Еще древние заметили, что жаркое время года сменяется холодным, за ним вновь приходит жара, за ней — снова холод. Растения расцветают, на деревьях появляются плоды, затем многие деревья постепенно теряют листья, после чего все начинается сначала.

Наблюдения за небосводом и фиксация результатов этих наблюдений привели к тому, что человек стал связывать небесные явления с изменениями в окружающей среде. В результате люди стали изучать положение небесных тел и их движение (так родилась астрономия) и смогли предсказывать явления природы, в частности смену времен года. Возникла идея о том, что звезды влияют на происходящее на Земле, и так родилась астрология.

Измерение небес стало в некотором роде необходимостью, и наиболее полезной наукой для этого оказалась математика, в частности геометрия и тригонометрия. Древние греки создали сложные математические теории, объяснявшие видимое движение звезд и, в особенности, планет.

Древнегреческий рационализм и космология

Если понимать под наукой систематическое изучение, описание и объяснение явлений природы при помощи математики и логики, то истоки западной науки следует искать в древнегреческой традиции. Современная физика началась с попыток решить астрономические задачи о движении небесных тел и дать им рациональное объяснение при помощи математических моделей.

В целом, представления древних людей о Вселенной носили ярко выраженный мифологический характер. Первыми, кто предложил рациональную космологию, стали философы Древней Греции. Начиная с VI века до н. э. великие древнегреческие мыслители силой своего воображения пытались найти рациональное объяснение окружающему миру, не обращаясь к трактовкам сверхъестественного характера.

Они считали, что явления природы подчиняются определенным причинно-следственным связям, а все изменения в ней можно объяснить действием определенных законов. По мнению древних греков, познание этих законов помогло бы объяснить, почему происходят те или иные явления.

* * *

АНАКСИМАНДР И РАССУЖДЕНИЯ ПО АНАЛОГИИ

Древнегреческий философ Анаксимандр (ок. 610 г. до н. э. — ок. 545 г. до н. э.) использовал рассуждения по аналогии. Так, он утверждал, что «звезды есть части сжатого воздуха в форме колес, полные огня, постоянно испускающие пламя из небольших отверстий». Сегодня подобное объяснение вызывает улыбку, но для того времени оно стало важным шагом вперед — Анаксимандр исключил из рассмотрения сверхъестественные силы и попытался определить естественные причины явлений природы.

Фрагмент «Афинской школы» (1510–1511) Рафаэля Санти, на котором изображен Анаксимандр.

* * *

Два важных наблюдения

Чтобы понять древнегреческий рационализм, в рамках которого были созданы сложные математические модели для объяснения, количественного описания и предсказания небесных явлений, попытаемся ненадолго забыть все свои знания и мысленно перенесемся в начало IV века до н. э. Только так мы сможем понять всю гениальность древних греков. Примерно за 400 лет до нашей эры древние греки уже имели достаточно данных о видимом движении небесных тел и начали предлагать математические теории для его объяснения.

Систематически наблюдая за звездным небом, они отметили два важных явления. Первое из них — движение Солнца и звезд по небу, второе — движение планет. Посмотрим, что именно об этих явлениях было известно астрономам древности (Древнего Египта, Древней Греции и Месопотамии).

Суточное движение Солнца и движение звезд

Систематические наблюдения за суточным движением Солнца из одной и той же точки при помощи гномона (вертикального шеста, закрепленного на горизонтальной поверхности) показывают, что длина и направление тени гномона равномерно, медленно и непрерывно меняются в течение дня (от восхода до заката Солнца) и тем самым определяют положение Солнца.

Тень гномона в течение дня описывает симметричную фигуру в форме веера. Эта фигура каждый день меняется, но в тот момент, когда тень гномона имеет наименьшую длину, она всегда указывает в одном и том же направлении.

Вверху — монументальные солнечные часы в начальной школе Chinook Trail Elementary School в Колорадо-Спрингс (США). Внизу — проекции конца тени гномона.

Так мы можем определить, где находятся север, юг, запад и восток (когда тень имеет наименьшую длину, она всегда указывает на север), когда наступает местный полдень (в момент, когда тень гномона имеет наименьшую длину) и сколько длятся солнечные сутки (временной интервал, разделяющий два последовательных полудня, равный 24 часам).

С другой стороны, положение Солнца во время восхода над горизонтом каждый день изменяется: оно постепенно смещается от точки востока (весеннего равноденствия) до точки, расположенной ближе к северу (летнего солнцестояния), откуда вновь движется на восток (до точки осеннего равноденствия) и продолжает двигаться на юг до точки, где направление движения вновь меняется (точки зимнего солнцестояния), затем возвращается на восток, и весь цикл повторяется сначала.

Положение Солнца в момент заката меняется аналогичным образом, но на этот раз точка захода Солнца смещается вокруг точки запада. Так стало возможным определить год как временной интервал между двумя весенними равноденствиями.

Продолжительность светового дня также постоянно меняется. День зимнего солнцестояния — это самый короткий световой день в году, а тень гномона в полдень этого дня — самая длинная в году. День летнего солнцестояния — самый длинный световой день в году, а тень гномона в полдень этого дня — самая короткая в году.

Таким образом, вместе со сменой времен года изменяется положение Солнца в момент восхода (и заката) на линии горизонта. Каждый день высота Солнца над горизонтом меняется в зависимости от времени года.

Видимое движение Солнца.

Систематические наблюдения за ночным небом показывают, что положение звезд относительно друг друга неизменно. В результате стало возможным определить созвездия (произвольно выбранные группы соседних звезд) и составить карту звездного неба.

Все звезды синхронно смещаются с востока на запад. Это движение называется суточным, так как напоминает суточное движение Солнца, которое также движется на запад.

Над горизонтом, очень близко к Полярной звезде, расположена точка Р, которую мы будем называть Северным полюсом мира. При наблюдении звездного неба кажется, что близлежащие к полюсу мира звезды вращаются относительно него, описывая дуги окружности. Если угловое расстояние от звезды до Северного полюса мира меньше или равно расстоянию от Северного полюса мира до горизонта (С), эта звезда никогда не будет заходить за горизонт, что можно видеть на рисунке. Такие звезды видны на небе в любую ночь и в любой час (конечно, небо должно быть ясным) и называются незаходящими.

Окружность, вдоль которой звезда совершает видимое движение, называется суточной параллелью. Это весьма удачное название — подобно тому, как плоскости земных параллелей параллельны плоскости экватора, плоскость суточной параллели параллельна плоскости небесного экватора. Чем дальше звезда от Северного полюса мира, тем меньше видимая часть ее траектории будет напоминать дугу окружности.

Кажется, что звезды описывают полный круг (то есть возвращаются в исходное положение) примерно за 23 часа 56 минут. На основе этого наблюдения можно определить звездные сутки — промежуток времени, за который звезда совершает полный круг и возвращается в исходное положение на небе. Видимое движение звезды, которая восходит над горизонтом точно на Востоке, почти полностью совпадает с видимым движением Солнца в дни равноденствий. Траектория этого движения называется небесным экватором. Звезды, расположенные вблизи точки юга, поднимаются над горизонтом не слишком высоко и заходят за горизонт вскоре после восхода.

Видимое движение звезд в зависимости от направления наблюдений: север (слева), восток (справа вверху), юг (справа в центре) и запад (справа внизу).

Древние греки знали, что если смещаться из точки, в которой производятся наблюдения, к югу, например в сторону Египта, то высота Северного полюса мира будет уменьшаться на 1° примерно каждые 110 км. Некоторые незаходящие звезды начнут скрываться за горизонтом, а звезды, которые раньше восходили в точке востока и заходили в точке запада, будут заходить за горизонт и восходить над ним в тех же точках, но их траектория будет становиться все более перпендикулярной к плоскости горизонта. Наконец, на небе появятся звезды, не видные ранее, а звезды, расположенные вблизи точки юга, будут подниматься выше, и их можно будет наблюдать дольше.

Основные особенности движения звезд таковы: они совершают суточное движение в направлении с востока на запад и каждые 23 часа 36 минут описывают полный круг.

Движение планет

Большая точность наблюдений позволит обнаружить некоторые отклонения от регулярного движения, описанного в предыдущем разделе. Это второе важное наблюдение.

Невооруженным глазом мы можем различить семь небесных тел, положение которых относительно звезд меняется. Эти небесные тела древние назвали планетами (в переводе с древнегреческого — «странниками»), к ним относятся Солнце, Луна, Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн.

Как определить положение Солнца относительно звезд? Для этого нужно, подобно древним египтянам, вавилонянам и грекам, наблюдать звездное небо непосредственно перед восходом Солнца или сразу после заката. Так можно убедиться, что Солнце каждый день меняет свое положение относительно звездного неба и смещается примерно на Т к востоку. Ровно через год Солнце возвращается в прежнюю точку относительно расположения звезд. По результатам этих наблюдений естественным образом определяется эклиптика — видимая траектория движения Солнца между звезд.

Во время движения по эклиптике Солнце проходит через двенадцать созвездий: Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Весы, Скорпион, Стрелец, Козерог, Водолей и Рыбы. Пояс вдоль эклиптики шириной около 16°, в котором заключены эти созвездия, называется зодиаком.

Солнце во время видимого движения вдоль эклиптики в дни равноденствий находится на небесном экваторе, затем постепенно отдаляется от него. Наибольшее отклонение в обе стороны от небесного экватора составляет примерно 23,5° и наблюдается в дни солнцестояний. Греки заметили, что скорость видимого движения Солнца вдоль эклиптики зимой несколько больше, чем летом.

Траектории движения Солнца и Луны вдоль зодиака.

Остальные планеты, подобно Солнцу, помимо суточного движения на запад, также движутся на восток, но медленнее.

Угловой размер Луны, как и Солнца, равен примерно половине градуса. Луна движется на восток быстрее, чем Солнце, и ее траектория более хаотична. Полный оборот вдоль зодиака с востока на запад Луна совершает в среднем за 27 и одну треть суток. Промежуток времени, в течение которого планета совершает полный оборот вдоль зодиака, двигаясь с востока на запад, называется сидерическим периодом обращения. Сидерический период обращения Луны, который также называется сидерическим месяцем, может отличаться от среднего периода на целых 7 часов.

В разное время диск Луны выглядит по-разному — Луна имеет различные фазы, которые при наблюдении из Северного полушария сменяют друг друга в таком порядке: новолуние (диск Луны не виден), молодая луна (видимая часть диска Луны имеет форму буквы С), полнолуние (диск луны виден полностью), убывающая луна (видимая часть диска Луны имеет форму буквы D). Интервал между двумя новолуниями (так называемый лунный, или синодический месяц) длится в среднем 29 с половиной дней. Фактический интервал может отличаться от среднего на целую половину суток. Наконец, было отмечено, что траектория движения Луны по звездному небу в определенный момент совпадает с эклиптикой, после чего постепенно удаляется от нее, пока не достигнет максимального отклонения примерно в 5°, затем вновь приближается к эклиптике и отклоняется от нее на такой же угол, но уже в противоположную сторону.

Движение Солнца и Луны вдоль зодиака.

Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн — пять планет, которые видны на звездном небе как яркие точки. Их средние сидерические периоды обращения составляют: для Меркурия — 1 год, для Венеры — 1 год, для Марса — 687 дней, для Юпитера — 12 лет, а для Сатурна — 29 с половиной лет. Фактические периоды обращения для всех планет могут отличаться от приведенных средних значений.

Движение планет с запада на восток называется прямым, или собственным. Отмечено, что скорость прямого движения этих пяти планет постоянно меняется. Кроме того (это стало неожиданным открытием), прямое движение планет на восток периодически прерывается, и в течение определенных промежутков времени планеты движутся в обратном направлении, на запад. В это время их траектории образуют петли, после чего планеты вновь продолжают прямое движение. Во время обратного, или попятного, движения яркость планет возрастает.

Видимая траектория попятного движения планеты.

Меркурий начинает попятное движение каждые 116 дней, Венера — каждые 584 дня, Марс — каждые 780 дней, Юпитер — каждые 399 дней, Сатурн — каждые 378 дней. Это средняя продолжительность синодического периода обращения планет, то есть средний промежуток времени между двумя моментами начала попятного движения.

Меркурий и Венера никогда не отдаляются от Солнца на значительное угловое расстояние, в отличие от Марса, Юпитера и Сатурна.

Итак, планеты, помимо суточного движения с запада на восток в том же направлении, что и звезды, каждую ночь смещаются чуть дальше на восток относительно зодиакальных созвездий (это движение называется прямым, или собственным). Кроме того, прямое движение всех планет, за исключением Солнца и Луны, периодически сменяется попятным. Увязать движение планет с движением звезд было настолько сложно, что всю историю развития представлений о мире можно рассматривать как последовательные попытки преодолеть наблюдавшиеся расхождения.

Первое объяснение: Вселенная состоит из двух сфер

Из гипотез древнегреческих философов постепенно складывалась общая концепция, позволявшая объяснить большинство результатов наблюдений. Эту концепцию Вселенной, состоящей из двух сфер, начиная с IV века до н. э. разделяло большинство греческих астрономов и философов. В указанной модели Вселенной Земля считается неподвижной сферой, расположенной в центре другой сферы намного большего размера (небесной сферы). Небесная сфера вращается с востока на запад вокруг неподвижной оси, проходящей через Северный полюс мира, и вместе с ней вращаются закрепленные на ней звезды. За пределами небесной сферы нет ничего — ни пространства, ни материи.

На основе этой концепции на протяжении почти двух тысячелетий, с IV века до н. э. до времен Николая Коперника (1473–1543), последовательно создавались различные противоречившие друг другу астрономические и космологические системы. Но истинность самой концепции практически не подвергалась сомнению.

В модели Вселенной из двух сфер не объясняется движение всех небесных тел, в частности планет, но она позволяет забыть бесчисленное множество частных результатов и рассмотреть лишь несколько основных предпосылок. Также эта модель помогает предсказывать положение небесных тел в будущем. Основные ее предпосылки таковы: небесная сфера, вращаясь с востока на запад, совершает полный оборот за 23 часа 56 минут, а Солнце в течение года движется на запад вдоль большого круга (эклиптики), расположенного под углом примерно в 23,5° (в действительности — 23°27′) относительно небесного экватора. В течение дня Солнце занимает фиксированное положение относительно эклиптики и описывает круг, параллельный небесному экватору.

Вселенная, состоящая из двух сфер.

Геометрическую модель Вселенной из двух сфер, благодаря ее простоте и удобству, астрономы-наблюдатели используют до сих пор при определении положения небесных тел. Координаты небесных тел определяются посредством угловых измерений, поэтому можно считать, что небесные тела находятся на поверхности сферы.

Греки предложили убедительные объяснения, доказывающие истинность этой модели Вселенной. В древнегреческой культуре особый вес имели эстетические аргументы, поэтому они также использовались для обоснования модели. Древнегреческие геометры считали сферу совершеннейшей из фигур, так как она при вращении вокруг оси всегда занимает одну и ту же область пространства. Кроме того, концепция небесной сферы имела смысл еще и потому, что звезды при движении по небу описывают окружности. Земля должна была иметь форму сферы не только по эстетическим причинам, но и потому, что при наблюдении с возвышения было видно, что корпус корабля, уходящего в море, пропадает из вида раньше, чем мачты, а когда корабль возвращается в порт, мачты появляются на горизонте первыми. И в довершение, тень, отбрасываемая Землей на Луну во время лунных затмений, также имела круглую форму.

Земля должна была находиться в центре небесной сферы (отсюда и название геоцентрической модели Вселенной) не только для того, чтобы обеспечить симметричность модели, но и потому, что телу, расположенному в центре сферы, попросту некуда падать. Все направления указывают вверх, следовательно, Земля не может упасть и должна находиться в центре сферы неподвижно.

Доступные данные не позволяли выявить изменение относительных расстояний между звездами (то есть наличие параллакса), которое было бы заметно, если бы Земля двигалась. Сегодня мы знаем, что параллакс звезд незаметен потому, что нас разделяют огромные расстояния. Также если бы Земля двигалась, то птицы, парящие в воздухе, или камни, брошенные вертикально вверх, должны были бы запаздывать относительно ее движения. Если бы Земля вращалась, то предметы, не закрепленные на ее поверхности, улетели бы в космос. Также вращение Земли обязательно должно вызвать сильный ветер. Ничего из вышеперечисленного не наблюдается, следовательно, Земля неподвижна.

Второе объяснение: геометрическая астрономия

Принцип кругового движения Можно сказать, что Платон (427–347 гг. до н. э.) заложил основы программы астрономических исследований в Древней Греции, когда задал ученикам вопрос: с помощью каких равномерных и упорядоченных движений можно рационально объяснить движение планет?

Римская копия греческого оригинала головы Платона, выставленного в афинской Академии после его смерти.

Платон считал, что истину следует искать в мире идей и чистых форм, — к экспериментам этот мыслитель относился с пренебрежением. Можно выделить три основные характеристики учения Платона, которые в большей или меньшей степени повлияли на астрономию и космологию последующих эпох: во-первых, он невысоко ценил результаты наблюдений либо относился к ним с недоверием; во-вторых, ученый был убежден, что космос имеет идеальную геометрическую структуру; в-третьих, Платон сформулировал принцип равномерного кругового движения, согласно которому все небесные тела равномерно движутся по окружностям. Космология Платона изложена в некоторых его диалогах — «Федре», «Федоне», «Государстве» и «Тимее».

В «Государстве» Платон говорит о веретене, в которое вставлено другое, меньшее веретено, и так далее (всего восемь веретен). Он пишет: «Все веретено в целом, вращаясь, совершает всякий раз один и тот же оборот, но при его вращательном движении внутренние семь кругов медленно поворачиваются в направлении, противоположном вращению целого». Очевидно, что Платон говорит о планетах. Все астрономические и космологические модели, созданные после этого, описывали беспорядочное движение планет. Постулат Платона о равномерном круговом движении планет имел огромное влияние — его ошибочные представления преобладали в астрономии на протяжении двух тысячелетий.

Платоновская модель мира, описанная в его диалогах.