Ступени познания

Из глубины веков

Русское слово Луна сродни словам луч, люстра, иллюстрация, и все они родственники латинскому люкс - свет. Луна - это светило. Но в русском языке живет еще слово месяц в двух смыслах. Месяц на небе и месяц в календаре. Такие же близнецы стоят рядом в английском, немецком. Случайные совпадения? Нет, конечно. Все они ведут родословную от единого древнего индоевропейского корня VI тысячелетия до н.э.

Рисунки на стенах пещер и зарубки на костях животных свидетельствуют, что астрономическими наблюдениями наши далекие предки занимались еще в эпоху древнекаменного века.

Давно ли Месяц на небе взял на себя роль мерила времени? Очень давно. Уже в Ветхом Завете самой древней части Библии говорится, что Бог "... сотворил Луну для указания времен...".

Библию начали писать во второй половине II тысячелетия до н.э. А истоки лунного месяца намного древнее. Они относятся к тем временам, когда человек писать еще вовсе не умел. Лунный месяц, и его четвертушка семидневная неделя добрались до нас из той эпохи, которую археологи зовут древним каменным веком - палеолитом. И все это страницы истории астрономии.

В Великобритании на равнине Солсбери находится одна из удивительнейших построек каменного века - Стоунхендж. Его называют "восьмым чудом света". Эта постройка имеет форму кольца из вертикально врытых в землю огромных тесаных каменных столбов. Поперечник кольца - 30 м. Высота столбов - по три человеческих роста, масса каждого около 25 т. Сверху кольцо столбов перекрыто горизонтальными плитами. Внутри кольца выделяются пять узких каменных арок наподобие бойниц.

В стороне от всего сооружения за основным каменным кольцом, установлен особый "пяточный камень". Если смотреть из центра Стоунхенджа, то точно над этим камнем восходит Солнце в день летнего солнцестояния.

Камни Стоунхенджа указывают на точки восхода и захода Солнца на небосводе в дни солнцестояний и равноденствий. Точно так же отмечены в Стоунхендже точки восхода и захода Луны.

Древний Египет

Древняя египетская цивилизация возникла в плодородной долине Нила. За три тысячелетия до нашей эры египтяне преуспели в разработке календаря. На небе ими была выделена стройная система групп звезд, которые служили для предсказаний смены времен года и измерения времени ночью, когда нет Солнца. Они конструировали сложные астрономические приборы солнечные часы и водяные часы - клепсидры. Результаты наблюдений небесных светил находили отражение в религиозных верованиях и погребальных обрядах египтян, имели влияние на архитектуру и проникли в литературу.

В Древнем Египте усыпальницами фараонов служили гигантские каменные пирамиды, которые причисляли к семи чудесам света. При возведении пирамид их ориентация и взаимное расположение определялись по астрономическим данным.

Древний Вавилон

Вавилонские жрецы проникая в тайны окружающего мира, первыми взяли на вооружение число и меру. В результате тщательных наблюдений за движением Солнца по небосводу они разделили окружность на 360 град. Смещение Солнца на величину его диска, т. е. угол, под которым видны два как бы "сложенных" рядом солнечных диска, вавилоняне считали одним "шагом Солнца". Полный круговорот Солнца по небосводу состоит ровно из 360 таких "шагов".

Школьники всех стран мира сегодня прилежно изучают вавилонскую шестидесятеричную систему счета. Не может быть, воскликнете вы. Но в действительности это именно так и есть. По этой системе целое делится на 60 частей. Деление градуса на 60 минут, а минуты на 60 секунд - это и есть применение на практике шестидесятеричной системы. Так же поделены часы и минуты времени.

Античная астрономия

Наиболее важным научным центром античного мира стал город Александрия основанный в дельте Нила при Александре Македонском. В Алекстандии возникло невиданное ранее учреждение - Храм Муз - Музей, или, в греческом произношении, Мусейон, который дал кров всем приглашенным в столицу Египта знаменитостям. Они писали книги, изобретали, строили приборы, упражнялись в ораторском искусстве.

