Том 38. Измерение мира. Календари, меры длины и математика

Гевара Иоланда

Пюиг Карлес

Измерения играют важнейшую роль в современной науке, но без них немыслима и повседневная жизнь. Например, без измерений невозможно узнать, что находится рядом с нами, а что — вдали. Если мы составим список всех измерений, которые проводим в течение дня, то удивимся тому, каким длинным он будет. За свою историю человечество выработало различные методы измерений. С их помощью мы смогли определить размеры нашей планеты, протяженность межзвездного пространства и даже измерить время. В этой книге пойдет речь о математических методах, на которых строятся астрономические, геодезические, календарные и метрологические измерения.

 

Предисловие

«Если вы можете измерить то, о чем говорите, и выразить это с помощью чисел, то вы кое-что знаете о предмете своих рассуждений. Если же вы не можете измерить то, о чем говорите, и не можете выразить это с помощью чисел, то ваши знания о предмете скудны и недостаточны». Это изречение приписывается шотландскому физику и математику Уильяму Томсону (1824–1907) , лорду Кельвину, который в 1848 году создал абсолютную шкалу температур. В его честь и названа единица измерения температуры в Международной системе единиц.

Томсон показал, что измерения играют важнейшую роль в современной науке, но так же немыслима без них и повседневная жизнь. Например, без измерений невозможно узнать, что находится рядом с нами, а что — вдали. В свою очередь, точность и надежность измерений обеспечивает математика.

За свою историю человечество выработало различные методы измерений. С их помощью мы смогли определить размеры нашей планеты, протяженность межзвездного и межгалактического пространства и даже измерить время. Для этого мы ввели ряд единиц и научились проводить прямые и косвенные измерения. Еще в глубокой древности люди заметили, что природные циклы сильно влияют на жизнь народов, и поняли: течение времени можно измерять по движению небесных тел. Движение небесных тел человек связывал с явлениями природы (холодом, жарой, листопадом, перелетами птиц). Сама природа также стала объектом измерений: сначала они носили локальный характер (при разграничении обитаемой территории), затем — более общий (при прокладке маршрутов путешествий и курсов кораблей). С развитием торговли стало очевидно, что большое количество местных единиц измерения вызывает определенные трудности. В это время впервые почувствовалась нехватка универсальных мер. Первая универсальная единица измерения — метр, который стал основой метрической системы и определялся как результат точных измерений Земли посредством конкретного математического метода — триангуляции. Именно о нем и других математических методах, имеющих отношение к астрономическим, геодезическим, календарным и метрологическим измерениям, и пойдет речь в этой книге.

Процесс измерения знаком каждому из нас — все мы постоянно что-то измеряем. Едва встав с постели, мы уже отмеряем на глаз, сколько молока добавим в кофе. А если мы составим список всех измерений, которые проводим в течение дня, то удивимся его длине.

Мы благодарим издателя за то, что он дал нам возможность написать одну из книг для этой серии и благосклонно отнесся к начальному проекту книги об истории календаря и появлении метра — проекту, который в конечном итоге, благодаря предложениям редактора, перерос в книгу более общего характера, посвященную различным аспектам измерений. Мы также выражаем благодарность Розер Пюиг за уточнение некоторых технических моментов, связанных с исламским календарем.

Кроме того, мы благодарим Антона Обанелла Поу, который вдохновил нас на создание этой книги, оказал полную и безусловную поддержку и предоставил нам свои работы и личные документы, посвященные истории календаря и определению метра.

 

Глава 1

Что означает «измерить»

Едва человек появляется на свет, он начинает обучаться. Дети уже в очень раннем возрасте, задолго до своего первого слова или первого шага, способны определять, близко они или далеко от мамы, учатся протягивать руку так, чтобы схватить нужный предмет, и отличают похожие объекты разной величины. Таким образом, уже в раннем возрасте мы учимся ориентироваться в окружающей среде, сравнивая различные расстояния, размеры, объемы и так далее. Иными словами, мы почти сразу же после рождения учимся измерять. Но что означает «измерять»?

