Почему Иоганн Кеплер может быть примером для подражания для учёных – и всех остальных06.04.2023 15:16

Для очень многих людей в мире три самых трудных слова, которые иногда нужно сказать, это: «Я был неправ». Даже если все доказательства будут за то, что ваша идея или концепция не имеет под собой никаких оснований, подавляющее большинство людей найдут способ отбросить или проигнорировать эти доказательства и остаться при своём мнении. Известно, что сознание людей невосприимчиво к изменениям, и чем больше их личная заинтересованность в исходе обсуждаемого вопроса, тем меньше они готовы допустить даже возможность того, что они могут ошибаться.

Хотя часто утверждается, что наука является исключением из этого общего правила, это справедливо только для науки как коллективного предприятия. В индивидуальном плане учёные так же подвержены предвзятости подтверждения — к сбору доказательств в пользу своей идеи и отбрасыванию доказательств противного — как и любой другой человек в любой другой сфере жизни. В частности, наибольшие трудности подстерегают тех, кто сам сформулировал идеи и вложил огромные усилия, часто исчисляемые годами или даже десятилетиями, в гипотезы, которые просто не могут объяснить весь набор данных, накопленных человечеством. Это относится даже к величайшим умам во всей истории человечества.

Альберт Эйнштейн не мог принять квантовый индетерминизм как фундаментальное свойство природы.
Артур Эддингтон не смог принять квантовое вырождение как источник, удерживающий белые карлики от гравитационного коллапса.
Ньютон никогда не смог бы принять эксперименты, которые продемонстрировали волновую природу света, включая интерференцию и дифракцию.
А Фред Хойл так и не смог принять Большой взрыв как правильную историю нашего космического происхождения, даже спустя почти 40 лет после того, как было обнаружено убедительное доказательство этой теории –, а именно, реликтовое излучение.

Но один человек стоит выше всех остальных, являя собою пример того, как нужно вести себя, когда доказательства противоречат вашей «блестящей» идее: Иоганн Кеплер. Он указал всем нам путь более уже 400 лет назад. Вот история его научной эволюции — пример, которому стоит подражать всем учёным.

Многие тысячи лет люди полагали, что Земля — это статичная, стабильная и неизменная точка во Вселенной, а все небеса движутся вокруг нас. Наблюдения, казалось, подтверждали это: на нашей поверхности не было обнаружено никакого заметного движения, которое подтверждало бы существование Земли, вращающейся вокруг своей оси или вращающейся в космосе вокруг Солнца. Вместо этого были сделаны три ключевых наблюдения, которые помогли людям определить, какой должна быть наша лучшая модель Вселенной.

Всё небо вроде бы поворачивалось на 360° в течение 24 часов, что было наиболее заметно ночью, когда звезды вращались вокруг северного или южного небесного полюса.
Сами звезды, судя по всему, оставались неизменными в своём относительном положении по отношению друг к другу от ночи к ночи и даже в течение гораздо более длительного времени.
Однако было несколько объектов, которые двигались относительно друг друга от ночи к ночи или изо дня в день: планеты, или «странники» неба.

Кроме того, Солнце и Луна также смещались в течение ночи, как и весь звёздный полог в течение более длительных периодов времени. Однако это было первое наблюдение, которое привело к статичной, стабильной, неизменной концепции Вселенной.

Подумайте о приведённом выше наблюдении: кажется, что все в небе вращается на 360 градусов в течение целого дня. Это можно объяснить двумя способами. Либо сама Земля вращается вокруг какой-то оси, и наш мир совершает полный оборот раз в 24 часа, либо Земля неподвижна, а все в небе вращается вокруг неё, также раз в 24 часа.

Как, с физической точки зрения, мы можем отличить эти две ситуации? Было придумано два способа.

Во-первых, если бы Земля вращалась, то можно было бы увидеть искривлённую траекторию падающих объектов. Чем больше была высота, с которой они падали, тем больше была бы кривая. Однако никакой кривой никогда не наблюдалось; фактически этот эффект не был измерен вплоть до демонстрации маятника Фуко в XIX веке.

Во-вторых, вращающаяся Земля привела бы к тому, что в течение ночи относительное положение звёзд менялось бы. Земля большая (её диаметр был точно измерен Эратосфеном в III веке до н.э.), поэтому если бы какая-либо из звёзд находилась ближе, чем большинство других, возник бы параллакс. Это явление вы можете наблюдать, посмотрев на большой палец на вытянутой руке сначала одним, потом другим глазом. Но никакого параллакса не было видно; фактически его не видели вплоть до XIX века!

Исходя из того, что люди знали и могли наблюдать в то время, легко понять, как они пришли к выводу, что Земля статична и неподвижна, а небесные тела движутся вокруг нас.

Затем появились дополнительные наблюдения, которые требовали объяснения: почему звезды остаются неподвижными относительно друг друга, в то время как планеты, казалось, «блуждают» по небу?

Быстро было решено, что планеты, а также Солнце и Луна должны быть ближе к Земле, чем звезды, и что эти тела должны находиться в движении относительно друг друга.

При неподвижной, статичной Земле это означало, что в движении должны находиться сами планеты. Однако это движение должно было быть невероятно сложным. Хотя планеты в подавляющем большинстве случаев двигались в одном направлении относительно звёздного фона от ночи к ночи, время от времени планеты:

замедлялись в своём обычном движении,
полностью останавливались,
меняли направление своего движения на противоположное первоначальному (явление, известное как ретроградное движение),
затем снова замедлялись и останавливались,
и, наконец, продолжали двигаться в своём обычном (попятном) направлении.

Это явление было наиболее сложным для моделирования и понимания аспектом движения планет.

Раз Земля считалась неподвижной, то преобладающей гипотезой было то, что сами планеты обычно движутся по круговым траекториям вокруг Земли, но на вершине этих кругов находятся меньшие круги, известные как «эпициклы», по которым они также движутся. Когда движение по меньшему кругу происходило в направлении, противоположном основному движению по большему кругу, планета на короткое время меняла курс: наступал период ретроградного движения. Как только два движения снова выстраивались в одном направлении, поступательное движение возобновлялось.

Хотя эпициклы появились не у Птолемея, с именем которого они теперь неразрывно связаны, именно Птолемей создал лучшую, наиболее успешную модель Солнечной системы, в которой были заложены эпициклы. В его модели происходило следующее:

На орбите каждой планеты доминировал «большой круг», по которому она двигалась, обращаясь вокруг Земли.
На вершине каждого большого круга существовал меньший круг (эпицикл), по окраинам которого двигалась планета, а центр малого круга всегда перемещался по большому кругу.
И Земля, вместо того чтобы находиться в центре большого круга, была смещена от этого центра на определённую величину, причём для каждой планеты эта величина была разной.

Такова была птолемеевская теория эпициклического движения, приведшая к появлению геоцентрической модели Солнечной системы.

Ещё в древние времена существовали некоторые свидетельства существования идей устройства Солнечной системы, в которых рассматривалась модель движения планет, центрированная на Солнце. Занимались этим, среди прочих, и Архимеда и Аристарха. Но опять же, отсутствие какого-либо заметного движения Земли или заметного параллакса для звёзд не дало подтверждения этой теории. Идея томилась в безвестности в течение столетий, но, в конце концов, была возрождена в XVI веке Николаем Коперником.

Великая идея Коперника заключалась в том, что если планеты движутся по кругу вокруг Солнца, то в большинстве случаев внутренние планеты вращаются быстрее, чем внешние. При наблюдении с одной из планет остальные будут двигаться по небу относительно неподвижных звёзд. Но когда внутренняя планета проходит мимо внешней и обгоняет её, возникает ретроградное движение, поскольку обычное видимое направление движения меняется на противоположное.

Коперник понял это и выдвинул свою теорию Солнечной системы, центрированной на Солнце, или гелиоцентрическую (а не геоцентрическую), предложив её как захватывающую и, возможно, лучшую альтернативу старой модели Птолемея, центрированной на Земле.

Но в науке мы всегда должны следовать доказательствам, даже если нам не нравится путь, по которому они нас ведут. Вопрос решает не эстетика, элегантность, естественность или личные предпочтения, а успех модели в предсказании того, что можно наблюдать. Используя круговые орбиты как для птолемеевской, так и для коперниканской моделей, Коперник был разочарован, обнаружив, что его модель даёт менее успешные предсказания по сравнению с моделью Птолемея. Единственный способ, который Коперник смог придумать, чтобы сравняться с успехами Птолемея, фактически заключался в использовании костылей: добавления эпициклов, или малых кругов, к планетарным орбитам.

В последующие десятилетия после Коперника построением моделей Солнечной системой заинтересовались и другие. Например, Тихо Браге создал к концу XVI века лучшую в истории астрономическую установку для наблюдения невооружённым глазом, измеряя планеты настолько точно, насколько позволяло человеческое зрение: с точностью до одной угловой минуты (1/60 градуса). Занимался он этим каждую ночь, когда планеты были видны. Его помощник, Иоганн Кеплер, попытался создать красивую модель Солнечной системы, которая точно соответствовала бы полученным данным.

Учитывая, что известно было шесть планет (если считать Землю), а совершённых многогранных твёрдых тел существует ровно пять — это тетраэдр, куб, октаэдр, икосаэдр и додекаэдр. Кеплер построил систему вложенных друг в друга сфер под названием Mysterium Cosmographicum («Тайна мироздания»).

В этой модели каждая планета вращалась по окружности, определяемой окружностью одной из сфер. За её пределами была описана одна из пяти платоновых твёрдых тел, причём сфера касалась каждой из граней в одном месте. За пределами этого твёрдого тела была описана ещё одна сфера, сфера касалась каждой из вершин твёрдого тела, а окружность этой сферы определяла орбиту следующей планеты. Имея шесть сфер, шесть планет и пять твёрдых тел, Кеплер создал модель, в которой «невидимые сферы» удерживали Солнечную систему, учитывая орбиты каждого из Меркурия, Венеры, Земли, Марса, Юпитера и Сатурна.

Кеплер сформулировал эту модель в 1590-х годах, и Браге хвастался, что только его наблюдения могут проверить такую модель. Но как бы Кеплер ни проводил свои расчёты, расхождения с наблюдениями у него оставались, а геоцентрическая модель Птолемея по-прежнему давала более точные прогнозы.

Что мог сделать Кеплер, столкнувшись с этой проблемой? Например:

Внести изменения в свою модель, пытаясь спасти её.
Не доверять наблюдениям, требуя новых, более совершённых.
Придумать дополнительные постулаты, которые могли бы объяснить то, что действительно происходило, сколь угодно странные, но подходящие под его модель.

Но нет — Кеплер не сделал ничего из этого. Вместо этого он сделал нечто революционное: он отложил в сторону свои собственные идеи и свою любимую модель и посмотрел на собранные данные, чтобы понять, нет появится ли у него модель получше — причём такая, которая не будет противоречить ни одному из наблюдений?

Если бы только все учёные могли быть такими смелыми, такими гениальными и в то же время такими скромными перед самой Вселенной! Кеплер рассчитал, что эллипсы, а не круги, лучше соответствуют данным, которые так кропотливо собирал Браге. Хотя это противоречило его интуиции, здравому смыслу и даже его личным предпочтениям относительно того, как, по его мнению, должна была вести себя Вселенная (он вообще считал, что Mysterium Cosmographicum была божественным прозрением, открывшим ему геометрический план Бога для Вселенной), Кеплер успешно смог отказаться от своего представления о «кругах и сферах» и вместо этого использовал то, что казалось ему несовершенным решением: эллипсы.

Нельзя не подчеркнуть важность подобного достижения для науки. Да, есть много причин критически относиться к Кеплеру. Он продолжал пропагандировать свою Mysterium Cosmographicum, хотя было ясно, что эллипсы лучше подходят к данным. Он продолжал смешивать астрономию с астрологией, став самым известным астрологом своего времени. И он продолжил давнюю традицию апологетики, утверждая, что смысл древних текстов был противоположен их буквальному прочтению — чтобы примирить новые знания со старыми убеждениями.

Но именно благодаря этому революционному действию — отказу от своей модели ради новой, которую он сам придумал, чтобы успешнее объяснить наблюдения — законы движения Кеплера были возведены в научный канон.

Даже сегодня, спустя четыре с лишним века после Кеплера, мы все изучаем в школах его три закона планетарного движения:

каждая планета Солнечной системы обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце;
за равные промежутки времени радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, описывает равные площади;
квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей их орбит.

Это были первые расчёты, которые продвинули науку астрономии за пределы застойного царства Птолемея, и они проложили путь к теории всемирного тяготения Ньютона, которая превратила эти законы из простых описаний того, как происходит движение, в физически обоснованные. К концу XVII века все законы Кеплера можно было вывести просто из законов ньютоновской гравитации.

Но самым большим достижением Кеплера стало то, что он отбросил свою идею о Mysterium Cosmographicum — идею, к которой он был эмоционально привязан, пожалуй, больше, чем к любой другой, — чтобы следовать за данными, куда бы они его ни привели. Это привело его к эллиптическим орбитам планет, что положило начало революции в нашем понимании окружающей нас физической Вселенной, то есть современным наукам, физике и астрономии. Как и у всех героев науки, у Кеплера, безусловно, были свои недостатки, но способность признавать свою неправоту, отвергать свои недостаточные идеи и следовать за данными, куда бы они ни привели, — это черты, к которым мы все должны стремиться. И, к слову, не только в науке, но и во всех сферах нашей жизни.