Астрономия в увлекательном изложении и занимательных вопросах Олег Попов, Алевтина Попова

Наука всегда усваивается полнее, когда она

рассматривается в состоянии рождения.

Джеймс Кларк Максвелл

Астрономия – древнейшая из наук и самая молодая. Современные методы исследования Вселенной делают удивительные открытия удивительных и экзотических объектов: чёрные дыры, квазары, сейфертовские галактики и многое другое. Но современные достижения были бы невозможны без истории становления этих открытий. Все современные результаты начинались с измерений угловых расстояний между светилами. В этом пособии представлены элементы истории развития великолепной науки, имеющей свою музу – Уранию. Эти знания являются элементом культура каждого человека.

Древние люди, наблюдая небо, с удивлением обнаружили, что расположение этих небесных огоньков меняется- летом видны одни небесные узоры, зимой – другие. Их исчезновение и появление говорит также о том о том, что с появлением тех или «звездных фигурок» приходит либо теплая погода, либо – наоборот – наступает холодные дни. Первоначально люди наблюдали за звездным небом самым простым прибором – это был ГЛАЗ. Астрономия- наука наблюдательная. Чтобы точно определять, когда и где появятся те или иные звездные фигуры, люди стали искать способы и методы определения высоты светил. Первыми появились угломерные инструменты.

Самым древним угломерным инструментом был гномон. Он представлял собой вертикальный столб на горизонтальной площадке. Гномон – это любой предмет, дающий тень. Чем гномон выше, тем длиннее тень, тем точнее измерения. Гномон использовался астрономами Древнего Вавилона, потом его стали использовать в Древней Греции.

Принцип работы гномона

Гномон использовался для определения высоты Солнца над горизонтом, особенно в дни солнцестояний, когда эта высота достигает экстремальных значений. С помощью гномона древние астрономы определяли дни солнцестояний

когда полуденная высота Солнца была наибольшей

или наименьшей

Где

широта места наблюдения.

Несмотря на простоту, гномоном можно было измерять очень важные в астрономии величины: широты и долготы местности. Когда тень от гномона самая короткая – это полдень и тень направлена на север

Определение высоты Солнца с помощью Гномона

Длина тени наименьшая в полдень, её называют Полуденной линией – направление Север- Юг (S – N) . В простейшем варианте Гномон представляет собой вертикальный стержень, отбрасывающий тень на горизонтальную плоскость.

Зная длину гномона L и, измерив длину l отбрасываемой им тени, можно найти угловую высоту h Солнца над горизонтом по современной формуле:

Но главное – измерение провести в дни солнцестояний, когда эта высота достигает экстремальных значений.

Для измерения углов одним из первых применялся Посох Якова. Он представлял собой две скрещенные линейки с укрепленными на концах стержнями – визирами или ригели. Линейка перемещалась относительно глаза вдоль делений и по ее положению можно было определить высоту светила и угол между направлениями на две звезды.

Астрономический посох для измерения координат использовал Древнегреческий астроном Гиппарх.

Посох Якова

Чтобы измерять углы в разных диапазонах величин, нужно было иметь несколько ригелей разной длины. Самым распространённым случаем были инструменты с тремя ригелями. Посох использовался не только в астрономии, но и в навигации и геодезии. В навигации? посох Якова? используется для определения широты судна и называется поперечным жезлом. В настоящее время он является инструментом для геодезических измерений.

Посох Якова – один из первых инструментов для астрономических наблюдений. Происхождение названия инструмента не известно. Возможно, название произошло от сходства инструмента с Орионом, который на некоторых средневековых звёздных картах именовался Иаковом.

Название поперечный жезл связывают с крестообразной формой инструмента.

Для измерения горизонтальных углов и определения широты астрономы создали один из древнейших астрономических инструментов – астролябию. Астролябия (греч. астролабон, «берущий звезды») сложный угломерный инструмент для определения положения звезд, широты и долготы. Астролябия появилась в Древней Греции. Одной из основных частей этого инструмента являлся барабан, где было нарисовано небо с зодиакальными созвездиями.

Первая женщина астроном Гипатия

В Александрии математик и философ, первая женщина-астроном Гипатия (Hypatia) – (ок. 370 – 415) использовала астролябию и, возможно, усовершенствовала инструмент. За свое учение она была казнена в 415 году н. э. Её ученик, Теон Александрийский, оставил копии заметок по использованию астролябии.

