Кеплеровы тела

Тихо Браге считается лучшим астрономом-наблюдателем эпохи, предшествовавшей изобретению телескопа. Он руководил постройкой на датском острове Вен замка Ураниборг («Небесного замка»), ставшего обсерваторией и исследовательским центром. Браге сам сконструировал астрономические приборы и определил положения звёзд и планет намного точнее, чем другие астрономы-наблюдатели той эпохи. Браге составил каталог более 1000 звёзд, положение которых установил с точностью до половины минуты дуги. Каждую ночь он проводил систематические наблюдения, стремясь к максимальной точности. Именно по результатам этих наблюдений Иоганн Кеплер вывел свои знаменитые законы.

В октябре 1600 года Тихо Браге, который к тому времени прочёл некоторые труды Кеплера, пригласил учёного к себе в Прагу. Однако отношения их нельзя назвать безоблачными: оба учёных были сильными личностями, и каждый требовал безусловного уважения к себе. После смерти Браге Кеплер сменил его на должности придворного математика императора Рудольфа II.

Слева — Тихо Браге, благородный датчанин, который был лучшим астрономом-наблюдателем эпохи, предшествовавшей изобретению телескопа. На этой гравюре Иоганн-Леонард Аппольд изобразил его с золотым протезом носа — Браге потерял часть носа на дуэли. Кеплер (справа), учёный немецкого происхождения, был упорным и глубоко религиозным человеком.

Кеплер посвятил большую часть жизни изучению движения планет. Он обратил внимание, что число известных в то время планет, 6, было на 1 больше числа правильных многогранников. Ранее Евклид доказал, что существует пять правильных многогранников, каждый из которых можно вписать в сферу и описать вокруг другой сферы. Эти пять многогранников (тетраэдр, октаэдр, икосаэдр, куб и додекаэдр) называются Платоновыми телами. Их гранями являются выпуклые правильные многоугольники. Кеплер считал не случайным, что планеты были разделены пятью промежутками. Изначально он полагал, что движение планет подчиняется пифагорейским законам гармонии — так называемой музыке сфер, о которой мы поговорим далее. Поскольку Кеплер был сторонником гелиоцентрической модели, он попытался доказать, что расстояния между планетами и Солнцем описываются сферами, вписанными в правильные многогранники. Во внутренней сфере разместился Меркурий, а остальные пять планет (Венера, Земля, Марс, Юпитер и Сатурн) находились внутри соответствующих сфер, вписанных в пять Платоновых тел, которые соответствовали пяти классическим элементам мироздания.

После нескольких лет безуспешных попыток, видя результаты наблюдений, особенно описывавших ретроградное движение Марса, Кеплер признал, что движение планет нельзя объяснить моделью правильных многогранников и гармонией сфер. Тогда он перепробовал все возможные сочетания окружностей, и вновь безрезультатно. Наконец, разочарованный Кеплер попытался использовать эллипсы.

Как глубоко религиозный человек, он не мог поверить, что Бог придал траекториям движения планет форму эллипсов: «Зачем нужны эллипсы, когда есть окружности?» — писал Кеплер. Однако модель с эллипсами оказалась более удачной, и на её основе ему удалось вывести три знаменитых закона движения планет. Следует отметить, что учёный неизменно отдавал приоритет результатам наблюдений, а не своим теориям, что делает его великим астрономом современности.

По сути, Кеплер был прав: природа обычно описывается простыми фигурами. Эйнштейн в своей общей теории относительности показал, что в четырёхмерной геометрии пространства-времени небесные тела движутся вдоль прямых линий, то есть вдоль линий, ещё более простых, чем окружности. Истинность законов Кеплера подтвердилась в 1631 году, когда на их основе было предсказано прохождение Венеры по диску Солнца.

Модель Солнечной системы, представленная Кеплером в книге «Тайна мира» (Misterium Cosmographicum, 1596).

Музыка сфер с точки зрения NASA

Для пифагорейцев отношение расстояний между сферами планет было таким же, как и отношение между тонами музыкального строя, которые считались гармоническими, или созвучными. Каждая сфера издавала звук, подобный тому, который издаёт снаряд, рассекающий воздух. Сферы, расположенные ближе, издавали более высокий звук, те, что находились вдали, — более низкий. Звуки, издаваемые сферами, сочетались между собой, образуя музыку сфер. Философ Платон, живший намного позже пифагорейцев, считал мир огромным живым организмом, наделённым душой, и в своих диалогах утверждал, что душа мира сотворена сообразно музыкальным пропорциям, открытым Пифагором.

Кеплер познакомился с воззрениями Платона и постарался определить связь между движением планет и музыкальной теорией. Он установил, что каждая звезда издаёт звук, который тем выше, чем быстрее звезда движется, и сопоставил различным планетам чётко определённые музыкальные интервалы. В книге «Гармония мира» (Harmonices Mundi) Кеплер предположил, что гармонические созвучия, издаваемые планетами, зависят от угловой скорости движения. Он записал шесть мелодий, соответствовавших известным в то время планетам. Сочетания этих мелодий образовывали четыре аккорда — один из них звучал в момент творения, другой должен был прозвучать при наступлении конца света.

Мелодии планет по Кеплеру.

Несколько веков спустя законы ньютоновской механики помогли открыть планету Нептун, что ещё больше укрепило уверенность учёных в гармоничном устройстве Вселенной. Этой точки зрения придерживался, в частности, Альберт Эйнштейн.

В астрофизике говорится о спектрах, частотах, резонансе, колебаниях и гармоническом анализе, в котором сигнал, изменяющийся с течением времени, можно описать сочетанием тригонометрических функций. К примеру, в одной из новейших физических теорий элементарные частицы представлены в виде колебаний миниатюрных струн, которые считаются одномерными геометрическими объектами. Колебания струн описываются законами математической симметрии, которые являются продолжением пифагорейской картины мира. Можно сказать, что с появлением этих законов произошёл возврат к древним верованиям о музыке сфер.

В апреле 1998 года спутник TRACE (англ. Transition Region and Coronal Explorer— «исследователь переходной зоны и солнечной короны»), запущенный NASA, обнаружил первые доказательства того, что небесные тела действительно издают звуки. Целью спутника TRACE было изучение завихрений в верхних слоях атмосферы Солнца — солнечной короны, где возникают протуберанцы и бушуют бури. Учёные из техасского Southwest Research Institute обнаружили, что атмосфера Солнца, в которой присутствует множество ультразвуковых волн, действительно звучит, как и предполагали пифагорейцы.

Учёные установили, что традиционная музыка сфер представляет собой солнечный ультразвук, который, согласно данным, полученным спутником NASA, описывается партитурой из волн, частота которых составляет 100 мГц (миллигерц), что в 300 раз меньше, чем частота самых низких звуков, различимых человеком. Человек не может услышать звук частотой меньше 16 Гц (инфразвук) и больше 20 кГц (ультразвук). Увы, мы не слышим музыку, издаваемую Солнцем.

Что такое планета

В 2006 году Международный астрономический союз (IAU) на заседании, прошедшем в Праге, постановил, что Плутон больше не является планетой. Автор этой книги признаётся, что также голосовала за лишение Плутона статуса планеты.