Ко второй половине XVII века в политической и экономической жизни Европы произошли большие перемены. После успешных войн североевропейских — протестантских — стран в союзе с Францией против империи Габсбургов, включая Германию и Австрию, политическая карта Европы изменилась. Основную роль стали играть Англия и Франция. Вместе с Нидерландами, освободившимися от испанского владычества, они заняли ведущие места в экономическом развитии, которому способствовали коло- ниальные завоевания в Америке и Азии. Германия была разорена и разбита на мелкие государства. После окончания религиозных войн во Франции укрепился абсолютистский режим. Те страны, где господствовавшую роль в идеологии играла католическая церковь — Италия и Испания — постепенно утрачивали свое значение в политической жизни Европы и в экономике, особенно после поражения Испании в войне с Англией. Франция, хотя и оставалась католической, но была гораздо менее ортодоксальной в этом отношении, чем Испания и Италия.
Потребности развивающейся экономики и в особенности промышленности вызывали необходимость в получении новых знаний о природе. Кроме того, в связи с развитием мореплавания усилилась потребность в достаточно точных способах определения долгот. Поэтому значение науки для духовной и материальной культуры увеличивалось, это привело и к совершенствованию организации науки, особенно в Англии и Франции. В условиях централизованного государства создавались общегосударственные научные учреждения, где ученые различных специальностей могли объединить свои усилия для решения задач, ставившихся практикой. При этом деятельность ученых получала государственную и общественную поддержку, часто в форме субсидий, хотя степень такой поддержки была неодинаковой в разных странах.
Форма создаваемых общегосударственных научных учреждений определялась рядом условий, существовавших в той или иной стране — образом правления, традициями общества и даже географическими факторами. В этом отношении характерно различие форм организации научной деятельности, возникших почти одновременно в двух соседних и соперничавших странах — Англии и Франции.
В Англии — островном государстве, с воспитанным веками отношением к свободе личности, ее инициативе и стремлению к самостоятельности, при конституционном строе в 1645 г. возникло общество сотрудничавших ученых (бывшее вначале тайным). В 1662 г. оно по королевской хартии стало «Королевским обществом». В соответствии с установившейся традицией и требованиями времени это общество ставило своей целью познание природы для использования получаемых знаний на практике. При этом главная роль отводилась эксперименту. Об основах такого подхода к науке было сказано философом Френсисом Бэконом (1561–1626) в его известном произведении «Новый Органон». Согласно Бэкону, наука должна служить практическим целям и исследовать реальную природу. Не при помощи философии, а путем эксперимента люди должны познавать природу. Наблюдения над объектом являются необходимым начальным этапом его изучения. На основе обобщения данных, получаемых из эксперимента, выводятся законы природы. Проверка истинности заключений производится опытом. С таким подходом к науке были солидарны и правившие в Англии круги. Король Карл II выразил свое отношение к науке следующим образом: «Мы покровительствуем философии экспериментального естествознания, входящей во все, что касается торговли и ремесел. . .». Члены общества не получали жалования и расходовали на эксперименты собственные средства. В этом сказалась особенность Англии, граждане которой обладали большей личной свободой, чем жители многих из континентальных стран. Подход к научной деятельности во Франции был иным и основывался на положениях, сформулированных философом Рене Декартом (1596–1650). По его мнению, главное условие такой деятельности — свобода мышления, сила разума. Мышление является способом открытия истины и источником знаний. Это положение противоречило принципам исследования, выдвинутым Бэконом. Философия Декарта, названная рационализмом, возникла в условиях абсолютистского правления, при которых личность скована в действиях. Человек может полагаться лишь на свой разум. Декартом был выдвинут принцип «критического сомнения», которое противостоит вере.
Философия рационализма распространилась по многим европейским странам, и под ее влиянием концепции Аристотеля перестали изучаться в университетах. Они заменялись выдвинутой Декартом теорией, согласно которой круговое движение планет вызывается вихрями «тонкой жидкости», заполняющей Вселенную. Вихри вращаются вокруг Солнца, которое приводит их в движение своим вращением, и передают свое движение планетам, заставляя их также обращаться.
Хотя авторитет Аристотеля во Франции был сильно поколеблен, но в Италии и Испании взгляды Декарта, высказанные им в сочинении «Рассуждение о методе» (1637 г.), были осуждены церковью. В 1663 г. это сочинение было включено в список книг, запрещенных католической церковью. Во Франции в 1666 году во время правления Людовика XIV его министром финансов Кольбером была создана Академия Наук (называвшаяся также Французским Институтом). Деятельность ее контролировалась правительством. Правилами Французского Института требовалось, чтобы официальные речи и планы кандидатов для избрания «были одобрены правительством до того, как первые будут произнесены, а кандидаты — избраны». Члены Французского Института ежегодно получали от правительства пенсию.
Из сказанного видно, насколько сильно различались научные организации Англии и Франции по характеру их деятельности и роли в общественной жизни. Создание в дальнейшем научных организаций в странах Европы происходило по той или иной модели в зависимости от характера государственной власти в стране.
Для информирования о работе научных обществ стали издаваться — сначала малыми тиражами – научные журналы. В Англии печатный орган Королевского общества был назван “Philosophycal Transactions”, а во Франции издавался “Journal des Savants” («Журнал ученых»).
При новой форме организации наука становилась более действенной и способной к решению задач, которые были не по силам ученым-одиночкам. Это относилось, в частности, к астрономическим наблюдениям, которые стали выполняться на больших телескопах, требовавших для их постройки и обеспечения работы значительных затрат.
Отмеченные выше обстоятельства — потребность в получении естественнонаучных знаний и совершенствование техники — способствовали быстрому развитию наблюдательной астрономии. Гелиоцентрическая система мира к концу XVII века утвердилась в сознании большинства астрономов. Конструкторы телескопов в 40-е годы стали отдавать предпочтение системе Кеплера, при которой получалось лучшее качество изображения при большом поле. В «соревновании» с телескопическими угломерные ин- струменты проигрывали. Одним из последних успехов применения «дотелескопических» методов было создание польским астрономом Яном Гевелием (1611–1687) каталога положений 1564 звезд с точностью, превосходящей достигнутую Тихо де Браге — до 10». Им была составлена также подробная карта Луны и присвоены названия различным объектам на ее поверхности. Об этом написано в его сочинении «Селенография» (1647 г.). В строительстве телескопов больших успехов добился голландский аст- роном Христиан Гюйгенс (1625–1695). Освоив способы изготовления высококачественных линз, он сооружал телескопы различных размеров — 12- футовый (около 4 м) с объективом диаметром 57 мм, 23-футовый (около 7.5 м) и еще большие — с фокусными расстояниями 45 футов (около 14 м), 60 футов (около 19 м) и 120 футов (около 38 м). Окуляр составлялся из двух плосковыпуклых линз. Наблюдения на очень длиннофокусных телескопах производились в фокусе — сам телескоп (объективная часть) укреплялся на столбе. Главное, о чем заботились конструкторы телескопов, это получение большого увеличения, а качество изображения считалось менее важным.
Все же при помощи больших телескопов Гюйгенс смог обнаружить у Сатурна кольцо и открыть спутник планеты.
Помимо строительства телескопов и наблюдений планет, Гюйгенс выполнил ряд исследований в смежных с астрономией областях и в механике. В 1657 г. он изобрел маятниковые часы, в которых были применены способы регулировки периода качаний маятника. Использование таких часов при астрономических наблюдениях оказалось очень полезным, особенно для фиксации моментов прохождения звезд через плоскость меридиана с целью определения прямых восхождений. Пассажный инструмент для таких наблюдений был еще ранее построен О. Рёмером в Копенгагенской обсерватории. При наблюдениях с маятниковыми часами погрешность определения α составила менее 1s. Гюйгенс пытался приспособить маятниковые часы для использования на кораблях с целью определения долгот, но ход их сильно зависел от качки, и с 1674 г. он стал использовать часы с балансиром.
Во время экспедиции, отправленной в 1671 году из только что созданной Парижской обсерватории в Кайенну (близкую к экватору) для определения параллакса Солнца, было обнаружено изменение хода точных маятниковых часов по сравнению с тем, как они шли в Париже. Это было объяснено зависимостью ускорения силы тяжести и, соответственно, пе- риода качаний маятника от широты места. В книге «Маятниковые часы» (1673 г.) Гюйгенс привел вывод формулы, определяющей период P качания маятника:
где l — длина маятника и g — ускорение свободного падения. При посредстве этой формулы оказалось возможным оценить величину сжатия Земли.
