Стивен Вайнберг - Объясняя мир. Истоки современной науки

Поняв, что такое зодиакальные созвездия, легко определить, где сейчас находится Солнце среди звезд. Надо лишь посмотреть, какое из созвездий зодиака видно выше всех на небе в полночь; Солнце будет находиться в том созвездии, которое напротив данного. Утверждают, что Фалес рассчитал, что один полный оборот Солнца по зодиаку занимает 365 дней.

Наблюдающий с Земли может полагать, что звезды расположены на твердой сфере, окружающей Землю, полюс мира которой расположен над северным полюсом Земли. Но зодиак не совпадает с экватором этой сферы. Анаксимандру приписывается открытие того, что зодиак располагается под углом 23,5° по отношению к небесному экватору, причем созвездия Рак и Близнецы находятся ближе всего к северному полюсу мира, а Козерог и Стрелец – дальше всего от него. Сейчас мы знаем, что этот наклон, обуславливающий смену времен года, существует потому, что ось вращения Земли не перпендикулярна плоскости орбиты Земли вокруг Солнца, которая, в свою очередь, довольно точно совпадает с той плоскостью, в которой движутся почти все тела Солнечной системы. Отклонение земной оси от перпендикуляра составляет угол в 23,5°. Когда в Северном полушарии лето, солнце находится в той стороне, куда наклонен северный полюс Земли, а когда зима – в противоположной.

Астрономия как точная наука началась с применения устройства, известного как гномон, с помощью которого стало возможным измерять видимое движение солнца по небу. Епископ Евсевий Кесарийский в IV в. писал, что гномон изобрел Анаксимандр, но Геродот приписывал заслугу его создания вавилонянам. Это всего лишь стержень, вертикально установленный на освещаемой солнцем плоской площадке. С помощью гномона можно точно сказать, когда наступает полдень, – в этот момент солнце стоит на небе выше всего, поэтому гномон отбрасывает самую короткую тень. В любом месте земли к северу от тропиков в полдень солнце расположено точно на юге, и значит, тень от гномона указывает в этот момент точно на север. Зная это, легко разметить площадку по тени гномона, нанеся на нее направления на все стороны света, и она станет служить компасом. Также гномон может работать как календарь. Весной и летом солнце восходит немного севернее точки востока на горизонте, а осенью и зимой – южнее нее. Когда тень гномона на рассвете показывает точно на запад, солнце встает точно на востоке, и значит, сегодня день одного из двух равноденствий: или весеннего, когда зима сменяется весной, или осеннего, когда лето оканчивается и приходит осень. В день летнего солнцестояния тень гномона в полдень самая короткая, в день зимнего – соответственно, самая длинная. Солнечные часы похожи на гномон, но устроены иначе – их стержень параллелен оси Земли, а не вертикальной линии, и тень от стержня каждый день, в одно и то же время указывает в одном и том же направлении. Поэтому солнечные часы, собственно, и есть часы, но их нельзя использовать как календарь.

Гномон – прекрасный пример важной связи между наукой и техникой: техническое приспособление, придуманное с практической целью, которое дает возможность совершать научные открытия. С помощью гномона стал доступным точный подсчет дней в каждом из времен года – промежуток времени от одного равноденствия до солнцестояния и затем до следующего равноденствия. Так, Евктемон, живший в Афинах современник Сократа, открыл, что длительности времен года не совпадают в точности. Это оказалось неожиданным, если считать, что Солнце движется вокруг Земли (или Земля вокруг Солнца) по правильной окружности с Землей (или Солнцем) в центре с постоянной скоростью. Исходя из этого предположения, все времена года должны быть строго одинаковой длины. Веками астрономы пытались понять причину их фактического неравенства, но правильное объяснение этой и других аномалий появилось лишь в XVII в., когда Иоганн Кеплер понял, что Земля обращается вокруг Солнца по орбите, которая является не кругом, а эллипсом, и Солнце расположено не в его центре, а смещено в точку, которая называется фокусом. При этом движение Земли то ускоряется, то замедляется по мере приближения или удаления от Солнца.

Луна для земного наблюдателя тоже вращается вместе со звездным небом каждую ночь с востока на запад вокруг северного полюса мира и так же, как Солнце, медленно движется по зодиакальному кругу с запада на восток, но ее полный оборот по отношению к звездам, «на фоне» которых он происходит, занимает чуть больше 27 суток, а не год. Поскольку для наблюдателя Солнце движется по зодиаку в ту же сторону, что и Луна, но медленнее, проходит около 29,5 суток между моментами, когда Луна оказывается в том же положении по отношению к Солнцу (на самом деле 29 суток 12 часов 44 минуты и 3 секунды). Так как фазы Луны зависят от взаимного расположения Солнца и Луны, именно этот интервал в 29,5 суток и есть лунный месяц {74} 74 Более правильно сказать, что так определяется синодический лунный месяц. А 27-дневный промежуток времени, за который Луна возвращается в ту же самую точку по отношению к неподвижным звездам, называется сидерическим лунным месяцем. , то есть время, проходящее от одного новолуния до другого. Давно было замечено, что лунные затмения происходят в фазе полнолуния и их цикл повторяется каждые 18 лет, когда видимый путь Луны на фоне звезд пересекается с путем Солнца {75} 75 Этого не происходит каждый месяц, поскольку плоскость орбиты, по которой Луна обращается вокруг Земли, слегка наклонена по отношению к плоскости орбиты обращения Земли вокруг Солнца. Луна пересекает плоскость земной орбиты дважды в месяц, но затмение происходит в полнолуние, когда Земля расположена между Солнцем и Луной, лишь раз в каждые 18 лет. (Имеется в виду повторение лунного затмения, когда Луна расположена в том же самом созвездии, так называемый цикл сароса , в то время как всего за 18 лет происходит в среднем 28 лунных затмений. – Прим. пер. ) .

В некотором отношении Луна более удобна для календаря, чем Солнце. Наблюдая фазу Луны в какую-либо ночь, можно приблизительно сказать, сколько дней прошло с момента последнего новолуния, и это гораздо более точный способ, чем пытаться определять время года, просто глядя на солнце. Поэтому лунные календари были очень распространены в Древнем мире и до сих пор находят применение – например, таков исламский религиозный календарь. Но, само собой, для того, чтобы строить планы в сельском хозяйстве, мореходстве или военном деле, надо уметь предугадывать смену времен года, а она происходит под влиянием Солнца. К сожалению, в году не целое число лунных месяцев – год примерно на 11 суток длиннее, чем 12 полных лунных месяцев, и по этой причине дата любого солнцестояния или равноденствия не может оставаться одной и той же в календаре, основанном на смене фаз Луны.