Согласно Платону, Земля представляла собой сферу, расположенную в центре Вселенной. Звезды и планеты вращались вокруг Земли по окружностям в следующем порядке (от внутренних к внешним): Луна, Солнце, Венера, Меркурий, Марс, Юпитер, Сатурн и звезды. Аристотель описал более сложную систему: сферическая Земля располагалась в центре Вселенной, а все небесные тела были закреплены на 56 концентрических сферах вокруг нее, при этом каждой планете соответствовало несколько сфер.
Учитывая, что в то время были невозможны точные астрономические наблюдения, неудивительно, что все предпочли геоцентрическую модель. В результате вращения Земли нам кажется, что небесная сфера и звезды на ней движутся. Формы созвездий, названия которых мы позаимствовали у древних греков, в течение года не менялись. Из-за больших расстояний до звезд параллакс был совершенно не заметен.
Главная проблема возникает при объяснении движения планет. Их считали блуждающими звездами, которые перемещались по небосводу, порой описывая траектории в форме петель, двигаясь вперед и назад относительно других звезд. Концентрические модели того времени не позволяли объяснить и другие наблюдаемые явления, например изменение яркости небесных тел. Многие народы считали подобные небесные тела воплощениями божеств.
На этих наложенных друг на друга фотографиях, где изображен Марс на фоне звездного неба, четко видно его ретроградное, или возвратное движение.
Система Птолемея и эпициклы
Во II веке н. э. Клавдий Птолемей представил космологическую модель, которую использовали астрономы исламского и христианского мира на протяжении следующей тысячи лет. В своем шедевре «Альмагест» Птолемей свел воедино труды древнегреческих астрономов прошлого и предложил свое объяснение странному движению планет. Движение каждой планеты описывалось взаимодействием различных сфер. Первая из них называлась деферентом. На ней не было никаких небесных тел, а центр деферента обычно совпадал с Землей. Другая сфера, по которой двигалась планета, называлась эпициклом. Ее центр находился в произвольной точке деферента. В результате совокупного движения обеих сфер планета удалялась от Земли и приближалась к ней, скорость ее движения уменьшалась, после чего планета двигалась в обратном направлении — происходило так называемое ретроградное движение планет.
Порядок сфер в модели Птолемея, начиная от Земли, был таким: Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн и неподвижные звезды.
Вверху — геоцентрическая модель Птолемея. Внизу — основные элементы этой модели, показывающие планету, расположенную на эпицикле, ее деферент и траекторию, описываемую системой эпициклов.
* * *
ПЕТЛИ В ОРБИТЕ МАРСА
Внешние планеты видны с Земли как блуждающие звезды, которые движутся вперед и назад вследствие взаимного движения обеих планет. К примеру, когда Земля проходит через точки 1,2,3 и 4, как показано на рисунке, мы видим, что внешняя планета движется вперед. Когда Земля переходит из точки 5 в точку 6, нам кажется, что планета движется назад, после чего она вновь движется вперед из точки 7 в точки 8 и 9. Такую траекторию имеют все планеты, за исключением Меркурия и Венеры. Заметнее всего петли в траектории Марса, так как Марс движется быстрее других внешних планет, и для наблюдений требуется меньше времени. Изображения можно получить, сделав ряд фотографий со штатива, расположенного в одной и той же точке, с последующим наложением снимков.
* * *
Однако даже эта сложная модель не объясняла некоторые результаты наблюдений. К примеру, петли на орбите Марса не всегда имеют одинаковый размер, что в системе Птолемея невозможно. Чтобы разрешить это противоречие, модель была дополнена эквантом — точкой, расположенной вблизи орбиты планеты, из которой движение центра соответствующего эпицикла выглядит равномерным. Таким образом, планета движется с разными скоростями в зависимости от того, как расположен эпицикл относительно деферента. Система Птолемея была крайне сложной, так как каждой планете соответствовал эпицикл, вращавшийся вокруг своего деферента. Также казалось странным, что нечто может вращаться вокруг точки, где не находится никакое небесное тело. Возникал вопрос: почему центром вращения была именно эта точка? Однако с помощью эпициклов можно описать практически любую траекторию. Более того, в интернете можно найти системы эпициклов, с помощью которых можно обрисовать даже силуэт Гомера Симпсона, героя популярного мультсериала!