Самой притягательной силой Храма Муз, которая влекла к себе ученых со всех концов античного мира, стала Александрийская библиотека. В годы расцвета библиотеки в ней насчитывалось свыше полумиллиона рукописей.

В Александрии первыми в античном мире выполняли наблюдения полжений звезд Аристипп и Тимохарис. Там же работал и Аристарх Самосский, который утверждал, что Земля обращается вокруг Солнца; его мысль была гениальной догадкой. В 134 г. до н.э. Гиппарх отметил на небе вспышку Новой звезды в создвездии Скорпиона. считается что именно это навело его на мысль составить для потомков подробный каталог с возможно более точным указанием положений на небе около тысячи звезд. Наконец, во II в.н.э. в Александрии жил и работал величайший из астрономов древности Клавдий Птолемей. Он искуснейшим образом систематизировал все предшествующие астрономические знания и подробным образом изложил их в уникальном труде "Великое математическое простроения астрономии в XIII книгах".

Страны ислама

Наследие античного мира было сохранено и приумножено арабоязычными учеными стран ислама. Подобно заботливой няне, бережно отпаивающей молоком зачахшего от тяжелой болезни ребенка, ученые арабского мира сберегали от дальнейшего уничтожения и воспроизводили древние приборы, рукописи, изучали методы наблюдений, применявшиеся античными авторами. Они переводили на арабский язык сочинения греческих мыслителей составляли комментарии, писали учебники. Но работа арабских ученых не сводилась к простому копированию чужих исследований. Они строили обсерватории, конструировали новые приборы, выполняли многочисленные самостоятельные наблюдения.

В XV в. правитель Самарканда Улугбек соорудил обсерваторию, равной которой история до него еще не знала. Чтобы не возводить чересчур высокого здания, строители поместили нижнюю часть вертикального измерительного круга в траншею, уходящую в скальный грунт на глубину 11 м. Надземная часть этого угломерного инструмента высотой около 30 м была выложена из кирпича. Раскопки открыли сохранившуюся часть удивительной астрономической обсерватории Улугбека.

Древние цивилизации Америки

Долгое время история науки страдала хроническим "европоцентризмом". Вся история человечества рисовалась лишь как история европейской культуры. Между тем, огромный вклад в сокровищницу общечеловеческой цивилизации внесли народы других континентов. Астрономия получила большое развитие у коренных жителей американского континента -майя, инков ацтеков. Храмы ацтеков, опустошенные нашествиями испанских и португальских конкистадоров, доныне хранять многие тайны этой погибшей цивилизации.

Каменный календарь ацтеков или Солнечный камень был обнаружен во время мощения площади Плаца Майор в городе Мехико. С 1885 г. выставлен в Национальном музее. Базальтовый монолит масой 25 т. высеченный в форме круга диаметром более 3,5 м. служит уникальным памятником астрономической культуры древних обитателей Мексики.

Средневековый Китай

Богатую историю имеет наука о звездах в Китае, Корее, Японии, других странах Дальнего Востока. В Древнем Китае, например, первая астрономическая обсерватория была оборудована за 1100 лет до н.э. На ее месте поныне сохранились остатки старинного гномона - древнейшего астрономического прибора, построенного здесь в VII в. до н.э. Записи на каменных плитах свидетельствуют о последующих перестройках этой обсерватории.

Китайские астрономы составляли календари и с этой целью вели непрерывные наблюдения, отмечая все происходящее на небе явления. Подробные китайские летописи послужили материалом для изучения комет, новых и сверхновых звезд.

Подобно вавилонянам, китайские ученые использовали наблюдения звезд и планет для астрологических предсказаний. Один из авторов первого звездного каталога астроном Ши Шень, высказывает о своем астрономическом труде такие соображения:

"Если государь не мудр и властью пользуются министры, Луна сбивается с пути. Если высшие чиновники ставять свои личные интересы выше своих обязанностей, Луна отклоняется к северу или к югу. Если Луна движется быстро, это бывает потому. что государь медлит с наказанием, когда Луна замедляет движение, это происходит потому, что государь скор на расправу".

