теория, согласно которой причиной движения брошенных тел является некоторая сила (импетус), вложенная в них внешним источником. Теория импетуса появилась в результате критики некоторых положений физики Аристотеля, но в целом соответствует ей.]. За свои убеждения он был сожжен по осуждению инквизиции в 1600 году.

§44. Галилео Галилей (1592) предположил, что физические законы небес являются такими же, как и на Земле. В 1610 году Галилей в телескоп наблюдал фазы Венеры, спутники Юпитера, кратеры на Луне и звезды в Млечном Пути. Развивая свое предположение, Галилей (1632) сформулировал принцип относительности, что законы механики одинаковы в любых инерциальных[26 - Инерциальный – физ. связанный, соотносящийся по значению с существительным инерция; обусловленный свойством объектов двигаться прямолинейно и равномерно при отсутствии внешних воздействий. От лат. inertialis «инерциальный, инерционный», далее из inertia «бездействие, лень», из прил. iners (inertis) «неискусный, бездеятельный», далее из in- «не-, без-» + ars (ген. artis) «ремесло, занятие; искусство, наука» (восходит к праиндоевр. *ar-ti-).] системах[27 - Инерциальная система отсчёта (ИСО) – система отсчёта, в которой все свободные тела движутся прямолинейно и равномерно либо покоятся. Существование систем, обладающих таким свойством, постулируется первым законом Ньютона и подтверждается экспериментальными фактами. Эквивалентное определение, удобное для использования в теоретической механике, звучит: «Инерциальной называется система отсчёта, по отношению к которой пространство является однородным и изотропным, а время – однородным». Второй и третий законы Ньютона, а также остальные аксиомы динамики в классической механике формулируются по отношению к инерциальным системам отсчёта. В соответствии с сильным принципом эквивалентности сил гравитации и инертности к инерциальным системам отсчёта также относятся надлежащим образом выбранные локально-инерциальные системы координат. Термин «инерциальная система» (нем. Inertialsystem) был предложен в 1885 году Людвигом Ланге и означал систему координат, в которой справедливы законы Ньютона. По замыслу Ланге, этот термин должен был заменить понятие абсолютного пространства, подвергнутого в этот период уничтожающей критике. С появлением теории относительности понятие было обобщено до «инерциальной системы отсчёта».] отсчета. [62] То есть, уравнения движения относительно любых инерциальных систем совпадают, эквивалентны друг с другом. Из принципа Галилея следует, что силы, действующие на точку, неизменны при переходе от одной инерциальной системы к другой, также инерциальной системе. Следовательно, все величины, вошедшие впоследствии в уравнение Ньютона, также неизменны при преобразовании от одной системы к другой системе. Галилей поддержал гелиоцентрическую теорию Коперника. [63]

§45. Иоганн Кеплер (1596) в книге «Тайна мира» попытался привести орбиты пяти известных тогда планет в соответствие с поверхностями пяти Платоновых[28 - Орбиту Сатурна Кеплер представил как круг (ещё не эллипс) на поверхности шара, описанного вокруг куба. В куб в свою очередь был вписан шар, который должен был представлять орбиту Юпитера. В этот шар был вписан тетраэдр, описанный вокруг шара, представлявшего орбиту Марса и т. д. Эта работа после дальнейших открытий Кеплера утратила своё первоначальное значение. Тем не менее, она представляет не только исторический интерес, но и привлекательна с математической точки зрения, представляя отношение радиусов планет иррациональными числами.] тел. [64] Анализируя данные Тихо Браге, Кеплер указал, что существует слишком большой разрыв между орбитами Марса и Юпитера и постулировал присутствие планеты между ними, впервые предсказав наличие небесных тел этой части Солнечной системы.

§46. В 1603 году немецкий астроном Иоганн Байер издал звёздный атлас «Уранометрия», в котором обозначил звёзды каждого созвездия буквами греческого алфавита. [65] Ярчайшая звезда созвездия обычно обозначалась как ? (альфа), а другие разбивались на группы примерно одинакового блеска и именовались последующими буквами в направлении от головы к ногам традиционного рисунка созвездия. Поскольку в греческом алфавите 24 буквы, для некоторых созвездий букв не хватало – в этом случае Байер прибегал к дополнительной цифровой нумерации, использованию латинских букв или одного греческого символа с несколькими цифровыми индексами[29 - Так, например, 6 звёзд, входящих в рисунок щита Ориона, обозначаются как ?1 – ?6 Ориона.]. Традиционные байеровские обозначения звёзд сохраняются и поныне.

§47. В 1604 году Иоганн Кеплер начал систематически наблюдать за новой звездой (SN 1604) в регионе между двумя планетами Юпитером и Сатурном. С точки зрения астрологии конец 1603 года ознаменовал начало огненного тригона, начала около 800-летнего цикла великих соединений; астрологи связывали два предыдущих таких периода с подъемом Карла Великого (около 800 лет назад) и рождением Иисуса Христа (около 1600 лет назад), и, таким образом, ожидали событий великого предзнаменования, особенно в отношении императора. Именно в этом контексте, как имперский математик и астролог императора, Кеплер описал новую звезду два года спустя в своем трактате De Stella Nova. [66] В нем Кеплер обратился к астрономическим свойствам звезды, принимая скептический подход ко многим бытовавшим астрологическим интерпретациям. Он отметил угасание светимости, предположил ее происхождение, и использовал отсутствие наблюдаемого параллакса[30 - Паралла?кс (греч. [parallаx], от [parallag?], «смена, чередование») – изменение видимого положения объекта относительно удалённого фона в зависимости от положения наблюдателя.], чтобы утверждать, что она находилась в сфере фиксированных звезд, что еще больше подрывает доктрину непреложности небес (идея, принятая после Аристотеля, что небесные сферы были совершенными и неизменными). Рождение новой звезды подразумевало изменчивость небес. В приложении Кеплер также обсудил недавнюю хронологию работы польского ученого Лаврентия Суслиги, которая была использована Кеплером для укрепления теории астронома о том, что Вифлеемская звезда, возможно, была новой звездой, которая, возможно, появилась во время или после великого соединения Юпитера и Сатурна в 7 году до нашей эры (позже присоединился к Марсу в 6 году до нашей эры). Согласно библейскому рассказу, рождение Христа произошло в течение года или двух после появления звезды. Сценарий Кеплера, вероятно, дал логическое объяснение относительно Вифлеемской звезды, при этом оказывая астрономическую поддержку хронологическим идеям Суслиги – по аналогии с этой новой звездой – совпало бы с первым большим соединением ранее 800-летнего цикла.

