Энциклопедия Кольера - археоастрономия
Археоастрономия
Стонхендж использовали как гигантский прибор для предсказания времени и места на небе определенных астрономических событий, в основном восходов и заходов Солнца, Луны и некоторых звезд.
См. также Стонхендж.
ВАВИЛОНСКАЯ, ШУМЕРСКАЯ И ЕГИПЕТСКАЯ АСТРОНОМИЯ
Доисторические люди, несомненно, использовали элементы практической астрономии для расчета сезонов и моментов различных астрономических событий. Антропологи зафиксировали множество таких обычаев и приемов даже у народов, не имевших письменности. Благодаря изобретению письменности сохранилось множество документальных свидетельств развития астрономии у великих речных цивилизаций, особенно Междуречья и Египта. Такой уровень развития астрономии достигнут, безусловно, благодаря сложной культуре этих цивилизаций. На клинописных табличках, сделанных около 1800 до н.э., сохранились записи моментов восхода Луны и ее первого появления в новолуние. Как и многие другие народы, вавилоняне вели лунный календарь и начинали отсчет дней месяца с первого появления лунного серпа в лучах вечерней зари. Его легко было заметить в ясную погоду, но предсказать наперед, в какой именно вечер появится молодая Луна, было непростой задачей. Этот прогноз зависит не только от таких очевидных факторов, как продолжительность месяца, но и от весьма сложного сезонного изменения угла между эклиптикой и западной частью горизонта. Одним из достижений шумерской, а затем вавилонской астрономии была разработка арифметического алгоритма для предсказания этого важнейшего явления. Венера заметный объект, часто наблюдаемый в сумерки на западе. Поэтому не удивительно, что вечерний заход и утренний восход Венеры также отмечались, а затем вычислялись и предсказывались. В самых ранних из сохранившихся табличек записаны также восходы, заходы и кульминации некоторых ярких звезд. Вавилоняне уделяли особое внимание звездам Зодиака полосы, проходящей вдоль видимого пути Солнца (эклиптики), в пределах которой перемещаются планеты. Они разделили Зодиак на 12 равных частей, назвав каждую из них именем ближайшего созвездия, и стали использовать угловые единицы, делившие небо на 360 частей (в основе системы счисления вавилонян лежало число 60).
См. также Созвездие; Зодиак. К 6 в н.э. вавилонская астрономия достигла высокого уровня. Была полностью решена проблема вычисления месяца и года, весьма осложненная тем обстоятельством, что периоды орбитального движения Луны и Земли не кратны друг другу, и поэтому лунный и солнечный календари не удается согласовать надолго.
См. также Календарь. Другими достижениями вавилонских математиков были предвычисления сезонного изменения продолжительности дня, положения и фаз Луны, положения ярких планет и даже наступления лунных затмений. Вавилонские вычисления основывались не на какой-либо теории истинного положения небесных тел, а лишь на регулярности их видимых перемещений. Таким образом, вавилонские теории были полностью арифметическими: находились повторяющиеся последовательности в записях чисел и делались попытки продолжить их в будущее. Эти теории примитивнее развитых позже греками геометрических теорий, хотя и не уступают им в точности. Египетская цивилизация существовала одновременно с вавилонской и достигла многого в области культуры, но к астрономии это не относилось. Вначале египтяне использовали лунный календарь, но вскоре отказались от него в пользу более простого, разделив год на 365 дней (12 месяцев по 30 дней плюс 5 праздничных дней в конце) и позволив солнечному календарю (т.е. сезонам года) расходиться с лунным календарем на четверть суток в год. Египтяне отмечали моменты восхода и захода ярких звезд, используя их для счета времени. Они также были отменными топографами: их пирамиды и прочие монументы изумительно точно (до нескольких угловых минут) ориентированы по сторонам света. Некоторые вентиляционные коридоры в пирамидах, вероятно, были ориентированы в точки верхней кульминации определенных звезд и могли служить визирными трубами.
ЭЛЛИНИСТИЧЕСКАЯ АСТРОНОМИЯ
Расцвет греческой (эллинистической) цивилизации в пору угасания вавилонской и египетской отмечен крупными изменениями в практической и теоретической астрономии. Греки переняли многие знания и учения предшествовавших цивилизаций, но изменили и систематизировали их в соответствии с новым взглядом на мир. Основанная на философии и космологии Платона и Аристотеля, имеющая теоретической базой геометрию греческих математиков, объединившая множество новых, зачастую более точных данных, астрономия Древней Греции стала развитой наблюдательной и теоретической дисциплиной и приобрела тот вид, который сохранился вплоть до эпохи Возрождения.
В ГРЕЧЕСКОЙ ГЕОЦЕНТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ Луна (A), Солнце (D) и планеты Меркурий (B), Венера (C), Марс (E), Юпитер (F) и Сатурн (G) движутся равномерно по окружностям X, называемым эпициклами, с центрами Y, также равномерно движущимися по большим окружностям, называемым деферентами, в центре которых находится Земля. Поскольку Меркурий и Венера никогда не удаляются от Солнца на большой угол, центры эпициклов этих планет и Солнца всегда лежат на одной прямой.Греки развили практические методы астрономии для мореплавания, отраженные в поэмах Гомера 9 и 8 вв. до н.э. (в нескольких местах этих поэм описаны приемы определения месяца и года, ведения календаря и счета времени). Греки поддерживали тесные торговые контакты с соседними странами, и когда у них начался расцвет философии и естествознания (часто именуемый "греческим чудом"), они смогли объединить достижения разных народов.
Открытие прецессии. Около 430 до н.э. было обнаружено, что продолжительность сезонов не одинакова. Для определения дат равноденствий греки отмечали дни, когда Солнце садится в точке запада. Вместо того, чтобы выбирать ближайшую звезду, от которой начинать деление Зодиака на 12 знаков (как это делали вавилоняне), они выбрали точку неба, через которую проходит Солнце в день весеннего равноденствия, пересекая небесный экватор. В то время эта точка находилась в созвездии Овна и поэтому была названа "первой точкой Овна". В течение нескольких столетий никаких видимых изменений не отмечалось, но затем наблюдатели заметили, что эта точка смещается на фоне звезд, и открыли таким образом предварение равноденствия прецессию.
См. также Небесная Сфера; Земля. Эфирные сферы и круговое движение. Используя греческие и старые вавилонские наблюдения, Евдокс Книдский (ок. 406 ок. 347 до н.э.) попытался создать геометрическую модель небесных явлений. Он представлял Землю покоящейся в центре, вокруг которого вращается несколько концентрических прозрачных сфер. На каждой из них зафиксирована планета (в число которых тогда включали Солнце и Луну). Некоторые из сфер несли на себе другие сферы с осью, смещенной на некоторый угол. На самой внешней сфере располагались все звезды, поскольку их взаимное расположение никогда не менялось. Каждая из сфер вращалась с постоянной скоростью (важное философское требование): например, каждая звезда совершала оборот за сутки. Подбирая скорости вращения, расположение сфер и углы взаимного наклона их осей, Евдокс мог воспроизводить основные небесные явления. Ему удалось объяснить даже такие сложные и загадочные движения, как обратные петли Марса, Юпитера и Сатурна на фоне звезд и колебания Меркурия и Венеры около Солнца. Позже Аристотель (ок. 384-322 до н.э.) включил эту теорию в свое учение, количество сфер возросло и превысило 50, но попытки Каллиппа (род. ок. 370 до н.э.) и других сделать теорию более точно соответствующей наблюдениям не дали результата. Вскоре от этой теории как от расчетной схемы отказались, но она сохранила важное значение как космологическая модель.
ЗОДИАКАЛЬНАЯ АРМИЛЛА (упрощенной схемы) впервые применена древними греками для измерения разностей эклиптических широт и долгот двух небесных объектов.Обобщенная космологическая система Аристотеля, доминировавшая на Западе около 2000 лет, утверждала одни физические принципы для подлунной сферы, а другие для небесной. Четыре элемента подлунной сферы земля, вода, воздух и огонь характеризовались естественным прямолинейным движением либо к занятому Землей центру Вселенной (тяжелые), либо от него (легкие). В отличие от этого эфир, единственный элемент небесной сферы, обладал естественным круговым движением. Все научные теории о поведении вещества то, что сейчас мы называем физикой, химией и даже геологией, произошли из аристотелевой системы естественных движений и естественных мест. Согласно Аристотелю, планеты прикреплены к эфирным сферам Евдокса, круговое движение которых следует из их небесной природы.
Гиппарх. Гиппарх с о. Родос (ранее 161 ок. 126 до н.э.) внес важный вклад в развитие астрономии. Он провел много точных наблюдений и сравнил их с результатами вавилонских и других астрономов. Составив новый каталог положений ярких звезд и сравнив его с предшествовавшими каталогами, он заметил, что эклиптические долготы всех звезд смещаются примерно на градус в столетие, тогда как широты остаются неизменными. Отсюда он заключил, что положение Солнца относительно звезд в моменты равноденствий (и солнцестояний) смещается, или прецессирует, в обратном направлении. Наиболее важным вкладом Гиппарха стало развитие планетной теории. Тщательно измерив неравенство продолжительности сезонов, он понял, что Солнце перемещается по небу в течение года с переменной скоростью. Поскольку, согласно космологии Платона и Аристотеля, движение Солнца должно быть круговым и равномерным, он заключил, что неравномерность солнечного движения лишь кажущаяся. Расположив Землю чуть в стороне от центра сферы, несущей Солнце, он получил наблюдаемое неравномерное движение светила при истинном равномерном. Проблему сложного движения Луны Гиппарх разрешил несколько иным путем. Вместо того, чтобы располагать центр лунного движения в центре Земли или чуть в стороне от него, он заставил Луну обращаться по небольшой окружности эпициклу центр которой движется вокруг центра Земли.
См. также Гиппарх.
Птолемей. Греческая геометрическая астрономия достигла кульминации в Александрии в работах Птолемея (ок. 100 ок. 170). Его сложный геометрический аппарат и математические методы дополнили вычислениями космологию Аристотеля и восторжествовали над конкурирующими методами и системами. Величайшая работа Птолемея Альмагест это трактат по математическим методам вычисления положений планет на небесной сфере. Опираясь на глубокую традицию греческой геометрии, Птолемей преобразовал космологию Аристотеля в математическую модель Вселенной. Для каждой планеты он разработал свою теорию, состоящую из разнообразных геометрических приемов. Планета, по Птолемею, равномерно обращается вокруг центра эпицикла, который, в свою очередь, движется по кругу деферента, в центре которого (или рядом с ним) находится Земля. Эти движения планет, казавшиеся тогда не связанными друг с другом, позже нашли объяснение как движения с переменной скоростью по эллиптическим орбитам вокруг Солнца под действием его притяжения.
КВАДРАНТ использовался для измерения высоты звезд в меридиане.Даже при низкой точности глазомерных измерений 2 в. н.э. простой комбинации эпицикла и деферента было недостаточно. Поэтому Птолемей модифицировал теорию, нарушив этим канон Аристотеля. Во-первых, используя идею Гиппарха, он поместил Землю не в центре деферента. В случае Солнца эксцентрический деферент позволил ему вообще обойтись без эпицикла. Во-вторых, он предположил движение деферента равномерным не по отношению к его центру или даже к центру Земли, а по отношению к воображаемой точке, названной эквантом и расположенной симметрично положению Земли относительно центра деферента. Подбирая размер и наклон этих элементов, периоды обращения и смещение точек эксцентра и экванта, Птолемей мог объяснить наблюдаемое движение планет. Альмагест Птолемея объемистый и сложный трактат по астрономии. В нем описаны приборы и методы проведения наблюдений, даны таблицы положения звезд и предвычисленных положений планет, детально объяснены различные теории планет и указано, как пользоваться ими для вычисления положений планет, подробно обсуждаются данные наблюдений и теории предшественников. Альмагест далеко превзошел все предшествующие астрономические трактаты, поэтому большинство из них перестали копировать, и со временем они оказались потеряны, за исключением небольших фрагментов или ссылок.
См. также
Обсерватория;
Птолемей Клавдий. Предсказание движений планет имело огромное значение. Во-первых, оно укрепляло веру в рациональное устройство мира. Эта заповедь Аристотеля, объединенная с теологией, воплотилась в "план Творца". На более практическом уровне математическая астрономия позволила рассчитывать календари, предсказывать затмения и, что важно, составлять гороскопы для государственных и личных нужд. Это последнее сохранило свою заметную, хотя и спорную роль даже после распространения на Западе христианства.
См. также Астрология; Затмения.
СРЕДНЕВЕКОВАЯ АСТРОНОМИЯ
Технический прогресс в изготовлении приборов для измерений невооруженным глазом привел к созданию более точных таблиц движения планет, а развитие вычислительных методов позволило точнее определять теоретические значения. Однако при этом выяснилось, что согласие между теорией и наблюдениями не очень хорошее. Было немало споров о том, как выйти из этого положения, но основная схема Птолемея, представляющая движение планет вокруг Земли с помощью комбинации равномерно вращающихся окружностей, сохранилась вплоть до Возрождения. В Римской империи астрономия не развивалась. Хотя римляне достигли большого прогресса в политике, юриспруденции, риторике и технике, теорию и наблюдения в астрономии они почти не продвинули. После распада империи и нашествия варваров астрономия на Западе стала угасать. Она еще существовала в виде копий старых работ, но механическое переписывание сопровождалось множеством ошибок. Разработка календаря стала большой проблемой, и даже такое рутинное, но нужное дело, как определение основанных на лунном календаре дат религиозных праздников (например, Пасхи), было доступно лишь немногим образованным людям. Каталоги и рассчитанные Птолемеем таблицы сохранились, но все меньше и меньше людей понимало их и могло использовать. Те немногие, кто еще проводил наблюдения и фиксировал астрономические события, пользовались солнечными часами и простейшими приборами.
См. также Солнечные Часы. В то время как астрономия угасала в Европе после падения Рима, эта эллинистическая наука пустила мощные корни в соседних культурах Центральной Азии, а также достигла Индии. Были построены многочисленные обсерватории, крупнейшей из которых стала обсерватория Улугбека в Самарканде. Ученые Среднего Востока владели всеми астрономическими знаниями той эпохи, исправляли и дополняли методы и технику Птолемея.
См. также Обсерватория. Даже после 12 в., когда некоторые работы Аристотеля были открыты заново и в Европе начались интеллектуально наполненные времена схоластики, астрономия оставалась в упадке. Тем не менее, популярными стали космологические темы, касающиеся общего строения и движения Вселенной. Основой этого периода средневековой мысли были сочинения Аристотеля, к которым теологи и ученые написали множество комментариев. Вместе с Библией и трудами отцов церкви работы Аристотеля стали основой обучения. Предметом пылких дискуссий стало устройство сфер Евдокса и физические принципы их движения, возможная множественность миров и даже природа Луны. Эти дискуссии подготовили образованный Запад к интеллектуальному взлету Возрождения, наступившему в 14 в., когда сохранившиеся в арабских странах античные знания хлынули в Европу. Наконец-то европейские астрономы смогли прочитать Птолемея, Аристотеля и других ученых древности в полном объеме и, что особенно важно, увидеть полную картину развития античной астрономии.
