Введение
Данный реферат посвящен современным вопросам астрономии — той области знаний, которые за последние годы дали наибольшее число научно-технических открытий.
Вся история изучения Вселенной есть, в сущности, поиск средств, улучшающих человеческое зрение. До начала XVII века невооруженный глаз был единственным оптическим инструментом астрономов. Вся астрономическая техника древних сводилась к созданию различных угломерных инструментов, как можно более точных и прочных. Уже первые телескопы сразу резко повысили разрешающую и проницающую способность человеческого глаза. Вселенная оказалась совсем иной, чем она казалась до тех пор. Постепенно были созданы приемники невидимых излучении и в настоящее время Вселенную мы воспринимаем во всех диапазонах электромагнитного спектра — от гамма-лучей до сверхдлинных радиоволн.
Более того, созданы приемники корпускулярных излучений, улавливающие мельчайшие частицы — корпускулы (в основном ядра атомов и электроны), приходящие к нам от небесных тел. Если не бояться аллегорий, можно сказать, что Земля стала зорче, ее “глаза”, то есть совокупность всех приемников космических излучений, способны фиксировать объекты, от которых до нас лучи света доходят за многие миллиарды лет.
Благодаря телескопам и другим инструментам астрономической техники человек за три с половиной века проник в такие космические дали, куда свет — самое быстрое, что есть в этом мире — может добраться лишь за миллиарды лет! Это означает, что радиус изучаемой человечеством Вселенной растет со скоростью, в огромное число раз превосходящей скорость света!
1. Спектральный анализ небесных тел
Могучим оружием о исследовании Вселенной стал для астрономов спектральный анализ — изучение интенсивности излучения в отдельных спектральных линиях, в отдельных участках спектра. Спектральный анализ является важнейшим средством для исследования вселенной. Спектральный анализ является методом, с помощью которого определяется химический состав небесных тел, их температура, размеры, строение, расстояние до них и скорость их движения. Спектральный анализ проводится с использованием приборов спектрографа и спектроскопа. С помощью спектрального анализа определили химический состав звёзд, комет, галактик и тел солнечной системы, т.к. в спектре каждая линия или их совокупность характерна для какого-нибудь элемента. По интенсивности спектра можно определить температуру звёзд и других тел.
По спектру звёзды относят к тому или иному спектральному классу. По спектральной диаграмме можно определить видимую звёздную величину звезды, а далее пользуясь формулами найти абсолютную звёздную величину, светимость, а значит и размер звезды.
Но в своем стремлении объяснить природу небесных тел астрономы не сдвинулись бы с места ни на шаг, если бы они не знали как возникают в мировых пространствах электромагнитные волны той или другой частоты. Сегодня уже известно несколько совсем различных механизмов генерирования электромагнитного излучения. Один из них связан с движением электронов в поле атомных ядер — это тепловой механизм Здесь интенсивность излучения определяется температурой части и их концентрацией в единице объема. Cинхротронное излучение возникает при торможении в магнитном поле релятивистских электронов, т.е. электронов, скорости движения которых близки к скорости света. Электромагнитные волны возникают и при затухании механических колебаний неоднородной плазмы (ионизованного газа), и при переходе быстрых частиц через границу двух сред.
Из сказанного следует, что недостаточно зарегистрировать излучение какого-то объекта в определенной длине волны. Необходимы исследования в широком диапазоне длин волн и все сторонний анализ полученных результатов. Сегодня астрономы, вооруженные современной ракетной техникой, мощными оптическими и радиотелескопами, сложной теорией механизмов излучения, ведут широкое изучение Вселенной в целом и ее отдельных частей. Астрономы убеждены в том, что они правильно понимают природу процессов, происходящих далеко за пределами наших земных лабораторий...
2. Небо в рентгеновских лучах
До недавнего времени (положение начало существенно меняться лишь немногим более тридцати лет назад) понятие “астрономические наблюдения” было тождественно понятию “оптические наблюдения неба”.
Между тем еще в последнем году XVIII в. В. Гершель открыл излучение Солнца, лежащее за пределами видимого спектра. Это было инфракрасное излучение, но его электромагнитная природа стала ясна много лет спустя.
В 1801 г. И.Риттер изучал воздействие фиолетового излучения Солнца на хлористое серебро и неожиданно обнаружил, что восстановление окиси серебра продолжается даже тогда, когда пластинка расположена в “темной” области, дальше за фиолетовой. Так было открыто ультрафиолетовое излучение Солнца, природа которого тоже оставалась неясной.
Лишь в шестидесятых годах XIX в. Д. Максвелл пришел к выводу, что кроме видимого электромагнитного излучения (обычного видимого света) могут существовать и другие его виды, не видимые глазу и отличающиеся лишь длиной волны.
Условно электромагнитное излучение подразделяют на несколько диапазонов. Наибольшей длиной (более 10-3 м) обладают радиоволны. Диапазон от 0,65 мкм до 1 мм — область инфракрасного излучения. “Оптическое окно” — от 0,39 до 0,65 мкм. Еще короче длины волн ультрафиолетового излучения, они простираются примерно до 0,05 мкм. В области еще более коротких длин волн приборы способны регистрировать буквально каждый фотон, и поэтому принято в рентгеновском и более жестких диапазонах (т. е. в области более высоких энергий фотонов) использовать не длины волн, а соответствующие им энергии фотонов. Так, фотон с длиной полны 0,05 мкм обладает энергией 4· 10-17 джоулей (Дж) или 0,025 килоэлектронвольт (кэВ). Область энергий фотонов от 0,025 до 1 кэВ — это область мягкого рентгеновского излучения, 1-20 кэВ — “классический” рентгеновский диапазон; именно в этом диапазоне были проведены наиболее эффективные исследования неба.
Какое это было бы прекрасное зрелище, если бы мы могли увидеть своими глазами небо в рентгеновских лучах! Пусть даже мы могли бы видеть лишь звезды ярче 6-й звездной величины, как и в оптическом диапазоне. На рентгеновском небе, в отличие от оптического, таких звезд поменьше — около 700 против 6000. Самая яркая рентгеновская звезда светит подобно Венере. Но, в отличие от Венеры, которая блестит спокойно, мы видели бы, как ярчайшая звезда на рентгеновском небе за считанные минуты становится ярче или уменьшает свой блеск. Мы видели бы игру яркости у многих рентгеновских звезд. Мы видели бы, как на небе вспыхивают и гаснут звезды — одни за секунду, другие за минуты, третьи за часы. Иные звезды видны всегда, другие — лишь несколько недель или месяцев. Мы видели бы звезду, которая вспыхивает и гаснет тысячи раз в сутки. Мы видели бы яркие туманности и огромные дуги излучения — ничего похожего нет на оптическом небосклоне. Правда, на рентгеновском небе нет яркой туманной полосы Млечного Пути -небо почти равномерно светится во всех своих частях. Мы видели бы множество слабых звезд, разбросанных по небу, и знали бы, что это очень далекие объекты — на оптическом небе невооруженный взгляд не способен их увидеть.
Рентгеновские звезды собираются в созвездия, которым никто не дал и, видимо, так и не даст на званий — поэтические времена в астрономии давно прошли. Астрономы — люди трезвые, предпочитающие точное знание поэтическим обобщениям.
Исследование рентгеновского неба принесло для нашего точного знания о Вселенной огромный материал. Особенно о тех небесных телах, которые существенно (а то и принципиально!) отличаются от обычных звезд, сияющих на оптическом ночном небе, Вероятно, в конце концов и без рентгеновских наблюдений астрономы обратили бы внимание на странные звезды Н2 Геркулеса, или НDЕ 226808, или Х Персея. Но знания наши остались бы при этом чрезвычайно неполными. Мы могли бы подозревать, что в этих системах есть нечто необычное — например, аномально большая невидимая масса. Но что происходит в окрестности этой массы? Может быть, это обычная звезда, просто ее излучение слабое и теряется на фоне первой компоненты? Вряд ли нам удалось бы узнать это. И уже совсем мы не могли бы ничего сказать о том, что происходит в центре нашей Галактики — области, не видимой в оптических лучах.
Впрочем, радиоастрономы могут сказать то же о радионебе. И в гамма-области небо тоже своеобразно и добавляет к нашим знаниям о Вселенном свою страницу.
Вселенная едина — это люди разделили излучение небесных тел на искусственные диапазоны, потому что неспособны воспринимать мир сразу во всем богатстве красок, от мягкой “акварели” радионебом до жгучих цветов гамма-лучей. Мы складываем картину Вселенной подобно мозаике, и данные рентгеновских наблюдений — лишь один из элементов. Изучение небесных тел и явлений сейчас приносит наибольшие плоды, когда все диапазоны электромагнитного спектра оказываются использованными. Всеволновая астрономия стала совершенно необходима, и она появилась.
Открытие, сделанное в каком-то одном диапазоне, сразу приводит к активизации исследований в других диапазонах. Шаровые звездные скопления изучались много лет, и неожиданностей здесь не предвиделось. Но вот были открыты в них рентгеновские источники, и шаровые скопления сразу привлекли всеобщее внимание. Резкий скачок исследований, резкий скачок в нашем понимании природы этих образований. Много лет исследовались двойные системы — кривые блеска, перетекание вещества, свойства звезд. Но вот в двойных системах были открыты рентгеновские источники, и астрофизики поняли, что знания, казавшиеся такими значительным, на самом деле малы. Последовал резкий рост числа исследований двойных систем — не только в рентгеновском, но в оптическом, инфракрасном, радиодиапазонах. Фронт науки не терпит отставания — если в одной области происходит прорыв вперед, на новые рубежи, все остальные должны не медленно подтянуться, иначе картина мира окажется клочковатой или просто противоречивой. В последние годы именно рентгеновские исследования часто были бросками в неизвестное, именно они “тянули” за собой фронт астрофизической науки.
Первое знакомство с рентгеновским небом за кончилось — так Галилей, оглядев небо в первый телескоп, понял, что перед ним новый мир, и, оправившись от потрясений, приступил к его систематическому изучению. Изучению, которое привело к современной оптической астрономии. То же пред стоит теперь и в астрономии рентгеновской.
И недалеко время, когда астрономы перестанут делить излучение на диапазоны, когда небо откроется сразу всеми цветами. Небо в рентгеновских лучах прекрасно — но мы увидим Небо и поразимся, и застынем на некоторое время, впитывая увиденное… А потом — за работу.
3. Радиоастрономия
Зарождение радиоастрономии
Декабрь 1931 года… В одной из американских лабораторий ее сотрудник Карл Янский изучает атмосферные помехи радиоприему. Нормальный ход радиопередачи на волне 14,7 м нарушен шумами, интенсивность которых не остается постоянной.
Постепенно выясняется загадочная периодичность — каждые 23 часа 56 минут помехи становятся особенно сильными. И так изо дня в день, из месяца в месяц.
Впрочем, загадка быстро находит свое решение. Странный период в точности равен продолжительности звездных суток в единицах солнечного времени. Яснее говоря, через каждые 23 часа 56 минут по обычным часам, отсчитывающим солнечное время, земной шар совершает полный оборот вокруг оси, и все звезды снова возвращаются в первоначальное положение относительно горизонта любого пункта Земли.
Отсюда Янский делает естественный вывод: досадные помехи имеют космическое происхождение. Какая-то таинственная космическая “радиостанция” раз в сутки занимает такое положение на небе, что ее радиопередача достигает наибольшей интенсивности.
Янский пытается отыскать объект, вызывающий радиопомехи И, несмотря на несовершенство приемной радиоаппаратуры, виновник найден. Радиоволны исходят из созвездия Стрельца, того самого, в направлении которого находится ядро нашей звездной системы — Галактики.
Так родилась радиоастрономия — одна из наиболее увлекательных отраслей современной астрономии.
Развитие радиоастрономии
Первые пятнадцать лет радиоастрономия почти не развивалась. Многим было еще не ясно, принесут ли радиометоды какую-нибудь существенную пользу астрономии.
Разразившаяся вторая мировая война привела к стремительному росту радиотехники. Радиолокаторы были приняты на вооружение всех армий. Их совершенствовали, всячески стремились повысить чувствительность, вовсе не предполагая, конечно, использовать радиолокаторы для исследования небесных тел.
Советские ученые академики Л.И. Мандельштам и Н.Д. Папалекси теоретически обосновали возможность радиолокации Луны еще в 1943 году.
Это было первое радиоастрономическое исследование в Советском Союзе. Два года спустя (в 1946 году) оно было проверено на практике сначала в США, а затем в Венгрии. Радиоволны, посланные человеком, достигли Луны и, отразившись от нее, вернулись на Землю, где были уловлены чувствительным радиоприемником.
Последующие десятилетия — это период необыкновенно быстрого прогресса радиоастрономии. Его можно назвать триумфальным, так как ежегодно радиоволны приносят из космоса удивительные сведения о природе небесных тел. На сравнительно коротком интервале времени, начиная с 50-х гг., в радиоастрономии достигнут большой прогресс. Разрешение от 1-10 уг. мин. дошло до 0.1 тыс.уг. сек и значительно превосходит возможности оптической астрономии. Чувствительность от 1-10 Ян повысилась до 1 мкЯн. Наблюдения проводятся в диапазоне от 0.01 до 300-400 ГГц. Одновременно принимаемая полоса частот от 100-200 кГц доведена до 1-10 ГГц. Радиоастрономия имеет сопоставимые, а по некоторым проблемам и большие по сравнению с оптикой, возможности проникновения в глубины Вселенной.
Перспективы радиоастрономических исследований
Прогресс радиоастрономических исследований определяется уровнем экспериментальной техники. Можно указать на два достижения, которые являются основой современной радиоастрономии.
Первое: разработка апертурного синтеза и синтезированных радиотелескопов, разработка радиоинтерферометров со сверхбольшой базой. Смысл этих систем состоит в том, что сигналы, принятые разными антеннами, определенным образом складываются. В итоге удается воссоздать картину, которую дала бы одна большая остронаправленная антенна. И вот результат — в радиоастрономии получена разрешающая сила в десятитысячной доли угловой секунды, что на несколько порядков выше разрешения наземных оптических телескопов.
Второе: разработка на основе ЭВМ многоканальных систем космической радиоспектроскопии, создание радиотелескопов-спектрометров. Эти инструменты позволили исследовать структуру мазерных источников, открыть в космосе более 50 различных органических молекул, в том числе сложные молекулы, состоящие более чем из десятка атомов.
Через 50 лет, надо полагать, будут открыты (если они имеются) планеты у ближайших к нам 5-10 звезд. Скорее всего их обнаружат в оптическом, инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах волн с внеатмосферных установок.
В будущем появятся межзвездные корабли-зонды для полета к одной из ближайших звезд в пределах расстояний 5-10 световых лет, разумеется, к той, возле которой будут обнаружены планеты. Такой корабль будет двигаться со скоростью не более 0,1 скорости света с помощью термоядерного двигателя.
В радиоастрономии будут использоваться гигантские космические системы апертурного синтеза с размерами радиотелескопов более 100 метров и расстоянием между ними до нескольких сотен тысяч километров (сейчас наибольшее расстояние между радиотелескопами ограничено размерами Земли).
В первой трети XXI в. будет обсуждаться проблема ограничения производства термоядерной энергии, которая к тому времени станет доминирующей, предпримутся также серьезные шаги, чтобы использовать фоновую энергию, существующую на Земле всегда (энергию ветра, приливов, солнечную энергию и т.п.), утилизация которой не приводит к дополнительному нагреву планеты.
Вероятно, будут построены специальные большие радиотелескопы для наблюдения и поиска электромагнитных сигналов разумного (искусственного) происхождения во всем перспективном диапазоне волн, проведены наблюдения сигналов от значительной части звезд Галактики, получит дальнейшее развитие теория возникновения и эволюции внеземных цивилизаций.
Радиоастрономия использует сейчас самые чувствительные приемные устройства и самые большие антенные системы. Радиотелескопы проникли в такие глубины космоса, которые пока остаются недосягаемыми для обычных оптических телескопов. Радиоастрономия стала неотъемлемой частью современного естествознания. Перед человечеством раскрылся радиокосмос — картина Вселенной в радиоволнах.
Как известно, успехи в радиоастрономии главным образом определяются возможностями получить высокую чувствительность и разрешающую способность. Из оптической астрономии пришло разделение инструментов на два класса: рефлекторов и рефракторов. В середине 50-х годов велась активная дискуссия, какие системы лучше развивать в радиоастрономии, где короче и дешевле путь достижения высокого разрешения и чувствительности.
Каждая наука изучает определенные явления природы, используя свои методы и средства. Для радиоастрономии объектом изучения служит весь необъятный космос, все бесчисленное множество небесных тел. Правда, это изучение несколько одностороннее — оно ведется лишь посредством радиоволн. Но и в таком “разрезе” Вселенная оказывается бесконечно многообразной, неисчерпаемой для исследователя.
4. Оптические наблюдения
Человеческому глазу доступна узкая область длин волн электромагнитного спектра излучения — от 0,39 до 0,65 мкм. Это очень небольшая щель, сквозь которую люди в течение тысячелетий заглядывали во Вселенную. Но сколько потрясших воображение открытий принесли эти наблюдения!
На протяжении нескольких тысячелетий астрономы ограничивались определением положений светил на небесной сфере и оценкой их блеска невооруженным глазом. Ныне в их распоряжении мощные приборы, позволяющие улавливать буквально отдельные кванты света, идущие от далеких звездных систем.
Некоторое время наибольшими из астрономических телескопов были 250-сантиметровый рефлектор обсерватории Маунт Вильсон и 500-сантиметровый рефлектор Паломарской обсерватории в США.
Сегодня крупнейшим в Европе является телескоп рефлектор с диаметром зеркала 600 см. Он установлен на.Северном Кавказе, вблизи станицы Зеленчукская. Вот некоторые его технические характеристики: вес зеркала около 40т, фокусное расстояние — 24 м, вес инструмента вместе с монтировкой — свыше 850 т. Телескоп вращается вокруг горизонтальной и вертикальной осей. Компьютер пересчитывает координаты светила с экваториальной в горизонтальную систему координат и подаст соответствующие команды на управляющую механическую систему, вращающую инструмент вслед за этим светилом.
До последнего времени наиболее распространенной оптической системой телескопов была система Кассегрена В таком телескопе главное зеркало имеет форму параболоида. Отразившись от него, световые лучи возвращаются сходящимся пучком назад, попадают на меньшее выпуклое гиперболическое зеркало, опять изменяют направление своего движения и, пройдя через отверстие в главном зеркале, собираются позади него в фокальной плоскости.
Несколько лет назад в США (обсерватория Китт-Пик), а затем в Австралии (обсерватория Сайдинг-Спринг) введены в действие телескопы системы Ричи-Кретьена с диаметрами зеркал 400 см. В этой системе как главное, так и вспомогательное зеркала имеют гиперболическую форму. Это значительно уменьшает длину трубы телескопа, облегчает его монтировку, а диаметр поля зрения увеличивается в 5-10 раз Аналогичный телескоп установлен в Канаде на горе Кобау. В Чили американские ученые устанавливают телескоп этой же системы с диаметром главного зеркала 400 см, а на так называемой Объединенной Европейской обсерватории (там же) устанавливается телескоп с диаметром 360 см. Отметим, что стоимость 4-метрового гиганта оценивается в 10 млн. долларов.
Сейчас в разных странах строится около 8 телескопов с D>3 м и более, 20 — с D>1 м. В частности, мощность современного телескопа оценивается такой цифрой: в 6-метровый телескоп можно увидеть звезды до 24m. Световой поток от этих объектов в 6 млн. раз меньше, чем от звезд 6-й величины.
Теперь в мире насчитывается около 1000 астрономических обсерваторий и станций наблюдений за искусственными спутниками Земли. Почти 100 из них — в России. Своими исследованиями приобрели мировое признание Пулковская астрономическая обсерватория, Крымская астрофизическая обсерватория, Бюраканская астрофизическая обсерватория, Государственный астрономический институт имени Штернберга (Москва) и многие другие.
На миллиарды световых лет (световой год — это, 9.460 Х 1012 км) проникает сейчас во Вселенную глаз наблюдателя. Самые слабые объекты, доступные современным телескопам, имеют примерно 24-ю звездную величину. Самое яркое светило на небе (исключая Солнце и Луну) — планета Венера — в периоды наибольшей яркости имеет звездную величину, равную -4. Значит, блеск слабейшей из галактик в 150 миллиардов раз меньше блеска Венеры. Таков “проницающий взгляд” оптической астрономии.
5. Другие методы наблюдений
Обо всем, что происходит вокруг нас, о далеких звездных и галактических мирах рассказывают нам световые лучи. Но в наше время визуальные наблюдения небесных светил проводятся очень редко. Более эффективными оказались фотографические и фотоэлектрические методы наблюдений. Возможности фотографического метода действительно сказочные: ведь при длительном фотографировании количество квантов, поглощенных фотоэмульсией, возрастает. В частности, при помощи 6-метрового телескопа можно получить изображения звезд до 20m при экспозиции всего 10 минут. К тому же на одной пластинке фиксируются изображения многих тысяч объектов, каждый из которых в свое время может стать чем-то интересным.
В последние годы все больше используется фотоэлектрический метод pегистрации слабых световых потоков. В этом случае пучок света направляется не на фотопластинку, а на фотокатод (металлическую пластинку, вмонтированную в стеклянный баллон). Для астрономических наблюдений сегодня используются очень чувствительные фотоумножители, способные регистрировать очень слабые световые потоки. Так, современные фотоумножители, установленные на 5 метровом телескопе, регистрируют быстрые изменения яркости объектов до 24-й видимой величины.
Огромный выигрыш во времени фотографирования слабых объектов дают электронно-оптические преобразователи (ЭОП). Очень перспективным оказался телевизионный метод.
Большое значение имеет исследование химического состава звезд путем тщательного анализа их спектров. При этом необходимо учитывать температуру и давление в поверхностных слоях звезд, которые также получают из спектров. Вообще спектрографические наблюдения дают наиболее полную информацию об условиях, господствующих в звездных атмосферах.
Заключение
2000 лет тому назад расстояние Земли от Солнца, согласно Аристарху Самосскому, составляло около 361 радиуса Земли, т.е. около 2.300.000 км. Аристотель считал, что “сфера звезд” размещается в 9 раз дальше. Таким образом, геометрические масштабы мира 2000 лет тому назад “измерялись” величиной в 20.000.000 км.
При помощи современных телескопов астрономы наблюдают объекты, находящиеся на расстоянии около 10 млрд. световых лет, что составляет 9,5-1022 км. Таким образом, за упомянутый промежуток времени масштабы мира “выросли” в 5-1015 раз.
Согласно византийским христианским богословам (середина IV столетия н.э.) мир был создан 5508 лет до н.э., т.е. менее чем 7,5 тыс. лет тому назад.
Современная астрономия дала доказательства того, что уже около 10 млрд. лет тому назад доступная для астрономических наблюдений Вселенная существовала в виде гигантской системы галактик. Масштабы во времени “выросли” в 13 млн. раз.
Но главное, конечно, не в цифровом росте пространственных и временных масштабов, хотя и от них захватывает дыхание. Главное в том, что человек, наконец, вышел на широкий путь понимания действительных законов мироздания.
Список литературы
Шкловский И.С… Вселенная, жизнь, разум. М.: “Наука” 1980 г.
Бакулин К.М. Курс общей астрономии. М. 1987 г.
Климишин И. А… Астрономия вчера и сегодня. Киев. 1977 г.
www.ronl.ru
Сергей Житомирский
Античная астрономия занимает в истории науки особое место. Именно в Древней Греции были заложены основы современного научного мышления. За семь с половиной столетий от Фалеса и Анаксимандра, сделавших первые шаги в осмыслении Вселенной, до Клавдия Птолемея, создавшего математическую теорию движения светил, античные учёные прошли огромный путь, на котором у них не было предшественников. Астрономы античности использовали данные, полученные задолго до них в Вавилоне. Однако для их обработки они создали совершенно новые математические методы, которые были взяты на вооружение средневековыми арабскими, а позднее и европейскими астрономами.
Вселенная в традиционной греческой мифологии
Как представляли себе мир греки в VIII в. до н. э., можно судить по поэме фиванского поэта Гесиода «Теогония» (О происхождении богов). Рассказ о возникновении мира он начинает так
Прежде всего во вселенной
Хаос зародился, а следом
Широкогрудая Гея, всеобщий приют
безопасный… Гея — Земля — родила себе
равное ширью Звёздное небо, Урана, чтоб точно
покрыл её всюду.
Небо утверждено на плоской Земле. На чём же тогда держится сама Земля? А ни на чём. Оказывается, под ней простирается огромное пустое пространство — Тартар, ставший тюрьмой для титанов, побеждённых богами.
Подземь их сбросили столь глубоко, сколь далёко до неба, Ибо настолько от нас отстоит
многосумрачный Тартар. Если бы, медную взяв наковальню,
метнуть её с неба, В девять дней и ночей до земли бы
она долетела, Если бы, медную взяв наковальню,
с земли её сбросить, В девять дней и ночей долетела б до Тартара тяжесть.
В представлениях древних греков Вселенная разделялась Землёй на светлую и тёмную части: верхняя была небом, а в нижней царил Эреб — подземный мрак. Считалось, что туда не заглядывает Солнце. Днём оно объезжает небо на колеснице, а ночью плывёт в золотой чаше по окружающему Землю океану к месту восхода. Конечно, такая картина мира не слишком подходила для объяснения движений небесных светил; впрочем, она для этого и не предназначалась.
Календарь и звёзды
В Древней Греции, как и в странах Востока, в качестве религиозного и гражданского использовался лунно-солнечный календарь. В нём начало каждого календарного месяца должно было располагаться как можно ближе к новолунию, а средняя продолжительность календарного года по возможности соответствовать промежутку времени между весенними равноденствиями («тропический год», как его называют сегодня). При этом месяцы по 30 и 29 дней чередовались. Но 12 лунных месяцев примерно на треть месяца короче года. Поэтому, чтобы выполнить второе требование, время от времени приходилось прибегать к интеркаляциям — добавлять в отдельные годы дополнительный, тринадцатый, месяц.
Вставки делались нерегулярно правительством каждого полиса -города-государства. Для этого назначались специальные лица, которые следили за величиной отставания календарного года от солнечного. В разделённой на мелкие государства Греции календари имели местное значение — одних названий месяцев в греческом мире существовало около 400. Математик и музыковед Аристоксен (354–300 до н. э.) писал о календарном беспорядке: «Десятый день месяца у коринфян — это пятый у афинян и восьмой у кого-нибудь ещё».
Простой и точный, 19-летний цикл, использовавшийся ещё в Вавилоне, предложил в 433 г. до н. э. афинский астроном Метон. Этот цикл предусматривал вставку семи дополнительных месяцев за 19 лет; его ошибка не превышала двух часов за один цикл.
Земледельцы, связанные с сезонными работами, издревле пользовались ещё и звёздным календарём, который не зависел от сложных движений Солнца и Луны. Гесиод в поэме «Труды и дни», указывая своему брату Персу время проведения сельскохозяйственных работ, отмечает их не по лунно-солнечному календарю, а по звёздам:
Лишь на востоке начнут восходить Атлантиды Плеяды, Жать поспешай, а начнут заходить — за сев принимайся. Вот высоко средь неба уж Сириус
встал с Орионом, Уж начинает Заря розоперстая
видеть Арктура, Режь, о Перс, и домой уноси
виноградные гроздья.
Таким образом, хорошее знание звёздного неба, которым в современном мире мало кто может похвастаться, древним грекам было необходимо и, очевидно, широко распространено. По-видимому, этой науке детей учили в семьях с раннего возраста.
Лунно-солнечный календарь использовался и в Риме. Но здесь царил ещё больший «календарный произвол». Длина и начало года зависели от понтификов (от лат. pontifices), римских жрецов, которые нередко пользовались своим правом в корыстных целях. Такое положение не могло удовлетворить огромную империю, в которую стремительно превращалось Римское государство. В 46 г. до н. э. Юлий Цезарь (100–44 до н. э.), исполнявший обязанности не только главы государства, но и верховного жреца, провёл календарную реформу. Новый календарь по его поручению разработал александрийский математик и астроном Созиген, по происхождению грек. За основу он взял египетский, чисто солнечный, календарь. Отказ от учёта лунных фаз позволил сделать календарь достаточно простым и точным. Этот календарь, названный юлианским, использовался в христианском мире до введения в католических странах в XVI в. уточнённого григорианского календаря. Летосчисление по юлианскому календарю началось в 45 г. до н. э. На 1 января перенесли начало года (раньше первым месяцем был март). В благодарность за введение календаря сенат постановил переименовать месяц квинтилис (пятый), в котором родился Цезарь, в юлиус — наш июль. В 8 г. н. э. в честь следующего императора, Октавиана Августа, месяц сек-стилис (шестой), был переименован в августус. Когда Тиберию, третьему принцепсу (императору), сенаторы предложили назвать его именем месяц септембр (седьмой), он будто бы отказался, ответив: «А что будет делать тринадцатый принцепс».
Новый календарь оказался чисто гражданским, религиозные праздники в силу традиции по-прежнему справлялись в соответствии с фазами Луны. И в настоящее время праздник Пасхи согласовывается с лунным календарём, причём для расчёта его даты используется цикл, предложенный ещё Метоном.
Фалес и предсказание затмения
Фалёс (конец VII — середина VI в. до н. э.) жил в греческом торговом городе Милете, расположенном в Малой Азии. С античных времён историки называют Фалеса «отцом философии». К сожалению, его сочинения до нас не дошли. Известно лишь, что он стремился найти естественные причины явлений, считал началом всего воду и сравнивал Землю с куском дерева, плавающим в воде.
Геродот, рассказывая о войне восточных государств Лидии и Мидии, сообщал: «Так с переменным успехом продолжалась эта война, и на шестой год во время одной битвы день превратился в ночь. Это солнечное затмение предсказал ионянам Фалес Милетский и даже точно определил заранее год, в который оно наступит. Когда лидийцы и мидяне увидели, что день обратился в ночь, то поспешно заключили мир».
Это затмение, согласно современным расчётам, произошло 28 мая 585 г. до н. э. Чтобы установить периодичность затмений, вавилонским астрологам потребовалось не одно столетие. Вряд ли Фалес мог обладать достаточными данными, чтобы сделать предсказание самостоятельно.
Ещё большую пользу астрономии Фалес принёс как математик. По-видимому, он первым пришёл к мысли о необходимости поиска математических доказательств. Он, например, доказывал теорему о равенстве углов при основании равнобедренного треугольника, т. е. вещи, на первый взгляд очевидные. Ему важен был не сам результат, а принцип логического построения. Для астрономии весьма существенно и то, что Фалес стал основоположником геометрического изучения углов.
Фалес мог бы первым сказать: «Не знающий математики да не входит в храм астрономии».
Анаксиманар
Анаксимандр Милетский (около 610 — после 547 до н. э.) был учеником и родственником Фалеса. Как и его учитель, он занимался не только науками, но также делами общественными и торговыми. Его книги «О природе» и «Сферы» не сохранились, и об их содержании мы знаем по пересказам читавших. Мир Анаксимандра необычен. Небесные светила учёный считал не отдельными телами, а окошками в непрозрачных оболочках, скрывающих огонь. Земля, по его мысли, имела вид части колонны, на поверхности которой, плоской или круглой, живут люди. Она парит в центре мира, ни на что не опираясь. Окружают Землю исполинские трубчатые кольца-торы, наполненные огнём. В самом близком кольце, где огня немного, имеются небольшие отверстия — — планеты. Во втором кольце с более сильным огнём находится одно большое отверстие — Луна. Оно может частично или полностью перекрываться (так философ объяснял смену лунных фаз и затмения светила). Гигантское отверстие размером с Землю есть и в третьем, дальнем, кольце. Сквозь него сияет самый сильный огонь — Солнце. Возможно, Вселенную Анаксимандра замыкала полная сфера с россыпью отверстий, через которые проглядывал огонь, окружавший её. Эти-то отверстия люди и называли «неподвижными звёздами». Неподвижны они, естественно, только относительно друг друга. Эта первая в истории астрономии геоцентрическая модель Вселенной с жёсткими орбитами светил, охватывающими Землю, позволяла понять геометрию движений Солнца, Луны и звёзд.
Анаксимандр стремился не только геометрически точно описать мир, но и понять его происхождение. Философ считал началом всего существующего апейрон — «беспредельное»: «некая природа бесконечного, из которой рождаются небосводы и находящиеся в них космосы». Вселенная, по Анаксимандру, развивается сама по себе, без вмешательства олимпийских богов.
Возникновение Вселенной философ представлял себе примерно так: апейрон порождает враждующие стихии — «горячее» и «холодное». Их материальное воплощение — огонь и вода. Противоборство стихий в возникшем космическом вихре привело к появлению и разделению веществ. В центре вихря оказалось «холодное» — Земля, окружённая водой и воздухом, а снаружи — огонь. Под действием огня верхние слои воздушной оболочки превратились в твёрдую кору. Эту сферу затвердевшего аэра (воздуха) стали распирать пары кипящего земного океана. Оболочка не выдержала и раздулась, «оторвалась», как сказано в одном из источников. При этом она должна была оттеснить основную массу огня за пределы нашего мира. Так возникла сфера неподвижных звёзд, а самими звёздами стали поры во внешней оболочке.
Заключительный штрих этой грандиозной картины — появление живых существ. Когда океан выкипел, обнажив сушу, они возникли «из нагретой воды с землёй» и «были рождены во влаге, заключённые внутрь илистой скорлупы», т. е. естественное развитие, по Анаксимандру, включало не только возникновение мира, но и самозарождение жизни.
Философ считал Вселенную подобной живому существу. В отличие от нестареющего времени она рождалась, достигала зрелости, старела и должна была погибнугь, чтобы возродиться вновь: «совершается гибель миров, а намного раньше их рождение, причём испокон бесконечного веку повторяется по кругу всё одно и то же». Итак, Анаксимандр оставил нам первую систему мира — (модель Вселенной), первую космологическую картину мира (с чего всё началось) и первую космогоническую гипотезу (как всё стало таким, как оно есть).
Анаксагор. «Метеорологический космос»
Пусть в месяц моей смерти детей ежегодно отпускают на каникулы.
Анаксагор (около 500–428 до н. э.) из Клазомен, города, стоявшего недалеко от Милета, был знаком с учениями его философов. Учитель Перикла и Еврипида, он большую часть жизни провёл в Афинах. Как-то, упрекая Анаксагора за аполитичность, какой-то философ сказал: «Тебе, видно, до родины нет дела». «Типун тебе на язык! — ответил Анаксагор. — Я только о родине и думаю!» И указал перстом на небо. В отличие от Фалеса, полагавшего началом всего воду, или Анаксимандра, который ввёл апейрон, Анаксагор считал началом Вселенной некую первичную смесь «семян» всех веществ. Эта смесь, заполнявшая бесконечное пространство, мирно покоилась. Но вот в какой-то её части образовался стремительный вихрь. Причиной его появления философ называл нус (разум) — не самостоятельное божество, а некое организующее начало, которое «содержит полное знание обо всём и имеет величайшую силу». Дальнейшее развитие Вселенной представлялось Анаксагору таю «Это вращение началось с малого, сейчас оно охватывает больше пространства, а в будущем охватит ещё больше».
Первоначальное вращение было очень быстрым. В вовлечённой в вихрь области из первичной смеси выделились отдельные вещества. Из них плотные сошлись к середине вихря, и там возникла плоская круглая Земля. Более лёгкие — холодный воздух и горячий тонкий эфир — были отброшены наружу. На определённой стадии развития мира от краёв Земли оторвались крупные куски, которые позднее стали небесными телами. Постепенно движение уходило от центра вихря к его краям. Земля остановилась, а небо продолжало вращаться, причём в какой-то момент оно «наклонилось».
Это важная деталь. Действительно, вокруг строго вертикальной оси небо вращается только на полюсе, а в Греции ось мира заметно наклонена: в Афинах на 38° к плоскости горизонта. Поэтому система мира с плоской вертящейся Землёй, где её движением объяснялось бы видимое вращение неба, невозможна.
Анаксагор считал, что светила проходят под Землёй, и уже знал причины солнечных и лунных затмений. Но «повороты» Солнца, т. е. изменения его высоты над горизонтом после летнего и зимнего солнцестояний, философ объяснял влиянием потепления или остывания воздуха.
Вселенная Анаксагора — это расширяющийся сферический пузырь, в середине которого, опираясь на воздух, лежит земной диск. Вокруг Земли кружится эфирный вихрь, несущий Солнце — «раскалённую металлическую глыбу или камень размером во много раз больше Пелопоннеса» — и Луну, на которой есть поселения, равно как холмы и овраги. Несёт вихрь и звёзды — более мелкие, чем Солнце, раскалённые камни.
В 466 г. до н. э., когда Анаксагору было 34 года, во Фракии у реки Эгос-потамы упал крупный метеорит. Некоторые античные авторы сообщают, что его падение с точностью до дня предсказал Анаксагор. Это, разумеется, легенда, но она имела под собой основу. Ведь говорил же Анаксагор: «Если небо замедлит вращение, то все камни попадают». Это в каком-то смысле могло считаться предсказанием подобных событий. А может быть, наоборот, само падение метеорита навело учёного на эти мысли?
За богомерзкую «модель Солнца» Афины приговорили Анаксагора к смерти. «Народ Афин, можешь ли ты в чём-нибудь упрекнуть меня и мою жизнь?» — вступился Перикл. «Ни в чём», — ответил народ. «Анаксагор — мой учитель», — сказал Перикл. Анаксагора изгнали из Афин.
Демокрит. Множественность миров
Одновременно с учением Анаксагора, предложившего гипотезу универсальной, бесконечно делимой материи, возникла противоположная теория вещества — атомистическая. Её сторонники считали, что кроме вещества существует небытие — бесконечная пустота, в которой движутся бесчисленные неделимые частицы — атомы. Они сталкиваются, соединяются в разных сочетаниях, образуют разнообразные вещества и вещи. Так рождаются и миры, которых в необъятной Вселенной должно быть бесконечное множество.
Выходит, миры возникают случайно? Не совсем. Атомисты вслед за Эмпедоклом (около 490 — около 430 до н. э.) утверждали возможность появления порядка из беспорядка. Действительно, атомы сталкиваются в случайных сочетаниях, но из них только удачные оказываются устойчивыми. Они-то и накапливаются, взаимодействуют, образуют сложные соединения.
Автор III в. н. э. Ипполит так описывает астрономические взгляды знаменитого философа-атомиста Демокрита (родился около 470 или 460 до н. э., прожил более 100 лет): «Он говорил, что миры бесчисленны и различны по величине. В одних нет ни Солнца, ни Луны, в других — Солнце и Луна больше, чем у нас, а в некоторых мирах их большее число. Расстояния между мирами неодинаковые; кроме того, в одном месте миров больше, в другом — меньше. Одни миры растут, другие достигли расцвета, третьи уже идут на убыль. Уничтожаются же они, сталкиваясь друг с другом».
Атомисты решили для себя вопрос и о происхождении этих миров. Диоген Лаэртский так излагал взгляды Левкиппа — учителя Демокрита (атомы в этом тексте названы «телами»): «несётся в великую пустоту множество разновидных тел; скапливаясь, они образуют единый вихрь, а в нём, сталкиваясь друг с другом и всячески кружась, разделяются по взаимному сходству. Лёгкие тела отлетают во внешнюю пустоту, словно распыляясь в ней, а остальные остаются вместе, сцепляются, сбиваются в общем беге и образуют некоторое первоначальное соединение в виде шара. Оно в свою очередь отделяет от себя как бы оболочку, в которую входят разнообразные тела».
Эта «оболочка» растёт за счёт притока внешних лёгких атомов, под ней возникают и загораются светила. Земля же образуется и держится в самой середине вихря, она не вращается и имеет форму бубна. Хотя взгляды на природу вещества и способ образования миров у атомистов и Анаксагора различны, но предложенные ими миры всё-таки очень похожи. Оба мира содержат плоскую неподвижную Землю, окружённую оболочкой, внутри которой вращаются светила. Казалось бы, атомистам остался один шаг до того, чтобы счесть небо окном в бесконечный мир, а звёзды — солнцами далёких миров. Но они не сделали этого шага. Им помешало представление о цельной вращающейся звёздной сфере. Не был сделан и другой важный шаг — они не признали шарообразность Земли, о чём к тому времени уже писали Парменид и Эмпедокл.
Тайны Пифагора
О Пифагоре (VI в. до н. э.) сохранилось мало достоверных сведений. Известно, что родился он на острове Самос; вероятно, в молодости посетил Милет, где учился у Анаксимандра; может быть, совершил и более далёкие путешествия. Уже в зрелом возрасте философ переселился в город Кротон и основал нечто вроде религиозного ордена -Пифагорейское братство, которое распространило своё влияние на многие греческие города Южной Италии. Жизнь братства была окружена тайной. О его основателе Пифагоре ещё при жизни ходили легенды, которые, по-видимому, имели под собой какую-то основу: великий учёный был не менее великим политиком и провидцем.
Фундаментальное знание о природе, по мнению пифагорейцев, должно быть тайным. Приобщать к нему следует только тех, кто способен понять истину и оценить её величие. Науку нельзя выносить на площадь для пересудов.
Основой учения Пифагора была вера в переселение душ и гармоничное устройство мира. Он полагал, что душу очищают музыка и умственный труд, поэтому пифагорейцы считали обязательным совершенствование в «четырёх искусствах» — арифметике, музыке, геометрии и астрономии. Сам Пифагор является основоположником теории чисел, а доказанная им теорема известна сегодня каждому школьнику. И если Анаксагор и Демокрит в своих взглядах на мир развивали идею Анаксимандра о физических причинах природных явлений, то Пифагор разделял его убеждённость в математической гармонии космоса.
Пифагорейцы властвовали в греческих городах Италии несколько десятилетий, потом были разгромлены и отошли от политики. Однако многое из того, что вдохнул в них Пифагор, осталось жить и оказало огромное влияние на науку. Сейчас очень трудно отделить вклад самого Пифагора от достижений его последователей. В особенности это относится к астрономии, в которой пифагорейцами было выдвинуто несколько принципиальных идей. О них можно судить по дошедшим до нас скудным сведениям о представлениях поздних пифагорейцев и учениям философов, испытавших влияние идей Пифагора.
www.ronl.ru
В.Г.Сурдин, ГАИШ МГУ, г. Москва
Кто и где работает?
Астрономия замечательна тем, что звездное небо — предмет ее исследования — доступно в любом месте на Земле. В связи с этим серьезные и полезные для науки наблюдения часто проводят не только профессиональные астрономы, но и любители. Обычно любители астрономии объединяются в кружки и клубы при Домах творчества молодежи, планетариях, пединститутах и связываются с ближайшими астрономическими центрами для консультаций. Очень часто юные любители астрономии, получив высшее образование, становятся профессиональными астрономами.
В нашей стране астрономов готовят на физических или механико-математических факультетах Московского, Санкт-Петербургского, Казанского, Екатеринбургского и некоторых других университетов. Ежегодно подготавливают около 100 специалистов, которые затем работают в обсерваториях и академических институтах, в университетах, пединститутах и других организациях, занятых изучением или использованием космического пространства. Всего в пределах бывшего СССР сейчас работает около 2000 астрономов.
Главные «места обитания» астрономов в России — это Государственный астрономический институт им. П.К.Штернберга (ГАИШ МГУ), Институт космических исследований, Институт астрономии и Физический институт АН России, Главная астрономическая обсерватория (Пулковская) и Специальная астрофизическая обсерватория (на Северном Кавказе) АН России.
Во всем мире профессиональных астрономов приблизительно 10 тысяч. Поскольку многие из них изучают одни и те же объекты (например, Солнце, планеты, вспышки новых и сверхновых звезд), им необходима связь для координации совместных работ. Ее осуществляет Международный астрономический союз, а также астрономические общества и ассоциации разных стран: Американское астрономическое общество, Королевское астрономическое общество Великобритании, Европейское астрономическое общество и др.
В России также есть Астрономическое общество, объединяющее профессиональных ученых, и Астрономо-геодезическое общество, объединяющее в основном любителей. Научные работы по астрономии публикуются в специальных журналах и сборниках. В России это «Астрономический журнал», «Письма в Астрономический журнал», «Астрономический вестник», параллельно выходящие на русском и английском языках, а также «Astronomical and Astrophysical Transactions» на английском. Некоторые обсерватории и университеты публикуют свои «Труды», «Вестники» и сборники работ. Для любителей астрономии выходит журнал «Земля и Вселенная», а в последнее время появляются и новые журналы, среди которых особо отметим «Звездочет».
Чем занимаются?
Молодежь, увлеченная астрономией, не всегда четко понимает круг уже решенных наукой задач и проблем, над которыми работают ученые. Хотя коротко об этом рассказать нелегко, все же укажем основные достижения (!) астрономов и волнующие их проблемы (?).
В планетной астрономии
! Построена релятивистская те ория движения планет, позволяющая вычислять положение планет в пространстве на многие тысячелетия вперед и назад во времени.
! В общих чертах исследована природа всех планет, а поверхности Луны, Венеры и Марса подвергнуты прямому изучению.
! Перестали быть таинственны ми астероиды и ядра комет, вскоре начнется их прямое зондирование.
? До сих пор нет точного решения многих частных проблем космогонии: как сформировалась Луна, как образовались кольца вокруг планет-гигантов, почему Венера вращается очень медленно и в обратном по отношению к другим планетам направлении и др.
? Нет общепринятого решения главной проблемы: как возникла Солнечная система
? Вряд ли она будет решена до тех пор, пока не удастся изучить аналогичные планетные системы у других звезд.
В звездной астрономии
! Создана теория внутреннего строения звезд; найдены методы диагностики звездных недр путем исследования вибраций наружных слоев звезды (гелиосейсмология) и путем регистрации нейтрино, рождающихся в ходе термоядерных реакций.
! В общих чертах построена картина происхождения и эволюции звезд.
! Обнаружены и изучены звезды в конечной стадии звездной эволюции — белые карлики — и теоретически предсказанные нейтронные звезды.
! Практически нет сомнений в существовании черных дыр.
? Не существует детальной мо дели Солнца, способной точно объяснить все его наблюдаемые свойства, в частности, поток нейтрино из ядра.
? Нет детальной физической те ории некоторых проявлений звездной активности. Например, не до конца ясны причины взрыва сверхновых звезд; не совсем понятно, почему из окрестностей некоторых звезд выбрасываются узкие струи газа. Особенно же загадочными для астрономов являются короткие вспышки гамма-излучения, регулярно регистрируемые в различных направлениях на небе. Не ясно даже, связаны они со звездами или с иными объектами, на каком расстоянии от нас эти объекты находятся.
В галактической астрономии
! В общих чертах выяснено строение Галактики и ее основных наблюдаемых компонентов — как звездных, так и газовых.
! Изучено строение ядра Галактики, скрытого от нас огромной толщей межзвездного газа и пыли.
? Не решена проблема скрытой массы, состоящая в том, что гравитационное поле Галактики в несколько раз сильнее, чем это может быть обеспечено наблюдаемым в ней веществом. Вероятно, большая часть вещества Галактики до сих пор скрыта от астрономов.
? Нет единого сценария происхождения и эволюции Галактики.
Во внегалактической астрономии
! Найдены методы измерения расстояний вплоть до самых удаленных объектов Вселенной.
! Изучено строение основных типов галактик и их скоплений.
! Обнаружено, что скопления галактик распределены не хаотически, а образуют еще более крупномасштабную ячеистую структуру Вселенной.
? Не решена проблема скрытой массы в скоплениях галактик.
? Нет единой теории формирования галактик.
? Не решены основные проблемы космологии: нет законченной физической теории рождения Вселенной и не ясна судьба Вселенной в будущем.
Для решения этих и многих других проблем астрономии необходимы прежде всего новые наблюдения во всем диапазоне электромагнитного спектра, а также регистрация космических частиц (включая нейтрино) и гравитационных волн. Главная задача астрономов — создание все более совершенных приборов для наблюдения за космическими объектами или для непосредственного их изучения в Солнечной системе.
Что создают?
История астрономических открытий — это история создания крупных телескопов: каждый новый инструмент-чемпион приводил к прорыву в наших знаниях о Вселенной. А в последние годы столь же важным стало появление новых поколений компьютеров, помогающих моделировать физические процессы в космосе.
Астрономы постоянно заняты созданием новых телескопов и компьютеров. Сейчас крупнейший оптический инструмент в мире — телескоп Кека на вершине Мауна-Кеа (Гавайские острова) с составным зеркалом диаметром 10 м (рис. 1), собранным из 36 шестиугольных сегментов. Рядом с ним строится его близнец — второй десятиметровый телескоп. А в горах Чили европейские астрономы создают систему из четырех телескопов с монолитными зеркалами диаметром по 8 м (рис. 2, 3). Они будут работать как единый многоглазый инструмент. Результаты обещают быть впечатляющими. Несколько лет работает на орбите американский 2,4-м телескоп им. Хаббла. Возлагавшиеся на него надежды оправдываются: никогда еще астрономы не имели такого мощного инструмента.
Приятно сообщить, что и в России создается похожий прибор, который скоро займет свое место на орбите. Кроме оптических телескопов, на орбите очень эффективно действуют рентгеновские и инфракрасные инструменты, а вскоре появится и большой радиотелескоп.
Сказав, что астрономы создают компьютеры, мы не оговорились: именно создают, поскольку мощность серийных суперкомпьютеров их не удовлетворяет.
В 1995 г. астрономы Токийского университета сами создали специализированный компьютер, способный производить расчеты по звездной динамике со скоростью 1000 млрд операций в секунду! Теперь они моделируют эволюцию гигантских звездных систем, содержащих миллионы звезд, на промежутках времени в миллиарды лет всего за несколько часов. Это уже не просто компьютер, а настоящая машина времени! На ее экране возникает прошлое и будущее Вселенной.
Таковы возможности современной астрономии. А впереди — еще большие.
www.ronl.ru
Доклад по Астрономии.
Ученика11 класса “Б”
ЛомтеваНиколая
/>
Астрономия в древности.
Трудно точносказать, когда именно зародилась астрономия: до нас почти не дошли сведения,относящиеся к доисторическим временам. В ту отдаленную эпоху, когда люди былисовершенно бессильны перед природой, возникла вера в могущественные силы,которые будто бы создали мир и управляют им, на протяжении многих вековобожествлялась Луна, Солнце, планеты. Об этом мы узнаем из мифов всех народовмира.
Первые представленияо мироздании были очень наивными, они тесно переплетались с религиознымиверованиями, в основу которых было положено разделение мира на две части — земную и небесную. Если сейчас каждый школьник
знает, что Земля самаявляется небесным телом, то раньше “земное” противопоставлялось “небесному”.Думали, что существует “твердь небесная”, к которой прикреплены звезды, а Землюпринимали за неподвижный центр мироздания.
Геоцентрическая система мира.
Гиппарх, александрийскийученый, живший во 2 веке до н. э., и другие астрономы его времени уделялимного внимания наблюдениям за движением планет.
Эти движения представлялисьим крайне запутанными. В самом деле, направления движения планет по небу какбы описывают по небу петли. Эта кажущаяся сложность в движении планетвызывается движением Земли вокруг Солнца — ведь мы наблюдаем планеты с Земли,которая сама движется. И когда Земля “ догоняет” другую планету, то кажется,что планета как бы останавливается, а потом движется назад. Но древниеастрономы думали, что планеты действительно совершают такие сложные движениявокруг Земли.
Во 2 веке н.э.александрийский астроном Птолемей выдвинул свою “систему
мира”. Он пытался объяснитьустройство Вселенной с учетом видимой сложности движения планет.
Считая Землюшарообразной, а размеры ее ничтожными по сравнению с расстоянием до планет итем более звезд. Птолемей, однако, вслед за Аристотелем утверждал, что Земля — неподвижный центр Вселенной. Так как Птолемей считал Землю центром Вселенной,его система мира была названа геоцентрической.
Вокруг земли поПтолемею, движутся ( в порядке удаленности от Земли) Луна,
Меркурий, Венера, Солнце,Марс, Юпитер, Сатурн, звезды. Но если движение Луны, Солнца, звезд круговое, тодвижение планет гораздо сложнее. Каждая из планет, по мнению Птолемея, движетсяне вокруг Земли, а вокруг некоторой точки. Точка эта в свою очередь движется покругу, в центре которого находится Земля. Круг, описываемый планетой вокругдвижущейся точки, Птолемей назвал эпициклом , а круг, по которомудвижется точка около Земли ,- деферентом.
Труднопредставить, чтобы в природе совершались такие запутанные движения, да ещевокруг воображаемых точек. Такое искусственное построение потребовалосьПтолемею для того чтобы, основываясь на ложном представлении о неподвижностиЗемли, расположенной в центре Вселенной, объяснить видимую сложность движенияпланет.
Птолемей былблестящим для своего времени математиком. Но он разделял взгляд Аристотеля,который считал, что Земля неподвижна и только она может быть центром Вселенной.
Система мираАристотеля-Птолемея казалась современникам правдоподобной. Она давалавозможность заранее вычислять движение планет на будущее время — это былонеобходимо для ориентировки в пути во время путешествий и для календаря. Этуложную систему признавали почти полторы тысячи лет.
Также эту системупризнавало Христианская религия. В основу своего миропонимания христианствоположило библейскую легенду о сотворении мира Богом за шесть дней. По этойлегенде Земля является “сосредоточием” Вселенной, а небесные светила созданыдля того, чтобы освещать Землю и украшать небесный свод. Всякое отступление отэтих взглядов христианство беспощадно преследовало. Система мира Аристотеля — Птолемея, ставившая Землю в центр мироздания, как нельзя лучше отвечалахристианскому вероучению.
Таблицы,составленные Птолемеем, позволяли определить заранее положение планет на небе.Но с течением времени астрономы обнаружили расхождение наблюдаемых положенийпланет с предвычисленными. На протяжении веков думали, что система мираПтолемея просто недостаточно совершенна и пытаясь усовершенствовать ее, вводилидля каждой планеты новые и новые комбинации круговых движений.
Гелиоцентрическая система мира.
Свою систему миравеликий польский астроном Николай Коперник (1473-1543)
изложил в книге “О вращенияхнебесных сфер”, вышедшей в год его смерти. В этой книге он доказал, чтоВселенная устроена совсем не так, как много веков утверждала религия.
Во все странахпочти полтора тысячелетия владело умами людей ложное учение Птолемея, которыйутверждал, что Земля неподвижно покоится в центре Вселенной. ПоследователиПтолемея в угоду церкви придумывали все новые “разъяснения” и “доказательства”движения планет вокруг Земли, чтобы сохранить “истинность” и “святость” еголожного учения. Но от этого система Птолемея становилась все более надуманной иискусственной.
Задолго доПтолемея греческий ученый Аристарх утверждал, что Земля движется вокруг Солнца.Позже, в средние века, передовые ученые разделяли точку зрения Аристарха остроении мира и отвергали ложное учение Птолемея. Незадолго до Коперникавеликие итальянские ученые Николай Кузанский и Леонардо да Винчи утверждали,что Земля движется, что она совсем не находится в центре Вселенной и незанимает в ней исключительного положения.
Почему же,несмотря на это, система Птолемея продолжала господствовать?
Потому, что она опиралась навсесильную церковную власть, которая подавляла свободную мысль, мешала развитиюнауки. Кроме того, ученые, отвергавшие учение Птолемея и высказывавшиеправильный взгляды на устройство Вселенной, не могли еще их убедительнообосновать.
Это удалосьсделать только Николаю Копернику. После тридцати лет упорнейшего труда, долгихразмышлений и сложных математических вычислений он показал, что Земля — толькоодна из планет, а все планеты обращаются вокруг Солнца.
Своей книгой онбросил вызов церковным авторитетам, разоблачая их полное невежество в вопросахустройства Вселенной.
Коперник не дожилдо того времени, когда его книга распространилась по всему свету, открываялюдям правду о Вселенной. Он был при смерти, когда друзья принесли и вложили вего холодеющие руки первый экземпляр книги.
Коперник родилсяв 1473 г. в польском городе Торуни. Он жил в трудное время, когда Польша и еесосед — Русское государство — продолжало вековую борьбу с захватчиками — тевтонскими рыцарями и татаро-монголами, стремившимися поработить славянскиенароды.
Коперник ранолишился родителей. Его воспитал дядя по матери Лукаш Ватцельроде — выдающийсяобщественно-политический деятель того времени. Жажда знаний владела Коперникомс детства, Сначала он учился у себя на родине. Потом продолжал образование витальянских университетах, Конечно, астрономия там изучалась по Птолемею, ноКоперник тщательно изучал и все сохранившиеся труды великих математиков иастрономию древности. У него уже тогда возникли мысли о правоте догадокАристарха, о ложности системы Птолемея. Но неодной астрономией занимался Коперник.Он изучал философию, право, медицину и вернулся на родину всестороннеобразованным, для своего времени, человеком.
По возвращении изИталии Коперник поселился в Вармии — сначала в городе Лицбарке, потом вФромборке, Деятельность его была необычайно разнообразно. Он принимал самоеактивное участие в управлении областью: ведал ее финансовыми, хозяйственными идругими делами. В то же время Коперник неустанно размышлял над истиннымустройством солнечной системы и постепенно пришел к своему великому открытию.
Что же заключаетв себе книга Коперника “ О вращении небесных сфер” и почему она нанесла такойсокрушительный удар по системе птолемея, которая со всеми изъянами держаласьчетырнадцать веков под покровительством всесильной в ту эпоху церковной власти? В этой книге Николай Коперник утверждал, что Земля и другие планеты — спутникисолнца. Он показал, что именно движение Земли вокруг солнца и ее суточнымвращением вокруг своей оси объясняется видимое движение Солнца, страннаязапутанность в движении планет и видимое вращение небесного свода.
Гениально простоКоперник объяснял, что мы воспринимаем движение далеких небесных тел так же,как и перемещение различных предметов на Земле, когда сами находимся вдвижении.
Мы скользим влодке по спокойно текущей реке, и нам кажется, что лодка и мы в ней неподвижны,а берега “плывут” в обратном направлении. Точно так же нам только кажется, чтоСолнце движется вокруг Земли. А на самом деле Земля со всем, что на нейнаходится, движется вокруг Солнца и в течение года совершает полный оборот посвоей орбите.
И точно так же,когда Земля в своем движении вокруг Солнца обгоняет другую планету, намкажется, что планета движется назад, описывая петлю на небе. В действительностипланеты движутся вокруг Солнца по орбитам правильной, хотя и не идеальнокруговой формы, не делая никаких петель. Коперник, как и древнегреческиеученые, что орбиты, по которым движутся планеты, могут быть только круговыми.
Спустя тричетверти века немецкий астроном Иоганн Кеплер, продолжатель дела Коперника,доказал, что орбиты всех планет представляют собой вытянутые окружности — эллипсы.
Звезды Коперниксчитал неподвижными. Сторонники Птолемея настаивали на неподвижности Земли,утверждали, что если бы Земля двигалась в пространстве, то при наблюдении небав разное время нам должно было бы казаться, что звезды смещаются, меняют своеположение на небе. Но таких смещений звезд за много веков не заметил ни одинастроном. Именно в этом сторонники учения Птолемея хотели видеть доказательствонеподвижности Земли.
Однако Коперникутверждал, что звезды находятся на невообразимо огромных расстояниях. Поэтомуничтожные смещения их не могли быть замечены. Действительно, расстояния от насдаже до ближайших звезд оказались настолько большими, что еще спустя три векапосле Коперника они поддавались точному определению. Только в 1837 г. русскийастроном Василий Яковлевич Струве положил начало точному определению расстоянийдо звезд.
Понятно, какоепотрясающее впечатление должна была произвести книга, в которой Коперникобъяснил мир, не считаясь с религией и даже отвергая всякий авторитет церкви вделах науки. Деятели церкви не сразу поняли, какой удар по религии наноситнаучный труд Коперника, в котором он низвел Землю на положение одной из планет.Некоторой время книга свободно распространялась среди ученых. Прошло не многолет, и революционное значение великой книги проявилось
в полной мере. Выдвинулисьдругие крупные ученые — продолжатели дела Коперника. Они развивали ираспространяли идею бесконечности Вселенной, в которой Земля — как бы песчинка,а миров — бесчисленное множество. С этого времени церковь начала ожесточенноепреследование сторонников учения Коперника.
Новое учение осолнечной системе -гелиоцентрическое — утверждалось в жесточайшей борьбес религией. Учение Коперника подрывало самые основы религиозного мировоззренияи открывало широкий путь к материалистическому, подлинно научному познаниюявлений природы.
Во второйполовине 16 века учение Коперника нашло своих сторонников среди передовых ученыхразных стран. Выдвинулись и такие ученые, которые не только пропогандировалиучение Коперника, но углубляли и расширяли его.
Коперник полагал,что Вселенная ограничена сферой неподвижных звезд, которые расположены наневообразимо огромных, но все-таки конечных расстояниях от нас и от Солнца. Вучении Коперника утверждалась огромность Вселенной и бесконечность ее. Коперниктакже впервые в астрономии не только дал правильную схему строения Солнечнойсистемы, но и определил относительные расстояния планет от солнца и вычислилпериод их обращения вокруг него.
Становление гелиоцентрического мировоззренния.
Учение Коперникабыло признано не сразу. Мы знаем: что по приговору инквизиции в 1600 году былсожжен в Риме выдающийся итальянский философ, последователь Коперника ДжорданоБруно (1548-1600). Бруно, развивая учение Коперника, утверждал, что воВселенной нет и не может быть центра, что Солнце — это только центр Солнечнойсистемы. Он также высказывал гениальную догадку о том, что звезды — такие жесолнца, как наше, причем вокруг бесчисленных звезд движутся планеты, на многихиз которых существует разумная жизнь. Ни пытки, ни костер инквизиции не сломиливолю Джордано Бруно, не заставили его отречься от нового учения.
В 1609 году ГалилеоГалилей (1564-1642) впервые направил на небо телескоп и сделал открытия,наглядно подтверждающие открытия Коперника. На Луне он увидел горы. Значит,поверхность Луны в какой-то степени сходна с земной и не существуетпринципиального различия между “земным” и “небесным”. Галилей открыл четыреспутника Юпитера. Их движение вокруг Юпитера опровергло ошибочное представлениео том, что только Земля может быть центром небесных тел. Галилей обнаружил, чтоВенера, подобно Луне, меняет свои фазы. Следовательно, Венера — шарообразноетело, которое светит отраженным солнечным светом. Изучая особенности изменениявида Венеры, Галилей сделал правильный вывод о том, что она движется не вокруг Земли, а вокруг Солнца. НА Солнце, олицетворявшем “небесную чистоту”, Галилейоткрыл пятна и, наблюдая за ними, установил, что Солнце вращается вокруг своейоси. Значит, различным небесным телам, например Солнцу, присуще осевоевращение. Наконец, он обнаружил, что Млечный путь — это множество слабых звезд,не различимых невооруженным глазом. Следовательно, Вселенная значительнограндиознее, чем думали раньше, и крайне наивно было предполагать, что она засутки совершает полный оборот вокруг маленькой Земли.
Открытие Галилеяумножили число сторонников гелиоцентрической системы мира и одновременнозаставили церковь усилить преследования коперниканцев. В 1616 году книгаКоперника “ О вращениях небесных сфер” была внесена в список запрещенных книг,а изложенное в ней противоречащим Священному Писанию. Галилею запретилипропагандировать учение Коперника. Однако в 1632 году ему все-таки удалосьопубликовать книгу “Диалог о двух главнейших системах мира — птолемеевой икоперниковой”, в которой он сумел убедительно показать истинностьгелиоцентрической системы, чем и навлек на себя гнев католической церкви. В1633 году Галилей предстал перед судом инквизиции. Престарелого ученогозаставили подписать “отречение” от своих взглядов и до конца жизни держали поднадзором инквизиции. Лишь в 1992 году католическая церковь окончательнооправдала Галилея.
Казнь Бруно,официальный запрет учения Коперника, суд над Галилеем не смогли остановитьраспространение коперничества. В Австрии Иоганн Кеплер (1571-1630)развил учение Коперника, открыв законы движения планет. В Англии ИсаакНьютон (1643-1727) опубликовал свой знаменитый закон всемирного тяготения.В России учение Коперника смело поддерживал М.В.Ломоносов (1711-1765),который открыл атмосферу на Венере, защищал идею о множественности обитаемыхмиров.
www.ronl.ru
Астрономия — наука о расположении, строении, свойствах, происхождении, движении и развитии космических тел(звезд, планет, метеоритов и т.п.) образованных ими систем ((звездные скопления, галактики и т.п.) и всей Вселенной в целом.
Как наука, астрономия основывается прежде всего на наблюдениях. В отличие от физиков астрономы лишены возможности ставить эксперименты. Практически всю информацию о небесных телах приносит нам электромагнитное излучение. Только в последние сорок лет отдельные миры стали изучать непосредственно: зондировать атмосферы планет, изучать лунный и марсианский грунт.
Астрономия тесно связана с другими науками, прежде всего с физикой и математикой, методы которых широко применяются в ней. Но и астрономия является незаменимым полигоном, на котором проходят испытания многие физические теории. Космос — единственное место, где вещество существует при температурах в сотни миллионов градусов и почти при абсолютном нуле, в пустоте вакуума и в нейтронных звездах. В последнее время достижения астрономии стали использоваться в геологии и биологии, географии и истории. Что изучает астрономия
Астрономия изучает Солнце и звезды, планеты и их спутники, кометы и метеорные тела, туманности, звездные системы и материю, заполняющую пространство между звездами и планетами, в каком бы состоянии эта материя ни находилась. Изучая строение и развитие небесных тел, их положение и движение в пространстве, астрономия в конечном итоге дает нам представление о строении и развитии Вселенной в целом. Слово «астрономия» происходит от двух греческих слов: «астрон» — звезда, светило и «номос» — закон. При изучении небесных тел астрономия ставит перед собой три основные задачи, требующие последовательного решения:
1. Изучение видимых, а затем и действительных положений и движений небесных тел в пространстве, определение их размеров и формы.
2. Изучение физического строения небесных тел, т.е. исследование химического состава и физических условий (плотности, температуры и т.п.) на поверхности и в недрах небесных тел.
3. Решение проблем происхождения и развития, т.е. возможной дальнейшей судьбы отдельных небесных тел и их систем.
Вопросы первой задачи решаются путем длительных наблюдений, начатых еще в глубокой древности, а также на основе законов механики, известных уже около 300 лет. Поэтому в этой области астрономии мы располагаем наиболее богатой информацией, особенно для небесных тел, сравнительно близких к Земле.
О физическом строении небесных тел мы знаем гораздо меньше. Решение некоторых вопросов, принадлежащих второй задаче, впервые стало возможным немногим более ста лет назад, а основных проблем — лишь в последние годы.
Что изучает астрономия
Астрономия изучает Солнце и звезды, планеты и их спутники, кометы и метеорные тела, туманности, звездные системы и материю, заполняющую пространство между звездами и планетами, в каком бы состоянии эта материя ни находилась. Изучая строение и развитие небесных тел, их положение и движение в пространстве, астрономия в конечном итоге дает нам представление о строении и развитии Вселенной в целом. Слово «астрономия» происходит от двух греческих слов: «астрон» — звезда, светило и «номос» — закон. При изучении небесных тел астрономия ставит перед собой три основные задачи, требующие последовательного решения:
1. Изучение видимых, а затем и действительных положений и движений небесных тел в пространстве, определение их размеров и формы.
2. Изучение физического строения небесных тел, т.е. исследование химического состава и физических условий (плотности, температуры и т.п.) на поверхности и в недрах небесных тел.
3. Решение проблем происхождения и развития, т.е. возможной дальнейшей судьбы отдельных небесных тел и их систем.
Вопросы первой задачи решаются путем длительных наблюдений, начатых еще в глубокой древности, а также на основе законов механики, известных уже около 300 лет. Поэтому в этой области астрономии мы располагаем наиболее богатой информацией, особенно для небесных тел, сравнительно близких к Земле.
О физическом строении небесных тел мы знаем гораздо меньше. Решение некоторых вопросов, принадлежащих второй задаче, впервые стало возможным немногим более ста лет назад, а основных проблем — лишь в последние годы.
Подразделение астрономии
Современная астрономия подразделяется на ряд отдельных разделов, которые тесно связаны между собой, и такое разделение астрономии, в известном смысле, условно. Главнейшими разделами астрономии являются:
1. Астрометрия — наука об измерении пространства и времени. Она состоит из: а) сферической астрономии, разрабатывающей математические методы определения видимых положений и движений небесных тел с помощью различных систем координат, а также теорию закономерных изменений координат светил со временем; б) фундаментальной астрометрии, задачами которой являются определение координат небесных тел из наблюдений, составление каталогов звездных положений и определение числовых значений важнейших астрономических постоянных, т.е. величин, позволяющих учитывать закономерные изменения координат светил; в) практической астрономии, в которой излагаются методы определения географических координат, азимутов направлений, точного времени и описываются применяемые при этом инструменты.
2. Теоретическая астрономия дает методы для определения орбит небесных тел по их видимым положениям и методы вычисления эфемерид (видимых положений) небесных тел по известным элементам их орбит (обратная задача).
3. Небесная механика изучает законы движений небесных тел под действием сил всемирного тяготения, определяет массы и форму небесных тел и устойчивость их систем. Эти три раздела в основном решают первую задачу астрономии, и их часто называют классической астрономией.
4. Астрофизика изучает строение, физические свойства и химический состав небесных объектов. Она делится на: а) практическую астрофизику, в которой разрабатываются и применяются практические методы астрофизических исследований и соответствующие инструменты и приборы; б) теоретическую астрофизику, в которой на основании законов физики даются объяснения наблюдаемым физическим явлениям. Ряд разделов астрофизики выделяется по специфическим методам исследования. О них будет сказано в § 101,
5. Звездная астрономия изучает закономерности пространственного распределения и движения звезд, звездных систем и межзвездной материи с учетом их физических особенностей. В этих двух разделах в основном решаются вопросы второй задачи астрономии.
6. Космогония рассматривает вопросы происхождения и эволюции небесных тел, в том числе и нашей Земли.
7. Космология изучает общие закономерности строения и развития Вселенной.
На основании всех полученных знаний о небесных телах последние два раздела астрономии решают ее третью задачу.
История
Астрономия — наиболее древняя среди естественных наук. Она была высоко развита вавилонянами и греками — гораздо больше, нежели физика, химия и техника. В древности и средние века не одно только чисто научное любопытство побуждало производить вычисления, копирование, исправления астрономических таблиц, но прежде всего тот факт, что они были необходимы для астрологии. Вкладывая большие суммы в построение обсерваторий и точных инструментов, власть имущие ожидали отдачи не только в виде славы покровителей науки, но также в виде астрологических предсказаний. Сохранилось лишь очень небольшое число книг тех времен, свидетельствующих о чисто теоретическом интересе учёных к астрономии; большинство книг не содержит ни наблюдений, ни теории, а лишь таблицы и правила их использования. Одно из немногих исключений — «Альмагест» Птолемея, написавшего, однако, также и астрологическое руководство «Тетрабиблос».
Первые записи астрономических наблюдений, подлинность которых несомненна, относятся к VIII в. до н.э. Однако известно, что еще за 3 тысячи лет до н. э. египетские жрецы подметили, что разливы Нила, регулировавшие экономическую жизнь страны, наступали вскоре после того, как перед восходом Солнца на востоке появлялась самая яркая из звезд, Сириус, скрывавшаяся до этого около двух месяцев в лучах Солнца. Из этих наблюдений египетские жрецы довольно точно определили продолжительность тропического года.
В Древнем Китае за 2 тысячи лет до н.э. видимые движения Солнца и Луны были настолько хорошо изучены, что китайские астрономы могли предсказывать наступление солнечных и лунных затмений. Астрономия, как и все другие науки, возникла из практических потребностей человека. Кочевым племенам первобытного общества нужно было ориентироваться при своих странствиях, и они научились это делать по Солнцу, Луне и звездам. Первобытный земледелец должен был при полевых работах учитывать наступление различных сезонов года, и он заметил, что смена времен года связана с полуденной высотой Солнца, с появлением па ночном небе определенных звезд. Дальнейшее развитие человеческого общества вызвало потребность в измерении времени и в летосчислении (составлении календарей).
Все это могли дать и давали наблюдения над движением небесных светил, которые велись в начале без всяких инструментов, были не очень точными, но вполне удовлетворяли практические нужды того времени. Из таких наблюдений и возникла паука о небесных телах — астрономия.
С развитием человеческого общества перед астрономией выдвигались все новые и новые задачи, для решения которых нужны были более совершенные способы наблюдений и более точные методы расчетов. Постепенно стали создаваться простейшие астрономические инструменты и разрабатываться математические методы обработки наблюдений.
В Древней Греции астрономия была уже одной из наиболее развитых наук. Для объяснения видимых движений планет греческие астрономы, крупнейший из них Гиппарх (II в. до н.э.), создали геометрическую теорию эпициклов, которая легла в основу геоцентрической системы мира Птолемея (II в. н.э.). Будучи принципиально неверной, система Птолемея тем не менее позволяла предвычислять приближенные положения планет на небе и потому удовлетворяла, до известной степени, практическим запросам в течение нескольких веков.
Системой мира Птолемея завершается этап развития древнегреческой астрономии. Развитие феодализма и распространение христианской религии повлекли за собой значительный упадок естественных наук, и развитие астрономии в Европе затормозилось на многие столетия. В эпоху мрачного средневековья астрономы занимались лишь наблюдениями видимых движений планет и согласованием этих наблюдений с принятой геоцентрической системой Птолемея.
Рациональное развитие в этот период астрономия получила лишь у арабов и народов Средней Азии и Кавказа, в трудах выдающихся астрономов того времени — Аль-Баттани (850-929 гг.), Бируни (973-1048 гг.), Улугбека (1394-1449 гг.) и др. В период возникновения и становления капитализма в Европе, который пришел на смену феодальному обществу, началось дальнейшее развитие астрономии. Особенно быстро она развивалась в эпоху великих географических открытий (XV-XVI вв.). Нарождавшийся новый класс буржуазии был заинтересован в эксплуатации новых земель и снаряжал многочисленные экспедиции для их открытия. Но далекие путешествия через океан требовали более точных и более простых методов ориентировки и исчисления времени, чем те, которые могла обеспечить система Птолемея. Развитие торговли и мореплавания настоятельно требовало совершенствования астрономических знаний и, в частности, теории движения планет. Развитие производительных сил и требования практики, с одной стороны, и накопленный наблюдательный материал, — с другой, подготовили почву для революции в астрономии, которую и произвел великий польский ученый Николай Коперник (1473-1543), разработавший свою гелиоцентрическую систему мира, опубликованную в год его смерти.
Учение Коперника явилось началом нового этапа в развитии астрономии. Кеплером в 1609-1618 гг. были открыты законы движений планет, а в 1687 г. Ньютон опубликовал закон всемирного тяготения.
Новая астрономия получила возможность изучать не только видимые, но и действительные движения небесных тел. Ее многочисленные и блестящие успехи в этой области увенчались в середине XIX в. открытием планеты Нептун, а в наше время — расчетом орбит искусственных небесных тел.
Следующий, очень важный этап в развитии астрономии начался сравнительно недавно, с середины XIX в., когда возник спектральный анализ и стала применяться фотография в астрономии. Эти методы дали возможность астрономам начать изучение физической природы небесных тел и значительно расширить границы исследуемого пространства. Возникла астрофизика, получившая особенно большое развитие в XX в. и продолжающая бурно развиваться в наши дни. В 40-х гг. XX в. стала развиваться радиоастрономия, а в 1957 г. было положено начало качественно новым методам исследований, основанным на использовании искусственных небесных тел, что в дальнейшем привело к возникновению фактически нового раздела астрофизики — рентгеновской астрономии (см. § 160).
Значение этих достижений астрономии трудно переоценить. Запуск искусственных спутников Земли. (1957 г., СССР), космических станций (1959 г., СССР), первые полеты человека в космос (1961 г., СССР), первая высадка людей на Луну (1969 г., США), — эпохальные события для всего человечества. За ними последовали доставка на Землю лунного грунта, посадка спускаемых аппаратов на поверхности Венеры и Марса, посылка автоматических межпланетных станций к более далеким планетам Солнечной системы.
www.ronl.ru
Доклад «Математика и космос»
Математика всегда помогала развитию других наук и сама развивалась под их воздействием. В астрономии математика помогла сделать многие открытия. Новые алгоритмы, разработанные математиками, переходили на службу астрономам.
Ньютон вычислял форму земного шара и показал, что Земля имеет форму шара, расширенного у экватора и сплюснутого у полюсов. Ньютон установил "сплющенность" Земли, не выходя за дверь. Это открытие было сделано "на кончике пера" средствами математики.
Ньютон смог рассчитать орбиты спутников Юпитера и Сатурна и, используя эти данные, определить, с какой силой Земля притягивает Луну. Эти данные почти через 250 лет использовались при подготовке первых околоземных космических полётов. Ньютон определил (приблизительно, конечно) массу и плотность планет и самого Солнца. Он рассчитал, что плотность Солнца в четыре раза меньше плотности Земли и установил, что наиболее близкие к Солнцу планеты имеют наибольшую плотность. Ученый объяснил совместное действие Луны и Солнца на приливы и отливы морей и океанов Земли. Пользуясь расчетами Ньютона, Э. Галлей предсказал, выполнив расчеты, появление огромной кометы, которая наблюдалась на небе в 1759 году. Она была названа кометой Галлея.
На уроках окружающего мира, мы узнали, что Земля является одной из 9 планет солнечной системы. А вот о двух последних (Нептуне и Плутоне) никто ничего не знал. В 1783г. русский ученый Лексель, изучая движение планеты Уран, обратил внимание на расхождение между расчетным и наблюдаемым движением Урана. Он подумал: "Отчего не хочется Урану бежать по той дорожке, которая для него рассчитана, ведь для остальных известных планет расчеты оказываются верными. Может быть на движение Урана влияет другая, неизвестная пока планета". Такие предположения делал ученый, но ему никто не поверил.
Прошло более 50 лет и загадка Урана по-прежнему волновала ученых. И вот английский астроном Адамс и французский астроном и математик Леверье решили проверить предположение русского ученого. Они рассчитали, каждый в отдельности, предполагаемое местонахождение этой все еще неизвестной планеты. Вычисления были очень сложны, заняли больше года, ведь выполнялись они вручную. О вычислениях на ЭВМ в те времена никто не слышал! Но труд ученых закончился блестящим успехом. Мир, рассчитанный на бумаге, был обнаружен и человеческим глазом.
23 сентября 1846 года немецкий астроном Иоганн Готтфрид Галле получил письмо от Леверье с просьбой провести поиск «заурановой» планеты по предвычисленным им координатам. В тот же вечер Галле с помощью телескопа отыскал новую планету, получившую позже название Нептун.
Интересный факт: Увидеть Нептун в наше время могут не только астрономы. Тысячи удивительных фотографий, сделанных аппаратом «Вояджер-1», размещены в интерненте. Вояджер был запущен 5 сентября 1977 года. А в 1989 году Американское космическое агентство выложило в Сеть фотографии не только Нептуна, но и самой большой луны Нептуна спутник Тритон. Теоретически двигатели «Вояджера-1», будут получать энергию до 2025 года. Это не фантастика, а труд сотен физиков, конструкторов и, конечно, математиков!
Плутон был открыт совсем недавно, 13 марта 1930 года. История утверждает, что Плутон, как и Нептун, был предварительно "вычислен" на основании возмущений, которые он оказывает на орбиту Урана, а уж потом открыт с помощью телескопа. Американский астроном по имени Персиваль Ловелл вычислил орбиту предполагаемой планеты, но обнаружить ее, несмотря на все попытки, никак не удавалось. Уже после смерти Ловелла астроном Клайд Томбо из Ловелловской обсерватории, изучая снимки звездного неба, выполненные в согласии с расчетами Ловелла, обнаружил небесное тело, впоследствии названное Плутоном.
В наши дни с помощью математики предсказываются многие астрономические явления. Например, с помощью математики рассчитали, что в 1982 году состоится 4 солнечных затмения... Сегодня они все уже в каталоге затмений. А 16 октября 2126 г. в Москве произойдет полное солнечное затмение.
Математика и космос, ракета и компьютер
Запуски искусственных спутников Земли, полеты космических кораблей – все это требует громадных расчетов. Но сейчас на помощь человеку пришла техника ЭВМ, компьютеры.
Ракета и компьютер – два величайших достижения техники XX века, ставших его символами. Причем компьютеры и математические методы играют важнейшую роль в создании ракетно-космических систем и народнохозяйственном освоении космоса.
Сам выход человечества в космос с его масштабами и скоростями потребовал развития новых математических методов навигации и управления полетом космических аппаратов, качественно новых технологий с использованием ЭВМ. Ведь высокие скорости космических аппаратов сделали практически невозможным непосредственное управление ими человеком в реальном времени, так как за время реакции человека ракета пролетает расстояние в сотни метров. Кроме того, сложность навигации космических кораблей заключается в том, что предсказание положения их в пространстве требует проведения большого объема вычислений за минимальное время с привлечением современных математических средств. Управление запуском и полетом космического аппарата представляет собой сегодня сложную организационную и техническую проблему, когда коллективы людей, разбросанные по всему земному шару, согласованно контролируют значения десятков параметров в реальном времени.
Советские математики принимали активное участие и в создании практической космонавтики, в разработке теории и алгоритмов управления космическим полетом. Математические методы академиков. Н. Н. Боголюбова, М. В. Келдыша, Н. Н. Красовского, Л. Н. Понтрягина, А. Н. Тихонова вошли в классический арсенал средств современной теоретической космонавтики. Следует сказать, что развитие космонавтики в СССР осуществлялось на основе советской науки и техники. Все расчеты, необходимые для обеспечения полетов, проводятся на отечественных ЭВМ, созданных советскими учеными, конструкторами и рабочими. Таким образом, развитие советской космической техники является демонстрацией высокого научно-технического уровня нашей страны.
Возникновение авиации и космонавтики неразрывно связано с применением математики для анализа основных проблем полета, конструирования и расчета самолетов и ракет. Первый вопрос, остро обсуждавшийся на заре авиации в конце XIX – начале XX в., могут ли летать аппараты тяжелее воздуха, был теоретически решен великим русским ученым, теоретиком авиации Н. Е. Жуковским. Пользуясь аппаратом чистой математики, Н. Е. Жуковский вывел математическую формулу для подъемной силы, действующей на единицу длины крыла. Со времен Н. Е. Жуковского в теоретической авиации применяется самый современный математический аппарат, причем задачи, возникшие при анализе практических проблем авиации, послужили основой для создания новых направлений математики.
Решение ряда ключевых проблем авиации связано с именами известных математиков и механиков нашей страны. Возьмем, например, проблему флаттера. Это явление было обнаружено в 30-х годах, когда стали строиться цельнометаллические самолеты со скоростью полета 50 – 80 м/с (200 – 300 км/ч). Оказалось, что при увеличении скорости в этом диапазоне при некотором критическом ее значении возникала сильная вибрация самолета, в результате которой самолет часто разрушался в полете. Явление вибрации при высоких скоростях назвали флаттером, и тайной этого страшного для пилотов явления занимались авиаконструкторы многих стран. Решить проблему флаттера удалось советскому математику и механику М. В. Келдышу. Первые же полеты самолетов, усовершенствованных по рекомендациям М. В. Келдыша, дали прекрасные результаты. Итак, математика снова выручила авиацию.
Отметим, что впоследствии М. В. Келдыш стал президентом Академии наук СССР и много сделал для математического обеспечения космических полетов в нашей стране, получив известность как Главный теоретик космонавтики.
При возникновении и развитии космонавтики математика сыграла еще более важную роль, чем при рождении и развитии авиации. Основоположник теоретической космонавтики К. Э. Циолковский в своих доказательствах возможности полета к другим планетам и в проектах космических поездов постоянно использовал математику, благодаря чему его космические проекты конструктивны и убедительны. Первой формулой космонавтики стала формула Циолковского, позволяющая рассчитывать конечную скорость ракеты v с начальной массой М, конечной массой m и скоростью истечения реактивной струи u :
v = uln(М/m).
Однако, помимо теоретического обоснования и расчета конструкции ракеты-носителя, математика необходима практически в каждую секунду космического полета, и здесь мы обязаны великому французскому математику XVI в. Р. Декарту. В самом деле, когда мы слышим по радио или телевидению очередное сообщение о запуске искусственного спутника Земли или космического корабля, как правило оно часто заканчивается фразой: «Координационно-вычислительный центр ведет обработку поступающей информации».
Это интересно: Координационно-вычислительный центр, часть командно-измерительного комплекса, предназначенный для проведения расчётов, связанных с полётом космических кораблей (вывод корабля на орбиту, изменение траектории полёта, коррекция орбиты и др.). К.-в. ц. оснащен быстродействующими универсальными ЦВМ.
Почему так велика роль координационно-вычислительного центра и где здесь заслуга Р. Декарта?
Дело в том, что при выводе космического аппарата на траекторию полета и во время его свободного полета необходимо точно знать, где он находится в данное мгновение. А как определить положение космического аппарата, в каком виде хранить и анализировать эту информацию? И вот здесь не обойтись без открытия Р. Декарта. Он показал, что положение материальной точки в нашем физическом пространстве можно охарактеризовать тремя числами – декартовыми координатами точки. А именно нужно зафиксировать три воображаемые взаимно перпендикулярные прямые, и проекции точки на эти прямые дадут декартовы координаты точки.
Первое практическое применение системы координат, проведенное под руководством самого Р. Декарта, носило не совсем «мирный» характер. На одной из лекций Р. Декарта неизвестный слушатель постоянно стучал ногами, но так, что источник шума установить не удавалось. Р. Декарт, не прерывая лекции, попросил ассистента пройти в подвальное помещение под аудиторией и провести измерения координат источника шума. Ассистент вернулся через некоторое время и произвел следующие манипуляции: отложил некоторое расстояние от одной стены аудитории, затем некоторое расстояние от другой стены и попросил удалиться слушателя, сидевшего на пересечении этих двух расстояний. Демонстрация практического значения системы координат Р. Декарта получилась весьма убедительной.
