Вперше ідея про те, що Земля обертається навколо Сонця, виникла в умах давньогрецьких вчених. Батьком-засновником геліоцентризму вважається Аристарх Самоський, який народився близько 310 року до нашої ери. Наскільки добре йому вдалося пропрацювати свою гіпотезу достеменно невідомо, вся доступна історикам інформація зводиться лише до кількох згадками в працях Архімеда і Плутарха. Єдина дійшла до нас робота Аристарха стосується вимірювання відстаней до Місяця і Сонця, а також обчислення їх розмірів.
Геліоцентризм усував ряд серйозних проблем геоцентричної системи світу, наприклад, зворотній рух планет. Чим далі зовнішня (щодо земної орбіти) планета, віддалена від Сонця, тим довше її період обертання. Розглянемо для прикладу Юпітер з орбітальним періодом 11,86 років. За рахунок більш високої швидкості і меншого радіусу орбіти Земля регулярно зближується з ним і «робить обгін». Якщо в цей час спостерігати Юпітера на тлі нерухомих зірок, то створюється враження, що він рухається по своїй орбіті в зворотному напрямку, назустріч Землі. Для пояснення такого спостережуваного поведінки планет в геоцентричної моделі використовувалася складна система епіциклів , Що вимагає величезної кількості нетривіальних обчислень.
Про геліоцентричної системи світу досить позитивно відгукувався Архімед, відомим прихильник даної гіпотези був вавилонський астроном Селевк, про послідовників Аристарха писав давньогрецький філософ Секст Емпірика. Однак, гіпотеза виявилася занадто сміливою для свого часу і була забута греками, ймовірними причинами вважаються: зростання рівня релігійного догматизму; астрологія, яка прийшла на зміну астрономії; загальна криза науки після II століття нашої ери.
«І все-таки вона крутиться!»
В середні віки і в епоху раннього відродження геліоцентрізм був практично забутий, є лише ряд згадок про подібні гіпотези у індійських і арабських астрономів. Знаковим ж для всієї астрономії можна назвати 1543 рік, коли вийшов монументальна праця польського астронома Миколи Коперника «Про обертання небесних сфер», в якому він виклав свій погляд на геліоцентричну систему. Вчений постулював ряд аксіом: всі шість (відомих в той час) планет обертаються навколо Сонця; Місяць обертається навколо Землі; відстань від нашої планети до Сонця значно менше відстані до зірок; Земля обертається навколо власної осі. Для точного опису руху планет Коперник, як і раніше використовував епіцикли, але йому вдалося скоротити їх кількість з 77 до 34. Незважаючи на ряд серйозних недоліків, наприклад, зберігся особливий статус Землі (відповідно до теорії, тільки вона рухалася по орбіті рівномірно), робота польського астронома дала потужний поштовх подальшому розвитку геліоцентричної системи світу.
Одним з великих мислителів епохи відродження, які підтримали теорію Коперника, був Джордано Бруно. Він не тільки активно відстоював модель світу, в якій Земля і інші планети обертаються по круговій орбіті навколо Сонця, а й відкинув за непотрібністю концепцію небесних сфер, пояснивши добові траєкторії зірок обертанням нашої планети, а також, нехай і помилково, але пояснив спостережуваний ефект прецесії . Бруно висунув ряд сміливих припущень, таких як: нескінченність Всесвіту, існування інших планетних систем і наявність в Сонячній системі не відкритих планет. Він був одним з перших, хто всерйоз розглянув концепцію відносності руху, а також висунув гіпотезу про відсутність центру Всесвіту. Швидше за все «зайве прогресивні» погляди Джордано Бруно на космологію зіграли не останню роль у рішенні суду інквізиції, згідно якому 17 лютого 1600 року він був спалений живцем.
Справжню революцію в світі геліоцентричних уявлень зробив німецький астроном Йоганн Кеплер, який став переконаним прихильником геліоцентризму ще в студентські роки. Завдяки тривалій спільній роботі з датським астрономом Тихо Браге він отримав в своє розпорядження величезний масив спостережних даних. В результаті інтуїтивного аналізу цих даних їм були сформульовані три закони Кеплера, з величезною точної описують рух планет по орбітах. Завдяки цим законам вперше вдалося з високою точністю обчислити відносні відстані від Сонця до всіх планет, а також скласти таблиці їх руху, що значно перевершують за точністю все аналогічні таблиці, що існували раніше. Астрономи досі використовують закони Кеплера при проведенні розрахунків.
Першою людиною, який надіслав телескоп (зорову трубу, по термінології того часу) на нічне небо, був сучасник Кеплера - італійський астроном, фізик і механік Галілео Галілей. Завдяки спочатку триразовому, а згодом і 32-кратному, збільшення винайдених ним телескопів, вчений зміг розглянути нерівності місячного ландшафту, відкрити чотири супутники Юпітера, побачити плями на Сонці і за характером їх руху встановити факт обертання світила навколо власної осі. Виявлена Галілеєм зміна фаз Венери, вказала на обертання планети навколо Сонця. Дане спостереження цілком можна самостійно перевірити за допомогою недорогого аматорського телескопа, при цьому воно повністю руйнує класичну геоцентричну теорію. Також телескоп дозволив побачити зірки, нерозрізнені неозброєним оком, що відповідало положенню теорії Коперника про гігантських відстанях до зірок. Рухаючись по орбітах, планети то значно зближуються один з одним (протистояння або опозиція), то, навпаки, виявляються по різні сторони від нашої зірки (з'єднання з Сонцем). Випливають з цього, і що спостерігалися Галілеєм, зміни видимого розміру планет також свідчили на користь геліоцентричної системи світу. Всі описані вище відкриття, втім, зовсім не переконали Католицьку церкву і в 1663 році, ставши перед судом інквізиції, вчений був змушений відректися від своїх поглядів. Саме тоді Галілей нібито вимовив знамениту фразу: «І все-таки вона крутиться!»
Спори між послідовниками різних теорій тривали ще деякий час, поки в 1687 році Ісаак Ньютон не продемонстрував, що закони Кеплера можна вивести із закону всесвітнього тяжіння, тим самим поставивши на геоцентризмі жирний хрест. Через півтора століття, в 1835 році, Католицька церква нарешті визнала, що Земля обертається навколо Сонця. У православній Росії активна критика гелиоцентризма велася аж до початку XX століття, як «аргументів» використовувалися цитати з Біблії.
Емпіричні докази геліоцентричної системи
Варто зазначити, що спостереження Галілея не є стовідсотковим доказом гелиоцентризма, і цілком можливо створити геоцентричну систему обертання планет, що узгоджується з ними, хоч і повністю відрізняється від класичної версії Птолемея. Однією з таких систем була популярна деякий час гео-геліоцентрична система, яка зберігала центральне положення Землі, в той час як всі інші планети в ній оберталися навколо Сонця. Це дітище датського астронома Тихо Браге, за словами самого вченого, створювалося з оглядкою на жорстку позицію католицької церкви і багатьма вченими сприймалося як завуальований варіант гелиоцентризма. Після відкриття закону всесвітнього тяжіння в науковому співтоваристві не залишилося ніяких сумнівів в тому, що Земля обертається навколо Сонця, але це вже зовсім інша історія.
Якщо ви просто хочете переконатися на власні очі, що планети Сонячної системи обертаються навколо своєї зірки, то вам достатньо буде повторити за Галілеєм спостереження фаз Венери, а також встановити факт зміни видимого діаметра Марса. Для цього буде достатньо телескопа в районі 150-200 доларів. Починати спостереження Венери можна практично в будь-який час року, її повний цикл фаз триває 584 дня - час, за яке планета встигає випередити Землю на один оборот. Для спостереження Марса важливі протистояння, три найближчих відбудуться: 27 липня 2018 роки (велике протистояння, тобто максимальне зближення), 10 жовтня 2020 року, 8 грудня 2022 року. Видимий розмір червоної планети буде поступово збільшуватися з наближенням дати протистояння і навпаки.
Однак описані вище наглядові докази не стосуються безпосередньо Землі і цілком відповідають гео-геліоцентричну картині. Звичайно ж існують емпіричні докази того, що Земля також обертається навколо Сонця, але вони значно складніші для відтворення в «домашніх» умовах. Більш того, більшість з них були знайдені після відкриття закону всесвітнього тяжіння, коли наукове співтовариство вже не мало сумніву в правильності геліоцентричної системи.
Річний паралакс зірок
На нерухомою Землі, яка знаходиться в центрі світу, напрямок видимості зірок на небесній сфері завжди має бути абсолютно однаковим. Так як наша планета все ж обертається навколо Сонця, то позиція спостерігача постійно зміщується протягом року, а, отже, трохи змінюється і кут, під яким видно віддалена зірка. Припущення про існування даного явища виникло ще за часів Аристарха, однак з огляду на те, що відстань навіть до найближчих зірок значно більше діаметра орбіти Землі, підтвердити його спостереженнями виявилося вкрай складно (перші успішні вимірювання були проведені тільки в XIX столітті). Для найближчої до нас зірки Проксима Центавра річний паралакс становить всього 0,77 секунд дуги. Запущений у 2013 році космічний апарат Gaia здатний вимірювати кути з точністю до 10 мікросекунд дуги. Визначення річних параллаксов - це основний спосіб вимірювання відстаней до зірок: радіус орбіти Землі необхідно розділити на значення кута в радіанах.
Зрушення спектральних ліній
Зміна частоти звуку залежно від того наближається до нас його джерело або віддаляється відомо нам як прояв ефекту Доплера. У повсякденному житті ви можете зіткнутися з цим ефектом, коли поруч з вами проїжджає машина швидкої допомоги з включеною сиреною: спочатку частота звуку наростає, а потім, коли автомобіль проїде повз вас, починає зменшуватися. Така зміна частоти випромінювання, а, отже, і довжини хвилі, характерно в тому числі і для світла. В ході руху по орбіті Земля то віддаляється від спостережуваної зірки, то наближається до неї, як показано на малюнку. Якщо постійно аналізувати спектр певної зірки, то в ньому будуть видні циклічні зрушення з періодом в один рік: то в бік червоного (видалення), то в бік синього (зближення). Подібні вимірювання значно ускладнюються тим фактом, що всі зірки, включаючи Сонце, обертаються навколо центру галактики, при чому їх швидкість значно варіюється в залежності від відстані між зіркою і центром галактики.
Аберація зоряного світла
Уявіть, що під час дощу ви стоїте під парасолькою і краплі падають вертикально вниз. Якщо ви побіжите вперед, то краплі почнуть падати під нахилом і вам потрібно буде нахилити парасольку на певний кут перед собою щоб не промокнути. Це досить груба аналогія аберації світла, коли при переході з однієї системи відліку до іншої відбувається зміна напрямку поширення випромінювання. Так як Земля кожні півроку змінює напрямок свого руху щодо зірки, остання за рік описує на небесній сфері невеликий еліпс. Це явище було відкритому англійським астрономом Джеймсом Бредлі в 1727 році і дозволило досить точно виміряти швидкість світла. Кут річної аберації становить приблизно 20 секунд дуги.
Фотографії з Марса
З поверхні червоної планети Сонце здається зовсім маленьким. На Землі кутовий діаметр сонячного диска дорівнює приблизно 0,533 градуса, на Марсі ж ми маємо значення в 0,35 градуса. Це означає, що відстань між нашою планетою і Сонцем менше, ніж відстань між Марсом і Сонцем. При цьому, якщо ви будете спостерігати світанок з різних точок марсіанської орбіти, то неозброєним оком ви не побачите ніяких змін в кутовому діаметрі (через еліптичної орбіти мінімальні коливання все ж є). Але це не головне. Сам факт того, що людство запустило свої апарати до Марса та інших далеких світів, найкращим чином підтверджує закон всесвітнього тяжіння і теорію відносності Ейнштейна. Важко уявити собі більш переконливий доказ!
