О времени, пространстве и других вещах. От египетских календарей до квантовой физики - Айзек Азимов

Ситуация не дает возможности астрономам (так же как и простым смертным, любителям красоты) насладиться загадочным зрелищем, потому что, во-первых, полное затмение длится всего несколько минут, а во-вторых, его можно наблюдать только с небольшого участка земной поверхности, куда падает узкая тень Луны.

Между прочим, мы наблюдаем значительно меньше затмений, чем могли бы. Затмение Солнца происходит, когда Лупа находится между Землей и Солнцем. Но это происходит каждое новолуние. Ведь в действительности Луна становится «новой», потому что занимает место между нами и Солнцем таким образом, что ее противоположная сторона (которую мы не видим) освещается солнечными лучами, а нам остается лицезреть очень тонкую светлую полоску с одного края Луны — молодой месяц. В году 12 новолуний (иногда 13), и мы должны видеть каждый год 12 солнечных затмений (иногда 13). Разве нет?

Конечно нет. Мы наблюдаем каждый год не более пяти солнечных затмений, причем они видны с разных, удаленных друг от друга участков земной поверхности. Иногда их число уменьшается до двух. Что же происходит с остальными? Давайте рассмотрим этот вопрос.

Орбита, по которой Земля движется вокруг Солнца, лежит в одной плоскости. Солнце также располагается в этой плоскости. (Это не совпадение, а следствие действия закона всемирного тяготения.)

Представьте себе, что плоскость земной орбиты переместилась далеко к звездам. Тогда мы, стоя на Земле, увидим, что она рассечет небесную сферу на две равные половины. Линия пересечения образует на небесной сфере большой круг. Это линия эклиптики.

Разумеется, эта линия воображаемая и в действительности не видна. Тем не менее, ее положение довольно легко себе представить, используя в качестве ориентира Солнце. Плоскость земной орбиты проходит через Солнце, и, глядя на светило, мы смотрим вдоль этой плоскости. Солнце всегда находится на линии эклиптики. Поэтому, чтобы представить ее на звездном фоне, достаточно проследить путь Солнца по небу. (Я имею в виду не дневной путь с востока на запад, который является отражением вращения Земли, а его ночной путь но звездному небу, отражающий поворот Земли вокруг Солнца.)

Когда Солнце светит в небе, звезды не видны — они закрыты от нас рассеянным солнечным светом, окрашивающим небо в голубой цвет. Как же тогда определить положение Солнца относительно звезд?

Наблюдая ночное небо на протяжении года, можно нанести на карты все звезды вдоль линии эклиптики. После этого появляется возможность рассчитать положение Солнца по отношению к звездам в каждый конкретный день.

Если вы сделаете макет небесной сферы, например возьмете глобус и нанесете на него звезды, то сможете без особого груда изобразить на нем большой круг, по которому движется Солнце. Время, которое требуется Солнцу, чтобы совершить полный оборот по линии эклиптики (видимой), — примерно 3651/4 суток. Именно таким образом определяется год.

Луна движется вокруг Земли по эллиптической орбите, также лежащей в одной плоскости. Плоскость, в которой расположена ее орбита, проходит через Землю. Глядя на Луну, мы смотрим вдоль этой плоскости. Даже когда Луна светит в небе, звезды видны, поэтому обозначить путь Луны значительно проще. Время, за которое Луна совершает свой путь, равно примерно 271/3 суток. Так определяется звездный месяц (см. главу 6).

Итак, если плоскость лунной орбиты вокруг Земли совпадает с плоскостью земной орбиты вокруг Солнца, то Луна и Солнце проследуют по одинаковой траектории относительно звезд. Вообразите, что они наблюдают за движением светил с одной позиции в небе. Луна опишет полную окружность по линии эклиптики за 28 суток, затем проведет полтора дополнительных дня, догоняя Солнце, которое тоже движется, по значительно медленнее. Каждые 29,5 дней будет новая Луна и солнечное затмение.

Более того, один раз в 29,5 дней Лупа будет полной. Это произойдет, когда Луна будет находиться точно с противоположной стороны от Солнца, гак что мы сможем видеть се видимое полушарие целиком. Но в это время Луна должна заходить в тень Земли, и наступит полное затмение Луны.

Но это не происходит регулярно один раз в 29,5 дней, потому что плоскость лунной орбиты вокруг Земли не совпадает с плоскостью земной орбиты вокруг Солнца. Между этими двумя плоскостями существует угол 5°8′ (308’). Два больших круга, если их нанести на небесную сферу, будут расположены но отношению друг к другу с небольшим наклоном. Они пересекутся в двух диаметрально противоположных точках, называемых узлами или точками пересечения орбит. Максимальное расстояние между ними будет в середине между точками пересечения.

Если измерить угловое расстояние между точками максимального удаления лунного пути от линии эклиптики, оно составит 308 минут. Эта величина составляет почти десятикратно увеличенный видимый диаметр Солнца или Луны. Это означает, что, если Луна догонит Солнце в точке максимального удаления, между ними останется достаточно места, чтобы в ряд поместились еще девять небесных тел, каждое из которых имеет видимые размеры Луны или Солнца.

Поэтому в большинстве случаев Луна, догоняя Солнце, проходит над или под ним на достаточно большом удалении, и затмения не наблюдается.

Разумеется, если Луне случится догнать Солнце в точке, расположенной поблизости от точки пересечения орбит, затмение будет иметь место, но это происходит, как я уже говорил, от двух до пяти раз в год. Если математически описать движение Солнца и Луны, можно предсказать затмения в будущем и вычислить, когда они имели место в прошлом, а также точно определить места на Земле, где это явление наблюдалось или будет наблюдаться.

Геродот поведал нам об ионийском философе Фалесе, который предсказал затмение, подоспевшее вовремя, чтобы остановить сражение между лидийцами и медийцами. (При явном проявлении божественного недовольства, согласитесь, продолжать войну не было никакого смысла.) Сражение происходило в Малой Азии примерно в 600 году до и. э., а астрономические расчеты показывают, что полное затмение Солнца было видно именно с территории Малой Азии 28 мая 585 года до н. э. Прекращенная вмешательством свыше битва, таким образом, является одним из самых ранних событий в древнейшей истории, дата которых известна с высокой степенью достоверности.

В глубокой древности человечество использовало эклиптику не только для наблюдения за затмениями. Это был своеобразный вечный календарь, изображенный на небе.

Первые календари основывались на движении Луны, которая, двигаясь но небу, проходит ряд фазовых превращений: 29 дней, которые проходят от новолуния до новолуния, — это синодический месяц (см. главу 6).

Проблема заключалась в том, что в странах достаточно развитых, чтобы иметь собственный календарь, существовал ряд важных периодических явлений (разлив Нила, наступление сезонных дождей или сезонных холодов), которые не согласовывались с синодическим месяцем. От разлива до разлива Нила, в частности, проходило не целое число месяцев. Средний промежуток составлял 12–13 месяцев.

В Египте заметили, что средний интервал между разливами совпадает с одним полным оборотом Солнца (годом). Результатом явился календарь, в котором год делился на месяцы. В Вавилоне, а также у греков и иудеев месяцы были неразрывно связаны с Луной, и год состоял из 12 или 13 месяцев, располагавшихся в порядке, повторявшемся каждые 19 лет. Таким образом, годы приводились в соответствие с сезонами, а месяцы — с фазами Луны. Но отдельные годы имели разную продолжительность (см. главу 1).

Египтяне, римляне, а затем и мы оставили Луну в покое и решили считать все годы одинаковой длины, разделив их на 12 месяцев. Календарный месяц длится 301/2 суток вместо 291/2 суток синодического месяца. Это значит, что месяцы больше не «шагают в ногу» с фазами Луны, но человечество как-то пережило этот факт.

Движение Солнца вдоль линии эклиптики воплощало календарь. Поскольку год (один полный оборот) делился па 12 месяцев, показалось вполне естественным разделить и линию эклиптики на 12 участков. Через 12 месяцев Солнце возвращается к первому участку.

Каждый участок эклиптики имеет собственный набор звезд. Что может отличать друг от друга эти участки? Если на одном участке имеется четыре звезды, расположенные в вершинах воображаемого квадрата, его можно назвать квадратным, другой участок получал название V-образного, третий — большого треугольного и т. д.

К несчастью, большинство людей не обладают ясным и четким математическим мышлением и чаще видят сложные фигуры, чем простые формы. Группу звезд, расположенную в форме буквы V, можно представить в виде головы быка с рогами. Вавилоняне придумали воображаемые образы для каждого участка эклиптики, а греки воспользовались ими, дав каждому греческое имя. Римляне, в свою очередь, дали им латинские имена, дошедшие до нас.