Планеталардың қозғалысын алғаш сипаттаған кім?

Адамзат ежелгі заманнан бері аспан денелерін бақылап, олардың жұлдызды аспанда қозғалысының заңдылықтарын түсінуге тырысты. Қозғалмайтын жұлдыздардан ерекшеленетін жұмбақ кезбе нысандар әртүрлі өркениеттердің ойшылдарында ерекше қызығушылық тудырды. Аспан механикасын түсіндіруге деген ұмтылыс көптеген теориялар мен тұжырымдамаларды туғызды, олардың әрқайсысы астрономияның дамуына үлес қосты. Ғаламшарлардың қозғалысын сипаттауда бірінші болу біреуге тиесілі екендігі туралы сұрақ тарихи контекстті мұқият қарастыруды талап етеді. Оған жауап «сипаттау» сөзі астында нені түсінетінімізге байланысты – қарапайым бақылау немесе математикалық модель.

Аспан денелерінің ежелгі бақылаушылары

Жарықтардың қозғалысы туралы алғашқы жүйелі жазбалар Месопотамия мен Ежелгі Мысыр өркениеттерінде пайда болды. Діни қызметкерлер-астрономдар егжей-тегжейлі күнтізбелер жүргізіп, өздеріне белгілі аспан кезбелерінің орнын тіркеді.

Вавилон ғалымдары аспан құбылыстарын болжауда айтарлықтай табыстарға жетті:

1. Екі өзен арасының астрономдары біздің заманымызға дейінгі VII ғасырда Шолпанның қозғалысы туралы егжей-тегжейлі кестелер жасады. Саз тақтайшалар таңғы және кешкі жұлдыздың пайда болуы, оның көрінуі мен көкжиектен артына жасырыну циклдары туралы жазбаларды қамтыды. Бұл деректер жарықтың орнын жылдар бойына таңғажайып дәлдікпен болжауға мүмкіндік берді.
2. Вавилондықтардың математикалық әдістері арифметикалық прогрессияларға және мерзімді циклдарға негізделді. Олар аспан денелерінің белгілі бір уақыт аралығында бірдей нүктелерге қайтып оратынын байқады. Осы кезеңдерді білу эфемеридаларды – аспандағы нысандардың болашақ орындарының кестелерін жасауға мүмкіндік берді.
3. Зодиакалық шоқжұлдыздар тұжырымдамасы да Вавилонда туды. Эклиптиканы он екі тең бөлікке бөліп, астрономдар қозғалысты қадағалауға ыңғайлы координаталар жүйесін алды. Әрбір жарық осы аймақтар арқылы өзінің бірегей кестесі бойынша өтті, бұл күнтізбелік есептеулерге көмектесті.

Алайда вавилон астрономиясы негізінен эмпирикалық ғылым болып қала берді, ғарыштың физикалық моделін жасаған жоқ.

Грек геоцентрлік жүйесі

Ежелгі грек философтары бақылауларды тек тіркеп қана қоймай, аспан механикасының себептерін геометриялық құрылымдар арқылы түсіндіруге тырысты.

Аристотель біздің заманымызға дейінгі IV ғасырда орталығында Жер тұрған космологиялық тұжырымдама жасады:

• барлық аспан сфералары қозғалмайтын планетаның айналасында айналады;
• әрбір жарық мөлдір хрусталь қабығында бекітілген;
• мінсіз дөңгелек қозғалыс аспанның құдайлық табиғатына сәйкес келеді;
• көрінетін біркелкі еместіктер көптеген сфералардың өзара әрекеттесуімен түсіндіріледі.

Бұл модель айқын кемшіліктеріне қарамастан мыңдан астам жыл ғылыми ойда үстемдік етті.

Никейлік Гиппарх біздің заманымыздың II ғасырында теорияны жетілдіріп, эксцентр және эпицикл ұғымдарын енгізді. Оның есептеулері бойынша әрбір ғаламшар шағын шеңбер бойымен қозғалады, оның орталығы үлкен шеңберде жылжиды. Мұндай құрылым кері қозғалысты түсіндіруге мүмкіндік берді – жарықтың жұлдызды фонға қатысты уақытша бағытын қарама-қарсыға өзгерту құбылысын. Гиппархтың математикалық аппараты соншалықты өнімді болды, оны кейінгі ұрпақтардың астрономдары тұтылуларды болжау және жұлдыз каталогтарын жасау үшін пайдаланды.

Птолемей жүйесі геоцентризмнің шыңы ретінде

Клавдий Птолемей біздің заманымыздың II ғасырында геоцентрлік парадигма шеңберінде аспан денелерінің қозғалысының ең толық сипаттамасын жасады. Оның «Альмагест» еңбегі антикалық дәуірдің астрономиялық білімдерінің энциклопедиясына айналды.

Птолемей моделі бірнеше негізгі элементтерді қамтыды:

1. Дефференттер Жерге жақын орталығы бар үлкен шеңберлерді білдірді. Осы траекториялармен шағын шеңберлердің орталықтары қозғалды, оларда жарықтардың өздері орналасты. Мұндай конструкция біркелкі дөңгелек қозғалыстан байқалатын ауытқуларды ескеруге мүмкіндік берді.
2. Эпициклдер – ғаламшар қосымша айналым жасайтын кіші шеңберлер. Екі дөңгелек қозғалыстың комбинациясы ілмекке ұқсас күрделі нәтижелік траекторияны туғызды. Эпициклдер нысанның шоқжұлдыздар арасында қарама-қарсы жаққа қозғалып жатқандай көрінетін кері жүріс кезеңдерін түсіндірді.
3. Эквант – эпицикл орталығының қозғалысының бұрыштық жылдамдығы тұрақты болып қалатын нүкте. Бұл геометриялық абстракцияны енгізу мінсіз дөңгелек қозғалыс қағидасын бұзды, бірақ болжамдардың дәлдігін айтарлықтай арттырды. Птолемей практикалық пайда үшін философиялық тазалықтан бас тартты.
4. Орбиталық жазықтықтардың көлбеулері қосымша бұрыштық параметрлер арқылы ескерілді. Әрбір жарық эклиптика жазықтығында қатаң қозғалмай, одан бірнеше градусқа ауытқыды. Птолемей жүйесі осы ауытқуларды дұрыс сипаттады, нысандардың үш өлшемдегі орындарын есептеуге мүмкіндік берді.

Александриялық ғалымның математикалық моделі соншалықты кемелдікке жетті, болжамдардың шамамен бір градус дәлдігін қамтамасыз етті. Бұл ортағасырлық навигация мен астрологияның практикалық қажеттіліктерінің көпшілігіне жетті. «Альмагест» араб, латын және басқа тілдерге аударылып, он төрт ғасыр бойы негізгі астрономиялық басшылық болып қала берді.

Коперник революциясы және гелиоцентризм

Николай Коперник XVI ғасырда әлемнің радикалды басқа көрінісін ұсынып, Күнді жүйенің орталық нүктесіне орналастырды. Оның 1543 жылы жарияланған «Аспан сфераларының айналуы туралы» еңбегі ғылыми революцияның негізін қалады.

Гелиоцентрлік модель птолемейлік жүйеден бірқатар артықшылықтарға ие болды:

• кері қозғалыстың Жердің сыртқы денелерді басып озуы арқылы табиғи түсіндірілуі;
• геометриялық құрылымдарды айналудың бірыңғай орталығы есебінен жеңілдету;
• нысандардың жарықтан алыстау дәрежесіне қарай логикалық орналасуы;
• айналым кезеңдерінің орталық денеге дейінгі қашықтықтарға сәйкес келуі.

Коперник жүйесі қажетті дәлдікке жету үшін әлі де дөңгелек орбиталар мен эпициклдарді пайдаланды.

Коперник идеясының революциялық сипаты математикалық кемелдікте емес, адамның Ғаламдағы орнын философиялық қайта ойлауда жатты. Ғалым Жерді артықшылықты жағдайдан айырып, оны ғаламшарлардың біріне айналдырды. Бұл діни догмаларға және аяқ астындағы топырақтың қозғалмайтындығына негізделген күнделікті тәжірибеден туындаған ақыл-парасатқа қайшы келді. Жаңа парадигманың Еуропа астрономдары мен философтары арасында кең тану алуына бір ғасырдан астам уақыт қажет болды.

Кеплер заңдары орбиталардың дәл сипаттамасы ретінде

Иоганн Кеплер XVII ғасырдың басында мінсіз шеңберлер догмасынан бас тартып, шешуші серпіліс жасады. Тихо Брагенің Марсты көп жылдық бақылауларын талдай отырып, неміс математигі траекториялардың шынайы пішінін ашты.

Кеплердің үш заңы ғаламшарлық қозғалыстың кинематикасын толығымен сипаттады:

1. Эллипстер заңы әрбір ғаламшар эллипстік траектория бойымен қозғалады деп растайды, оның фокустарының бірінде Күн орналасқан. Бұл ашылыс үлкен интеллектуалдық батылдықты талап етті, өйткені шеңбер Платон кезінен бері аспанға лайық жалғыз фигура болып саналды. Эллипс эпициклдер сияқты қосымша құрылымдарсыз бақылау деректерімен мінсіз сәйкес келетін математикалық қисық болып шықты.
2. Аудандар заңы жарықты ғаламшармен байланыстыратын радиус-вектор тең уақыт аралықтарында тең аудандарды сипаттайды дейді. Одан нысанның қозғалысының жылдамдығы орбита бойымен өзгереді – Күнге ең жақын нүктеде максималды және ең алыс нүктеде минималды болады. Кеплер астрономдар ғасырлар бойы түсіндіруге тырысқан қозғалыстың біркелкі еместігін алғаш рет сандық сипаттады.
3. Гармониялық заң айналым кезеңін орталық денеге дейінгі орташа қашықтықпен байланыстырады. Кезеңнің квадраты эллипстің үлкен жартылай осінің кубына пропорционалды. Бұл формула Күн жүйесінің әртүрлі нысандарының орбиталарының масштабтары арасында дәл қатынастар орнатуға мүмкіндік берді, барлық белгілі ғаламшарларға арналған бірыңғай математикалық құрылым жасады.

Кеплер заңдары ғылым тарихында алғаш рет еркін параметрлерді тартпай аспан механикасының абсолютті дәл кинематикалық сипаттамасын берді. Бақыланған орыннан есептелгеннің кез келген ауытқуы не өлшеу қателерін, не есепке алынбаған факторлардың әсерін көрсетті. Бұл болжау күші эллипстік модельді астрономиялық есептеулердің жалпы танылған стандартына айналдырды.

Ньютонның динамикалық түсіндірмесі

Исаак Ньютон XVII ғасырдың соңында классикалық аспан механикасын жасауды аяқтап, қозғалыстың себептерін әмбебап тартылыс заңы арқылы түсіндірді. Оның 1687 жылғы «Натурфилософияның математикалық бастамалары» Кеплер заңдарының неғұрлым іргелі қағидалардың салдары екенін көрсетті.

Ньютондық гравитация теориясы масса, қашықтық және тартылыс күші арасындағы байланысты орнатты:

1. Ғаламдағы кез келген екі дене олардың массаларының көбейтіндісіне тура пропорционал күшпен тартылады. Нысандар неғұрлым массивті болса, олардың арасындағы өзара әрекеттесу соғұрлым күшті болады. Колоссалды массаға ие Күн ғаламшарларды орбиталарда ұстайды, ал олар өз кезегінде орталық жарыққа әсер етеді, дегенмен массалардағы айырмашылық себебінен бұл ықпал әлдеқайда әлсіз.
2. Тартылыс күші массалар орталықтары арасындағы қашықтықтың квадратына кері пропорционал. Ара қашықтықты екі есе арттыру тартылысты төрт есе азайтады, үш есе көбейту – тоғыз есе және т.б. Бұл математикалық заң алыстағы нысандардың Күнге жақын денелерге қарағанда неге баяу қозғалатынын түсіндіреді.
3. Әмбебап тартылыс заңынан Кеплердің үш заңы да математикалық тұрғыдан шығарылады. Ньютон эллипстік траектория, қозғалыстың біркелкі еместігі және гармониялық заң динамика теңдеулерінен міндетті түрде туындайтынын дәлелдеді. Осылайша кинематикалық сипаттама терең физикалық негіздеме алды.

Ньютон теориясы байқалатын заңдылықтарды түсіндіріп қана қоймай, жаңа құбылыстарды да болжады. Ғаламшарлардың өзара тартылысы орбиталардың аздаған бұзылуларын тудырады, оларды есептеуге болады. Нептунның 1846 жылы ашылуы ньютондық механиканың триумфына айналды – ғаламшарды Uranның қозғалысындағы аномалияларға негізделген математикалық есептеулердің болжағаны жерден тапты.

Ғарыштың ғылыми танылуы ежелгі өркениеттердің қарапайым бақылауларынан Жаңа заманның қатаң математикалық теорияларына дейінгі жолды өтті. Астрономияның дамуының әрбір кезеңі алғашқылардың жетістіктеріне сүйене отырып, аспан механикасының шынайы түсінігіне біртіндеп жақындады. Қазіргі ғарышкерлік және планетааралық миссиялар аспан траекторияларының құпияларын шешуге өмірлерін арнаған ұлы ғалымдар қалаған іргетастың арқасында мүмкін болды.