В IX веке астролябия находит широкое использование в странах арабского Востока. Учёные исламского Востока усовершенствовали астролябию для решения практических задач:

* измеряли углы на поверхности Земли,

* продолжительность дня и ночи,

* решали некоторые математические вычисления и

* для астрологических предсказаний

В X веке восточные астролябии попали в Испанию, а потом распространились в странах Западной Европы. Появление астролябии вызвало необходимость изготавливать астролябии в европейских мастерских по собственным расчётам и по собственным проектам для европейских широт.

Астролябия

Но при этом уделялось большое внимание художественной стороне. Поэтому астролябии стали модным и престижным предметом. Они стали предметом коллекционирования при королевских дворах.

Коллекционировать инструменты стало хорошим тоном, модой, поэтому королевские коллекции украшают крупнейшие музеи мира. В позднейшее время астролябия была упрощена, в ней был оставлен только один круг, посредством которого мореплаватели отсчитывали высоту звезд над горизонтом. Круг подвешивался на кольце в вертикальной плоскости, и посредством алидады, снабженной диоптрами, наблюдались звезды, высота которых отсчитывалась на лимбе. Позднее вместо диоптр стали употреблять зрительные трубы, и, постепенно совершенствуясь, она перешла в новый тип инструмента – теодолит, который употребляется во всех тех случаях, когда требуется некоторая точность измерений. Одним из лучших мастеров того времени по изготовлению астролябий был фламандский мастер Гуалтерус Арсениус (1530-1580).

Его астролябии отличались точностью нанесённых проекций, шкал и изяществом форм. Испанский король Филипп II поэтому именно ему заказывал изготовление астролябий. Арсениус выполнял заказы и знатных особ: они служили им для астрологических предсказаний. В эпоху Возрождения (XV – XVI) популярность астролябии достигла пика – она была одним из основных инструментов в астрономическом образовании.

В то время знание астрономии было основой образования и использовании астролябии было престижно и свидетельствовало о высоком образовании. Европейские астролябии изготавливались в Германии. Некоторые из этих приборов дошли до России. В музее Ломоносова в С.-Петербурге хранится астролябия, с которой, возможно, работал знаменитый Кеплер, будучи на службе в качестве астролога у известного германского военачальника Альбрехта Валленштейна. В Европе ко времени открытия телескопа астролябия достигла совершенства и постепенно стала настоящим произведением искусства.

С помощью астролябии производились:

* определение моментов восхода и захода Солнца, т. е. начала и окончания дня, а также моментов восхода звезд, а если имелись эфемериды, то и планет;

* определение широты местности с помощью измерения высоты Солнца в полдень или высот звезд в кульминации; [1]

* чисто земные задачи, например, измерение глубины колодца или высоты земного предмета;

* преобразование между системами координат.

Существует большое разнообразие видов астролябий:

* Универсальная астролябия,

* Линейная,

* Сферическая астролябия,

* Наблюдательная астролябия.

Небесная сфера представлена в этой астролябии в виде сферы с укреплёнными кругами по поверхности сферы.

       В длительных путешествиях по суше и по морю астролябия помогала определять координаты и время, порой служила единственным ориентиром.

Сферическая Астролябия, 1480 год. Музей истории науки, Оксфорд

С VIII и до конца XVII, а иногда и XIX века, самым популярным астрономическим инструментом как в Европе, так и на Востоке была планисферная астролябия. Ей посвящены сотни трактатов на арабском, латинском и некоторых других языках; художники изображали её на картинах, а поэты слагали о ней стихи. Астролябию преподносили в дар царям, султанам и прочим высокопоставленным особам.

Сейчас многие музеи мира доступны в режиме онлайн. Самая крупная коллекция астролябий находится в оксфордском Музее науки.

Что даёт нам изучение астролябий и других научных инструментов прошлого?

Например, позволяет оценить роль арабского Востока в мировой науке. Тысячи лет назад люди делали такие вещи, аналоги которых появились только сейчас.

Пример: современный смартфон, снабжённый GPS-навигатором, выполняет далеко не все функции астролябии. Можно добавить ещё такие функции, как минимум, дальномер и теодолит, используемый в современных геодезических работах и в образовании.

       Эта астролябия представляет собой комбинацию армиллярной сферы и обычной астролябии, встроенной в кольцо, изображающее меридиан.