Текст книги "Часы, по которым мы живем. От солнечных часов до лунного календаря"

Автор книги: Айзек Азимов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 10 страниц)

ВРАЩЕНИЕ СОЛНЦА

Мы рассмотрели Землю как объект, который вращается в пространстве и не совершает других движений. Но это, конечно, не так. Земля совершает другие движения. Она вращается вокруг Солнца, причем время вращения Земли вокруг Солнца составляет один год.

^{Видимое движение Солнца} 

Давайте рассмотрим, что это значит.

Представьте, что Земли вращается в пространстве вместе с небольшим стержнем, выходящим из ее центра. В какой-то момент стержень направлен точно в центр Солнца и на звезду, которая находится прямо за центром Солнца. Затем представьте, что Земля совершает вращение вокруг своей оси с запада на восток. Стержень вращался бы вместе с Землей и при завершении суток снова указывал бы на звезду.

Но во время своего поворота Земля проходит расстояние, равное вращению вокруг Солнца. (Если представить себя смотрящим издалека вниз на Землю, когда Солнце находится на далеком расстоянии над Северным полюсом, то показалось бы, что Земля вращается вокруг своей оси против часовой стрелки, то есть в направлении противоположном направлению вращения стрелок на часах. Земля вращалась бы вокруг Солнца также против часовой стрелки.)

Движение Земли вокруг Солнца во время суточного вращения никак не повлияло бы на ее положение относительно звезды, которая находится очень далеко. Но Солнце, находящееся значительно ближе, в результате движения Земли уходило бы чуть назад, в отличие от звезды, (Возможно, вы наблюдали нечто подобное из окна движущегося поезда. Дом на горизонте «путешествует» вместе с вами. А дом недалеко от поезда кажется движущимся назад.)

Когда стержень на Земле снова указывает на звезду, кажется, что Солнце перемещается чуть назад (то есть на восток). Земля должна поворачиваться еще 4 минуты до того момента, как стержень снова покажет на Солнце. Это 4-минутная разница между звездными и солнечными сутками, о чем я ранее уже упоминал. Можно создать часы, чтобы укороченные 24 часа точно соответствовали одним звездным суткам. Такие часы показывают звездное время, укорачивая сутки на 4 минуты в день и один полный день каждый год. На таких часах каждый день определенная звезда находится в зените в одно и то же время.

Таким же образом вращение Луны вокруг Земли можно начать рассматривать в такой момент, когда линия, соединяющая Землю и Луну, будет указывать на Солнце и находящуюся за ней определенную звезду. (Луна также поворачивается вокруг Земли против часовой стрелки, если смотреть с Северного полюса.) После полного оборота, совершаемого почти за 27¹/₃ дней, линия, идущая от Земли к Луне, снова указывает на звезду. Но за это время Солнце значительно «отстанет» из-за вращения Земли вокруг него. (Луна сопровождает Землю в ее путешествиях вокруг Солнца.) Луне придется путешествовать но своей орбите еще два дня, чтобы выстроиться в линию с Солнцем. В этом причина разницы между звездным и синодическим месяцами.

Следует сказать еще кое-что о скоростях вращения. Как я говорил, Земля вращается вокруг своей осы с почти одинаковой скоростью, что нельзя сказать о скорости вращения вокруг Солнца, Скорость вращения была бы абсолютно одинаковой, если бы Земля вращалась вокруг Солнца по совершенному кругу, но он не такой. Ее путь совершается по эллипсу, который представляет собой «приплюснутый круг». Это значит, что иногда Земля находится ближе к Солнцу (около 3%). В этом случае она быстрее вращается вокруг Солнца, чем когда находится сравнительно дальше от него.

Когда Земля вращается быстрее обычного, то кажется, что Солнце перемещается на восток чуть больше обычного, замедляется в своем ежедневном движении по небу на запад и позже приходит в зенит. Когда Земля вращается медленнее обычного, имеет место обратная картина. Солнце перемещается на восток меньше, получает «преимущество» в своем ежедневном путешествии на запад и приходит в зенит раньше. По этой причине для определения полудня нам приходится отказываться от настоящего Солнца и использовать «среднее Солнце».

СОСТАВЛЕНИЕ ЗВЕЗДНОЙ КАРТЫ

Первые наблюдатели неба, конечно, не имели представления о вращении Земли вокруг Солнца. Но они замечали разницу между звездными и солнечными сутками. Кстати» первые длятся 23 часа 56 минут. Это значит, что определенная звезда, которая заняла бы свое место в полночь в одну ночь, на следующую оказалась бы там в 11:56 р.м., а на следующую после нее – в 11:52.

В действительности, древние не имели часов, которые могли бы измерить звездные сутки, определяя точное время, когда звезда пересекала меридиан в одну ночь и в следующую. Но поскольку они наблюдали небо ночь за ночью, разница в положении звезд в одно и то же время ночи становилась очевидной даже без часов. В результате звезда, приходившая в зенит в марте около полуночи, в июне была там сразу после заката Солнца, Не нужно часов, чтобы видеть, что звезда меняет местоположение по отношению к Солнцу.

Кажется, что каждую ночь все звезды плывут вперед на запад. Кажется, что весь небосвод плывет (за исключением Солнца, Луны и планет).

Звезды можно увидеть всегда на половине неба, противоположной той, где находится Солнце, В солнечной половине днем звезд не видно. Но поскольку небосвод день за днем медленно плывет на запад, на востоке сразу после заката Солнца появляются новые звезды, которые ранее был к спрятаны в солнечной половине. И они исчезают с рассветом, как только входят в солнечную половину.

Когда небосвод совершает полный круг, снова появляется первоначальное расположение звезд. На совершение такого полного круга уходит один год. Наблюдая в течение одного полного года за ночным небом, звезды можно увидеть в одно или другое время в течение всего кругооборота неба.

Поэтому можно сделать модель сферы и прикрепить к ней изображения всех звезд, даже если в какое-то время половина из них закрыта Солнцем. Такую звездную карту называют небесным глобусом или небесной сферой.

На таком небесном глобусе можно определить местоположение Солнца в любой день. Вы не можете видеть его положение по отношению к звездам, так как оно превосходит их слабое мерцание: кажется» что оно одно светит в небе. Но звезды можно увидеть ночью. Замечая, какие звезды находятся в небе в полночь, вы сможете определить местоположение Солнца, так как оно будет напротив этих звезд, (Например, когда на нулевом меридиане полночь, Солнце находится прямо над 180° меридианом, который на противоположной стороне нашего земного глобуса.)

Таким образом, можно точно указать ежедневное местоположение Солнца па небесном глобусе. В результате обнаружите, что Солнце совершает полный кругооборот вокруг небесного глобуса за 365¹ /₄ солнечных суток. В году 366¹/₄ звездных суток, ровно на одни сутки больше солнечных. В течение года 4-минутное расхождение каждого дня составляет один полный день.

Древние, наблюдая за движением Солнца по небу, не осознавали, что это было лишь видимое движение, обусловленное движением Земли вокруг Солнца. Они были уверены, что Солнце действительно двигалось и один раз в год делало круг вокруг Земли.

Без тщательного наблюдения довольно трудно точно определить время вращения. Древние вавилоняне подсчитали, что оно составляет 360 дней, а египтяне насчитали 365 дней.

Число 360 очень удобное для деления. Его можно ровно разделить на 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 20, 24, 30, 36, 40, 45, 60. 72, 90, 120 и 180. А число 365 можно разделить только на 5 и 73. Вавилоняне, возможно» решили, что удобство вычислений с числом 360 стоило небольшой ошибки.

Решив, что в году 360 дней, вавилоняне разделили круг и сферу на 360 градусов. Такое деление значит, что Солнце передвигается на восток (в отличие от звезд) лишь на 1º в день. Поскольку Солнце совершает полный круг за 365 дней, а не 360, оно ежедневно перемещается на 59 минут 10 секунд (обозначают 59'10”), но это фактически очень близко к 1º, так как 1º равен 60'.

ЖИВОТНЫЕ В НЕБЕ

Если вокруг небесного глобуса провести линию, по которой движется Солнце, то получите то, что называется эклиптикой. Это название обусловлено Луной.

На небесном глобусе также можно провести путь Луны по отношению к звездам. Линия ее пути сходна с линией пути Солнца, но не одинаковая. Пути Луны и Солнца пересекаются в двух точках на противоположных сторонах небесного глобуса. Эти точки пересечения называют узлами.

Луна и Солнце во время зарождения молодого месяца находятся достаточно далеко друг от друга. Но если Луна оказывается у одного из узлов или в близком соседстве, два тела занимают в небе одно и то же место, и Луна частично или полностью затмевает Солнце, Происходит солнечное затмение.

Так как затмение случается лишь тогда, когда Луна оказывается около траектории Солнца (у одного из узлов), линию пути Солнца называют эклиптикой.

Путь эклиптики проходит через определенные группы звезд, которые сегодня известны нам больше, чем любые другие созвездия.

Наблюдавшие за небом ранние вавилоняне были наделены творческим воображением, как все человеческие существа: они не хотели думать о звездах как о бессмысленных точках света. Они мысленно соединили эти точки, чтобы получить геометрические фигуры. Мы тоже можем сделать это, когда смотрим на небо. Есть Большая Медведица, которую образуют семь звезд, при соединении которых получаем ковш, а также Малая Медведица. Есть Южный Крест, Большой Квадрат, пять заметных звезд в форме W и так далее.

Китайцы, подобно грекам и другим нациям, также создали из звезд фигуры. Мы унаследовали именно греческую классификацию. Наделенные более творческим воображением, чем любые другие народы, жившие до или после них, греки заполнили небо тельцами, змеями, чашами» лирами и людьми, которые они получили при соединении звезд в созвездия.

Сейчас эклиптика проходит через 12 таких созвездий. Почему 12? Очевидно, что такая Классификация позволяет Солнцу проходить через созвездие каждый месяц, Эти созвездия но порядку: Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Весы, Скорпион, Стрелец, Козерог, Водолей и Рыбы.

Поскольку многие из этих созвездий представляют животных, этот список называют зодиак (от греческого слова, которое означает «круг животных»).

Линия пути Луны вокруг глобуса также проходит между этими 12 созвездиями. Кроме того, существуют 5 объектов, более ярких, чем звезды, которые также перемещаются на восток вокруг небесного глобуса. Это 5 планет, видимые невооруженным глазом: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн.

В древние времена было распространено мнение, что движущиеся небесные тела, Солнце, Луна и планеты, определенным образом влияют на людей. Считали, что местоположение Солнца в зодиаке в час рождения человека влияет на его характер. Он будет «Тельцом» или «Львом», что очень существенно. Местоположение Луны и планет во время рождения также использовали для предсказания событий жизни, счастливых и несчастливых дней и другого. Это называли составлением гороскопа. (Слово «гороскоп» греческого происхождения и означает «наблюдать за часом», то есть за местоположением планет, Луны и Солнца в час рождения человека.)

Этот способ «предсказания» называют астрологией, которую сейчас считают глупостью и суеверием. Но даже сегодня есть много людей, которые верят, что передвижения точек света в небе могут влиять на них. Большинство газет содержат колонки, которые дают астрологические предсказания на день; издается множество журналов, которые пишут только об астрологии.

Очень печально думать, что векам науки и образования не удалось искоренить это суеверие.

Но нужно быть честным и отдать должное астрологии. Астрологи древности и Средневековья очень внимательно наблюдали за небом, и их наблюдения сделали возможными достижения истинной науки о звездах, которую называют астрономией. Некоторые из первых истинных астрономов (как Иоганн Кеплер) составляли гороскопы, чтобы заработать деньги. Но это не является оправданием людской веры в астрологию.

Глава 6.
СОЛНЦЕ С СЕВЕРА ДО ЮГА

ЛИНИИ, ПОПЕРЕЧНЫЕ МЕРИДИАНАМ

Мы еще не объяснили времена года. Давайте вернемся к Земле, так как она перемещается и вращается по кругу.

Земля вращается вокруг воображаемой линии, проведенной через Землю. Эту линию называют земной осью; она выходит из Земли из двух точек на противоположных сторонах. Есть два полюса: один – Северный полюс, а другой – Южный полюс«.

Воображаемую линию, проведенную посередине между Северным и Южным полюсами вокруг Земли, называют экватором.

Сейчас представьте, что земная ось перпендикулярна линии, соединяющей Землю и Солнце: оно светит прямо на экватор. Человеку, живущему на экваторе, кажется, что Солнце каждый день всходит точно на востоке и садится точно на западе. Б полдень светило прямо над головой,

А для человека, живущего к северу от экватора, Солнце никогда не светит прямо над головой. В полдень оно находится чуть к югу от зенита – в направлении экватора. Если двигаться дальше на север от экватора, то полуденное Солнце перемешается дальше на юг.

Ситуация прямо противоположна, если вы живете на юге от экватора. Тогда полуденное Солнце появляется к северу от зенита (всегда в направлении экватора). Чем дальше вы находитесь от экватора на юг, том дальше на севере находится полуденное Солнце,

Древние греки, жившие к северу от экватора (в Северном полушарии) и никогда не путешествовавшие на юг, считали само собой разумеющимся, что в полдень Солнце всегда находится к югу от зенита. Великий греческий историк Геродот писал, что древние финикийцы, которые были великими мореплавателями, совершили экспедицию вокруг Африки. Они затем утверждали, что на южном краю Африки полуденное Солнце находится к северу от зенита. Геродот не мог в это поверить и насмехался над ними.

Скорее всего, финикийцы не придумали эту историю (она звучала бы слишком нелепо), а действительно приплыли в Южное полушарие (то есть к югу от экватора) и наблюдали это явление. Поэтому то, что убедило Геродота во лжи финикийцев, убеждает нас в обратном.

Но греки не знали, что при путешествии на север или юг Солнце и звезды перемещаются в противоположном направлении. Наблюдатели звезд интересовались их точным местоположением, поэтому провели на небе и на Земле воображаемые меридианы от Северного полюса до Южного. С их помощью они определяли расстояние с востока на запад, как я объяснил во 2-й главе.

Затем перпендикулярно меридианам провели линии на небе и Земле. Это впервые было сделано греческим географом Дикеархом около 300 года до новой эры. С помощью этих линий определяли расстояния на юг и север. Они начали с экватора, который был первой такой линией. (Это произошло спустя несколько веков после Геродота, когда греки узнали о географии чуть больше.) Затем параллельно экватору начали проводить другие линии в направлении севера и юга, пока не достигли полюсов.

Провели 90 таких линий от экватора до Северного полюса и еще 90 – от экватора до Южного полюса. Каждую линию, проходящую вокруг Земли параллельно экватору, назвали параллелью. (Слово «параллель»» латинского происхождения и означает сторону, так как на обычных картах с обозначенным сверху Северным полюсом линии необходимо было проводить от левой стороны к правой.) Расстояние между каждой из этих параллелей составляет 1º широты. Почему от экватора до полюсов 90º? Представьте себя отправившимся в путь от экватора и направляющимся на Северный полюс. Когда достигнете Северного полюса, пройдете 90º. Пересекаете полюс и движетесь вниз на противоположную сторону на юг к экватору – еще 90º. Пересекая экватор, движетесь вниз на Южный полюс – еще 90°. Через Южный полюс идете вверх к исходной стартовой точке на экваторе – еще 90º. Путешествие вокруг Земли через полюса составляет 4 x 90º или 360º; конечно, по кругу.

^{Штриховка Земли} 

Каждый градус широты разделен на 60 минут, а каждая минута – на 60 секунд,

Говорят, что точки к северу от экватора составляют столько-то градусов, минут и секунд северной широты. Точки на юг от экватора – градусы, минуты и секунды южной широты.

С помощью долготы и широты можно точно определить любую точку на поверхности Земли. Долгота указывает восточно-западное расположение, а широта – северо-южное. Таким образом, Нью-Йорк находится на 74º западной долготы и 40º северной широты; Лос-Анджелес – на 118º западной долготы и 34º северной широты; Лондон – на 0º долготы (ни на востоке, ни на западе, так как он находится на нулевом меридиане) и 51º30' северной широты.

НАКЛОННАЯ ОСЬ

Сейчас, когда Земля и небо наделены параллелями широты, широта полуденного Солнца, кажется, должна зависеть от широты наблюдателя.

Например (мы по-прежнему считаем, что Земля вращается вертикально и Солнце светит точно над экватором), для человека, находящегося в Лос-Анджелесе иа северной широте 34°, полуденное Солнце появлялось бы на 34º южнее зенита. Для жителя Нью-Йорка, который находится на 6º севернее Лос-Анджелеса, полуденное Солнце появлялось бы на 40° южнее зенита. Для жителя Лондона, располагающегося еще дальше на север, оно было бы на 51º30' южнее зенита.

На Северном полюсе, который находится на 90º северной широты, полуденное Солнце было бы на 90º южнее зенита. Поскольку 90° – это расстояние от зенита до горизонта, то получится, что полуденное Солнце находится на горизонте.

Для людей, живущих в южных широтах, ситуация была бы такой же, кроме тот, что полуденное Солнце оказалось бы намного севернее зенита.

Если бы все было так и земная ось находилась бы вертикально по отношению к Солнцу, день и ночь всегда бы были равны, независимо от вашего местонахождения на Земле. Граница дня и ночи проходила бы через оба полюса, и каждая точка на Земле, так как Земля вращается, половину своего времени проводила бы в дневной части, а половину – в ночной.

Но мы знаем, что это не так! День и ночь в большинстве случаев и в большинстве мест не равны.

Объяснение этому следующее: земная ось проходит не вертикально, как мы до сих пор предполагали, а наклонно! И она сохраняет наклонное положение без какого-либо изменения в течение всего года.

Теперь представьте, что Земля вращается вокруг Солнца, сохраняя наклон неизменным: Северный полюс из-за вращения Земли все дальше удаляется от Солнца.

^{Наклонная ось} 

(Вам легче представить это, если проткнете яблоко вязальной иглой» которая будет моделью земной оси. Чуть наклоните вязальную иглу и вращайте это яблоко вокруг другого яблока. При этом не меняйте направление наклона и посмотрите, как один конец вязальной иглы во время вращения уходит дальше от центра яблока.)

Наконец, спустя полгода с момента отправления от стартовой точки в противоположной точке орбиты Земли вокруг Солнца (орбита – слово латинского происхождения и означает «круг») уже Южный полюс находится ближе к Солнцу» а Северный – дальше от него. Так как Земля продолжает вращаться, ситуация медленно меняется на противоположную. Когда Земля возвращается к своей стартовой точке спустя год, Северный полюс снова находится ближе к Солнцу* Таким образом» в течение года полюса (поочередно) приближаются к Солнцу, затем удаляются от него.

На экваторе дни и ночи остаются равной продолжительности даже при наклоненной оси, хотя дальше от экватора иная ситуация. Когда Северный полюс обращен к Солнцу» в регионах, расположенных к северу от экватора, дни длиннее ночей, а в регионах, расположенных к югу от экватора, дни короче ночей. Когда Южный полюс обращен к Солнцу, ситуация противоположная. Более того, чем дальше от экватора, тем больше неравенство.