Астрономия на Руси

Пристальный интерес к астрономии возникает в России в эпоху реформ Петра I. Большой вклад в ее развитие внес сподвижник Петра I Яков Вили-мович Брюс. В 1702 г. для нужд учрежденной Петром школы "математических и навигацких хитросно искусств учения" он оборудовал обсерваторию в Москве на Сухаревой башне. В 1715 г. Навигацкая школа преобразуется в Морскую академию и переводится в Петербург, где Брюс вновь организует обсерваторию.

В 1726 г., уже после смерти Петра I, в Петербурге открывается астрономическая обсерватория Петербургской академии наук, для которой на здании академии на Васильевском острове, где находилась и Кунсткамера, была возведена специальная трехъярусная башня.

Сегодня никто из нас не испытывает затруднений с определением текущего дня недели. Для этого достаточно заглянуть в календарь. А разных календарей выпускается и продается во всех странах великое множестро.

Дни недели показывают даже современные наручные часы. В древности же определение дня недели было задачей не из простых. На Руси имели хождение разные правила для календарных расчетов. Часто расчеты для удобства выполнялись на раскрытой ладони, где мысленно размещались необходимые буквы и числа. Отсюда и возникло название вруцелето - способ держать лето, т.е. целый год в руке.

Новое место во Вселенной

В ХIV-ХVI вв. в исторической судьбе средневековой Европы наступает период, который мы называем эпохой Возрождения. Европейцы заново открывают для себя величие погибшей античной культуры. Сковывавшие каждый шаг человека жесткие религиозные традиции ослабевают. В центре внимания общества оказывается не фанатик веры и аскет, а человек духовно богатый и физически сильный, с его стремлением к подвигу и познанию истины. С изобретением книгопечатания люди зачитываются произведениями великих гуманистов. Европейские мореплаватели открывают новые моря, посещают незнакомые страны и материки.

Среди титанов эпохи Возрождения имена Леонардо да Винчи, Колумба, Магеллана, Васко да Гама, Микеланджело и Рафаэля. Эпохе Возрождения принадлежал и гениальный астроном Николай Коперник.

Как начертано на одном из памятников ученому, Коперник "остановил Солнце и двинул Землю". Он поколебал религиозную веру в то, что Вселенная создана в угоду человеку и Земля покоится неподвижно в центре мироздания. Он учил, что Земля всего-навсего одна из планет, обращающихся вокруг Солнца. Так в эпоху Возрождения человек обрел для себя новое место во Вселенной.

Астрономия - точная наука

Сколько же мужества потребовалось Копернику, чтобы поверили в его проавот и позволили издать книгу со взглядами, что не Земля, а Солнце находится в центре мира. Проблема мироздания благодаря Копернику захватила умы ученых на рубеже XVI и XVII вв. Его идеи противоречили религиозным догмам и считались крамольными. Несколько десятилетий после смерти автора они вызывали нарекания и возражения. Но их взяли на вооружение творцы новой науки - Джордано Бруно, Иоганн Кеплер, Галилео Галилей.

В 1572 г. на небе в созвездие Кассиопея вспыхнула странная новая звезда. Она окончательно смутила душу молодого датского дворянина Тихо Браге. На полученном от датского короля во владение острове Вен, он возвел две обсерватории. Одну из них он назвал Ураниборг - "дворец астраномии" и наблюдал в ней сам. Вторую же - Стеньерборг она представлял своим многочисленным ассистентам и ученикам.

Тихо оснастил обе обсерватории десятками точнейших астрономических инструментов собственной конструкции. После кончины Тихо Браге сундук с наблюдениями достался его новому помощнику Иоганну Кеплеру.

Иоганн Кеплер всю свою сознательную жизньс беспримерным упорством искал гармонию мира и его частей, мечтал выразить числом и мерой совокупность природных явления. Многое из того, что вдохновляло Каплера оказалось ложным.

Но материалы многочисленных наблюдений датского астронома Тихо Браге позволили Кеплеру сделать открытия в астрономии.

Восемь лет после смерти Тихо императорский математик Кеплер, не получавший ни гроша за свою работу от императора, перебивавшийся составлением гороскопов и случайными заработками, живший впроголодь в вопиющей бедности, искал по наблюдениям Тихо законы движения Марса. И он нашел то, что искал. Кеплер первым действительно нашел законы, которым подчиняются движения планет.

Эти законы до наших дней широко используются в астрономии и носят название трех законов Кеплера. А за Кеплером утвердилась слава "законодателя неба".

Первый закон Кеплера: каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.

Второй закон Кеплера: планеты движутся по своим орбитам с переменной скоростью таким образом, что площади, описываемые радиусом-вектором от центра Солнца до планеты за равные промежутки времени, оказываются равными.

Третий закон Кеплера: квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца пропорциональны кубам больших полуосей их орбит.

Эра телескопов

Галилей не был изобретателем подзорной трубы. Он услышал о ней, сам соорудил для себя такую трубу и с осени 1609 г. широко использовал для астрономических целей. Даже скромного увеличения галилеевой трубы хватило, чтобы тотчас сделать несколько потрясающих открытий.

Он обнаружил, что поверхность Луны очень неровная. Как и на Земле, там есть горы и долины. Неожиданно была раскрыта тайна Млечного Пути. Оказалось, что это вовсе не туманное сияние, порожденное атмосферой, а скопление громадного множества слабых звезд. В январе 1610 г Галилей открывает сразу 4 спутника Юпитера.

С помощью телескопа Галилей замечает, что планета Венера "подражает" Луне: она . меняет свой вид. Смена фаз Венеры служит решающим доказательством того, что она, в соответствии со взглядами Коперника, действительно обращается вокруг Солнца. Галилей открывает пятна на Солнце и убеждается, что Солнце вращается вокруг своей оси.

Галилео Галилей вместе с Джордано Бруно и Иоганном Кеплером принадлежат к когорте самых ярких деятелей научной революции, которая произошла в Европе на рубеже XVI и XVII вв. В ходе этой революции резко изменилось положение науки в обществе, цели науки, средства их достижения, весь арсенал идеалов и норм научного творчества. Наука отказалась от многих закостеневших представлений. Научные идеи стали проверяться экспериментами и строгими математическими расчетами. Получил распространение лозунг, провозглашенный Ф.Бэконом: "Знание сила", и науку стали широко привлекать для решения практических задач. Процессы, начавшиеся в астрономии, открыли дорогу для невиданного ранее прогресса всего естествознания.

После открытий Галилея становится ясно, что для изучения неба нужно строить большие телескопы. Строительством огромных "воздушных" телескопов прославился польский астроном-наблюдатель, богатый купец из города Гданьска Ян Гевелий.

Крупнейший из телескопов Гевелия пришлось устанавливать за городом, укрепив на специальной мачте высотой в 30 м. В длину он достигал 45 м. "Воздушными" такие телескопы называли потому, что они не имели сплошной трубы.

Закон всемирного тяготения

Завершал научную революцию XVII в. великий британский ученый Исаак Ньютон. Он широко известен своими работами в области механики и оптики, разработал основы дифференциального и интегрального исчислений, далеко двинул вперед многие разделы математики и физики. И малой доли этих работ хватило бы, чтобы увековечить имя любого ученого. Но Ньютону принадлежит еще одна заслуга, которая затмила все остальные: он сформулировал закон всемирного тяготения, который управляет движениями тел. Этому закону подчиняется и падение яблока, и вращение Луны вокруг Земли.

Закон всемирного тяготения гласит: все тела притягиваются друг к другу с силой прямо пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Все три закона Кеплера оказались следствиями закона всемирного тяготения.

Этот закон стал основой новой физики. Но наибольшее влияние он оказал именно на развитие астрономии. Изучение движения небесных тел на основе закона всемирного тяготения и классической механики стало особой ветвью астрономической науки - небесной механикой.

Из закона всемирного тяготения следовало, что вращающаяся Земля должна иметь форму слегка сплюснутого у полюсов шара. Противники же Ньютона, особенно во Франции, утверждали, что Земля имеет форму яйца. Споры по этому поводу продолжались не одно десятилетие, и разрешить их окончательно могли только точные астрономические и геодезические измерения на разных широтах: как можно ближе к полюсу и как можно ближе к экватору. Эти работы были выполнены экспедициями Парижской Академии наук в первой половине XVIII в. и привели к полному торжеству закона всемирного тяготения.

Лучшие вычислители Франции на основе закона всемирного тяготения составили к 1758 г. для кометы Галлея "расписание движения", и комета не обманула ожиданий. Она появилась на земном небосклоне как хороший поезд без нарушения установленного "графика".

То было очередной значительной победой закона всемирного тяготения. Благодаря закону всемирного тяготения по небольшим уклонениям в движении планеты Уран удалось теоретически вычислить положение еще одной никому не известной планеты Солнечной системы.

Так осенью 1846 г. была действительно открыта планета Нептун. Это было триумфом небесной механики, и никаких сомнений в справедливости закона.

За пределы солнечной системы

Вильям Гершель тысячи раз направлял свой телескоп в разные участки неба и тщательно подсчитывал, сколько звезд попало одновременно в его поле зрения. За полученными подсчетами - вставала важная закономерность. Оказалось, что видимые на небе звезды не разбросаны хаотично, а образуют гигантскую звездную систему. От греческого слова галактикос - млечный - звездная система, основу которой составляет Млечный Путь, получила название Галактики.

В. Гершель, впервые дал представление о форме Галактики. Благодаря работам Гершеля в XVIII в. из астрономии выделилась еще одна область исследований, получившая название звездная астрономия. Этот отдел астрономии занимается изучением строения и развития нашей Галактики и других звездных систем.

Телескопы Гершеля не имели такой длины, как трубы Гевелия. Но зато у них были огромные объективы, которые позволяли Гершелю наблюдать очень слабые объекты. Самый крупный из зеркальных телескопов Гершеля имел в качестве объектива зеркало поперечником 120 см при сравнительно короткой трубе - 12 м. Вверх-вниз телескоп двигался с помощью блоков, а вправо-влево поворачивался на специальной платформе.

Астрономия XIX в. обязана своим прогрессом деятельности двух выдающихся ученых: Фридриха Вильгельма Бесселя в Германии и В. Я. Струве в России. Им обоим практически одновременно удалось впервые измерить расстояния до звезд.

В 1839 г. сбылось мечта В. Я. Струве. Полный состав Академии наук, дипломатический корпус и многочисленные гости собираются на торжественное открытие новой обсерватории. Разместилась она вблизи тогдашней столицы Петербурга, в 18 км к югу от Зимнего дворца, на одном из Пулковских холмов.

Пулковская обсерватория отпраздновала свое 150-летие. За эти годы ее работа прерывалась лишь во время Великой Отечественной войны, когда линия фронта проходила по территории обсерватории. От построек обсерватории не осталось, камня на камне. На стороне холма, обращенной к Санкт-Петербургу, уцелело только небольшое кладбище, где похоронены пулковские астрономы, начиная с основателя обсерватории В. Я. Струве.

После войны, невзирая на трудное для страны время, в память о славе Пулковской обсерватории ее архитектурный облик был полностью восстановлен в том виде, как его задумал известный русский зодчий А. П. Брюллов, брат знаменитого живописца. Было сделано только одно отступление: вместо старинных деревянных куполов над башнями телескопов установили современные металлические купола сферической формы.