ВОЗРОЖДЕНИЕ
Коперник и гелиоцентризм. Н. Коперник (1473-1543), оказавшийся революционером в астрономии, поначалу работал в традиционном русле и почитал античное знание. Желая, тем не менее, упростить астрономические расчеты, ставшие чересчур сложными, он поместил Солнце в центр, сделал Землю планетой, а Луну спутником Земли. При этом он пытался сохранить равномерное круговое движение и отказался от приемов, введенных Птолемеем и его последователями.
В ГЕЛИОЦЕНТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ КОПЕРНИКА, представленной здесь в упрощенном виде, Солнце находится в центре, вокруг него обращаются Земля и другие планеты, а Луна как спутник обращается вокруг Земли. В действительности Коперник для объяснения лунного и планетных движений, подобно грекам, использовал эпициклы, но ему удалось обойтись без многих искусственных приемов, введенных Птолемеем и его последователями.В итоге возникло непримиримое противоречие между геоцентрической системой Птолемея и гелиоцентрической Коперника. Последняя воспринималась как искусственная вычислительная схема с точки зрения теологии и религиозных убеждений и с позиций физики той эпохи. С чисто математической точки зрения какая из систем может точнее воспроизвести наблюдаемые на небе перемещения светил, обе они были почти равноценны. Более того, возвращаясь к традиции Аристотеля, система Коперника вынуждена была использовать даже больше эпициклов, чем система Птолемея, и поэтому в определенном смысле была сложнее. См. также Коперник Николай.
Тихо Браге и изменчивость небес. Эксцентричный и колоритный датский астроном Т. Браге (1546-1601) занялся повышением точности наблюдений для сравнения между собой конкурирующих систем мироздания. Используя новые приемы, он довел измерения с помощью невооруженного глаза до невероятной точности почти в 1'. В 1585 при государственной поддержке он основал обсерваторию на острове Вен, где, создавая великолепные инструменты, он и его помощники с высокой точностью измеряли положения планет. Он надеялся использовать эти наблюдения для подтверждения собственной гибридной системы мироздания, согласно которой Земля находится в центре, Луна и Солнце обращаются вокруг нее, а остальные планеты движутся вокруг Солнца. Так Т. Браге пытался сохранить относительную простоту планетной системы Коперника, оставляя при этом Землю неподвижной.
СЕКСТАНТ, каким пользовался Тихо; требовал двух наблюдателей для измерения углового расстояния между двумя звездами.Не желая считать Землю планетой, Тихо, тем не менее, оказался первопроходцем в изучении новых небесных явлений. 11 ноября 1572 он заметил в созвездии Кассиопеи объект, сияющий ярче любой звезды или планеты. Этот объект постепенно терял яркость, став к декабрю как Юпитер, а в мае 1573 достигнув второй звездной величины. В высшей степени надежные наблюдения Т.Браге не выявили параллакса, хотя своими приборами он измерял параллаксы атмосферных явлений, таких, как метеоры. Значит, новое светило, которое он назвал по-латыни просто "nova", находится дальше сферы Луны, где-то на неизменных небесах. Пять лет спустя Тихо был поражен еще более изумительным небесным спектаклем: появилась комета, по яркости сравнимая с Венерой и с хвостом длиной в 45 диаметров Луны. Он наблюдал ее несколько недель и даже переопределил для этого положения опорных звезд, от которых измерял углы. Из этих наблюдений он заключил, что комета прошла от Земли на расстоянии, более чем в пять раз превышающем расстояние до Луны. Новое светило и комета доказали, что за пределом лунной сферы могут и действительно происходят перемены. Кометы, которые Аристотель считал атмосферными явлениями, теперь превратились в планеты.
См. также Браге Тихо.
Кеплер и разрушение круговых движений. В 1600, за год до своей смерти, живший теперь в Праге Т. Браге пригласил И. Кеплера (1571-1630), чтобы передать ему свое интеллектуальное наследство. До этого в сочинении "Тайна Вселенной" (Prodromus dissertationum mathematicarum continens mysterium cosmographicum, 1596) Кеплер пытался проверить с точки зрения неоплатонизма единство и необходимость принципов, лежащих в основе системы Коперника. Полностью доверяя высокоточным наблюдениям Тихо, Кеплер два года тщетно пытался подыскать наборы традиционных круговых движений. В случае Марса лучшие из его вариантов давали расхождение вычисленных и наблюдаемых положений планеты до восьми угловых минут (Коперник в свое время удовлетворился десятью минутами). Однако Кеплер упорно проводил утомительные вычисления, делал и исправлял ошибки, искал все новые и новые варианты. Наконец, с сожалением он отказался от окружностей и начал для описания орбиты Марса экспериментировать с овалами. Когда, наконец, в 1605 он использовал эллипс для описания орбиты Марса, все стало на свои места. Его Новая астрономия (Astronomia Nova, 1609) содержала два из трех утверждений, называемых теперь кеплеровскими законами движения планет, а именно, что орбита планеты есть эллипс, в одном из фокусов которого расположено Солнце, и что линия, соединяющая этот фокус с планетой, заметает равные площади за равное время. Эти два элегантных утверждения позволили покончить с громоздкими построениями Птолемея, Коперника и Тихо. Из них вытекало, что тела могут двигаться в космосе по орбитам, не будучи прикрепленными к сферам, эпициклам, деферентам и прочим носителям, что планеты могут ускоряться и замедляться по известному закону, не подчиняясь аристотелеву принципу равномерного кругового движения. Диктатура окружности была сломлена так же, как привилегированное положение и неподвижность Земли. Третий закон Кеплера, гласящий, что отношение квадратов орбитальных периодов любых двух планет или спутников равно отношению кубов их средних расстояний от центрального тела, был опубликован в его работе Гармония Мира (Harmonice mundi, 1619). Эти законы продемонстрировали глубокую рациональность Солнечной системы с ее эллиптическими орбитами и сгладили разочарование, вызванное отказом от аристотелева принципа равномерных круговых движений. Масштабы Солнечной системы и спутниковых систем планет теперь легко могли быть получены из наблюдений. Составленное Кеплером Краткое изложение коперниканской астрономии (Epitomes astronomiae Copernicanae, 1617-1621) включало полное описание законов Кеплера. Это Изложение стало дополнением к Рудольфовым таблицам (Tabulae Rudolphinae, 1627), в которых Кеплер привел практические методы и результаты вычисления положений планет. Таблицы, вычисленные по теории Кеплера, быстро вытеснили все другие, что привело к увяданию астрономии Птолемея.
См. также
Кеплер Иоганн;
Кеплера Законы.
Галилей, новая физика и телескоп. Произведенная Коперником революция в астрономии означала нечто большее, чем перемену положений Земли и Солнца и определение траекторий планет. Удаление Земли из центра мира, придание ей орбитального и вращательного движений, свободный полет планет в пространстве по некруговым траекториям все это требовало совершенно новой физики, отличной от аристотелевой. В то время как Кеплер обеспечивал идеям Коперника важную теоретическую поддержку, его флорентийский знакомый и коллега Г. Галилей (1564-1642) делал это не только теоретически, но и практически. Галилей рано стал приверженцем коперниканства, он стремился найти физические доказательства гипотезы Коперника и установить новые физические принципы и законы, которые бы опровергли "очевидные" возражения против этой спорной теории. Исследования Галилея по физике падающих тел привели к математическому описанию действия гравитации вблизи поверхности Земли, а Кеплер в своих законах дал математическое описание действия гравитации на движущиеся по орбитам планеты.
ДВА ТЕЛЕСКОПА ГАЛИЛЕЯ на музейной подставке (Флоренция). Ниже, в центре виньетки, разбитый объектив первого телескопа Галилея. На схеме внизу показано расположение линз в этой простой телескопической системе.
Вопрос-ответ:
