1. Возникнвение астрономии как науки
Жизнь человека на планете Земля всегда зависела от природы и сезонов погоды. С развитием сельского хозяйства связь между звездами и сезонами стала играть особенно важную роль. Преждевременный или запоздалый посев был равносилен отсроченной голодной смерти. В условиях столь высоких ставок пропитанные суевериями примитивные культуры делали всё возможное, чтобы вызвать благосклонность небесных сил.
Астрономия (от др.-греч. ἄστρον «звезда» и νόμος «закон») — это наука о Вселенной, изучающая расположение, движение, структуру, происхождение и развитие небесных тел и систем. (Нажмите на картинку ниже, чтобы увидеть разнообразие объектов, изучаемых астрономией)
О причинах возникновения интереса к изучению звезд на небе можно судить в связи с практическими потребностями людей. Их можно разделить на несколько групп:
- cельскохозяйственные потребности (потребность в отсчете времени - сутки, месяцы, годы. Например, в Древнем Египте определяли время посева и уборки урожая по появлению перед восходом солнца из-за края горизонта яркой звезды Сотис - предвестника разлива Нила);
- потребности в расширении торговли, в том числе морской (мореплавание, поиск торговых путей, навигация. Так, финикийские мореплаватели ориентировались по Полярной звезде, которую греки также называли - Финикийская звезда);
- потребности в целостном мировоззрении (человек стремился объяснить периодичность природных явлений и процессов, возникновение окружающего мира).
2. Особенности астрономической науки
Первая особенность астрономии заключается в том, что основным источником научной информации являются наблюдения за объектом. Сведения о том, что происходит за пределами Земли в космическом пространстве, ученые получают на основе происходящего от этих объектов света и других видов излучения. Таким образом, в отличии от других естественных наук (например, физики или химии), где значительную роль играют опыты и эксперименты в лаборатории, в астрономии главным является только метод наблюдения. Трудно себе представить эксперименты над планетой в целом, звездой или галактикой. Вторая особенность астрономии заключается в значительной продолжительности (от сотен до миллионов и миллиардов лет) астрономических явлений. Это приводит к тому, что многие явления невозможно непосредственно наблюдать на протяжении только одной человеческой жизни. Третья особенность астрономии заключается в необходимости указать положение небесных тел в пространстве и невозможностью сразу указать, какое из них находится ближе, а какое дальше от нас. Все наблюдаемые с Земли светила кажутся нам одинаково далёкими.
3. Основные разделы астрономии
Астрометрия — изучает измерение пространства и времени.
Небесная механика — изучает законы движения небесных тел под действием сил всемирного тяготения , определяет массы и форму небесных тел и устойчивость их систем.
Астрофизика — изучает строение , физические свойства и химический состав небесных объектов.Звездная астрономия — изучает движение и распределение в пространстве звезд, газопылевых туманностей и звездных систем, их структуру и эволюцию, проблему их устойчивости.Космогония — рассматривает вопросы происхождения и эволюции небесных тел.
Космология — изучает общие закономерности строения и развития Вселенной.
Космонавтика — исследования космического пространства при помощи автоматических и пилотируемых космических аппаратов.
4. Связь астрономии с другими науками
Человек всегда пытался познать тайны того мира, в котором он живет, его скрытую мудрость. Людей, любящих изучать эти тайны, называли философами (от древне-греческих слов «филос» - любовь, «софия» - мудрость) или физиками. Слова "физика"(природа) и "философия"(любовь к мудрости) были синонимами с начала их появления в IV веке до н.э. в Древней Греции вплоть до начала научной революции. Выросшие из этой единой науки о тайнах природы мироздания - философии - астрономия, математика и физика никогда не теряли тесной связи между собой. Тот не мог называться ученым в древности, кто не интересовался астрономией.
Физика: движение в гравитационном и магнитном полях; описание состояния вещества; процессы излучения и поглощения; индукционные токи в плазме, образующие космические объекты; относительность движения и др.
Математика: использование приемов приближенных вычислений; замена тригонометрических функций малых углов значениями самих углов; логарифмирование и т.д.
Химия: открытие новых химических элементов в атмосфере звезд; становление спектральных методов; химические свойства газов, составляющие небесные тела; открытие в межзвездном веществе молекул, содержащих до девяти атомов; существование сложных органических соединений метилацетилена и формамида и т.д.
Биология и экология: гипотезы происхождения жизни; приспособляемость и эволюция живых организмов; загрязнение окружающего космического пространства веществом и излучением.
История: древние обсерватории, зарождение научных знаний и их влияние на развитие общества.
География: природа облаков на Земле и других планетах. Приливы в океанах, атмосфере и твердой коре Земли; испарение воды с поверхности океана под действием излучения Солнца; неравномерное нагревание Солнцем различных частей земной поверхности. Создающее циркуляцию атмосферных потоков.
Литература: древние мифы и легенды как литературные произведения, научно-фантастическая литература.
5. Инструменты для изучения небесной сферы
Как уже отмечалось выше, главный метод изучения звездного неба – это метод наблюдения, поэтому главным инструментом астронома всегда был глаз. Сначала это был невооруженный глаз, затем — вооруженный телескопом. На протяжении многих эпох вооружение глаза совершенствовалось и сегодняшний электронный глаз уже давно победил своего живого собрата. Все интсрументы для изучения небесной сферы размещались в специально отведенном месте, которое называлось обсерватория.
Обсерватория (от лат."Observatio" — наблюдение) — это сооружение, предназначенное для проведения систематических наблюдений небесных тел; возводится обыкновенно на высокой местности, с которой открывался бы большой кругозор во все стороны. Каждая современная обсерватория обязательно оборудована телескопами.
Первые инструменты астрономии
Первой обсерваторией в современном смысле этого слова был знаменитый музей в Александрии (Египет), устроенный Птолемеем II Филадельфом в III веке до н.э. Эта обсерватория не сохранилась до наших дней. Позже на смену греческой цивилизации пришли арабы, которые внесли свой вклад в развитие астрономии. Правители исламского мира не только упражнялись в этой науке, но и увековечивали свои имена постройкой грандиозных обсерваторий. Так, правитель Самарканда, внук Тамерлана, и знаменитый ученый-астроном Улукбек построил обсерваторию, которая начиналась глубоко под землёй и затем высоко возвышалась над её поверхностью. Строительство началось осенью 1420 г. и длилось три года. После того как Узбекистан вошел в состав Российской империи сохранившаяся подземная часть обсерватории Улукбека была восстановлена и открыта для посещения даже до наших дней.
Обсерватория Джанта́р-Манта́р, построенная в 1727—1734 гг. в городе Дели (Индия), одновременно бывшая исполинскими солнечными часами. Эта обсерватория в настоящее время превращена в музей под открытм небом. Существовали подобные обсерватории в других городах и странах.
Эти древние научные учреждения оснощались различными астрономическими приборами:
1) ГНОМОН (по др.-греч. "указатель") — это древнейший астрономический инструмент, вертикальный предмет (обелиск, колонна, шест), позволяющий по наименьшей длине его тени в полдень определить угловую высоту Солнца. Кратчайшая тень указывает и направление истинного меридиана. Гномоном также называют часть солнечных часов, по тени от которой определяется время в солнечных часах. Если известна высота гномона L и длина тени l, то угловая высота h Солнца определяется по очевидной формуле tgh=L/l.
Иногда гномоны делали огромных размеров. Знаменитый узбекский астроном Улугбек (XV в. н. э.) пользовался гномоном высотой 55 м. В том же веке во Флоренции на здании собора был установлен гномон, который вместе с собором достигал высоты 90 м! Увеличение высоты гномона было обоснованным. Чем выше гномон, тем длиннее его тень и тем легче заметить ее изменение. Значит, здесь, как и во многом другом, проявляется главное стремление астрономов - сделать измерения как можно более точными.
2) АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ПОСОХ (также: radius astronomicus («астрономический радиус»), Якобштаб, посох Якова) — один из старейших астрономических инструментов, служивший для измерения углов. В простейшем варианте это градуированная линейка АВ, вдоль которой перемещается рейка CD. На концах рейки обычно укрепляли небольшие стержни - визиры. Визир с отверстием имелся и на конце основной линейки АВ в точке А. Рисунок с транспортиром поясняет принцип действия астрономического посоха. С его помощью древние астрономы определяли высоту звезд и угловое расстояние между ними.
3) ТРИКВЕТРУМ (от лат. "triquetrus" — треугольный) (также: трикветр, линейка параллактическая) — древний астрономический угломерный инструмент, применявшийся для измерения расстояний небесных светил. Он состоял из трех соединенных между собой линеек. К вертикальной неподвижной линейке АВ на шарнирах прикреплялись линейки ВС и АС. Верхняя ВС имела два визира, или диоптра, m и n. При наблюдениях астроном направлял эту линейку на звезду так, чтобы звезда была одновременно видна сквозь оба диоптра. Затем, удерживая линейку ВС в этом положении, к ней прикладывали линейку АС таким образом, чтобы расстояния ВА и ВС были равны между собой. Осуществить это было легко, так как на всех трех линейках трикветра имелись деления с одинаковой шкалой. Измерив по шкале длину отрезка линейки АС, астроном затем по специальным таблицам находил угол ABC, равный зенитному расстоянию звезды.
И астрономический посох и трикветр были грубыми, неточными инструментами, и в древности им обычно предпочитали квадранты.
4) КВАДРАНТ (от лат. "quadrans" — четвёртая часть, четверть) — астрономический инструмент для определения высот светил. Квадрант представлял собой доску в форме четверти градуированного круга. В его центре укреплялась подвижная линейка с двумя диоптрами (в некоторых квадрантах линейку заменяли полой трубкой). Квадрант устанавливали вертикально и по положению трубки или линейки с визирами, направленными на светило, измеряли по шкале высоту этого светила. Если вместо четверти круга брали его шестую часть, то инструмент называли секстантом, а если восьмую — октантом.
Чем крупнее был квадрант, тем точнее была градуировка, но при этом возникали трудности с обеспечением вертикальности его установки во время наблюдений. Некоторые из квадрантов укрепляли на вертикальных стенах (в плоскости небесного меридиана), почему они и получили наименование стенных квадрантов. В других конструкциях квадранты могли вращаться вокруг вертикальной оси и с их помощью удавалось измерять не только высоту, но и азимут. Эти приборы до сих пор имеют место пребывания на кораблях на случай сбоя электронных систем позиционирования и продаются в интернет-магазинах.
5) АСТРОЛЯБИЯ (по др.-греч.«берущий звезды») — один из старейших астрономических инструментов, служивший для измерения горизонтальных углов и определения широт и долгот небесных тел. Главной ее частью был разделенный на градусы металлический круг. За кольцо астролябия подвешивалась к какой-либо опоре, или ее просто держали в руках. Подвижная линейка с двумя диоптрами, называемая алидадой, направлялась на светило, а отсчет высоты производился по кругу.
6) АРМИЛЛЯРНАЯ СФЕРА (также: АРМИЛЛА) (от лат."armilla" — браслет, кольцо) — это собрание кругов, изображающих важнейшие дуги небесной сферы. В наше время изготовляют металлические модели небесной сферы, которые есть далекие потомки древних армилл. Сегодняшняя армиллярная сфера является всего лишь наглядным пособием при изучении школьного курса астрономии.
Но когда-то без них не обходился ни один астроном. Великий Коперник (XVI век) пользовался астрономическим посохом, квадрантом и армиллами. С их помощью он мог производить угловые измерения с точностью до одной-двух минут дуги. Но и этого оказалось достаточным, чтобы утвердить новую систему мира, которая произвела революцию в астрономии. Однако к началу XX века армиллярная сфера была вытеснена более точными астрономическими инструментами и практически не использовалась.
Оптические инструменты
Подлинная революция в астрономии началась с изобретением специального оптического прибора Галилео Галилеем в 1609 году — телескопа (от греч."теле"- далеко и "скопео"- смотрю), что может быть переведено на русский язык как «смотрю вдаль». Телескоп Галилея представлял собой свинцовую трубу с двумя линзами: плосковыпуклой, которая служила объективом и плосковогнутой, служившей окуляром. Это был первый в мире линзовый телескоп для наблюдения небесных тел.
Объектив (от лат. objectum — предмет) — это оптическая система, являющаяся частью оптического прибора, обращённая к объекту наблюдения;
Окуляр (от лат. oculus — глаз) — это оптическая система, являющаяся частью оптического прибора, обращенная к глазу.
На рисунке представлены две трубы Галилея. Первая зрительная труба обеспечивала прямое изображение и лишь трёхкратное увеличение, однако впоследствии учёному удалось создать вторую трубу, которая приближала предметы в 30 раз. При помощи своего телескопа Галилей обнаружил четыре спутника Юпитера, фазы Венеры, неровности (горы, долины, трещины, кратеры) на поверхности Луны, пятна на Солнце. Дальнейшее совершенствование линзового телескопа другими учеными приводило к значительному удлинению трубы (например, в конце XVIII века длина телескопа Яна Гевелия достигала 46 м), что способствовало появлению зеркального телескопа. Первый зеркальный телескоп был изобретён сэром Исааком Ньютоном в 1668 году.
На рисунке его телескоп при длине всего 15 см и диаметре зеркала 25 мм действовал ничуть не хуже длинного линзового телескопа Галилея. Хотя изображение, создаваемое первым телескопом Ньютона, было тусклым и недостаточно ярким, однако впоследствии ему удалось значительно улучшить характеристики своего устройства.
Для чего нужен и как работат телескоп?
Телескоп применяют, во-первых, для того, чтобы собрать как можно больше света, идущего от исследуемого объекта, а во-вторых, чтобы обеспечить возможность изучать его мелкие детали, недоступные невооружённому глазу. Отсюда видно, что у телескопов есть две важные характеристики, определяющие качество работы:
1) РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ (разрешающая сила) — это величина, характеризующая способность телескопа давать раздельное изображение двух близких друг к другу точек объекта. Разрешающая способность зависит от диаметра объектива телескопа.
2) ПРОНИЦАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ (проницающая сила) — это минимальный блеск звезд, туманностей, галактик, который можно различить с помощью данного телескопа. Проникающая способность зависит от трёх показателей: а) Диаметр объектива телескопа. б) Астроклимат, то есть комплекса характеристик атмосферы: сила ветра, перепады температуры и влажности воздуха, прозрачность атмосферы и другое; в) Место установки телескопа. Если установить телескоп в низменной местности, скажем на уровне моря или ниже его, то проницающая способность будет весьма низкой. Чем выше местность, на которой установлен телескоп, тем выше будет его проницающая способность. Дело в том, что наша атмосфера – это смесь газов, мельчайших частиц (пыли, песка, поднятых в воздух) и воды (облака). Все это становится препятствием на пути света. Чем выше установлен телескоп, тем меньше атмосферных препятсвий на пути света и тем качественнее изображение получится в окуляре телескопа, то есть в глазу наблюдателя.
Телескоп представляет собой оптическую систему, которая, «выхватывая» из пространства небольшую область, зрительно приближая расположенные в ней объекты. Телескоп улавливает параллельные своей оптической оси лучи светового потока, собирает их в одну точку F (фокус) и увеличивает при помощи линзы или, чаще, системы линз (окуляра), которая одновременно снова преобразует расходящиеся лучи света в параллельные.
Мудрецы древности (их также называли астрономами, а в Древней Греции — философами или физиками) в разных странах (Китай, Египет, Месопотамия, Греция, Арабский халифат и др.), используя доступные им инструменты, трудились над описанием звездного неба. Благодаря их многолетним трудам нам достался грандиозный багаж астрономических знаний, опираясь на коротые мы строим сегоняшнюю реальность: сотовая связь, беспроводной интернет, геодезия, GPS-навигация и многие другое. Так привычное нам использование в сотовом телефоне: оценивение пробок на дарогах, отслеживание маршрутов городского транспорта, поиск кафе/магазинов и прочее, — стало возможным благодаря орбитальным искусственным спутникам. Запуск и обслуживание этих космических аппаратов был бы не возможен без точных координат звездного неба, полученных учеными предыдущих поколений посредством: астрономического посоха, гномона, квадранта, армилла, астролябии и телескопов. В настоящее время все эти инструменты не ушли в прошлое, они просто реализуются в другой форме — электронно-цифровой.
Поделиться с друзьями: