Текст книги "Астрономия. Солнечная система"

Астрономия
Солнечная система
Евгений Беляков

© Евгений Беляков, 2023

ISBN 978-5-0050-3875-3

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ. ОТКРЫТИЕ ЗЕМЛИ

Эратосфен. Измерение Земли

Издревле небо воспринималось людьми как внутренняя поверхность огромного шатра, на которой привешаны фонарики-звезды и два светила для освещения дня и ночи. Земля мыслилась как плоская поверхность. Вселенная мыслилась сравнительно небольшой. Цари думали, что можно создать царство на всей земле. Заветная мечта владык была – захватить весь мир. Иначе их величие было ущербным.

С этой целью великий правитель, один из самых известных людей в истории, греческий царь Александр из Македонии повел свои войска на восток, чтобы захватить весь мир. Затея оказалась бессмысленной, однако Александру удалось захватить огромные территории, он захватил Египет, часть Малой Азии, Персию, где разбил старого врага Греции, персидского царя Дария, дошел вплоть до Индии, но на этом поход захлебнулся.. Вместе с войсками Александр нес достижения великой греческой культуры, поэтому его походы были не только разрушительными, но и созидательными. После смерти великого царя вся его огромная держава распалась на отдельные государства, где правили его военачальники, и в общем вся эта эпопея может считаться в какой-то мере прогрессивной. Например, в основанном в дельте Нила городе Александрия была создана огромная по тем временам библиотека, которая сыграла немалую роль в распространении знания в древние времена. Александрийская библиотека была уничтожена во время арабских завоеваний в VII веке н.э.

Александр Македонский. Старинная мозаика.

Уже древние греки знали или предполагали, что Земля – шар. Что особенно интересно и важно – уже в те времена греки измерили радиус Земли. Это сделал впервые в истории человек по имени Эратосфен. Он родился в городе Кирена в 276 г. до н. э. В дальнейшем семья переехала в Сиену (ныне Ассуан, где плотина). Мальчик учился в Александрии и путешествовал туда и сюда с караванами торговцев. И он заметил, что во время летнего солнцестояния (это дни, когда солнце на небе как бы застывает относительно горизонта) солнечные лучи в полдень в Сиене достигают дна самых глубоких колодцев, и вода на дне искрится в солнечных лучах. А в Александрии ничего подобного нет. «Почему?» – думал мальчик.

Со временем у него возникла мысль, что так как поверхность Земли изогнутая, глубокие вертикальные колодцы располагаются под углом друг к другу, и параллельные лучи Солнца входящие в Сиене под прямым углом, в Александрии немного отклоняются от вертикального направления.

И тогда Эратосфен взял чашу, которая называется скафис, и установил длинную иглу абсолютно вертикально. Теперь тень от иглы на дне сосуда давала угол, под которым солнечные лучи наклонены в данный момент времени. Угол в Сиене равен нулю, что же покажет созданный им прибор в Александрии? Есть! 7 градусов 12 минут. (Градус – это 1/360 часть окружности, а минута – 1/60 градуса). 7 градусов 12 минут равно 1/50 окружности – ошибиться невозможно. Легко понять, что этот угол будет составлять 1/50 часть окружности Земли. Что же дальше? Расстояние между Александрией и Сиеной 5000 стадий. Перемножаем на 50, получаем 250 000 стадий. Делим на 3,14 и еще на два (как известно, длина окружности равна 2пR), и получаем, что радиус нашей планеты 39790 стадий. В переводе на наши меры длины – 6287 км. Современные измерения дают длину радиуса 6371 км.

Поразительно! Эратосфен ошибся всего на несколько километров! А ведь в его распоряжении была всего лишь чаша и длинная игла. Ну и, конечно, удивительный ум.

Судя по тому, что солнечные лучи Эратосфен считал параллельными, Солнце он располагал на огромном расстоянии от Земли, и это было совершенно правильно. Солнце – огромный огненный шар, во много раз больше Земли. Диаметр Солнца более чем в 100 раз больше диаметра Земли. Представляете, как далеко расположено Солнце, если мы видим его как небольшой ослепительно яркий кружок на небе?

Древние греки считали, что Земля – это самое главное тело Космоса. Она располагается, как они думали, в самом центре Вселенной. Во всех мифах Земля соизмерима с Небом. Например, у древних греков небо называлось Ураном, а Земля – Геей. И это были великие боги, от брака которых произошли все остальные боги, а от них – все вещи, животные и люди. Небо и Земля – были равноправными создателями бытия. Планеты, Солнце, Луна и все звезды кружились вокруг неподвижной Земли, располагавшейся в центре мироздания…

Но все оказалось устроено не так. У великого математика античности Пифагора был ученик по имени Аристарх. Он высказывал удивительную и, казалось бы, невероятную идею, что не Солнце с планетами кружится вокруг Земли, а, наоборот, Земля и планеты кружатся вокруг центрального светила Солнца.

Солнце – в центре Мира? Это невозможно, отвечали ему. Вокруг Земли кружатся хрустальные сферы. К одной из сфер приделана планета Меркурий, к другой – Венера, к третьей – Марс, к четвертой – Юпитер, к пятой – Сатурн (других планет в те времена не знали, т.к. невооруженным глазом можно увидеть только их). Свои сферы имеют Солнце и Луна. К последней черной сфере приделаны все неподвижные звезды, образующие созвездия.

Если не считать сферу неподвижных звезд, то получалось ровно семь сфер, а именно число 7 считалось особенно важным в философии у древних греков. Было, например, 7 основных звуков в гамме. Каждому соответствовала небесная сфера. По представлениям древних астрономов все сферы издавали при своем вращении свой звук, и получающаяся мелодия небес, точнее – созвучие, было настолько прекрасным, что человеческое ухо не в силах было даже услышать такую красоту.

Движения звезд на небе, как считалось, определяет судьбу каждого человека. Так возникла псевдонаука астрология, которой доверяют многие несведующие люди и в наше время. Можно сказать, астрология в наше время – это способ очистить от денег кошельки тех, кто плохо учился в школе. Однако в те времена, до самой эпохи Возрождения и начала научно-технической революции, то есть до XV века, даже короли считали астрологию почтенной наукой и астролог, как и шут, были обычными персонажами королевских замков все Средневековье.

Я открываю толстую книгу с названием «Альмагест». Ее автор – самый уважаемый астроном древности – Птолемей. В этой книге собраны и систематизированы все древние знания о Космосе. Перечислены все известные в те времена звезды и планеты. Книга содержит более 600 страниц. Настоящая «Библия» древней астрономии…

Много места в ней уделено объяснению движения планет среди звезд. Дело в том, что траектории движения планет на небе относительно звезд совсем не такие уж простые. Казалось бы, если они приделаны к сфере, которая совершает простое вращение, то и траектории должны быть простыми. Однако, это далеко не так. Планеты уходят в стороны, совершают непонятные виражи и даже иногда идут в обратную сторону! А ведь для астрологов было абсолютно необходимо знать, где в ближайшем будущем будет находиться та или иная планета. Потому, утверждал Птолемей, любая планета не просто так приделана к своей хрустальной небесной сфере, она еще совершает и круговые движения вокруг «точки прикрепления», которые и заносят ее в стороны и даже назад… Эти дополнительные круги назывались эпициклами…

Геоцентрическая система (в центре – Земля) Птолемея с эпициклами из старинного атласа. Справа вверху – гелиоцентрическая система Аристарха.

И все бы хорошо да что-то не хорошо. Иногда при расчетах получались досадные отклонения. Почему бы, скажете вы, им было не перейти на правильную теорию Аристарха? Где планеты вращаются вокруг Солнца, в том числе – и Земля? Сейчас лишь скажу, что у Аристарха по части расчетов положения планет относительно звезд было еще хуже, чем у Птолемея с его циклами и эпициклами… И тому была причина, о чем еще будет дополнительный разговор.

Колумб

А теперь перенесемся на много столетий вперед. После заката античности более тысячи лет все открытия древних ученых в Европе не использовались. Но в XV веке количество накопленных знаний и развитие технологий (мастерства техников и ремесленников) дошло до такого уровня, что техника стала использовать научные достижения, а наука – использовала уже приборы на основе новых технологий. Началась научно-техническая революция, которая длится и по сей день. Так что ее было бы точнее назвать научно-технической эволюцией. Одно из важнейших достижений того времени были парусные корабли, способные плыть много дней в самой пучине Мирового океана.

В этот период география открывает нашу планету. Это время (XV – XVI вв.) называют эпохой великих географических открытий. Если древние греки чисто теоретически узнали, что Земля имеет форму шара, то теперь пришла пора воспользоваться этим знанием на практике. Именно тогда мореплаватель Васко да Гама открыл путь в Индию, обогнув Африку с юга. 3 августа 1492 года из испанского порта Палос на Рио-Тинто на запад Атлантического океана отплыла флотилия Колумба – флагманский корабль Санта-Мария и две каравеллы Нинья и Пинта.

Идея была следующая. Если Земля – шар, то добраться до Индии можно, значит, не только плывя на восток, но и направив корабли на запад. Колумб пользовался картой, составленной Паоло Тосканелли. Указанное на ней расстояние по окружности до Азии 5000 морских миль. Сам же Клумб считал это расстояние еще меньшим – всего 3500 морских миль. На самом деле это расстояние составляет 11 760 миль. Гораздо больше! Но Клумб этого не знал. Он считал, что можно добраться до Индии за каких-то пять дней.

Карта Атлантического океана, составленная Паоло Тосканелли, которой пользовался Колумб. Как видите, на ней нет никакой Америки.

Итак, флотилия Колумба вышла в просторы мирового океана. Выдающийся русский поэт Николай Гумилев так писал о путешествии Колумба.

 
Двадцать дней, как плыли каравеллы,
Встречных волн проламывая грудь;
Двадцать дней, как компасные стрелы
Вместо карт указывали путь
И как самый бодрый, самый смелый
Без тревожных снов не мог заснуть.
 
 
И никто на корабле, бегущем
К дивным странам, заповедным кущам,
Не дерзал подумать о грядущем —
В мыслях было пусто и темно.
Хмуро измеряли лотом дно,
Парусов чинили полотно.
Кто он был, тот первый, светлоокий,
Что, завидев с палубы высокой
В диком море остров одинокий,
Закричал, как коршуны кричат?
Старый кормщик, рыцарь иль пират, —
Ныне он Колумбу – младший брат!
 
 
Что один исчислил по таблицам,
Чертежам и выцветшим страницам,
Ночью угадал по вещим снам,
То увидел в яркий полдень сам
Тот, другой, подобный зорким птицам,
Только птицам, Муза, им и нам.
 

Увидев вдали берег, Колумб, естественно, считал, что достиг восточного побережья Азии. Он был уверен, что это один из Японских островов. Однако это было совсем не так. Этот остров в составе Багамского архипелага и по сей день носит название, данное ему Колумбом – Сан-Сальвадор. И он располагался восточнее Американского материка.

Парусные корабли Колумба. Трехмачтовый флагман «Санта-Мария» и два других корабля.

Клумб еще дважды путешествовал на открытые им земли, но до самой смерти считал, что открыл путь в Индию. Только итальянец, флорентиец, Америго Веспуччи в 1504 году высказал мысль, что это – новый огромный материк. По его имени он и был назван – Америка. Потом оказалось, что это два материка, один назвали Северная Америка, другой Южная.

Карта, составленная Мартином Вальземюллером в 1505 г. Уже видим что-то вроде Америки.

Земля круглая, так почему бы не сделать карту на шаре? Глобус? Ее (его) и создал путешественник Мартин Бехайм в 1492 году. В том же году, когда Колумб отправился в свое плавание. Так что на этом глобусе было всего два материка (угадайте, какие).

Если вам выпадет удача побывать в Германии, вы сможете увидеть первый глобус в Нюрнберге, в Национальном музее. Но для остальных наших читателей мы поместим картинку.

Часто говорят, что Колумб открыл Америку. На самом деле в лице Колумба и Америго Веспуччи Америку для себя открыли европейцы. Однако люди пришли в Америку через мост суши, который существовал в те времена на месте Берингова пролива. И это было на много тысячелетий (!) раньше Колумба. Их-то и следовало бы назвать истинными открывателями Америки.

Магеллан. Вокруг Земли

Пришла пора кругосветного путешествия. Его впервые совершил португальский путешественник Фернан Магеллан. В экспедиции принимали участие 5 кораблей, вышедших в Атлантический океан в 1519 году, и направившихся южнее маршрута путешествий Колумба, в сторону Аргентины. Магеллан открыл 600-километровый пролив между Атлантическим и Тихим океанами, названный его именем. В 1520 году 21 октября флотилия достигла Филиппинских островов, и там, в схватке с туземцами Магеллан был убит.

Глобус Мартина Бехайма

Корабли продолжали путь. Вернулся в Испанию после 18 месяцев пути всего один корабль. За великие открытия в те времена платили жизнью замечательных путешественников, однако первое кругосветное путешествие состоялось. Это была огромная победа.

Путь флотилии Магеллана

В 1961 году 12 апреля советский космонавт Юрий Алексеевич Гагарин совершил первый виток вокруг Земли в Космосе на космическом корабле «Восток». Ему потребовался на это 1 час 48 минут. И, конечно, долгие годы напряженного труда советских людей, готовивших этот великий полет.

Вот какой увидел Гагарин нашу планету.

Земля, вид из Космоса

Земля оказалась голубого цвета! Дело в том, что атмосфера поглощает излучение красного цвета, потому-то мы и видим небо синим. Из Космоса Земля тоже синяя по той же причине. «Планета голубая по имени Земля», – поется в одной песне. (Хотя еще правильнее было бы петь «Планета голубая по имени Нептун», т. к. Нептун, как мы узнаем дальше, покрыт синим льдом).

Юрий Алексеевич Гагарин

«Облетев Землю на корабле-спутнике, я увидел, как прекрасна наша планета. Люди, будем хранить и приумножать эту красоту, а не разрушать её!» – написал Гагарин после полета.

Коперник. Научная революция

В 1543 году польский астроном Николай Коперник издал книгу «Об обращении небесных сфер», где пропагандировал гелиоцентрическую систему. Вращение неподвижных звезд он объяснял, следуя Аристарху, вращением Земли вокруг своей оси. Вскоре после этого Коперник умер, и это спасло его от преследований католической церкви. Его книга была запрещена. Ее чтение приравнивалось к преступлению. Хотя, опасаясь, что выход книги вызовет преследование, Коперник не утверждал, что Земля в действительности крутится вокруг Солнца, но лишь, что такое предположение упрощает расчеты. Читатели, однако, поняли все правильно.

Коперник был одним из образованнейших людей своего времени. Он изучал математику, астрономию, медицину и право в Краковском университете, в Падуе, в Болонье, Феррари. Он даже был каноником, но исполнив церковные обязанности, забирался на крышу, где у него стояли астрономические приборы. Вот так его изобразил художник.

Коперник

В те времена Земля все еще считалась центром Вселенной, что следовало и из текстов Священного Писания. Представить, что Земля – одна из планет, вращающихся вокруг Солнца, таких же как Марс, Венера или Юпитер, такая же маленькая звездочка, как они, и отнюдь не центр бытия, мешала гордыня: представление о человечестве как о чем-то главном и центральном в мире Космоса.

Джордано Бруно. «…Внизу другим я оставляю млечность…»

Коперник отодвинул человечество от этого центра на радиус земной орбиты, но был человек (я напишу это слово тут с большой буквы – Человек!), который стал утверждать, что никакого центра во вселенной нет вообще, и что Солнце – такая же обычная звезда, как и все другие звезды, которые мы видим на небе. Его звали Джордано Бруно.

Это был доминиканский монах, философ, поэт. Он был обвинен в ереси и сожжен на костре в Риме. Основанием для смертного приговора стало его учение о бесконечности Вселенной, состоящей из бесчисленного множества миров, изложенное в книге «О бесконечности, Вселенной и мирах».

Джордано Бруно.

Бруно был одним из первых, кто понял, что Земля с человечеством на ней – не есть что-то главное или центральное в Космосе. Что даже вообще говорить о центре Космоса бессмысленно. Бруно совершил величайшее открытие всех времен и народов, за что «благодарное человечество» отплатило ему мученической смертью на костре. И если Копернику католическая церковь принесла официальные извинения (уже в наше время), то, насколько мне известно, Джордано Бруно так и остался в глазах верующих еретиком и преступником.

В одном из своих сонетов Бруно писал:

Кто дух зажег, кто дал мне легкость крылий?

Кто устранил страх смерти или рока?

Кто цепь разбил, кто распахнул широко

Врата, что лишь немногие открыли?

Века ль, года, недели, дни ль, часы ли

(Твое оружье, время!) – их потока

Алмаз, ни сталь не сдержат, но жестокой

Отныне их я не подвластен силе.

Отсюда ввысь стремлюсь я, полон веры,

Кристалл небес мне не преграда боле,

Но, вскрывши их, подъемлюсь в бесконечность.

И между тем, когда в другие сферы

Я проникаю сквозь эфира поле,

Внизу – другим – я оставляю Млечность.

(Перевод В. А. Ещина).

Под словом «млечность» понимается Млечный Путь: в мечтах Джордано Бруно летел даже за пределы нашей Галактики.

Площадь в Риме, где сожгли Джордано Бруно

Галилей. «А все-таки она крутится»

Еще один великий астроном того времени – Галилео Галилей. В 1609 году Галилей самостоятельно построил свой первый телескоп с выпуклым объективом и вогнутым окуляром. Труба давала приблизительно трёхкратное увеличение. Вскоре ему удалось построить телескоп, дающий увеличение в 32 раза. Он впервые направил увеличивающую изображение трубу в небо, и то, что он там увидел, потрясло его.

Огромная Луна с горами, кратерами (круглыми долинами, результатом бомбардировки метеоритов), пятна на самом Солнце, которое Аристотель считал совершенством совершенств, спутники, вращающиеся вокруг Юпитера – своего рода модель Солнечной системы…

Великолепный писатель, Галилей выступил в защиту Коперника, но церковь принудила его отречься от своих научных взглядов. Стоя на коленях, произнося слова отречения великий ученый, безусловно, понимал, что истине для своего торжества не требуется великих подвигов: любой человек может взглянуть в телескоп и убедиться, что Луна, естественный спутник Земли, не размером с тарелку, но представляет собой огромное небесное тело, сравнимое по размерам с Землей, на которой мы все живем. Солнце – огромная звезда, больше всего, что мы можем даже представить… Говорят, что вставая с колен, Галилей произнес: «А все-таки она крутится».

Галилео Галилей

Луна, рисунок Галилея (слева), современная фотография (справа)

Великий русский ученый М.В.Ломоносов, который был также и прекрасным поэтом, написал милый шуточный стишок:

Случились вместе два Астронома в пиру

И спорили весьма между собой в жару.

Один твердил: земля, вертясь, вкруг Солнца ходит;

Другой, что Солнце все с собой планеты водит:

Один Коперник был, другой слыл Птолемей.

Тут повар спор решил усмешкою своей.

Хозяин спрашивал: «Ты звезд теченье знаешь?

Скажи, как ты о сем сомненье рассуждаешь?»

Он дал такой ответ: «Что в том Коперник прав,

Я правду докажу, на Солнце не бывав.

Кто видел простака из поваров такова,

Который бы вертел очаг кругом жаркова?»

Это, конечно, шутка, но она отражает существо вопроса: именно Солнце среди тел нашей планетной системы выделяется своими колоссальными размерами.

Браге и Кеплер

Самым большим хитрецом оказался датчанин Тихо Браге. Его идея состояла в следующем. Да, говорил он, планеты все вращаются вокруг Солнца. Однако! Солнце вращается вокруг Земли! И волки сыты, и зайцы целы.

Ураниборг, обсерватория Браге

Но – нет. Это все равно не понравилось сильным мира сего. Птолемей и только Птолемей! Тихо Браге изгоняют из его обсерватории. Он в 1600 г. приезжает в Прагу и тут встречает другого изгнанника-астронома по имени Йоган Кеплер.

Им было, что обсудить. Расчеты положения планет на небе по методу ли Коперника или Тихо браге давали ошибки, не меньшие, чем у Птолемея. Почему? – задавали себе вопрос астрономы. Неужели мы совершаем ошибку? Но в чем?

Тихо Брагге

Через год, увы, Тихо Браге умер, оставив Кеплеру труд всей своей жизни – толстые тома наблюдений за звездами и планетами. Точность измерений Браге значительно превосходила все, имевшееся в то время.

Йоган Кеплер

Так можно построить эллипс. Точки А и В – фокусы эллипса. В одном из фокусов находится Солнце.

Закон Кеплера: заштрихованные площади равны.

Долгие годы Кеплер тщательно изучал труд Тихо Браге, пока ослепительная идея дала ему и всем нам окончательное решение: планеты движутся вокруг Солнца не по кругам, а по эллипсам и с разными скоростями! В то время математика уже хорошо изучила так называемые конические сечения, к которым и относится эллипс. Теперь расчеты давали абсолютно точные результаты.

Что касается скорости, то Кеплер сформулировал простые законы ее изменения. Один из них таков: площадь, которую «заметает» радиус (линия, соединяющая планету и Солнце) за одинаковое время одинаковая. В дальнейшем это правило доказал Ньютон. Я воспроизведу это доказательство.

Смотрим на чертеж. S – «это Солнце. Отрезок 1—2 – путь планеты по орбите (мы примем, что короткие участки пути почти то же, что и отрезки прямых). Если бы Солнца не было, то планета двигалась бы равномерно и прямолинейно и дальше, в точку 3, причем 1—2 равно 2—3, т.к. планета, если на нее ничто не воздействует, движется с одинаковой скоростью. Площади треугольников 1-2-S и 2-3-S равны, т.к. у них одинаковая высота и основание. Если вы помните, площадь треугольника равна половине произведения основания на высоту. Так что треугольники равны.

Теперь представим, что Солнце притянет к себе планету и она сдвинется из точки 2 не в точку 3, а в точку 4. Из физики мы знаем, что «движения складываются», это сложение векторов в поле тяготения. И планета сдвинется одновременно по направлению ее прежнего движения, а также на расстояние 3—4. Причем прямую 3—4 будем считать параллельной прямой S-2, т. к. Солнце очень далеко. Вспомним, что такое же предположение делал и Эратосфен. Теперь мы видим, что треугольники S-4-2 и S-3-2 равны. То есть равны и треугольники S-1-2 и S-4-2. Блестящее рассуждение, но чтобы дуга приближенно совпадала с отрезком (хордой), нужно, чтобы угол поворота был небольшим. Если угол больше, его надо разбить на бесконечно малые части и потом взять интеграл, то есть просуммировать все площади. Естественно, в результате получим равенство. Вот, кстати, для таких расчетов с суммированием площадей Ньютон и создал интегральное исчисление. (Интеграл – это сумма бесконечно-малых «единиц»).

Термины, которые стоит знать, связанные с орбитами планет.

Перигелий – ближайшая к Солнцу точка орбиты.

Афелий – наиболее удаленная от Солнца точка орбиты.

Большая ось орбиты – ее «ширина», длина отрезка, проходящего через оба фокуса эллипса.

Большая полуось – половина большой оси.

Эксцентриситет орбиты – величина, характеризующая «сжатость» орбиты.

Сидерический период – время полного оборота тела по орбите относительно звезд

Эклиптика – линия на небесной сфере, по которой движется Солнце.

Плоскость эклиптики – плоскость, проходящая через Солнце и орбиту Земли.