Вращение Земли создает центробежную силу Fцб. Выражение для этой силы также было получено Гюйгенсом:
На экваторе величина этой силы наибольшая и поэтому значение g — наименьшее. Вычисление центробежного ускорения wцб показало, что действием только силы Fцб не удается объяснить наблюдаемое изменение хода часов. Гюйгенс и Ньютон считали, что еще одним фактором, приводящим к уменьшению g, является сплюснутость фигуры Земли вдоль оси вращения.
Для определения фигуры Земли производится измерение длины дуги меридиана в разных его участках с разностью широт 1◦. При этом расстояния между двумя точками земной поверхности определяются путем триангуляции — построения сети треугольников и последовательного их решения. Впервые способ триангуляции применялся В. Снеллиусом (Голландия) в 1647 г. Французский астроном Жан Пикар (1620–1682) в 1668– 1670 гг. аналогичным путем измерял расстояние по поверхности между точками на севере Франции, у которых, по наблюдениям зенитного расстояния звезд, разность широт составляет 1◦. Для наблюдений зенитных расстояний использовался специальный инструмент — телескоп с крестом нитей, что давало возможность очень точно находить направление на звезду, фиксируемое при помощи градуированного сектора круга. Полученная длина дуги в 1◦ была определена с высокой точностью и оказалась близкой к современному значению. Возможно, что такая точность была делом случая.
В 1675 г. в Гринвиче (близ Лондона) была основана обсерватория, оснащенная самыми совершенными по тому времени инструментами — секстантом в сочетании с двумя телескопами и такого же (7 футов — 2.3 м) размера квадрантом с двумя телескопами и точной шкалой. Первым директором Гринвичской обсерватории («королевским астрономом») был назначен Джон Флемстид (1646–1719), который приобретал инструменты на собственные средства. Основной задачей обсерватории являлось уточнение имевшихся и составление новых таблиц движений небесных тел — в первую очередь Луны — и положений неподвижных звезд. Такие таблицы были необходимы, прежде всего, чтобы «находить долготы мест для усовершенствования искусства навигации». Основным методом определения долгот тогда был «метод лунных расстояний». Кроме того, составлялись таблицы приливов, определялась также высота звезд, Луны, Солнца и планет в кульминациях. В телескопы обсерватории наблюдать звезды можно было даже днем. Флемстидом и его помощниками были определены положения 3000 звезд, которые расположены в каталоге по возрастающим прямым восхождениям в порядке номеров в созвездии (например, 61 Лебедя). Каталог являлся наиболее точным из существовавших, при его составлении учитывалась рефракция. Вследствие сложных отношений между Флемстидом и Королевским обществом он был опубликован лишь в 1725 г. под названием «Британская история неба».
Помощник Флемстида в Гринвиче Эдмунд Галлей (1656–1742), который впоследствии (в 1720 г.) стал Королевским астрономом, обнаружил небольшое отличие движений Юпитера и Сатурна от рассчитанного по законам Кеплера. Причины этого были выяснены более чем через сто лет П. С. Лапласом. В 1677 г. Галлей пытался определить расстояние от Земли до Солнца из наблюдений прохождения Меркурия по диску Солнца. Однако полученное значение параллакса Солнца оказалось очень неточным.
Важную для дальнейшего развития астрономии роль сыграли наблюдения Галлеем кометы в 1682 г. Им было обнаружено сходство ее орбиты с рассчитанными орбитами комет, появлявшихся в 1531 и 1607 гг. Галлей высказал мнение, что в эти годы наблюдалась одна и та же очень яркая комета, период обращения которой составляет около 75 лет, и на этом основании предсказал следующее появление кометы в 1759 г.
Сравнивая данные каталога Птолемея о положениях ярких звезд — Арктура, Проциона и Сириуса — с современными (1718 г.), Галлей обнаружил, что они обладают собственным движением. Среди трудов Галлея следует отметить составление первого каталога положений 341 южной звезды (1679 г.).
В 1672 г. была закончена постройка Парижской обсерватории, директором ее стал приехавший из Италии астроном Джованни Кассини (1625– 1712) и для работы в ней были приглашены пользовавшиеся известностью Гюйгенс и датский астроном Оле Рёмер (1644-1710).
Благодаря хорошим оптическим свойствам применявшихся в Парижской обсерватории инструментов удавалось фиксировать детали на поверхности планет. Кассини занимался изучением планет еще будучи в Италии и нашел величины периодов вращения деталей на дисках Юпитера и Марса — соответственно 9h56m и 24h37m (1665–1666 гг.). Продолжая свои наблюдения планет в Парижской обсерватории, он обнаружил неоднородность строения кольца Сатурна, которое оказалось состоящим из нескольких концентрических колец. Наибольший пробел между кольцами получил название «щель Кассини». В 1684 г. Кассини было открыто еще четыре спутника Сатурна.
В Парижской обсерватории Рёмером были выполнены важные не только для астрономии исследования. В 1668 г. Кассини производил расчеты движения спутников Юпитера для определения по их наблюдениям точного времени и, тем самым, нахождения долготы. На основе этих расчетов им были составлены соответствующие эфемериды. При наблюдениях оказалось, что в соединениях Юпитера с Солнцем затмения спутников запаздывали, а при наблюдениях в противостояниях затмения наступали раньше, чем следовало из расчетов. Различие во времени доходило до 22m. Рёмер объяснил эти факты конечностью скорости распространения света . В противостояниях Юпитер находится ближе к Земле, чем во время соединений с Солнцем, и поэтому свет от спутника доходит до наблюдателя за меньшее время. Зная (приближенно) относительные расстояния в Солнечной системе и используя найденный по наблюдениям Марса параллакс Солнца, Рёмер получил (1675 г.) для скорости света значение, равное 230 000 км/с.
К предположению Рёмера о конечности скорости света многие, в том числе выдающиеся астрономы отнеслись скептически. В его объяснение видимых неравенств движения спутников Юпитера не верил и обнаруживший эти неравенства Кассини. Лишь в XIX и XX веках было осознано огромное значение вывода о конечности скорости света не только для астрономии, но и для физики. Скорость света представляет собой одну из основных мировых постоянных и входит как важнейшая величина в математическую формулировку законов природы. В астрономии же путь, про- ходимый светом за год, стал одной из единиц измерения больших расстояний.
В итоге всех описанных выше трудов европейских астрономов к концу XVII века картина строения планетной системы (до Сатурна включительно) в основных чертах выяснилась. Что же касается звездного мира, то здесь долго приходилось ограничиваться лишь более или менее удачными догадками. Следуя Галилею, астрономы полагали, что по размерам звезды подобны Солнцу, а различия в их блеске связывали с неодинаковым расстоянием от Земли. Одна из первых попыток оценки расстояния до звезд была предпринята Гюйгенсом. Он изобрел способ сравнения блеска ярчайшей звезды Сириуса с блеском Солнца. Считая, что количества света, излучаемые обоими этими телами, одинаковы, и учитывая выведенный Кеплером закон об изменении силы света обратно пропорционально квадрату расстояния от источника, Гюйгенс нашел, что расстояние от Земли до Сириуса в 30 000 раз больше, чем до Солнца. Оценка Гюйгенса превосходила предыдущие оценки расстояний до звезд, проведенные Галилеем (по принятой им верхней границе диаметров звезд D < 5»)в сотни раз. Этот результат опубликован Гюйгенсом в его сочинении «Космотеорос» (1698 г.), где он также высказывает свое мнение о многочисленности обитаемых миров. Гюйгенс являлся сторонником концепции Декарта о вихревом движении заполняющей пространство «тонкой материи». Свет он трактовал как волновое движение в такой среде, и поэтому говорил (1678 г.) о конечности скорости света (возможно, что эта теория была разработана Гюйгенсом в связи с результатом, полученным Рёмером). Опубликована теория была лишь в 1690 г. в его сочинении «Трактат о свете».
В заключение заметим, что на небе еще астрономами античности были обнаружены объекты, по виду отличающиеся от остальных звезд, названные «туманными звездами». Гевелий насчитал 16 таких объектов, Галлей описал 6 из них. Однако в XVII веке никаких научных выводов об их природе сделано не было.