Во многих случаях при движении космического аппарата важна его ориентация в пространстве. Тогда, чтобы задать полностью положение тела, нужно знать еще три угла, задающие ориентацию относительно Земли. Таким образом, для определения положения тела в пространстве требуется знать шесть чисел. Возможность однозначного определения положения тела в пространстве с помощью конечного набора чисел позволяет все операции по управлению полетом и предсказанию положения космического аппарата в пространстве сводить к математическим действиям. Иначе говоря, математика становится основным инструментом управления полетом космических аппаратов.
nsportal.ru
Астрономия — наука о расположении, строении, свойствах, происхождении, движении и развитии космических тел(звезд, планет, метеоритов и т.п.) образованных ими систем ((звездные скопления, галактики и т.п.) и всей Вселенной в целом.
Как наука, астрономия основывается прежде всего на наблюдениях. В отличие от физиков астрономы лишены возможности ставить эксперименты. Практически всю информацию о небесных телах приносит нам электромагнитное излучение. Только в последние сорок лет отдельные миры стали изучать непосредственно: зондировать атмосферы планет, изучать лунный и марсианский грунт.
Астрономия тесно связана с другими науками, прежде всего с физикой и математикой, методы которых широко применяются в ней. Но и астрономия является незаменимым полигоном, на котором проходят испытания многие физические теории. Космос — единственное место, где вещество существует при температурах в сотни миллионов градусов и почти при абсолютном нуле, в пустоте вакуума и в нейтронных звездах. В последнее время достижения астрономии стали использоваться в геологии и биологии, географии и истории. Что изучает астрономия
Астрономия изучает Солнце и звезды, планеты и их спутники, кометы и метеорные тела, туманности, звездные системы и материю, заполняющую пространство между звездами и планетами, в каком бы состоянии эта материя ни находилась. Изучая строение и развитие небесных тел, их положение и движение в пространстве, астрономия в конечном итоге дает нам представление о строении и развитии Вселенной в целом. Слово «астрономия» происходит от двух греческих слов: «астрон» — звезда, светило и «номос» — закон. При изучении небесных тел астрономия ставит перед собой три основные задачи, требующие последовательного решения:
1. Изучение видимых, а затем и действительных положений и движений небесных тел в пространстве, определение их размеров и формы.
2. Изучение физического строения небесных тел, т.е. исследование химического состава и физических условий (плотности, температуры и т.п.) на поверхности и в недрах небесных тел.
3. Решение проблем происхождения и развития, т.е. возможной дальнейшей судьбы отдельных небесных тел и их систем.
Вопросы первой задачи решаются путем длительных наблюдений, начатых еще в глубокой древности, а также на основе законов механики, известных уже около 300 лет. Поэтому в этой области астрономии мы располагаем наиболее богатой информацией, особенно для небесных тел, сравнительно близких к Земле.
О физическом строении небесных тел мы знаем гораздо меньше. Решение некоторых вопросов, принадлежащих второй задаче, впервые стало возможным немногим более ста лет назад, а основных проблем — лишь в последние годы.
Что изучает астрономия
Астрономия изучает Солнце и звезды, планеты и их спутники, кометы и метеорные тела, туманности, звездные системы и материю, заполняющую пространство между звездами и планетами, в каком бы состоянии эта материя ни находилась. Изучая строение и развитие небесных тел, их положение и движение в пространстве, астрономия в конечном итоге дает нам представление о строении и развитии Вселенной в целом. Слово «астрономия» происходит от двух греческих слов: «астрон» — звезда, светило и «номос» — закон. При изучении небесных тел астрономия ставит перед собой три основные задачи, требующие последовательного решения:
1. Изучение видимых, а затем и действительных положений и движений небесных тел в пространстве, определение их размеров и формы.
2. Изучение физического строения небесных тел, т.е. исследование химического состава и физических условий (плотности, температуры и т.п.) на поверхности и в недрах небесных тел.
3. Решение проблем происхождения и развития, т.е. возможной дальнейшей судьбы отдельных небесных тел и их систем.
Вопросы первой задачи решаются путем длительных наблюдений, начатых еще в глубокой древности, а также на основе законов механики, известных уже около 300 лет. Поэтому в этой области астрономии мы располагаем наиболее богатой информацией, особенно для небесных тел, сравнительно близких к Земле.
О физическом строении небесных тел мы знаем гораздо меньше. Решение некоторых вопросов, принадлежащих второй задаче, впервые стало возможным немногим более ста лет назад, а основных проблем — лишь в последние годы.
Подразделение астрономии
Современная астрономия подразделяется на ряд отдельных разделов, которые тесно связаны между собой, и такое разделение астрономии, в известном смысле, условно. Главнейшими разделами астрономии являются:
1. Астрометрия — наука об измерении пространства и времени. Она состоит из: а) сферической астрономии, разрабатывающей математические методы определения видимых положений и движений небесных тел с помощью различных систем координат, а также теорию закономерных изменений координат светил со временем; б) фундаментальной астрометрии, задачами которой являются определение координат небесных тел из наблюдений, составление каталогов звездных положений и определение числовых значений важнейших астрономических постоянных, т.е. величин, позволяющих учитывать закономерные изменения координат светил; в) практической астрономии, в которой излагаются методы определения географических координат, азимутов направлений, точного времени и описываются применяемые при этом инструменты.
2. Теоретическая астрономия дает методы для определения орбит небесных тел по их видимым положениям и методы вычисления эфемерид (видимых положений) небесных тел по известным элементам их орбит (обратная задача).
3. Небесная механика изучает законы движений небесных тел под действием сил всемирного тяготения, определяет массы и форму небесных тел и устойчивость их систем. Эти три раздела в основном решают первую задачу астрономии, и их часто называют классической астрономией.
4. Астрофизика изучает строение, физические свойства и химический состав небесных объектов. Она делится на: а) практическую астрофизику, в которой разрабатываются и применяются практические методы астрофизических исследований и соответствующие инструменты и приборы; б) теоретическую астрофизику, в которой на основании законов физики даются объяснения наблюдаемым физическим явлениям. Ряд разделов астрофизики выделяется по специфическим методам исследования. О них будет сказано в § 101,
5. Звездная астрономия изучает закономерности пространственного распределения и движения звезд, звездных систем и межзвездной материи с учетом их физических особенностей. В этих двух разделах в основном решаются вопросы второй задачи астрономии.
6. Космогония рассматривает вопросы происхождения и эволюции небесных тел, в том числе и нашей Земли.
7. Космология изучает общие закономерности строения и развития Вселенной.
На основании всех полученных знаний о небесных телах последние два раздела астрономии решают ее третью задачу.
История
Астрономия — наиболее древняя среди естественных наук. Она была высоко развита вавилонянами и греками — гораздо больше, нежели физика, химия и техника. В древности и средние века не одно только чисто научное любопытство побуждало производить вычисления, копирование, исправления астрономических таблиц, но прежде всего тот факт, что они были необходимы для астрологии. Вкладывая большие суммы в построение обсерваторий и точных инструментов, власть имущие ожидали отдачи не только в виде славы покровителей науки, но также в виде астрологических предсказаний. Сохранилось лишь очень небольшое число книг тех времен, свидетельствующих о чисто теоретическом интересе учёных к астрономии; большинство книг не содержит ни наблюдений, ни теории, а лишь таблицы и правила их использования. Одно из немногих исключений — «Альмагест» Птолемея, написавшего, однако, также и астрологическое руководство «Тетрабиблос».
Первые записи астрономических наблюдений, подлинность которых несомненна, относятся к VIII в. до н.э. Однако известно, что еще за 3 тысячи лет до н. э. египетские жрецы подметили, что разливы Нила, регулировавшие экономическую жизнь страны, наступали вскоре после того, как перед восходом Солнца на востоке появлялась самая яркая из звезд, Сириус, скрывавшаяся до этого около двух месяцев в лучах Солнца. Из этих наблюдений египетские жрецы довольно точно определили продолжительность тропического года.
В Древнем Китае за 2 тысячи лет до н.э. видимые движения Солнца и Луны были настолько хорошо изучены, что китайские астрономы могли предсказывать наступление солнечных и лунных затмений. Астрономия, как и все другие науки, возникла из практических потребностей человека. Кочевым племенам первобытного общества нужно было ориентироваться при своих странствиях, и они научились это делать по Солнцу, Луне и звездам. Первобытный земледелец должен был при полевых работах учитывать наступление различных сезонов года, и он заметил, что смена времен года связана с полуденной высотой Солнца, с появлением па ночном небе определенных звезд. Дальнейшее развитие человеческого общества вызвало потребность в измерении времени и в летосчислении (составлении календарей).
Все это могли дать и давали наблюдения над движением небесных светил, которые велись в начале без всяких инструментов, были не очень точными, но вполне удовлетворяли практические нужды того времени. Из таких наблюдений и возникла паука о небесных телах — астрономия.
С развитием человеческого общества перед астрономией выдвигались все новые и новые задачи, для решения которых нужны были более совершенные способы наблюдений и более точные методы расчетов. Постепенно стали создаваться простейшие астрономические инструменты и разрабатываться математические методы обработки наблюдений.
В Древней Греции астрономия была уже одной из наиболее развитых наук. Для объяснения видимых движений планет греческие астрономы, крупнейший из них Гиппарх (II в. до н.э.), создали геометрическую теорию эпициклов, которая легла в основу геоцентрической системы мира Птолемея (II в. н.э.). Будучи принципиально неверной, система Птолемея тем не менее позволяла предвычислять приближенные положения планет на небе и потому удовлетворяла, до известной степени, практическим запросам в течение нескольких веков.
Системой мира Птолемея завершается этап развития древнегреческой астрономии. Развитие феодализма и распространение христианской религии повлекли за собой значительный упадок естественных наук, и развитие астрономии в Европе затормозилось на многие столетия. В эпоху мрачного средневековья астрономы занимались лишь наблюдениями видимых движений планет и согласованием этих наблюдений с принятой геоцентрической системой Птолемея.
Рациональное развитие в этот период астрономия получила лишь у арабов и народов Средней Азии и Кавказа, в трудах выдающихся астрономов того времени — Аль-Баттани (850-929 гг.), Бируни (973-1048 гг.), Улугбека (1394-1449 гг.) и др. В период возникновения и становления капитализма в Европе, который пришел на смену феодальному обществу, началось дальнейшее развитие астрономии. Особенно быстро она развивалась в эпоху великих географических открытий (XV-XVI вв.). Нарождавшийся новый класс буржуазии был заинтересован в эксплуатации новых земель и снаряжал многочисленные экспедиции для их открытия. Но далекие путешествия через океан требовали более точных и более простых методов ориентировки и исчисления времени, чем те, которые могла обеспечить система Птолемея. Развитие торговли и мореплавания настоятельно требовало совершенствования астрономических знаний и, в частности, теории движения планет. Развитие производительных сил и требования практики, с одной стороны, и накопленный наблюдательный материал, — с другой, подготовили почву для революции в астрономии, которую и произвел великий польский ученый Николай Коперник (1473-1543), разработавший свою гелиоцентрическую систему мира, опубликованную в год его смерти.
Учение Коперника явилось началом нового этапа в развитии астрономии. Кеплером в 1609-1618 гг. были открыты законы движений планет, а в 1687 г. Ньютон опубликовал закон всемирного тяготения.
Новая астрономия получила возможность изучать не только видимые, но и действительные движения небесных тел. Ее многочисленные и блестящие успехи в этой области увенчались в середине XIX в. открытием планеты Нептун, а в наше время — расчетом орбит искусственных небесных тел.
Следующий, очень важный этап в развитии астрономии начался сравнительно недавно, с середины XIX в., когда возник спектральный анализ и стала применяться фотография в астрономии. Эти методы дали возможность астрономам начать изучение физической природы небесных тел и значительно расширить границы исследуемого пространства. Возникла астрофизика, получившая особенно большое развитие в XX в. и продолжающая бурно развиваться в наши дни. В 40-х гг. XX в. стала развиваться радиоастрономия, а в 1957 г. было положено начало качественно новым методам исследований, основанным на использовании искусственных небесных тел, что в дальнейшем привело к возникновению фактически нового раздела астрофизики — рентгеновской астрономии (см. § 160).
Значение этих достижений астрономии трудно переоценить. Запуск искусственных спутников Земли. (1957 г., СССР), космических станций (1959 г., СССР), первые полеты человека в космос (1961 г., СССР), первая высадка людей на Луну (1969 г., США), — эпохальные события для всего человечества. За ними последовали доставка на Землю лунного грунта, посадка спускаемых аппаратов на поверхности Венеры и Марса, посылка автоматических межпланетных станций к более далеким планетам Солнечной системы.
www.ronl.ru