ВЗГЛЯД С ЗЕМЛИ

Как это видит некто, находясь в Нью– Йорке?

Наклон оси такой, что 21 июня Северный полюс находится максимально далеко от Солнца. В полдень нью-йоркское Солнце находится в небе довольно высоко – 16¹/₂º от зенита. Так как широта Нью-Йорка – 40º севернее экватора, то полуденное Солнце находилось бы на 40º южнее зенита без наклона оси.

Наклон должен составлять 40 – 16¹/₂º или 23¹/₂º. Такую величину (если быть более точным, 23º27') составляет угол, который образует земная ось с вертикалью.

Поэтому 21 июня Солнце светит в зените над параллелью 23¹/₂º северной широты (это около Гаваны на Кубе). Полуденное местоположение Солнца здесь самое удаленное.

Фактически, после 21 июня Северный полюс начинает удаляться от Солнца, а полуденное Солнце находится над более южными параллелями. Оно не поднимается после 22 июня, а с 23 июня начинает опускаться. Когда это происходит, в Нью-Йорке дни становятся короче, а ночи – длиннее.

Это продолжается до 23 сентября, когда полуденное Солнце в Нью-Йорке находится на 40° южнее зенита. Так как это широта Нью-Йорка, то Солнце находится точно над экватором. В это время день и ночь в Нью-Йорке (и фактически везде на Земле) равны, они длятся по 12 часов. Отсюда и название экватора; это слово латинского происхождения и означает «сделать равным».

^{Нью-Йоркское полуденное солнце}

День 23 сентября называют осенним равноденствием, поскольку дни становятся равными ночи после наступления осени.

Но Земля продолжает вращаться вокруг Солнца и после 23 сентября» Северный полюс все дальше уходит от Солнца, Из-за наклона оси полуденное Солнце оказывается южнее того местоположения, которое оно занимало бы, если бы Земля была вертикальной, Оно снова находилось бы в 40º от зенита в Нью-Йорке. Но с учетом наклона в Нью-Йорке угол составляет 40 плюс 23¹/₂º или 63¹/₂º южнее зенита, Это составляет чуть более ¹/₃ движения вверх от горизонта, поэтому 21 декабря – самый короткий день в году, а ночь самая длинная.

В это время года полуденное Солнце находится прямо над параллелью 23¹/₂º южной широты (около Рио-де-Жанейро в Бразилии).

Но сейчас Северный полюс максимально удален от Солнца, Так как Земля продолжает вращаться, полуденное Солнце начинает снова подниматься. Дни становятся длиннее, а ночи короче. В Нью-Йорке 20 марта полуденное Солнце снова находится в 40° от зенита. Солнце снова над экватором, и этот день называют днем весеннего равноденствия. (Латинское название весны «верная» – равноденствие возвещает о весне.)

Солнце продолжает подниматься, дни удлиняются, а ночи становятся короче до 21 июня, а затем весь цикл повторяется.

^{Солнце высоко и Солнце низко} 

Если изучать это но солнечным часам, то зимой и весной до 21 июня полуденная тень укорачивается, затем она, как нам кажется, останавливается и меняет направление. Летом и осенью до 21 декабря она удлиняется, затем, как нам кажется, останавливается и снова меняет направление. (Я упоминал это при описании северного и южного перемещения в главе 1.)

На самом деле эти изменения 21 июня и 21 декабря не являются неожиданными. В июне и декабре изменение длины тени очень небольшое; чтобы сказать, в какой день тень является самой короткой, необходимо тщательное наблюдение. Дни, когда кажется, что тень останавливается, называют солнцестоянием: 21 июня – летнее солнцестояние, а 21 декабря – зимнее солнцестояние.