До нас дошли немногие космологические идеи Доминико Марии Новары, но маловероятно, что учитель Коперника ставил под сомнение птолемееву модель либо господствующий геоцентризм, утверждаемый в последовательном развитии идей Птолемея. Если сегодня заходит разговор о геоцентризме, широкая публика понимает это чрезвычайно упрощенно: неподвижная Земля в центре, а вокруг нее светила описывают окружности. Однако классические космологические модели были гораздо более сложными.
Мы уже упоминали космологию Аристотеля. Без сомнения, в качестве объяснения реальности эта система обладает рядом преимуществ: она проста и не противоречит тому, что мы можем наблюдать невооруженным глазом, не прибегая ни к каким инструментам. Авторитет Аристотеля и соответствие его модели ежедневному опыту в части наблюдаемого движения светил на века закрепили аристотелевскую систему в качестве фундамента западной астрономической мысли.
Однако применение математики, и в особенности тригонометрии, а также тщательные наблюдения многих астрономов позволили уточнить эту модель, объяснить некоторые феномены, на первый взгляд противоречащие некоторым ее деталям — например, возвратное движение планет. На примере Марса (страница 63, рисунок 1) понятно, что обычно планета перемещается с востока на запад. Но иногда видимое движение происходит с запада на восток. На рисунке стрелки справа налево указывают нормальное перемещение, а стрелка в центре — возвратное (или попятное).
Евдокс Книдский (ок. 390-337 до н.э.), ученик Платона и Архита Тарентского, разработал математическое объяснение астрономической модели Платона, предполагая равномерное круговое движение во всех наблюдаемых в небе явлениях. Его труды не сохранились, до нас дошли лишь ссылки на его работы, хотя Евдоксу приписывается введение понятия небесной сферы, поделенной на широты и долготы.
— Земля является центром Вселенной.
— Все небесные тела движутся по кругу.
— Движение небесных тел всегда равномерно.
— Центр траектории любого небесного движения совпадает с центром этого движения.
— Центр всех небесных движений — центр Вселенной.
Мы не знаем, на что Евдокс опирался, вводя эти принципы, но можем предположить непосредственное влияние его соученика Аристотеля и аристотелевского представления о космосе. Также мы должны учесть состояние математической науки в то время, с точки зрения которой было гораздо проще обосновать круговое и равномерное движение.
Евдокс объяснял поведение светил таким образом: небесные тела, на самом деле являющиеся точками, двигаются по совокупности сфер. Неподвижные звезды с их круговым и равномерным движением привязаны к отдельной сфере, которая равномерно вращается вокруг нашей планеты. Все оставшиеся светила, движение которых не является ни круговым, ни равномерным, Евдокс разместил на концентрических сферах. Он предположил, что три сферы существуют для Солнца, три — для Луны и по четыре — для каждой планеты. Каждая такая сфера соединена полюсами с внешней сферой. Оси каждой сферы из совокупности ориентированы по-разному, и каждая сфера вращается вокруг своей оси независимо. На рисунке 2 изображен пример планетарных сфер и их осей вращения.
Самая внешняя сфера обращается ежедневно в направлении восток-запад по отношению к небесному экватору, ее ось ориентирована с севера на юг. Период обращения равен сидерическому дню. Ось следующей сферы образует угол в 24° по отношению к первой, и сфера вращается с запада на восток. Период обращения для каждой планеты свой: один месяц для Луны, один год для Солнца, Меркурия и Венеры, два года для Марса, 12 лет для Юпитера и 30 — для Сатурна.
Две следующие сферы называются синодическими. После полного оборота первой сферы планета снова оказывается в той же точке неба по отношению к Солнцу (если наблюдать с Земли) — это называется синодическим периодом. Полюса сферы находятся в плоскости эклиптики и вращаются с юга на север. Период обращения этой сферы равен 110 дням для Меркурия, 570 дням для Венеры, 260 дням для Марса и примерно 390 дням для Юпитера и Сатурна. Последняя внутренняя сфера вращается с таким же периодом, как предыдущая, но в направлении север-юг. Эти сферы вращаются вместе таким образом, что планета при наблюдении из центра, где находится Земля, описывает кривую, хорошо известную Евдоксу,— гип- попеду. На рисунке сверху изображены две внутренние сферы; планета находится в точке Р, комбинация двух сфер при своем движении заставляет планету описывать гиппопеду.
РИС. 1
РИС. 2
На рисунке изображено попятное движение Марса, как мы можем наблюдать его в некоторые моменты с Земли: от 41 до 42 он перемещается с востока на запад, но с А2 до 44 — с запада на восток; наконец, от 44 до 45 планета снова движется с востока на запад. Внизу можно увидеть схему четырех небесных сфер и их осей, которые, согласно Евдоксу, есть у каждой планеты. Земля фиксирована в центре; планета — точка на внешней сфере.
Модель завершают третьи сферы для Солнца и Луны, оси которых лежат в плоскости эклиптики и которые объясняют некоторые колебания светила на своей орбите в направлении север-юг. С точки зрения Евдокса, светила движутся по концентрическим сферам, объединенным в восемь групп — одна для неподвижных звезд и по одной для каждой планеты, Солнца и Луны. Таким образом, Евдокс первым объяснил попятное движение планет. Это было блестящее решение, хотя оно и оставляло открытыми некоторые вопросы, слишком сложные для IV века до н.э. Даже сегодня в компьютерных симуляциях непросто подобрать параметры модели, чтобы изобразить движение планет без упрощений.
На рисунке изображены две внутренние сферы согласно Евдоксу. Земля по-прежнему в центре.
Совместное движение обеих сфер приводит к тому, что планета описывает гиппопеду, или кривую в форме восьмерки.
Хотя эта модель кажется слишком сложной, существуют доказательства, что она применялась на практике. Так называемый антикитерский механизм, открытый в начале XX столетия и датируемый I веком до н.э., был переносным механическим калькулятором, который, кроме прочего, позволял вычислять астрономические положения. Этот инструмент был тщательно изучен, и хотя сохранились лишь его фрагменты, теперь известно, что с его помощью можно было определить движение Луны по модели Гиппарха, которого впоследствии цитировал Птолемей.
Согласование геоцентрических идей и астрономических измерений требовало введения в модель дополнительных независимо вращающихся сфер. Таким образом можно было смоделировать большую часть наблюдаемых движений Солнца и Луны, а также известных планет. И все же в этой системе оставались труднообъяснимые моменты: можно было объяснить попятное движение планет в некоторые периоды года, но не изменение их яркости. До Птолемея так и не был найден способ включить в модель этот факт.
Гиппопеда — это плоская кривая, которую можно получить сечением тора плоскостью, параллельной оси тора. Если большой радиус тора — R, а малый — r, то в декартовых координатах получившуюся фигуру можно описать так: