В некоторых отношениях теория Коперника сохраняла «родимые пятна» геоцентризма:
- центром планетной системы было не столько Солнце, сколько центр земной орбиты;
- из всех планет Земля единственная двигалась по своей орбите равномерно, в то время как у остальных планет орбитальная скорость менялась, что Коперник объяснял комбинацией движения по большим и малым кругам.
Первое печатное изображение Солнечной системы (страница из книги Коперника)
Тем не менее, им был дан импульс для дальнейшей разработки гелиоцентрической теории движения планет, сопутствующих задач механики и космологии. В числе сторонников гелиоцентризма в XVI веке были астрономы Томас Диггес, Георг Иоахим Ретик, Кристоф Ротман и Михаэль Мёстлин, физики Джамбатиста Бенедетти, Вильям Гильберт и Симон Стевин, философ Джордано Бруно, священник Диего де Цунига. С другой стороны, ряд астрономов, не принявших гелиоцентризм как космологическое учение, приветствовали отказ Коперника от экванта и активно использовали его теорию планетных движений для расчётов эфемерид (виттенбергская школа). В их числе Эразм Рейнгольдт, составивший на основе теории Коперника планетные таблицы (Прусские таблицы).
Некоторые учёные, отвергая поступательное движение Земли, принимали её вращение вокруг оси (например, Николас Реймерс, известный также как Урсус). Наиболее авторитетными оппонентами гелиоцентризма в XVI — начале XVII века были астрономы Тихо Браге и Христофор Клавиус, математик Франсуа Виет, философ Фрэнсис Бэкон.
Кеплер
«Родимые пятна геоцентризма», сохранявшиеся у Коперника, вывел немецкий астроном Иоганн Кеплер. Он ещё со студенческих лет (пришедшихся на конец XVI века) был убеждён в справедливости гелиоцентризма ввиду способности этого учения дать естественное объяснение попятных движений планет и возможности вычислять на её основе масштабы планетной системы. В течение нескольких лет Кеплер работал с величайшим астрономом-наблюдателем Тихо Браге и впоследствии завладел его архивом наблюдательных данных. В ходе анализа этих данных, проявив потрясающую физическую интуицию, Кеплер пришёл к следующим выводам:
1. Орбита каждой из планет является плоской кривой, причём плоскости всех планетных орбит пересекались в Солнце. Это означало, что Солнце находится в геометрическом центре планетной системы, тогда как у Коперника таковым был центр земной орбиты. Кроме всего прочего, это позволило впервые объяснить движение планет перпендикулярно к плоскости эклиптики. Само понятие орбиты, кажется, также было впервые введено Кеплером, поскольку ещё Коперник полагал, что планеты переносятся с помощью твёрдых сфер, как у Аристотеля.
2 . Земля движется по своей орбите неравномерно. Тем самым впервые Земля уравнялась в динамическом отношении со всеми остальными планетами.
3 . Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце (I закон Кеплера).
4 . Кеплер открыл закон площадей (II закон Кеплера): отрезок, соединяющий планету и Солнце, за равные промежутки времени описывает равные площади. Поскольку расстояние планеты от Солнца при этом также менялось (согласно первому закону), отсюда следовала переменность скорости движения планеты по орбите. Установив свои первые два закона, Кеплер впервые оказался от догмы о равномерных круговых движениях планет, с пифагорейских времён владевшей умами исследователей. Причём, в отличие от модели экванта, скорость планеты менялась в зависимости от расстояния от Солнца, а не от некоторой бестелесной точки. Тем самым Солнце оказалось не только геометрическим, но и динамическим центром планетной системы.
5 . Кеплер вывел математический закон (III закон Кеплера), который связывал между собой периоды обращений планет и размеры их орбит: квадраты периодов обращений планет относятся как кубы больших полуосей их орбит. Впервые закономерность устройства планетной системы, о существовании которой догадывались ещё древние греки, получила математическое оформление.
На основании открытых им законов движения планет Кеплер составил таблицы планетных движений (Рудольфинские таблицы), по точности далеко оставлявшие позади все таблицы, составленные ранее. Эти таблицы ещё более уточнил английский астроном Джереми Хоррокс, в течение долгих лет бывший единственным последователем Кеплера. Трудами Кеплера и Хоррокса был задан новый стандарт точности планетных теорий.
Галилей
Одновременно с Кеплером на другом конце Европы, в Италии, трудился Галилео Галилей, оказавший двоякую поддержку гелиоцнтрической теории. Во-первых, с помощью изобретённого им телескопа Галилей сделал ряд открытий, либо косвенно подтверждавших теорию Коперника, либо выбивавших почву из-под ног его противников — сторонников Аристотеля:
1. Поверхность Луны не гладкая, как подобало небесному телу в учении Аристотеля, а имеет горы и впадины, как Земля. Кроме того, Галилей объяснил пепельный свет Луны отражением солнечного света Землёй. Благодаря этому Земля стала телом, во всех отношениях подобным Луне. Устранялось противоречие между земным и небесным, постулировавшееся у Аристотеля.
2 . Четыре спутника Юпитера (получивших впоследствии название галилеевых). Тем самым он опроверг утверждение, что Земля не может обращаться вокруг Солнца, поскольку вокруг неё самой обращается Луна (такой тезис часто выдвигали противники Коперника): Юпитер заведомо должен был вращаться либо вокруг Земли (как у Птолемея и Аристотеля), либо вокруг Солнца (как у Аристарха и Коперника).
3 . Смена фаз Венеры, указывавшая, что Венера обращается вокруг Солнца.
4 . Галилей установил, что Млечный Путь состоит из большого количества звёзд, неразличимых невооружённым взглядом. Это открытие совершенно не умещалось в космологию Аристотеля, но вполне было совместимо с теорией Коперника, из которой следовала огромная удалённость звёзд.
5 . Одним из первых Галилей открыл солнечные пятна. Наблюдения над пятнами привели Галилея к выводу о вращении Солнца вокруг своей оси. Само существование пятен и их постоянная изменчивость опровергали тезис Аристотеля о «совершенстве» небес.
6. Галилей показал, что видимые размеры планет в различных конфигурациях (например, в противостоянии и соединении с Солнцем) меняются точно в том соотношении, как следует из теории Коперника.
7. Наоборот, при наблюдении звёзд в телескоп их видимые размеры не меняются. Этот вывод опровергал некоторые доводы оппонентов гелиоцентризма (см. ниже).
Вторым направлением деятельности Галилея было установление новых законов динамики. Им была открыта инерция и принцип относительности, что позволило устранить традиционные возражения противников гелиоцентризма: если Земля движется, почему мы этого не замечаем?
Научные споры вокруг гелиоцентризма
У противников гелиоцентрической теории было два вида аргументов.
(A) Против вращения Земли вокруг собственной оси. Учёные XVI века уже могли оценить линейную скорость вращения: около 800 м/сек на экваторе.
- Вращаясь, Земля испытывала бы колоссальные центробежные силы, которые неминуемо разорвали бы её на части.
- Если бы Земля вращалась, все находящиеся на её поверхности лёгкие предметы разлетелись бы во все стороны Космоса.
- Если бы Земля вращалась, любой брошенный предмет отклонялся бы в сторону запада, а облака плыли бы, вместе с Солнцем, с востока на запад.
- Небесные тела движутся, потому что они состоят из невесомой тонкой материи, но какая сила может заставить двигаться огромную тяжёлую Землю?
Эти аргументы потеряли силу после создания классической механики. Такие фундаментальные понятия этой науки, как центробежная сила, относительность, инерция появились в значительной мере при опровержении этих доводов геоцентристов.
(Б) Против поступательного движения Земли.
- Отсутствие годичных параллаксов звёзд.
Для опровержения этого довода гелиоцентристам приходилось предполагать огромную удалённость звёзд. Тихо Браге на это возражал, что в таком случае звёзды оказываются необычайно большими, по размерам больше орбиты Сатурна. Эта оценка следовала из его определения угловых размеров звёзд: он принимал видимый диаметр звёзд первой величины примерно 2—3 угловых минуты. Этот довод был, в значительной мере, опровергнут Галилеем, который заключил, что при наблюдении звёзд в телескоп их видимый размер не меняется, следовательно, оценка Браге угловых размеров звёзд сильно преувеличена.
- Низкая точность Прусских таблиц по сравнению с Альфонсинскими, основанными на теории Птолемея.
Этот довод потерял свою актуальность после публикации Кеплером Рудольфинских таблиц.
Гелиоцентрическая система мира (из «Селенографии» Яна Гевелия, 1647 г.)
Кроме того, Тихо Браге считал доводом против гелиоцентризма отсутствие попятных движений комет, которые должны были бы наблюдаться, если бы они обращались вокруг Солнца. И они действительно наблюдаются, о чём в XVI в. ещё не было известно. Между тем, начиная с конца XVI в. именно комбинированная система Тихо Браге (по существу, модернизированная форма геоцентрической теории) становится главным конкурентом гелиоцентризма. Даже в 1651 году космографию Тихо Браге излагал в своём «Новом Альмагесте» иезуит-астроном Дж. Риччиоли (что не помешало ему назвать один из наиболее заметных лунных кратеров именем Коперника).