Текст книги "Галилей и отрицатели науки"

Как лик самой Земли

В 1606 г. некто Алимберто Маури издал сатирическую книгу, в которой рассуждал (опираясь на умозаключения, обусловленные наблюдениями невооруженным глазом), что особенности, видимые на поверхности Луны, свидетельствуют, что лунная поверхность покрыта горами, окруженными плоскими равнинами. Многие историки науки подозревают, что Алимберто Маури – это в действительности Галилей, писавший под псевдонимом. Как бы то ни было, имея телескоп, Галилей наконец получил возможность проверить этот вывод. Действительно, Луна стала первым небесным телом, на которое он направил свою подзорную трубу. Ученый увидел неровную поверхность с маленькими округлыми зонами, похожими на кратеры. Здесь пригодилось его художественное образование. Наблюдая, в частности, терминатор – границу между освещенной и темной частями – и используя свое творческое понимание светотени и владение перспективой, Галилей сумел убедительно утверждать, что лунная твердь сильно изрыта. Он описывал ее как “неровную, грубую и изобилующую впадинами и выпуклостями”: “И она подобна лицу самой Земли”. Его прекрасные рисунки тушью с размывкой и гравюры (илл. 4.2 и 4.3) воспроизводят пятна света в темной части Луны, постепенно увеличивающиеся по мере приближения к границе.

Именно этого и следует ожидать на восходе, когда освещены только вершины гор и свет постепенно ползет вниз по склонам, пока не достигнет темных равнин. Оценив расстояние одного такого пятна света до терминатора примерно в одну десятую радиуса Луны, Галилей определил высоту этой горы более чем в 6,4 км[79]79
  С учетом невысокого качества данных того времени это была неплохая оценка, но см. также: Adams 1932.


[Закрыть]. Величина была оспорена в октябре 1610 г. немецким ученым Иоганном Георгом Бренггером, предположившим, что горные хребты Луны, вероятно, пересекаются, иначе край Луны выглядел бы не гладким, а зазубренным. Какой бы ни была точная высота горы, Галилей продемонстрировал, что может не только наблюдать, но и – по крайней мере теоретически – довольно точно прикидывать размеры деталей лунного ландшафта. Сегодня мы знаем, что высочайшая вершина Луны – это гора Гюйгенса высотой около 5,3 км. Если сравнить рисунки лунной поверхности Галилея с изображениями Луны, полученными с помощью современных телескопов[80]80
  Galuzzi 2009 проводит детальное сравнение рисунков Галилея с современными наблюдениями.


[Закрыть], сразу становится ясно, что он сознательно преувеличил размеры немногочисленных элементов (например, объекта, известного сегодня как кратер Аль-Баттани, представленного в самом низу нижней гравюры на илл. 4.3), возможно, чтобы в просветительских целях подчеркнуть разные уровни освещенности и затененности, которые наблюдал в кратере.

Рисунки Луны работы Галилея являются для нас очередным примером пересечения и взаимосвязей между наукой и искусством в Позднем Возрождении. Примечательно, что в знаменитой картине “Бегство в Египет” немецкий художник Адам Эльсхаймер, работавший в то время в Риме и умерший в декабре 1610 г., изобразил Луну поразительно похожей на рисунки Галилея[81]81
  Картина находится в мюнхенской Старой Пинакотеке. Интересная работа об этом полотне: McCouat 2016. Онлайновая репродукция картины (увеличение позволяет рассмотреть детали лунной поверхности): https://upload.Wikimedia.org/Wikipedia/commons/l/le/Adam_Elsheimer_-Die_Flucht_nacht_Ägypten%28AltePinakothek%29.jpg.


[Закрыть]. Настолько похожей, что некоторые историки искусства даже предполагали, что Эльсхаймер рассматривал Луну в один из первых телескопов, возможно предоставленный его другом Федерико Чези[82]82
  Эльсхаймер был близким другом немецкого врача и ботаника Джованни Фебера, являвшегося не только другом Чези, но и членом Линчейской академии с 1611 г.


[Закрыть].

Захватывающая история, связанная со “Звездным вестником” и искусством, случилась в 2005 г., когда итальянский арт-дилер Марино Массимо де Каро предложил нью-йоркскому антиквару Ричарду Лану купить у него изумительный экземпляр “Звездного вестника”[83]83
  Всю эту историю прекрасно описал Николас Шмидль в The New Yorker. Schmidle 2013.


[Закрыть]. Вместо обычных гравюр этот экземпляр содержал пять превосходных акварельных рисунков Луны, предположительно самого Галилея. Группа экспертов из Соединенных Штатов и Берлина подтвердили подлинность книги, которую Лан купил за полмиллиона долларов. Один из экспертов, Хорст Бредекамп, был так впечатлен красотой этого образчика, что написал книгу о потрясающей находке. Затем дело приняло неожиданный поворот. В 2011 г. Ник Уайлдинг, специалист по истории Возрождения из Университета штата Джорджия, во время написания рецензии на английское издание книги Бредекампа заподозрил, что с новообретенным экземпляром “Звездного вестника” не все благополучно. Короче говоря, дальнейшее исследование и расследование показало, что книга – искусная подделка итальянского торговца де Каро.

Галилей использовал свои наблюдения Луны для изучения еще одной головоломки, породившей за долгие годы множество ошибочных интерпретаций: отраженный свет Луны. Наблюдателей смущал тот факт, что даже части Луны, темные, когда Луна не является полной, не совершенно черны – они выглядят тускло освещенными. По словам Галилея, “если мы более внимательно изучим этот вопрос, то заметим, что не только кромка темной части светится бледным светом, но и всю поверхность… выбеливает некий слабый свет”[84]84
  В “Звездном вестнике”, Van Helden 1989, 53.


[Закрыть].

Предыдущие объяснения этого явления разнились от немыслимых предположений, будто Луна полупрозрачна для солнечного света, до почти столь же сомнительного утверждения, что Луна не просто отражает свет Солнца, но и светит сама. Галилей поспешил отвергнуть все эти теории, назвав некоторые из них “настолько детскими, что они не заслуживают ответа”. Затем, несмотря на пояснение “мы рассмотрим этот вопрос более пространно в книге о «Системе мира»”, он дал краткое объяснение, восхищающее простотой: как Луна дает сколько-то света Земле по ночам, так и Земля озаряет лунную ночь. Сегодня это явление называется земным сиянием. Вероятно, ощущая, что это предположение может вызвать определенные возражения со стороны почитателей Аристотеля, Галилей поспешил пояснить:

Что же тут удивительного? Самое большее, что Земля по справедливому и взаимовыгодному обмену возвращает Луне такое же освещение, какое она сама получает от Луны почти все время в глубочайшем мраке ночи… И с таким периодом [лунных фаз] попеременно лунный свет дарует нам месячные освещения, одни более светлые, другие слабее; но Земля равной чашей вознаграждает это деяние[85]85
  Ibid., 55.


[Закрыть].

Красивую фотографию освещенной Земли, восходящей над лунным горизонтом, сделал с орбиты Луны астронавт “Аполлона-8” Билл Андерс 24 декабря 1968 г. (см. вклейку, илл. 6). Вследствие синхронности осевого вращения Луны с ее орбитальным движением (к Земле обращена всегда одна и та же сторона Луны), подобный восход Земли может видеть только наблюдатель, движущийся относительно лунной поверхности.

Галилей завершил обзор своих открытий, связанных с Луной, решительным заявлением:

…подробнее будет изложено в нашей “Системе мира”, где мы многочисленными рассуждениями и экспериментами докажем существование сильного отражения солнечного света от Земли всем тем, кто болтает, будто ее до́лжно устранить из танца звезд [планет], главным образом по той причине, что она лишена и движения, и света; шестьюстами доказательствами и натурфилософскими рассуждениями мы подтвердим, что она движется и своим светом превосходит Луну [выделено автором][86]86
  Ibid., 57.


[Закрыть], а не является местом, где скапливаются грязь и подонки всего мира.

Хотя Галилей не рассмотрел все следствия своих лунных открытий в “Звездном вестнике” – эта задача была оставлена для “Диалога”, – возможные выводы из них были очевидны. Прежде всего, согласно аристотелевской космологии (которая за столетия тесно переплелась с христианским вероучением), проводилось четкое различие между делами земными и небесными. Если все на Земле подвержено повреждению, изменяемо, может разрушаться, распадаться и даже умирать, небеса считались совершенными, чистыми, вечными и неизменными. В отличие от четырех классических элементов, предположительно составлявших все земное, – земли, воды, воздуха и огня, – небесные тела мыслились состоящими из другой, безупречной, пятой субстанции, называемой “квинтэссенцией”, т. е. пятой сущностью. Наблюдения же Галилея показали, что на Луне имеются горы и кратеры и что, отражая солнечный свет, Земля действует во многом так же, как любое небесное тело. На этом этапе не давалось никаких доказательств вращения Земли, но заявление Галилея, что “она подвижна”, красноречиво свидетельствовало в пользу коперниканства. Если Луна в действительности твердое тело, очень похожее на Землю и движущееся по орбите вокруг Земли, почему Земля, подобная Луне, не может двигаться вокруг Солнца?

По понятным причинам новая картина лунной поверхности вызвала яростные возражения. В конце концов, она резко противоречила фантастическому описанию из Книги Откровения: “И явилось на небе великое знамение: жена, облеченная в солнце; под ногами ее луна, и на главе ее венец из двенадцати звезд”[87]87
  Откровение 12:1.


[Закрыть]. Традиционно в художественных изображениях этой библейской сцены Луна представлялась идеально гладким, без малейших изъянов, сияющим объектом, символизирующим совершенство и чистоту Девы и продолжающим древнегреческую и древнеримскую мифологическую традицию персонификации Луны как богини. Однако отход Галилея от господствующих убеждений относительно Луны был лишь началом. Другие его открытия, сделанные с помощью телескопа, скоро нанесут смертельный удар старой космологии.

Ночь, полная звезд

После Луны Галилей направил свой телескоп на другие источники света, ярко сияющие на ночном небе, – звезды, и здесь его также ждало несколько сюрпризов. Во-первых, в отличие от Луны (и позднее планет), звезды в телескоп не стали казаться сколько-нибудь больше, чем представляются невооруженному глазу, хотя их яркость словно бы усилилась. Из одного лишь этого факта Галилей сделал правильный вывод, что видимые размеры звезд, если смотреть на них невооруженным глазом, нереальны, что это лишь визуальное искажение. Он, однако, не знал, что видимые размеры в действительности обусловлены рассеянием и рефракцией света звезд в земной атмосфере, а не каким-либо свойством самих звезд. Соответственно, он считал, что телескоп убрал “добавочное и не присущее им сияние”. Тем не менее поскольку Галилей не мог с помощью телескопа рассмотреть звезды, то заключил, что звезды намного дальше от нас, чем планеты.

Во-вторых, Галилей обнаружил множество бледных звезд, которые без телескопа совершенно не видны. Например, вплотную к созвездию Ориона он насчитал ни много ни мало пять сотен звезд, а вблизи шести самых ярких звезд Плеяд – еще десятки. Еще более значимым для будущего астрофизики стало открытие Галилея, что звезды имеют огромные различия яркости: одни в несколько сот раз ярче других. Около трех столетий спустя астрономы составят схемы, в которых светимость звезд сопоставляется с их цветом, и паттерны, наблюдаемые в этих схемах, привели к осознанию того, что сами звезды эволюционируют. Они рождаются из облаков газа и пыли, проводят жизнь, вырабатывая энергию в ходе ядерных реакций, и умирают, иногда во взрыве, исчерпав источники энергии. В каком-то смысле это открытие можно считать последним гвоздем, забитым в крышку гроба аристотелевского представления о неизменных небесах. Тем не менее самый удивительный результат из наблюдения звезд был получен, когда Галилей нацелил телескоп на Млечный Путь. Казалось бы, однородная, светоносная таинственная полоса, тянущаяся через небо, распалась на бесчисленные бледные звезды, собранные в плотные скопления[88]88
  Как описал это сам Галилей в “Звездном вестнике”: “множество мелких [звезд] поистине невообразимо”.


[Закрыть].

Эти результаты имели важные последствия для споров между последователями Коперника и Птолемея. Несколькими годами раньше знаменитый голландский астроном Тихо Браге отметил то, что считал серьезной проблемой гелиоцентрической теории. Если бы Земля действительно вращалась вокруг Солнца, полагал он, то, проведя наблюдения с шестимесячным интервалом (когда Земля находилась бы в диаметрально противоположных точках своей орбиты), мы увидели бы обнаруживаемое смещение положения звезд – параллакс – относительно фона, как деревья, если смотреть на них в окно движущегося поезда, словно двигаются относительно горизонта. Поскольку такой сдвиг не обнаруживается, рассуждал Браге, необходимо, чтобы звезды находились на очень большом отдалении. Однако тогда можно прикинуть, какого размера должны быть звезды, чтобы быть видными невооруженным глазом, – оказалось, что даже больше всей Солнечной системы, что представлялось совершенно невероятным. Соответственно, Браге заключил, что Земля не может обращаться вокруг Солнца. Вместо этого он предложил обновленную гибридную гео-гелиоцентрическую систему, в которой все планеты, кроме Земли, вращаются вокруг Солнца, но само Солнце – вокруг Земли.

У Галилея нашлось намного более простое объяснение отсутствия параллаксов. Как мы уже видели, он сделал вывод, что видимые величины звезд при наблюдении невооруженным глазом не отражают их реальные физические размеры – это всего лишь оптическая иллюзия. Звезды в действительности находятся так далеко, заявил он, что сдвиг их положения невозможно зарегистрировать даже с помощью существующих тогда телескопов. Галилей был прав: для обнаружения параллаксов пришлось ждать создания телескопов с бо́льшим разрешением. Звездный параллакс впервые наблюдался только в 1806 г. итальянским астрономом Джузеппе Каландрелли. Первые успешные измерения параллакса выполнил немецкий астроном Фридрих Вильгельм Бессель в 1838 г. К 2019 г. космическая обсерватория Европейского космического агентства (ЕКА), запущенная в 2013 г., определила параллаксы более чем миллиарда звезд Млечного Пути и ближних галактик.

Галилей также отверг предложенную Браге “компромиссную” модель Солнечной системы по двум главным причинам. Во-первых, модель показалась ему крайне надуманной – как принято сегодня говорить, она имела “слишком много движущихся частей”. Во-вторых, в последующие годы Галилей опирался на модель с движущейся Землей для объяснения явления морских приливов (см. главу 7). Соответственно, он уже не мог соглашаться со сценарием, согласно которому Земля должна была быть неподвижной. Его интуитивное неприятие гибридной модели оказалось верным.

Картина, складывающаяся из наблюдений Галилео за звездами, очень отличалась от древних представлений Аристотеля. Оказалось, что звезды не вмурованы в твердую небесную сферу, находящуюся сразу за орбитой Сатурна, что их наблюдаемая величина намного меньше, чем считалось раньше, что они неисчислимы и имеют огромные отличия как в яркости, так и в расстоянии до них. Фактически эта звездная система стала опасно похожей на описанный математиком и философом Джордано Бруно умозрительный космос, в котором множественные миры существуют в бесконечной Вселенной. Прекрасно зная о трагическом конце Бруно, сожженного заживо 17 февраля 1600 г.[89]89
  Хилари Гатти опубликовала замечательное собрание очерков о чрезвычайно разнообразных интересах Бруно. Gatti 2011.


[Закрыть], Галилей был очень осторожен в описании и интерпретации своих наблюдений звезд даже в более поздней книге “Диалог”. Однако, несмотря на осторожность, его наблюдения дальних звезд галактики Млечный Путь, бесспорно, можно считать первым взглядом, брошенным человечеством в безграничные просторы Вселенной, существующей за пределами Солнечной системы.

Сегодня мы знаем, что Млечный Путь содержит от 100 до 400 млрд звезд. Основываясь преимущественно на данных космических телескопов “Кеплер” и ЕКА, современные оценки количества планет примерно земных размеров в Млечном Пути, вращающихся вокруг солнцеподобных звезд в “зоне Златовласки”, где не слишком жарко и не слишком холодно, а “в самый раз” (обитаемая зона) и где возможно существование жидкой воды на поверхности планеты, исчисляются миллиардами[90]90
  Например, Petigura, Howard, and Marcy 2013.


[Закрыть].

У Юпитера обнаружилась свита

Седьмого января 1610 г. Галилей рассматривал планету Юпитер в телескоп с 20-кратным увеличением и заметил, что ей, по его словам, “сопутствуют три звездочки, хотя и небольшие, но, однако, очень яркие”. Галилей добавил, что эти звезды заинтриговали его, “так как они были расположены точно по прямой линии, параллельной эклиптике”. Две из них находились к востоку от Юпитера, и одна – к западу. Следующей ночью он снова наблюдал три звезды, но на сей раз все они располагались западнее планеты и на одинаковых расстояниях друг от друга, что заставило его заключить, что, возможно, Юпитер движется на восток, в противоположность предположениям, основанным на существовавших в то время астрономических таблицах.

Облака не позволили Галилею заниматься наблюдениями девятого числа, десятого же он увидел лишь две звезды к востоку от планеты. Предположив, что третья прячется за Юпитером, он начал подозревать, что движение совершает не столько Юпитер, сколько эти звезды. Небесный танец продолжался: 11 января только две звезды наблюдались на востоке, 12-го третья вновь возникла на западе (и две на востоке). Тринадцатого числа появилась четвертая звезда (три были к западу, одна к востоку от планеты), а 15 января все четыре наблюдались на западе. (Четырнадцатого снова была облачность.)

Самый ранний сохранившийся отчет Галилея о наблюдениях Юпитера и объектов, которые оказались его спутниками, находится в нижней половине черновика письма дожу Венеции (см. вклейку, илл. 7). Сейчас эта страница хранится в спецхране Мичиганского университета в Энн-Арбор. Что примечательно, рисунки Галилея в этом документе свидетельствуют, что по крайней мере до 12 января ему не приходило в голову, что спутники могут вращаться вокруг Юпитера. Он предполагал, что три небесных тела двигаются по прямой, совершенно не по-коперникански. Однако тринадцатого числа, с появлением четвертого спутника, Галилей понял, что его предположение не может быть верно, поскольку требует, чтобы один спутник прошел буквально сквозь другой. Лишь после 15 января он нашел правильное объяснение. Вывод из этих тщательных наблюдений сегодня представляется неопровержимым:

…они …то следуют за Юпитером, то опережают его и удаляются от него либо к востоку, либо к западу, совершая лишь очень небольшие отклонения, и никто не может сомневаться в том, что они около него и совершают свои обращения, одновременно обращаясь с двенадцатилетним периодом примерно вокруг центра мира [относится к орбите Юпитера вокруг Солнца][91]91
  “Звездный вестник”, Van Helden 1989, 84. William Shea 1998 и Noel Swerdlow 1998 содержат великолепные краткие описания открытий, сделанных Галилеем с помощью телескопа, и их следствий для коперниканства.


[Закрыть].

Проще говоря, Галилей открыл наличие у Юпитера четырех спутников, или лун, обращающихся вокруг него и, как наша Луна, совершающих обороты примерно в той же плоскости, в которой лежат орбиты других планет. Юпитер представлял систему Коперника в миниатюре. Тридцатого января Галилей сообщил государственному секретарю Тосканского герцогства Белисарио Винте, что четыре спутника движутся вокруг большей “звезды” (планеты), “как Венера и Меркурий и, возможно, другие известные планеты вокруг Солнца”. Он подтвердил этот факт тщательными методическими наблюдениями спутников во все ясные ночи вплоть до 2 марта. За этот период он также определил удаленность лун от Юпитера и друг от друга и измерил их яркость. Чтобы убедить всех остальных в том, что он видел, Галилей представил целых 65 схем, демонстрирующих разные конфигурации спутников, которые наблюдал.

Открытие четырех спутников Юпитера не только имело историческое значение – это были первые новые небесные тела, обнаруженные в Солнечной системе с античных времен, – но и устранило одно из серьезных возражений против гелиоцентрической модели. Последователи Аристотеля настаивали, что Земля не могла бы удержать при себе Луну, если бы вращалась вокруг Солнца. Они также задавали обоснованный вопрос: если Земля – планета, почему это единственная планета, имеющая Луну? Галилей убедительно покончил с обоими этими возражениями, доказав, что Юпитер, безусловно движущийся, поскольку обращается либо вокруг Солнца (в коперниканской системе), либо вокруг Земли (в Птолемеевой), тем не менее способен удерживать даже не одну, а четыре луны на своих орбитах! Он очень ясно выразил это в “Звездном вестнике”:

…Мы имеем великолепный и наияснейший довод для устранения сомнений у тех, которые спокойно относятся к вращению в коперниковской системе планет вокруг Солнца, но настолько смущаются движением одной Луны вокруг Земли, в то время как обе они совместно описывают вокруг Солнца годичный круг, что даже считают необходимым отвергнуть такое строение Вселенной как невозможное. Теперь мы имеем не только одну планету, вращающуюся вокруг другой, в то время как обе они обходили великий круг около Солнца, но наши чувства показывают нам четыре светила, вращающиеся вокруг Юпитера, как Луна вокруг Земли, в то время как все они вместе с Юпитером в течение 12 лет описывают большой круг около Солнца.

После опубликования “Звездного вестника” Галилей продолжал наблюдения за спутниками Юпитера почти три года, пока не уверился, что точно определил периоды их обращения вокруг Юпитера. Он называл это гигантское наблюдательское и интеллектуальное начинание “Атласовым трудом”, намекая на Атласа, которому бог Зевс приказал держать небо на своих плечах. Даже великий астроном Иоганн Кеплер считал невозможным определить периоды обращения, поскольку не видел очевидного способа однозначно идентифицировать и отличить друг от друга три внутренние луны. Поразительно, но выполненные Галилеем расчеты периодов отклоняются от современных значений менее чем на несколько минут.

Сегодня известно 79 лун Юпитера (53 названы, другие ждут присвоения официальных названий). Считается, что восемь из них сформировались на орбитах вокруг планеты, а остальные были, вероятно, захвачены ею. Из четырех Галилеевых спутников, как их сейчас называют, два, Европа и Ганимед (этот спутник больше планеты Меркурий), предположительно, имеют огромные океаны под толстым ледовым панцирем. Обе луны считаются потенциальными кандидатами на существование простых форм жизни подо льдом – безусловно, это обстоятельство понравилось бы Галилею. Самый ближний к планете из четырех Галилеевых спутников – Ио является самым геологически активным телом в Солнечной системе, имея больше 400 известных активных вулканов. Четвертая Галилеева луна, Каллисто, – вторая по величине из четырех.

Не приходится сомневаться, Галилея бесконечно раздражал бы тот факт, что Галилеевы спутники сегодня известны под названиями, данными им немецким астрономом Симоном Майром, а не как “Медицейские звезды”. Майр мог бы независимо открыть спутники раньше Галилея, но не сумел понять, что луны вращаются вокруг планеты. Галилей считал Майра “ядовитым гадом” и “врагом не только мне, но и всей человеческой расе”, поскольку убедил себя, что именно Майр был злодеем, подговорившим Бальдессара Капру совершить плагиат геометрического и военного компаса. Он писал о Майре, что, будучи в Падуе (где Галилей в то время жил), “он описал на латыни использование указанного моего компаса, приписывая его себе, причем один из его учеников [Капра] издал это под своим именем. Тотчас после этого, вероятно чтобы избежать наказания, он отбыл в свою родную землю [Германию], как говорят, бросив своего ученика в бедственном положении”.