Рождение астрофизики

Исаак Ньютон с помощью стеклянной призмы расщепил солнечный луч на радужную полоску-спектр. Вильям Гершель, измеряя температуру разных участков солнечного спектра, открыл присутствие невидимых лучей за его красным краем. Они получили название инфракрасных.

Вскоре невидимые глазом лучи были обнаружены также и за фиолетовым краем, - их стали называть ультрафиолетовыми. Из вестны еще невидимые рентгеновские лучи. При распаде радиоактивных веществ образуются гамма-лучи. И, наконец, каждый слышал о радио волнах.

Физики показали, что все перечисленные выше излучения имеют одинаковую сущность. Это электромагнитные колебания или же электромагнитные волны. Они отличаются друг от друга длинами волн. Спектр видимого света - лишь узенький участок полного спектра электромагнитных колебаний разных длин волн.

Звезды во Вселенной излучают не только видимый свет. Их излучение распределено практически по всему спектру электромагнитных волн.

Первые фотографии небесных тел

Изучение спектров Солнца и звезд привело к потрясающим открытиям. Мы узнали о химическом составе звезд, их температуре, скорости движения в пространстве. Спектральный анализ в конце XIX в. дал толчок бурному развитию еще одного нового раздела астрономии, который получил название астрофизики.

Другим мощным стимулом развития астрофизики в XIX в. послужило изобретение фотографии. Так случилось, что первое в мире публичное сообщение об изобретении фотографии 19 августа 1839 г. сделал именно астроном. Астрономы всего мира тотчас оценили великое значение фотографии для науки. Уже в 1840 г. были получены первые фотографии Луны, а следом за этим фотографическая пластинка была применена для регистрации спектров. Фотокамера в совокупности с телескопом стала незаменимым астрономическим прибором.

Качество телескопов и качество фотографических пластинок неуклонно росло, позволяя астрономам открывать такие подробности в строении других небесных тел, о которых прежде нельзя было даже мечтать. Перед началом космической эры фотографии Луны, например, допускали исследование деталей ее поверхности размерами всего в 200 - 300 метров, т.е. на Луне, если бы он там существовал, можно было бы обнаружить обыкновенный стадион.

За границей земной атмосферы

На протяжении тысячелетий астрономы даже не догадывались, что существует возможность наблюдать нечто, отличное от видимого света. Дело в том, что атмосфера Земли поглощает идущее к ней излучение почти всех длин волн, за двумя исключениями. Во-первых, она почти полностью пропускает видимый свет. Это одно, так называемое, "окно прозрачности" атмосферы. Второе "окно прозрачности" приходится на часть радиодиапазона. С развитием радиотехники в середине XX в. у астрономов появилась возможность воспользоваться этим вторым "окном". Так родилась радиоастрономия. Излучения всех остальных длин волн из мирового пространства наблюдать с поверхности Земли никак нельзя.

Смысл работы астрономов заключается в анализе электромагнитного излучения от других небесных тел. Но толща атмосферы Земли препятствует такой работе. Во-первых, атмосфера рассеивает солнечные лучи, и утром с появлением Солнца небо на Земле становится голубым: рассеянный свет мешает наблюдать слабые объекты. Во-вторых, в толще атмосферы световые лучи искривляются, и светила оказываются как бы смещенными со своих реальных мест; вдобавок к этому из-за воздушных течений в атмосфере они еще дрожат и мерцают. И, наконец, в-третьих, атмосфера поглощает все электромагнитные излучения вне "окон прозрачности".

Для астрономов оставался один-единственный путь прогресса - поднять свои приборы выше атмосферы, туда, где нет воздуха. Но туда, где нет воздуха, не могут взмыть ни воздушные шары, ни дирижабли, ни самолеты. Так судьба астрономии оказалась неразрывно связанной с летательными аппаратами, которые могут преодолеть земное притяжение и улететь выше воздушной оболочки Земли. Будущее астрономии попало в зависимость от прогресса космонавтики.

(А. А. Гурштейн)