§48. В 1604 году Кеплер исследовал зеркала и линзы, а в 1611 году он опубликовал книгу «Диоптрика», где подробно описал преломление света и понятие оптического изображения. [67] Понимание этих вопросов привело Кеплера к описанию иной схемы телескопической подзорной трубы[31 - На тот момент существовало уже несколько вариантов подзорных труб Захария Янсена, Якоба Метиуса, Ханса Липперсгея.], построенной в 1613 году Кристофом Шайнером.

§49. Иоганн Кеплер нашел, что планеты движутся вокруг Солнца по вытянутым эллиптическим орбитам, причем Солнце может находиться в одной из двух фокальных точек эллипса[32 - Эллипс – замкнутая кривая на плоскости, которая может быть получена как пересечение плоскости и кругового цилиндра или как ортогональная проекция окружности на плоскость. Точки называются фокусами эллипса, расстояние между ними – фокусным расстоянием, середина отрезка – центром эллипса, число – длиной большой оси эллипса (соответственно, число – большой полуосью эллипса). Отрезки, соединяющие произвольную точку эллипса с его фокусами, называются фокальными радиусами точки.]. Вторым законом он вывел, что отрезок прямой, соединяющий Солнце и планету, отсекает равные площади за равные промежутки времени. По его третьему закону квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей их орбит. [68,69] Первые два закона движения планет Кеплер изложил в своём труде – «Новая астрономия» 1609 года. [70] Третий закон Кеплера (соотнесения периодов обращения и больших полуосей орбит планет) впервые приводится в главе 5 Harmonices Mundi, опубликованном в 1619 году. [71] В 1627 году Кеплер под покровительством императора Священной римской империи Рудольфа II составил и издал «Рудольфовы таблицы», описывающие движения планет, которые подготовлены на основании наблюдений Тихо Браге. [72] Это были первые таблицы движения планет, составленные с помощью логарифмических[33 - Логарифмический – связанный с логарифмом Логарифм – матем. функция, обратная возведению в степень, или экспоненте; показатель степени, в которую нужно возвести число, называемое основанием, чтобы в результате получить число, являющееся аргументом. Происходит от лат. logarithmus «логарифм», далее из др.-греч. [lоgos] – «слово, речь, разум; мнение»; восходит к праиндоевр. *leg- «собирать» + [arithmоs] «количество, число», далее из праиндоевр. *re (i) – «рассуждение, счёт».] вычислений и на основе законов движения планет. Кеплер предсказал на основе открытых им законов прохождение Венеры на фоне солнечного диска в 1631 году, которое случилось уже после его смерти.

§50. С развитием оптики голландский математик Виллеброрд Снеллий ван Ройен в 1621 году вывел закон преломления, предусматривающий, что угол преломления луча при прохождении границы между двумя средами зависит от соотношения коэффициентов преломления этих сред. [73] Для преломления выполняется закон: луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, восставленный в точку падения луча, лежат в одной плоскости, причем для данных двух сред отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная, называемая относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Несколько позднее этот же закон был опубликован и, возможно, независимо открыт Рене Декартом (1637) в работе «Диоптрика», где помимо законов преломления и отражения света развивалась идея эфира как переносчика света. [74] Впервые Декарт обнародовал свою гипотезу светоносного эфира в 1618 году, а изложил в труде «Мир, или трактат о свете» (1634), опубликованном тридцать лет спустя, представляя эфир как «тонкую материю», подобную жидкости, механические свойства которой определяют законы распространения света, заполняет всё пространство Вселенной, находится в постоянном движении по большей части в форме вихрей, однако не оказывает сопротивления при движении в нём тел. [75] Сам Декарт почти не использовал термин «эфир», возможно, по той причине, что приписывал ему свойства, радикально отличные от античного эфира.

§51. Пьер Гассенди (1624), критикуя Аристотеля, указывал, что как пространство, так и время могут быть измерены только в связи с телами: первое измеряется объёмом, второе – движением тел. [76] Материю Гассенди представляет состоящей из множества мельчайших компактных эластичных атомов, отделенных друг от друга пустым пространством, не заключающих в себе пустоты и потому неделимых физически, но измеримых. Число атомов и их форм конечно и постоянно (поэтому количество материи постоянно), но число форм меньше числа атомов. Гассенди не признает за атомами вторичных свойств: запаха, вкуса и других. Различие атомов (кроме формы) заключается в различии их главного свойства – веса или прирождённого их стремления к движению. Группируясь, они образуют все тела Вселенной и являются, следовательно, причиной не только качеств тел, но и их движения; ими обусловливаются все силы природы. Так как атомы не рождаются и не исчезают, то и количество живой силы в природе остается неизменным. Когда тело в покое, сила не исчезает, а только пребывает связанной, а когда оно приходит в движение, сила не рождается, а только освобождается. Действия на расстоянии не существует, и если одно тело притягивает другое, не соприкасаясь с ним, то это можно объяснить так, что от первого исходят потоки атомов, которые соприкасаются с атомами второго. Это одинаково применимо к телам одушевленным и неодушевленным. Гассенди (1647, 1649) отстаивал исходные физические положения Эпикура, по которым ничто не происходит из несуществующего и ничто не переходит в несуществующее; а вселенная всегда была такой, какова она в настоящее время, и всегда будет такой. [77]

§52. Жиль Персонн де Роберваль (1634) разработал метод неделимых, который он использовал для изучения квадратуры различных кривых, с его помощью впервые вычислил площадь циклоиды и определил объёмы производимых ею тел вращения и расчета объемов, но работу не опубликовал. Бонавентура Кавальери (1635) независимо открыл данный метод и опубликовал в трактате «Геометрия, развитая новым способом при помощи неделимых непрерывного» и продолжении (1647) «Шесть геометрических этюдов». [78,79]. Роберваль опубликовал всего две книги за свою жизнь. В 1636 году вышел его труд «Трактат механики весов, поддерживаемых мощностями на плоскостях, наклоненных к горизонтали» содержит точное определение понятия «сила», демонстрирует правило состава сил и исправляет определение понятия центра тяжести и эти его представления о механике использованы впоследствии Ньютоном. [80] Вторая книга, опубликованная в 1644 году, представляет собой трактат по астрономии, системе мира по Аристарху Самосскому, в которой он выдвигает идеи о вселенском притяжении, гравитационных силах, а также взаимном притяжении тел. [81] В 1637 году в связи с задачей определения площади циклоиды Роберваль вычертил и опубликовал график синусоиды – первый график тригонометрической функции, появившийся в печати. Широкую известность получил открытый Робервалем кинематический[34 - Кинематический – связанный с существительным «кинематика» (греч. [kinein] – двигаться). Кинематика – 1. физ. раздел механики, изучающий движение тел, не вдаваясь в вызывающие его причины; 2. совокупность свойств чего-либо, определяющих способность двигаться, перемещаться.] метод поиска скоростей метод, так называемый «кинематический метод» путем построения касательной к кривой в произвольно заданной точке; в 1640 году он опубликовал систематическое изложение данного метода и главнейших его применений. Метод содержал в себе элементы будущего дифференциального исчисления, но исходил из частных особенностей кривых и потому был недостаточно алгоритмичен. В 1647 году Роберваль, по сообщению биографов, провел первый решающий эксперимент, который доказывает существование давления и тяжести воздуха. Робервалем также был написан «Трактат по механике», который не был опубликован и до нас не дошёл; однако общее представление о содержании трактата можно получить из материалов Роберваля, включённых Мареном Мерсенном (1636) в свой компилятивный труд «Всеобщая гармония». [82] В данном трактате Роберваль осуществил систематизацию и завершение геометрической статики Стевина, причём положил в основу своего изложения статики положил два фундаментальных закона: закон равенства моментов сил и закон параллелограмма сил. Симон Стевин (1605) сформулировал правило векторного сложения сил[35 - Теорема Стевина гласит: Два объекта на склоне удерживают друг друга в равновесии, когда их вес находится в том же соотношении, что и длины сторон.] только для частного случая перпендикулярных сил. [83] В общем случае Роберваль открыл правило, получив намного более чёткую формулировку, чем у Стевина, и впервые рассматривался в качестве всеобщего закона статики. Задолго до параллельных изобретений дифференциального исчисления соответственно Ньютоном и Лейбницем, Роберваль обладал мощным интеграционным инструментом. Но он в итоге потерял приоритет во многих своих методах, так как держал их для собственного использования и редко публиковал, а основная масса работ обнародована спустя 18 лет после его смерти. [84]

§53. Рене Декартом (1644) в «Первоначалах философии» были обозначены законы движения. [85] Первый из Декартовых законов утверждает, что любая простая и неделимая вещь пребывает в неизменности, если не встречается с другой, которая изменяет ее своим воздействием. Согласно второму, изначальное движение тела – движение по прямой. Третий закон добавляет, что при столкновении одного тела с другим, более сильным, первое ничего не теряет в своем движении, при столкновении же с более слабым оно теряет в своем движении ровно столько, сколько сообщает этому телу. [86] Декарт критиковал методы, которые применяли Роберваль и Пьер Ферма, а Роберваль ответил на это взаимной критикой методов, которые вводил в геометрию Декарт.

§54. Пьер Ферма (1660) обобщил законы геометрической оптики и постулировал, что в пространстве между двумя точками луч света пойдет по тому пути, вдоль которого время его прохождения минимально. [87] Он вывел, что в однородной среде скорость света величина неизменная, а наименьшее время прохождения светом дистанции между двумя точками совпадает с движением по самому короткому расстоянию, значит по прямой линии. Ранее этот принцип, рассмотренный в I веке Героном Александрийским[36 - Герон Александрийский (около 10—75 года жизни) – греческий математик и величайший инженер своего времени, изобретший автоматические двери, автоматический театр кукол, автомат для продаж, скорострельный самозаряжающийся арбалет, паровую турбину, автоматические декорации, прибор для измерения протяжённости дорог (древний одометр) и др., а также первым начал создавать программируемые устройства: вал со штырьками с намотанной на него верёвкой.] для отражения света, в своем общем виде был предложен Ферма в качестве закона геометрической оптики, из которого следовали уже известные законы: прямолинейность луча света в однородной среде, законы отражения и преломления света на границе двух прозрачных сред. [88,89]

§55. В 1665 году одновременно и независимо друг от друга Роберт Гук и Франческо Мариа Гримальди высказали идею о волнообразном распространении света. Их открытия дифракции[37 - Дифра?кция во?лн (лат. diffractus – буквально разломанный, переломанный, огибание препятствия волнами) – явление, которое проявляет себя как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. Она представляет собой универсальное волновое явление и характеризуется одними и теми же законами при наблюдении волновых полей разной природы.] и интерференции[38 - Интерференция – физ. – взаимное увеличение или уменьшение результирующей амплитуды двух или нескольких когерентных волн при их наложении друг на друга; психол. – взаимоподавление одновременно осуществляющихся процессов, прежде всего относящихся к познавательной сфере, обусловленное ограниченным объемом распределяемого внимания; лингв. – взаимодействие, взаимовлияние двух языков в условиях билингвизма Происходит от англ. interference «вмешательство, помеха», от гл. interfere «скрещиваться; вмешиваться», далее из ст.-франц. entreferir (s’entreferir) «соударяться», далее из entre- «между» + fеrir «наносить удар», далее из лат. ferire «бить, наносить удар, толкать», далее из праиндоевр. *bher- «протыкать».] света, а также поперечного характера световых волн легли в основу волновой теории света. [90,91] В своей работе Микрография Гук постулировал, что «свет – это не что иное, как ударная волна, которая распространяется через однотипную, однородную и прозрачную среду, и этот цвет является не чем иным, как нарушением этого света преломлением. Гук произвел открытие цветов тонких плёнок (то есть, в итоге, явления интерференции света), высказал идею о волнообразном распространении света (практически одновременно с Гюйгенсом). Гук описал цветовые явления и цветные кольца, которые он наблюдал при экспериментах с минералом москвич, раковинах устриц и другие тонких слоев, и которые также возникли, когда он нажал два куска стекла вместе. Он также объяснил, как создаются наблюдаемые цвета.

§56. Джованни Доминико Кассини (1668), поводя итог своим измерениям (1664—1666) периодов обращения Юпитера и Марса вокруг своих осей, обнаружил расхождения в своих данных, которые сначала он приписал свету с конечной скоростью: «… свету требуется некоторое время, чтобы дойти от спутника до нас, и примерно десять или одиннадцать минут, чтобы пройти расстояние, равное полудиаметру земной орбиты». [92] Однако Кассини был слишком традиционен в своих взглядах, чтобы принять свою собственную идею, и вскоре он отверг ее и стал искать другое объяснение этому несоответствию. Впоследствии данные Кассини использовались Рёмером при расчете скорости света семь лет спустя, который в своих наблюдениях Юпитера установил, что планета сплюснута у полюсов.

§57. Датский учёный Расмус Бартолин (1669) обнаружил явление двойного лучепреломления, что луч света при прохождении сквозь кристалл расщепляется на два луча (называемых теперь обыкновенным и необыкновенным), но объяснения ему дать не смог. [93] Через двадцать лет после опытов Бартолина, его открытием заинтересовался Гюйгенс, который дал объяснение явлению двойного лучепреломления на основе своей волновой теории света.

§58. Игнас-Гастон Пардис (1672) дал волновое объяснение преломлению света в противовес корпускулярной теории света Ньютона, обратившись к гипотезе Гримальди о расширяемости преломленного луча и к теории волнения Гука. [94,95] Его карты звездного неба весьма красочно показали наблюдаемый и трактуемый мир созвездий. [96]

§59. В результате своих наблюдений Солнца Джованни Кассини (1672) составил довольно точные солнечные таблицы и дал описание светила. [97] Ученый интересовался также величиной солнечного параллакса, то есть величиной угла, под которым с Солнца виден экваториальный радиус Земли. С помощью вычисленного параллакса Кассини определил расстояние от Земли до Солнца. По его расчетам это расстояние равно 146 миллионам километров (по современным данным около 149,6 миллионов километров).

§60. Роберт Гук (1674) высказал идею закона всемирного тяготения в работе «Попытка доказать движение Земли наблюдениями». [98] Он изложил взгляды, весьма близкие к тем, которые затем были развиты Ньютоном в «Началах». Приоритет Гука оспаривался Ньютоном, но, по-видимому, не в части формулировки – сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния; кроме того, Ньютон утверждал о независимом и более раннем открытии этой формулы, которую, однако, до открытия Гуком никому не сообщал. При этом первая публикация Гука о силе тяготения как о возможной причине эллиптичности орбит планет относится к 1666 году.

§61. Роберт Бойль (1674) в своем трактате по сравнению теологии и естествознания рассуждая по вопросу межзвездной части неба обратил внимание, что некоторые из современных ему эпикурейцев считают, что она пуста, за исключением тех мест, где лучи света (и, возможно, некоторые другие небесные испарения) проходят через нее; а картезианцы, напротив, думают, что она полна эфирной материи, которую некоторые сторонники их философии считают только гипотезой. [99] Он признает, что «существует столь большая диспропорция между небесами и землей, что некоторые современные люди считают, что Земля немногим лучше точки по сравнению даже с шаром солнца; а картезианцы и другие коперникианцы думают, что сам большой шар (который равен тому, что за Птолемеем называли Солнечным шаром) является просто точкой в сравнении с небесным сводом; и все наши астрономы согласны, по крайней мере, с этим: Земля – всего лишь физическая точка по сравнению со звездным небом. Как мало должно быть наших знаний, которые оставляют нас в неведении о столь многих вещах, касающихся огромных тел над нами, и проникают таким коротким путем даже в землю под нами, что, кажется, ограничиваются малой долей поверхностной части физической точки! Естественным результатом этого будет то, что, хотя то, что мы называем нашим „знанием“, может считаться большой наградой для наших умов, оно не должно раздувать их; и что то, что мы знаем о системе и природе материальных вещей, не настолько совершенно и удовлетворительно, чтобы оправдать наше презрение к открытиям духовных вещей».

§62. Датский астроном Олаф Кристенсен Рёмер (1676), проводя наблюдения затмений, заметил, что моменты затмений сдвигаются во времени в зависимости от положения Земли на орбите, а именно, когда Земля находится ближе к Юпитеру, моменты затмений наступают ранее усреднённых на больших интервалах времени средних значений, а когда Земля находится дальше от Юпитера – отстают. Для объяснения этих колебаний моментов затмений Рёмер предположил, что скорость света конечна, и рассчитал[39 - По его вычислениям скорость света оказалась равна 220 000 км/с, что на 26% ниже современного значения (c ? 300 000 км/с).] её по результатам своих наблюдений. [100]

§63. Принцип Ферма является предопределяющим для принципа Гюйгенса – Френеля в волновой оптике для случая исчезающе малой длины волны света, исходя из которого каждая точка, до которой доходит световое возбуждение, является, в свою очередь, центром вторичных волн; поверхность, огибающая в некоторый момент времени эти вторичные волны, указывает положение к этому моменту фронта действительно распространяющейся волны. [101] Христиан Гюйгенс в своем «Трактате о свете» (1678) объяснил прямолинейность распространения света и вывел законы отражения и преломления. [102] Гюйгенс рассказал о поляризации поперечных волн, что описывает поведение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Поскольку в продольной волне поляризация возникнуть не может, то направление колебаний в волнах этого типа всегда совпадает с направлением распространения. По его же закону независимости световых пучков эффект, производимый отдельным пучком, не зависит от того, действуют ли одновременно остальные пучки или они устранены. При этом он ввёл важное понятие оптической оси кристалла, при вращении вокруг которой отсутствует анизотропия свойств кристалла, то есть их зависимость от направления (такой осью обладают далеко не все кристаллы). В своих опытах Гюйгенс пошёл дальше Бартолина, пропуская оба луча, вышедшие из кристалла исландского шпата, сквозь второй такой же кристалл. Оказалось, что если оптические оси обоих кристаллов параллельны, то дальнейшего разложения этих лучей уже не происходит. Если же второй ромбоэдр повернуть на 180 градусов вокруг направления распространения обыкновенного луча, то при прохождении через второй кристалл необыкновенный луч претерпевает сдвиг в направлении, противоположном сдвигу в первом кристалле, и из такой системы оба луча выйдут соединёнными в один пучок. Выяснилось также, что в зависимости от величины угла между оптическими осями кристаллов изменяется интенсивность обыкновенного и необыкновенного лучей. Несколькими годами после Малюса, Био открыл вращение плоскости поляризации, которое сам же и объяснил на основе теории Малюса. Явление поляризации считалось доказательством корпускулярной теории света и опровержением волновой теории. Но в 1815 году Ампер сказал Френелю, что поляризацию можно объяснить, предположив, что эфир совершает поперечные колебания. В 1817 году ту же гипотезу выдвинул Юнг. В 1816 году дополнил принцип Гюйгенса, введя представление о когерентной[40 - Когерентный – происходит от лат. cohaerens «связанный». 1. физ. протекающий согласованно по времени; 2. книжн. согласованный, соотнесённый, связный.] интерференции элементарных волн, излучаемых вторичными источниками (принцип Гюйгенса – Френеля). В 1817 году Френель узнает об идее Юнга, связанной с необходимостью рассмотрения поперечных колебаний. Вплоть до 1818 года все исследования Френеля опираются на представления о продольных световых колебаниях, а начиная с 1818—1819 годов, исследования Френеля опираются уже исключительно на представления о поперечных волнах. Исходя из этого принципа в 1818 году Френель разработал теорию дифракции света, на основе которой предложил метод расчёта дифракционной картины, основанный на разбиении фронта волны на зоны (так называемые зоны Френеля). С помощью этого метода он рассмотрел задачу о дифракции света на краю полуэкрана и круглого отверстия. [103]

§64. Английский астрономом Эдмунд Галлей (1679) опубликовал каталог, который включал в себя подробности южных звезд, став дополнением к звездным картам Тихо Браге. [104,105] Позже Галлей проникся проблемами гравитации, и его внимание привлекло доказательство законов движения планет Кеплера. Галлей, увидев расчеты Ньютона, взял на себя расходы по опубликованию результатов его работ.

§65. В 1681 году английский астроном Джон Флемстид предположил, что две кометы, наблюдавшиеся в ноябре и декабре 1680 года – на самом деле были двумя появлениями одной и той же кометы (Великой кометы 1680 года), которая в первый раз приближалась к Солнцу, а во второй – удалялась от него. Исаак Ньютон сначала спорил об этом с Флемстидом, но потом согласился с ним и предложил теорию о том, что кометы, также, как и планеты, обращаются вокруг Солнца по определённым сильно вытянутым эллиптическим орбитам. [106]

§66. Джованни Кассини (1683) дал первое научное описание явления зодиакального света, предложив гипотезу, объясняющую его рассеянием солнечного света на линзообразном скоплении частиц пыли, лежащего в плоскости эклиптики. [107,108] Ее развитие вскоре осуществил Никола Фатио де Дюилье (1685), который объяснил зодиакальный свет как солнечный свет, рассеянный межпланетным пылевым облаком («зодиакальным облаком»), которое охватывает плоскость эклиптики. [109] Эта гипотеза является в настоящее время общепринятой.

§67. Польский астроном, конструктор телескопов Ян Гевелиуз (1687) составил каталог, в котором указаны координаты 1564 звёзд и новые созвездия. [110] В этом каталоге впервые даны прямые восхождения и склонения (эпохи 1661 и 1701 годов), предельная точность которых составила 2?. Впоследствии по каталогу был составлен звёздный атлас «Уранография».

§68. В 1687 году Исаак Ньютон, наряду с законами движения, сформулировал закон всемирного тяготения, согласно которому все тела притягиваются друг к другу с силой прямо пропорциональной произведению масс этих тел и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. [111,112] Согласно классической механике Ньютона, время и пространство существуют независимо друг от друга. Физические тела движутся во времени и пространстве. Время и пространство являются абсолютными категориями, которые своим существованием не обязаны чему бы то ни было в мире. Ходу времени подчиняются все тела природы, все физические явления. Время однородно. Это свойство времени, а не того, что в нем происходит. Пространство по своим свойствам – однородное, изотропное[41 - Изотропный – физ. имеющий одинаковые физические свойства по всем направлениям. Происходит от франц. isotrope, далее из iso- + -trope; первая часть – из др.-греч. [?sos] «равный, одинаковый, подобный», далее, предположительно, из праиндоевр. *aik’’ – «ровный»; вторая часть – из др.-греч. [tropos] «оборот, поворот; характер», далее из [trеpo] «поворачивать, обращать», далее из праиндоевр. *trep- «поворачивать, отворачивать».], евклидово, не зависит от всего, что в себя вмещает, и остается всегда и везде одинаковым и неизменным. [113] Идея всеобщей силы тяготения до Ньютона неоднократно высказывалась Эпикуром, Рене Декартом, Иоганом Кеплером, Джованни Альфонсо Борелли, Жиль-Персоном Робервалем, Христианом Гюйгенсом и другими. Кеплер полагал, что тяготение обратно пропорционально расстоянию до Солнца и распространяется только в плоскости эклиптики; Декарт считал его результатом вихрей в эфире. Были, впрочем, догадки с правильной зависимостью от расстояния; Ньютон в письме к Галлею упоминает как своих предшественников Исмаэля Буллиальда, Кристофера Рена и Роберта Гука. Но до Ньютона никто не сумел ясно и математически доказательно связать закон тяготения и законы движения планет Кеплера[42 - Идею об универсальной силе тяготения, следуя Кеплеру, Гук имел с середины 1660-х годов, затем, ещё в недостаточно определённой форме, он выразил её в 1674 в трактате «Попытка доказательства движения Земли», но уже в письме 6 января 1680 года Ньютону Гук впервые ясно формулирует закон всемирного тяготения и предлагает Ньютону, как математически более компетентному исследователю, строго математически обосновать его, показав связь с первым законом Кеплера для некруговых орбит (вполне вероятно, уже имея приближённое решение). С этого письма, вероятно, начинается документальная история закона всемирного тяготения. Непосредственными предшественниками Гука называют Кеплера, Борелли и Буллиальда, хотя их взгляды достаточно далеки от ясной правильной формулировки. Ньютону также принадлежат некоторые работы по тяготению, предшествовавшие результатам Гука, однако большинство самых важных результатов, о которых позднее вспоминал Ньютон, во всяком случае не было им никому сообщено. Владимир Игоревич Арнольд в книге «Гюйгенс и Барроу, Ньютон и Гук» аргументирует, в том числе документально, утверждение, что именно Гуком был открыт закон всемирного тяготения (закон обратных квадратов для центральной гравитационной силы), и даже вполне корректно обоснован им для случая круговых орбит, Ньютон же доделал это обоснование для случая эллиптических орбит (по инициативе Гука, который сообщил ему свои результаты и попросил заняться этой задачей). Приводимые там цитаты Ньютона, оспаривающего приоритет Гука, говорят лишь о том, что Ньютон придавал своей части доказательства несоизмеримо большую значимость (в силу её трудности и т. д.), но отнюдь не отрицает принадлежность Гуку формулировки закона. Таким образом, приоритет формулировки и первоначального обоснования следует отдать Гуку (если, конечно, не кому-то до него), и он же, судя по всему, ясно сформулировал Ньютону задачу завершения обоснования. Ньютон, впрочем, утверждал, что сделал это же открытие независимо и раньше, но он никому об этом не сообщал, и не осталось никаких документальных свидетельств этого; кроме того, в любом случае, Ньютон забросил работы по этой теме, которые возобновил, по его признанию, под влиянием письма Гука. Закон всемирного тяготения Ньютона в 2007 году был проверен и на расстояниях, меньших одного сантиметра (от 55 мкм до 9,53 мм). С учетом погрешностей эксперимента в исследованном диапазоне расстояний отклонений от закона Ньютона не обнаружено. Для ньютоновских гравитационных сил справедлив принцип суперпозиции и принцип эквивалентности.].

§69. Исаак Ньютон (1687) поставил и решил первую вариационную[43 - Вариационный – связанный, соотносящийся по значению с существительным вариация; являющийся вариацией. Вариация – 1. видоизменение, изменение отдельных деталей, частностей в чём-либо; 2. художественное (литературное, музыкальное и т. п.) произведение, представляющее собою повторение и разработку основной темы в различных видоизменениях (в мелодии, ритме и т. п.); 3. биол. совокупность особей определённого вида, отличающихся одним или несколькими признаками от других особей того же вида. Происходит от лат. variatio «изменение», от гл. variare «изменять», далее из varius «разный; пятнистый» (предположительно восходит к праиндоевр. *wer- «пупырышек»).] задачу: найти такую форму тела вращения, движущегося в сопротивляющейся среде вдоль своей оси, для которой испытываемое сопротивление было бы наименьшим. Позже Ньютон (1689) открыл, что во вращающейся системе отсчета наблюдатель испытывает на себе действие силы, уводящей его от оси вращения. [114] Он ввел в оборот понятие центробежной силы[44 - Центрифуга – устройство, использующее центробежную силу. Происходит от латинских слов centrum («центр») и fugus («бег»).]. Параллельно с анализом основ механики развивались методы решения вариационных задач. Почти одновременно появились и решались другие вариационные проблемы: задача Иоганна Бернулли о брахистохроне[45 - Среди плоских кривых, соединяющих две данные точки A и B, лежащих в одной вертикальной плоскости (B ниже A), найти ту, двигаясь по которой под действием только силы тяжести, сонаправленной отрицательной полуоси OY, материальная точка из A достигнет B за кратчайшее время. На статью Иоганна Бернулли откликнулись Исаак Ньютон, Якоб Бернулли, Готфрид Лейбниц, Гийом Франсуа Лопиталь, Эренфрид Вальтер фон Чирнхаус. Все они, как и сам Иоганн Бернулли решили задачу разными способами. Метод решения, полученного 26 января 1697 года Исааком Ньютоном, лёг в основу важнейшей области естествознания – вариационного исчисления.] (1696), форма цепной линии[46 - Цепная линия – в физике и геометрии цепная линия, форму которой принимает гибкая однородная нерастяжимая тяжёлая нить или цепь (отсюда название линии) под собственным весом, когда она поддерживается только на своих закрепленных концах в однородном гравитационном поле. Цепная кривая имеет U-образную форму, внешне похожую на параболическую дугу, но это не парабола. Является плоской трансцендентной кривой. Математически цепная кривая представляет собой график гиперболической косинусной функции. Поверхность вращения катенарной кривой, катеноида, является минимальной поверхностью, а именно минимальной поверхностью вращения. Висячая цепь примет форму наименьшей потенциальной энергии, которая является цепной цепью. Галилео Галилей в 1638 году обсуждал эту цепную цепь в книге «Две новые науки», признавая, что она отличается от параболы. В 1691 году, Готфрид Лейбниц, Христиан Гюйгенс, и Иоганн Бернулли вывели уравнение, в ответ на вызов по Якоба Бернулли; их решения были опубликованы в Acta Eruditorum за июнь 1691. Дэвид Грегори написал трактат на контактной сети в 1697 году, в котором он представил неправильный вывод из правильного дифференциального уравнения. Эйлер доказал в 1744 году, что цепная линия – это кривая, которая при вращении вокруг оси x дает поверхность минимальной площади поверхности (катеноид) для заданных ограничивающих окружностей. Николя Фусс дал уравнения, описывающие равновесие цепи при любой силе в 1796 году.] Лейбница, Гюйгенса и Иоганна Бернулли (1691) и другие. [115,116]

§70. Готфрид Вильгельм Лейбниц (1695) ввёл в физику фундаментальное понятие «действия», как величины минимальной или максимальной в процессе движения, указав: «Формальные действия движения пропорциональны… произведению количества материи, расстояний, на которые они передвигаются, и скорости». [117] Он разработал новую теорию движения (динамики), основанную на кинетической энергии и потенциальной энергии, которая позиционирует пространство как относительное, в то время как Ньютон был полностью убежден, что пространство является абсолютным.

§71. В 1705 году, применяя методы исторической астрономии, Галлей опубликовал работу, в которой заявил о своей убежденности, что кометы наблюдаемые в 1456, 1531, 1607 и 1682 годах – это одна и та же комета, для которой он предсказал возвращение в 1758 году. [118] До возвращения кометы в указанный им срок Галлей не дожил, но по возвращении комета стала общеизвестной, как комета Галлея.

§72. Усовершенствование методов наблюдений потребовало новых подходов к идентификации звезд, и около 1712 года Джон Флемстид начал просто нумеровать звёзды в каждом созвездии с запада на восток в порядке возрастания их прямого восхождения. Всего были пронумерованы 2682 звезды, из которых больше всего (140) пришлось на созвездие Тельца. В каталог Флемстида попали только те светила, которые можно было наблюдать из Англии. Окончательная версия каталога Флемстида была опубликована после его смерти. [119]

§73. Галлей (1720), наблюдая за движениями небесных тел, обратил внимание на фотометрический парадокс, который позже формулировал швейцарец Жан Филипп Луи де Шезо[47 - Шезо в конце 1744 года провёл математический анализ гипотезы Галлея и пришёл к шокирующим выводам: если звёздное пространство бесконечно, то любой участок небесной сферы должен сиять как Солнце, поскольку звёзды перекроют своими дисками весь небосвод! Общую светимость видимой полусферы Шезо оценил в 92 тысячи солнечных.] (1744) в примечании к статье, и в итоге обозначил Генрих Вильгельм Маттиас Ольберс (1826), имя которого парадокс и получил. [120,121,122] Кратко этот парадокс звучит так: «Почему ночью небо темное?». Этот парадокс утверждает, что если Вселенная бесконечна, однородна и стационарна, то в небе – в каком направлении ни посмотри – рано или поздно окажется звезда, то есть в стационарной Вселенной, равномерно заполненной звёздами (как тогда считалось), яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. По Ольберсу объясняется, что небо черное, а не светящееся, свет в межзвездном пространстве поглощается в силу того, что оно частично заполнено поглощающим свет веществом, например, межзвездными пылевыми облаками. [123] В итоге парадокс был разрешен сперва в ненаучном сочинении – космологической поэме Эдгара По «Эврика»[48 - В ней он писал о том, что «если бы непрерывность звезд была бесконечна, тогда бы заднее поле неба являло нам единообразную светящесть, подобную исходящей от Млечного Пути, – ибо безусловно не было бы точки, на всем этом заднем поле, где не существовало бы звезды. Единственный способ поэтому, при таком положении вещей, понять пустоты, что открывают наши телескопы в бесчисленных направлениях, предположить, что рассеяние от незримого заднего поля так несметно, что ни один его луч доселе совершенно не мог нас достигнуть».] (1848), затем немецким астрономом Иоганном Генрихом фон Медлером[49 - Пребывая в должности профессора астрономии российского Императорского Дерптского университета (ныне Университет Тарту, Эстония), он писал: «Скорость света конечна; конечное время прошло от начала Творения до наших дней, и мы, следовательно, можем наблюдать небесные тела только до расстояния, которое свет прошёл в течение этого конечного времени… Вместо того чтобы говорить, что свет с этих расстояний не дошёл до нас, надо говорить, что он ещё не дошёл до нас». [OYLA Научно-популярное издание https://oyla.xyz/article/pocemu-nocu-temno]] (1861) и математически рассмотрен Уильямом Томсоном в 1901 году, решение которого основано на конечности возраста Вселенной и конечности скорости света. [124,125,126]

§74. Иоганн Бернулли (1725) сформулировал принцип виртуальных скоростей, который состоит в том, чтобы рассматривать нарушение равновесия механической системы бесконечно малым движением, отвечающим условиям сцепления системы, виртуальным движением и выводить из него равенство мощности. [127] Жозеф Луи Лагранж (1788) придал свою общую форму этому принципу: «Если какая-либо система любого числа тел, или точек, на каждую из которых действуют любые силы, находится в равновесии и если этой системе сообщить любое малое движение, в результате которого каждая точка пройдет бесконечно малый путь, представляющий ее виртуальную скорость, то сумма сил, помноженных каждая соответственно на путь, проходимый по направлению силы точкой, к которой она приложена, будет всегда равна нулю, если малые пути, проходимые в направлении сил, считать положительными, а проходимые в противоположном направлении считать отрицательными». [128] При этом Лагранж ссылается на приоритет Бернулли[50 - В русском переводе 1950 года «Аналитической механики» Лагранжа переводчик отсылает к Ивану Бернулли. В оригинальной работе 1788 года Лагранж указывает Jean Bernoulli, ссылаясь на письмо 1717 года. Иван (Иоганн II) Бернулли (18 мая 1710 г – 18 июля 1790 г.), брат Даниила Бернулли. Иоганн Бернулли (6 августа 1667 г. – 1 января 1748 г.) – самый знаменитый представитель семейства Бернулли, младший брат Якоба Бернулли, отец Даниила и Ивана Бернулли. По всей видимости переводчиком была допущена ошибка.] в понимании общности принципа виртуальных скоростей и его полезность при разрешении вопросов статики, ссылаясь на его письмо 1717 года на имя Вариньона. Принцип виртуальных сил – это синтез принципов, закрепленных в гораздо более строгих и математических рамках, тогда именуемых «дуализацией» и уже не как «нарушение» равновесия или движения бесконечно малым движением. Лагранж отмечает, что принцип виртуальных[51 - Виртуальный – 1. филос. существующий при определенных условиях и исчезающий при исчезновении этих условий; 2. разг. воображаемый, не реальный; 3. комп. реализованный программно, симулированный, имитированный с помощью компьютера; 4. спец. то же, что эффективный, заменяющий реальный параметр в упрощённой модели. Происходит от франц. virtuel, далее из virtualis «возможный», далее из лат. virtus «сила, способность», далее из лат. vir «муж, мужчина», предположительно восходит к праиндоевр. *wi-ro-.] скоростей, доказанный, таким образом, для случая соизмеримых сил, остается в силе и для случая любых несоизмеримых сил, ибо известно, что всякий закон, который может быть доказан для соизмеримых величин, равным образом, путем приведения к абсурду, может быть доказан и для случая, когда эти величины несоизмеримы.

§75. В 1727 году Джеймс Брэдли открыл аберрацию[52 - Аберра?ция света (лат. aberratio, от ab – от, и errare – блуждать, уклоняться) – изменение направления распространения света (излучения) при переходе из одной системы отсчёта к другой. При астрономических наблюдениях аберрация света приводит к изменению положения звёзд на небесной сфере вследствие изменения направления скорости движения Земли. Различают годичную, суточную и вековую аберрации. Годичная аберрация связана с движением Земли вокруг Солнца. Суточная – обусловлена вращением Земли вокруг своей оси. Вековая аберрация учитывает эффект движения солнечной системы вокруг центра Галактики. Явление аберрации света приводит также к неизотропности излучения движущегося источника. Если в системе покоя источника его излучение изотропно, то в системе отсчёта, относительно которой он движется, это излучение будет неизотропным, с повышением интенсивности в направлении движения источника. Аберрационная постоянная характеризует геометрические размеры эллипса, который описывает звезда на небесной сфере в течение года. Определение аберрационной постоянной непосредственно из наблюдений сопряжено с систематическими трудностями. На международном совещании по астрономическим постоянным в Париже в 1950 г. было принято решение об исключении аберрационной постоянной из числа фундаментальных астрономических постоянных, определяемых непосредственно из наблюдений. В дальнейшем выводить её значение предполагается из параллакса Солнца. Начиная с 1960 г. с развитием Радиолокационной астрономии астрономическую аберрацию стали вычислять гораздо точнее при радиолокации планет. Значение постоянной аберрации принята Международным Астрономическим Союзом (на 2000 г.) k = 20,49552?.] света при попытке обнаружить звездный параллакс. [129] Брэдли работал с Сэмюэлем Молинье до его смерти в 1728 году, пытаясь измерить параллакс гамма Дракона. Этот звездный параллакс должен был проявиться, если он вообще существовал, как небольшое годовое циклическое движение видимого положения звезды. Однако, хотя Брэдли и Молинье не обнаружили ожидаемого видимого движения из-за параллакса, они обнаружили вместо этого другое и необъяснимое годовое циклическое движение. Вскоре после смерти Молинье Брэдли понял, что это вызвано тем, что сейчас известно как аберрация света. Основой, на которой Брэдли отличал годовое движение, фактически наблюдаемое, от ожидаемого движения, обусловленного параллаксом, было то, что его годовой график отличался. Расчеты показали, что если бы было какое-то заметное движение из-за параллакса, то звезда должна была бы достичь своего самого южного видимого положения в декабре, а самого северного видимого положения в июне. Вместо этого Брэдли обнаружил видимое движение, которое достигло своей самой южной точки в марте и самой северной точки в сентябре; и это не могло быть объяснено параллаксом: причина движения с фактически видимым рисунком была сначала неясна[53 - «Часто рассказывают историю, возможно, апокрифическую, о том, что решение этой проблемы в конце концов пришло к Брэдли, когда он был в парусной лодке на реке Темзе. Он заметил, что, когда лодка повернулась, маленький флаг на верхушке мачты (предательский знак) изменил свое направление, хотя ветер не изменился; единственное, что изменилось, – это направление и скорость лодки.»]. Брэдли разработал следствия из предположения, что направление и скорость Земли на ее орбите в сочетании с постоянной скоростью света от звезды могут вызвать видимые изменения положения звезд, которые он наблюдал. Он нашел, что это хорошо согласуется с наблюдениями, а также дал оценку скорости света и показал, что звездный параллакс, если таковой имеется, с экстремумами в июне и декабре, был слишком мал, чтобы измерить с точностью, доступной Брэдли. Малость любого параллакса, по сравнению с ожиданиями, также показала, что звезды должны быть во много раз дальше от Земли, чем кто-либо ранее полагал. По результатам наблюдения аберрации звёзд в 1728 году определил скорость света, полученное им значение составило 308 000 километров в секунду, а также выявил явление нутации[54 - Нута?ция (от лат. nutatio «колебание; качание, кивание») – слабое нерегулярное движение вращающегося твёрдого тела, совершающего прецессию. Напоминает «подрагивание» оси вращения и заключается в слабом изменении так называемого угла нутации между осями собственного и прецессионного вращения тела. Чистая нутация – это такое движение оси вращения, при котором первый угол Эйлера остаётся постоянным. В случае асимметрического волчка описывается траекториями мгновенной угловой скорости волчка (полодия и герполодия). В астрономии нутацией называют небольшие колебания земной оси, накладываемые на прецессионное движение. Вследствие нутации изменяются наклон эклиптики к экватору, а также экваториальные координаты небесных светил. Международная служба вращения Земли непрерывно измеряет прецессию и нутацию для навигационных целей.]. В 1729 году Брэдли представил Королевскому обществу свою работу об этом. [130] Это открытие аберрации света, было неоспоримым доказательством движения Земли и, следовательно, правильности теорий Аристарха и Кеплера. После публикации своей работы об аберрации Брэдли продолжал наблюдать, развивать и проверять свое второе крупное открытие – нутацию земной оси, но он не объявлял об этом в печати до 1748 года, когда он проверил его реальность путем мельчайших наблюдений в течение всего оборота (18,6 лет) узлов Луны. [131]

§76. Пьер Бугер (1729) исследовал уменьшение интенсивности света при отражении. [132,133] В своих опытах он рассмотрел отражающую способность различных веществ и влияние на отражение угла падения лучей, определил потерю интенсивности при прохождении лучей через среду, а также установил избирательное поглощение различных цветов в воздухе. Бугер направлял под одинаковым углом свет от свечи на два зеркала и наблюдал одно изображение непосредственно, а другое после еще одного отражения от третьего зеркала. Свеча смещалась до тех пор, пока интенсивность обоих изображений не начинала казаться одинаковой.

§77. Пьер Луи Моро де Мопертюи (1732) в своем трактате о фигурах звезд, обсуждая системы Декарта и Ньютона, предположил, что эллипсоидальная форма «туманных звезд» является признаком их вращения единичных быстро вращающихся тел. [134]

§78. Жан Лерон д'Аламбер (1743) в трактате «О динамике» изложил принцип количества движения, который иногда называют принципом д'Аламбера: «Если рассматривать систему материальных точек, связанных между собой таким образом, что их массы приобретают разные соответствующие скорости в зависимости от того, движутся ли они свободно или солидарно, количество движений, полученных или потерянных в системе, равно». [135] Этот принцип виртуальных (возможных) перемещений лег в основу развития аналитической механики. Д'Аламбер рассматривает общий случай механической системы, которая эволюционирует, оставаясь подчиненной связям; он показывает, что поскольку силы связи уравновешиваются, должна быть эквивалентность между действительными силами, которые накладывают на систему ее движение, и силами, которые должны были бы быть реализованы, если бы связи не существовали. При этом он устранял связующие силы, формы которых обычно неизвестны, и, в некотором роде, сводил рассматриваемую проблему динамики к вопросу равновесия, то есть статики. Это позволяло свести любую проблему статики к применению общего принципа, который тогда назывался «принципом виртуальных (или возможных) скоростей» Иоганна Бернулли[55 - Принцип возможных скоростей был приложен к сочинению Вариньона в виде письма Бернулли.] (1717) из рассмотрения нарушения баланса механической системы бесконечно малым движением, предпочитавшим условия связывания системы, виртуальным движением и выведением равной мощности. Д'Аламбер обобщил Принцип виртуальных сил в Принцип возможных перемещений, согласно которому для равновесия механической системы с идеальными связями необходимо и достаточно, чтобы сумма виртуальных работ только активных сил на любом возможном перемещении системы была равна нулю (если система приведена в это положение с нулевыми скоростями). Количество линейно независимых уравнений равновесия, которые можно составить для механической системы, исходя из принципа возможных перемещений, равно количеству степеней свободы этой механической системы. [136]

§79. Леонард Эйлер (1744) опубликовал первую общую работу по вариационному исчислению «Метод нахождения кривых, обладающих свойствами максимума либо минимума», а Пьер Луи де Мопертюи (1744) в трактате «Согласование различных законов природы, которые до сих пор казались несовместимыми» дал первую формулировку принципа наименьшего действия: «путь, которого придерживается свет, является путём, для которого количество действия будет наименьшим». [137] Он продемонстрировал выполнение этого закона как для отражения, так и для преломления света. В ответ на статью Мопертюи Эйлер опубликовал (в том же 1744 году) работу «Об определении движения брошенных тел в несопротивляющейся среде методом максимумов и минимумов», и в этом труде он придал принципу Мопертюи общемеханический характер: «Так как все явления природы следуют какому-нибудь закону максимума или минимума, то нет никакого сомнения, что и для кривых линий, которые описывают брошенные тела, когда на них действуют какие-нибудь силы, имеет место какое-то свойство максимума или минимума». [138] В 1746 году Мопертюи провозгласил свою новую формулировку принципа наименьшего действия: «Когда в природе происходит некоторое изменение, количество действия, необходимое для этого изменения, является наименьшим возможным. Количество действия есть произведение массы тел на их скорость и на расстояние, которое они пробегают». [139] Эйлер поддержал приоритет Мопертюи и аргументировал всеобщий характер нового закона: «вся динамика и гидродинамика могут быть с удивительной легкостью раскрыты посредством одного только метода максимумов и минимумов». [140]