Измерения, измерения, измерения…

Каждый день, выполняя привычные действия, мы бесчисленное множество раз и совершенно неосознанно проводим измерения. Мы приведем несколько примеров, и вы наверняка согласитесь, что сами поступаете так же. Заходя в гости к друзьям, мы идем по коридору и проникаем в дверь гостиной без малейших сомнений. Мы знаем, что пройдем через дверь, а если мы отличаемся высоким ростом, то машинально слегка пригнемся, чтобы не удариться.

Допустим, нам нужно перейти пустынную улицу, и мы видим, как издалека приближается автомобиль. Мы спокойно переходим дорогу, поскольку уже определили: когда машина подъедет к тому месту, где мы сейчас стоим, мы уже перейдем на другую сторону. Если мы пишем письмо на листе бумаги, то можем сразу же определить, сколько раз потребуется сложить лист, чтобы он поместился в конверт.

Все эти примеры доказывают, что мы постоянно принимаем решения, требующие сравнения величин одного и того же типа: высоты дверного проема и нашего роста, размеров листа бумаги и конверта, времени, за которое два движущихся объекта (автомобиль и человек) преодолеют определенное расстояние. Подобные сравнения мы выполняем автоматически.

Математические действия, общие для всех культур

Как утверждает Алан Бишоп в книге «Приобщение к математической культуре. Обучение математике с точки зрения культуры» (Mathematical enculturation: a cultural perspective on mathematics education), математика, как и любая другая форма знания, — продукт культуры. Эта математическая культура проявляется в трех областях: первая связана с числами и относится к счету и измерению, вторая связана с пространством и проявляется при определении местоположения и проектировании, третья, и последняя, относится к взаимодействию людей в обществе и охватывает объяснения и игры. Говоря, что математика является частью культуры, мы в некотором смысле признаем, что живем в мире математики. Но что мы понимаем под математикой?

Давайте определим общие для разных культур действия, имеющие отношение к математической мысли. В этом смысле под математикой мы понимаем не набор сугубо математических тем, а рассуждения и мыслительные процессы, происходящие при выполнении определенных действий с математическим контекстом. Математикой как наукой занимаются в школах, институтах и университетах, но если мы будем рассматривать ее исключительно с этой точки зрения, то ограничимся повторением изложенного в учебниках. Мы же хотим взглянуть на математику шире и узнать, какие действия, выполняемые в повседневной жизни в нашей и других культурах, относятся к математике. Язык возник из необходимости общения. Но как появилась математика? Какие потребности она удовлетворяла?

В развитии математических идей важную роль играет организация предметов в пространстве, с которой тесно связаны два действия — определение местоположения и проектирование. Первое следует из потребности покинуть жилище в поисках еды и найти дорогу домой, потребности познать ближайшее окружение и научиться в нем ориентироваться. Можно рассмотреть три вида пространств: физическое (в нем располагаются предметы), социально-географическое (наше окружение) и космологическое (мир, в котором мы живем).

Проектирование связано с изготовлением предметов и орудий труда. Они могут предназначаться для домашнего использования, для продажи, служить украшениями, использоваться во время войн или религиозных ритуалов. Почему во всех культурах появились чашки для жидкой пищи? Ответ прост: удержать жидкость на плоской или выпуклой тарелке невозможно. Проектирование также относится к упорядочению более обширных пространств: домов, поселений, садов, дорог и городов.

Мы не просто привязаны к физическому окружению — мы живем в нем не одни, и нам необходимо взаимодействовать с другими членами общества. Эта необходимость в социализации привела к появлению еще двух действий, связанных с математической мыслью, — игре и объяснению.

К игре относятся социальные правила и нормы, а также воображение, формулирование гипотез и вопросов вида: «а что, если…?» при анализе различных ситуаций. Все люди играют в игры — более того, часто они относятся к играм всерьез! И это означает, что игра, в высшей степени развлекательное занятие, ближе к математике, чем можно предполагать. Многие математики согласны с тем, что во время игры и при решении задачи человек действует похожим образом: он анализирует ситуацию, разрабатывает стратегии, сравнивает их, выбирает лучшую, следует ей и проверяет, приводит ли она к нужному результату.

* * *

ДОМА С КРУГЛЫМ ОСНОВАНИЕМ

Почему в самых разных странах и культурах встречаются дома с круглым основанием? Дело в том, что из всех фигур заданного периметра круг имеет наибольшую площадь. Таким образом, дома с круглым основанием строить выгоднее всего — при заданной площади дома расход материалов (кирпича, льда, тростника, шкур животных и так далее) будет наименьшим. Подобные жилища можно встретить у инуитов (эскимосов Канады), индейцев (аборигенов Северной Америки), коренных жителей экваториальной Африки и в других культурах.

Иглу инуитов, Канада.

Типи индейцев Великих равнин, Северная Америка.

Хижина кикуйю, Кения.

* * *

Объяснение также относится скорее к социальному, чем к физическому окружению, хотя оно и заключается в установлении связей между этими сферами. Объясняющий делится с другими членами сообщества результатами анализа окружающей среды. Без среды нет и объяснения, но объяснения нет и в том случае, если мы не испытываем необходимости поделиться с другими людьми нашими маленькими или большими открытиями. Объяснение представляет собой поиск причин, сходств и различий, взаимосвязей, а следовательно, классификацию явлений. В рассказах особое внимание с точки зрения математики привлекает обилие логических связок, которые позволяют сочетать, противопоставлять, расширять, ограничивать, уточнять и объединять высказывания. Такими же свойствами должно обладать и математическое доказательство: оно должно быть непротиворечивым, красивым и убедительным.

* * *

КОСТЬ ИШАНГО

Так называемая кость Ишанго — это малая берцовая кость бабуина с насечками, нанесенными в три ряда. Была обнаружена в 1960 году бельгийским археологом Жаном Хайнзелином де Брокуром вблизи верховья реки Нил. Люди, жившие возле современного озера Эдуард, на границе между Демократической Республикой Конго и Угандой около 200 тысяч лет назад, возможно, были первыми людьми, знающими счет. Исследования насечек и их расположения позволяют утверждать, что кость Ишанго, вероятно, описывала некую систему счисления. Насечки обозначают пары чисел, в которых одно в два раза больше другого (5,10; 4,8; 3, 6), а также последовательности нечетных чисел (19, 17, 13, 11; 9, 19, 21, 11), причем одна из них содержит простые числа от 10 до 20. Наконец, можно заметить, что суммы чисел в левом и правом рядах равны 60, в среднем — 48. Резьбу на кости пытались как-то связать с календарем. В частности, считается, что кость Ишанго могла представлять собой лунный календарь на 6 месяцев.

* * *

Измерение и счет

Понять связь измерения и счета с математикой проще всего, так как в обоих этих действиях используются числа. При взгляде на историю цифр — символов, которые применялись в разных культурах для записи чисел, — становится понятно, какие функции они выполняли у наших предков. Люди создали числа, чтобы как-то упорядочить свою деятельность. Джордж Ифра во «Всеобщей истории чисел» излагает результаты длительных исследований происхождения чисел и их смысла в самых разных культурах, нанесенных на запутанную карту человечества, а также рассказывает о развитии систем счисления с древнейших времен до наших дней.

С помощью счета, то есть сопоставления предметов и чисел, люди смогли понять и количественно описать окружающий мир. Необходимость в счете возникала в самых разных культурах и социальных группах. Люди считали дни в году, чтобы определить благоприятное время для посева, при этом они наверняка учитывали смену сезонов. Люди определяли, сколько человек живет рядом с ними, сколько родилось и сколько умерло. Они считали свое имущество и скот. Когда пастухи возвращались с пастбища, им нужно было знать, не потерялось ли какое-нибудь животное по дороге.

Необходимость подсчитывать людей, предметы и определять время возникла уже на заре цивилизации. Изначально человек не умел считать так, как мы делаем это сегодня: он различал только «один», «два» и «много». Различные исследования показывают, что мы не можем мгновенно определить разницу между числами больше 4 с первого взгляда — для этого требуется тем или иным образом произвести подсчет: поочередно пересчитать элементы рассматриваемого множества, как-то сравнить их или сгруппировать в уме.

Для того чтобы определить дату какого-либо события и сообщить ее другому человеку или чтобы подтвердить, что вечером в загон вернулось столько же коз и коров, сколько из него вышло утром, применялись различные методы.

А чтобы запомнить результаты подсчета и передать их адресату, человеку потребовался язык, в котором цифры имели бы свои названия. Все основные образы, связанные с числами, человек заимствует в природе. Так, крылья птицы символизируют пару, лепестки клевера — 3, лапы животного — 4, пальцы руки — 5 и так далее. Есть и другие взаимосвязи, позволяющие последовательно прийти к таким абстрактным понятиям, как число и счет.

Обычно человек начинает считать на пальцах рук, поэтому большинство современных систем счисления десятичные. В некоторых культурах использовались системы счисления по основанию 12 — возможно, с их помощью было удобнее делить, так как 12 имеет больше делителей, чем 10. Майя, ацтеки, кельты и баски использовали при счете пальцы ног, поэтому их система счисления имела основание 20. Шумеры, создатели древнейшей из известных нам форм письменности, и вавилоняне, создатели нуля, разработали шестидесятеричную систему, которую мы используем и сегодня, когда делим часы на минуты и секунды, круг — на 360 градусов, градус — на 60 минут, минуту — на 60 секунд.

Многочисленные кости животных с вертикальными насечками и зарубками, найденные во время раскопок в Западной Европе, помогают понять, как считали наши предки. Эти зарубки являются истоками римской системы записи цифр. Также есть немало подтверждений тому, что все народы Земли на том или ином этапе своей истории использовали счет на пальцах рук. Египтяне, римляне, арабы и персы (не будем забывать и о христианских народах средневековой Европы) при помощи фаланг и суставов на пальцах рук, применяя жесты, подобные жестам из языка глухонемых, могли считать от 1 до 9999. Китайцы пошли еще дальше: они создали систему, позволявшую считать до ста тысяч на пальцах одной руки и до десяти миллиардов — на пальцах двух рук.

Слева — один из способов показать число 3 на пальцах. Справа это же число указано в китайской системе.

Согласно некоторым авторам, на ранних этапах истории арифметики для счета также использовались кучки камней или гальки. На их основе позднее был создан абак. Усовершенствованные аналоги абака до сих пор используются в Китае, Японии и в странах Восточной Европы. Память об этих камешках сохранилась даже в самом слове «калькулятор» — «счетчик», так как латинское слово calculus означает «маленький камень».

Запись чисел с помощью цифр возникла позднее. По всей видимости, некие счетоводы решили заменить привычные камешки изделиями из глины. В зависимости от формы и размера эти изделия обозначали те или иные величины: палочка — единицу, шарик — десяток, большой шарик — сотню и так далее.

* * *

КИПУ — СЧЕТ ПРИ ПОМОЩИ ВЕРЕВОК

Кипу (на языке кечуа это слово означает «узел») — это система, созданная древними индейцами Анд, в которой используются веревки из шерсти или хлопка и узлы одного или нескольких цветов. Эрудиты империи инков, кипукамайоки, использовали кипу для счета, а также, по мнению некоторых исследователей, для письма.

Кипу были обнаружены в городе Караль, в долине реки Супе, в 200 километрах к северу от Перу при археологических раскопках поселения, которое, по мнению ЮНЕСКО, является древнейшим городом Америки (его возраст составляет около 5 тысяч лет). Кроме того, кипу были найдены в поселениях культуры Уари — древней цивилизации, существовавшей в центральных Андах примерно с VII до XIII века.

Кипу представляла собой веревка без узлов, на которую подвешивались другие, как правило, завязанные веревки самых разных цветов, форм и размеров. Разные цвета обозначали разные классы объектов (бурый — управление; малиновый — Инка (монарх); фиолетовый — курака (правитель селений); зеленый — завоевание; красный — война; черный — время; желтый — золото; белый — серебро), а узлы — их количество.

* * *

Имеются археологические свидетельства, подтверждающие, что эту систему примерно в одно и то же время (за 4000 лет до н. э.) применяли сразу две цивилизации: Элам на территории современного Ирана, близ Персидского залива, где использовалась десятичная система счисления, и шумеры Южного Междуречья, использовавшие шестидесятеричную систему. Счетоводы хранили предметы, обозначавшие числа, в глиняных шарах. В день, когда требовалось произвести подсчеты, шар разбивался, и из него извлекались предметы, обозначавшие нужную величину. В результате эволюции этой системы на смену предметам, заключенным внутри шара, пришли отметки на самом шаре. Шарики превратились в маленькие зарубки, большие конусы — в широкие насечки, большие шары — в круги. Так, примерно в 3200 году до н. э. возникли первые шумерские цифры, древнейшие из известных человечеству.

Важную роль в развитии математических идей играет измерение. Оно подразумевает сравнение, упорядочение и количественную оценку. Хотя определенные вещи считаются важными во всех культурах, не все они имеют одинаковую меру.

В каждой среде, в каждом контексте возникают особые потребности, которые, в свою очередь, приводят к появлению тех или иных мер. Первым «измерительным прибором» во всех культурах, возможно, было тело человека. Даже сегодня в отсутствие рулетки и других точных инструментов мы меряем большие расстояния шагами, а маленькие — пальцами рук.

Измерение подразумевает сравнение.

Возможно, самыми первыми возникли потребности в измерении расстояний и оценке количества еды. Во многих культурах расстояния измерялись по времени в пути — в днях пути пешком, на лошади, в повозке и так далее. Сегодня мы по-прежнему оцениваем длительность туристических походов по времени в пути. Количество еды измерялось с помощью емкостей для хранения — корзин, чашек, мешков и так далее. Подобные единицы до сих пор широко применяются в быту: когда мы готовим рис на четверых, мы не используем весы, а отмеряем определенную долю стакана на человека.

Дискретное и непрерывное

В разговоре о различиях между счетом и измерением возникают математические понятия дискретного и непрерывного. Их можно сравнить с понятиями дискретного и непрерывного в физическом мире, описывающими, к примеру, подсчет числа овец и измерение объема воды. При подсчете можно выделить отдельных овец, воду же сосчитать нельзя, а можно лишь измерить ее объем. Если говорить математическим языком, то счет — это действие, выполняемое с целыми числами, максимум — с дробями, то есть рациональными числами ( ), в то время как для измерений используются вещественные числа ( ) — в математике ими выражается та самая непрерывность, которой обладает вода. Если мы посмотрим, как производятся измерения в физическом и математическом мире, то увидим новые различия между дискретным и непрерывным.

В физическом мире измерения производятся путем сравнения с эталоном, выбранным в качестве единицы измерения. Для этого используются единицы, кратные или дробные эталону; результат сравнения представляет собой рациональное число. Попробуем измерить длину одной из сторон стола карандашом. Карандаш будет эталоном, а стол — объектом измерения. Скольким карандашам равна длина стола? Во время работы над книгой мы сами провели этот эксперимент. Длина стола оказалась больше 7 карандашей, но меньше 8, то есть равной некоторому числу между 7 и 8. Чтобы выразить результат измерения, нам понадобятся дроби. Для этого нужно измерить расстояние от точки, где заканчивается седьмой карандаш, до края стола. Какой части карандаша будет равно это расстояние? Половине, трети, четверти? Подобные эмпирические рассуждения и оценку на глаз проводили древние египтяне, которые использовали только дроби с числителем, равным 1 (и, в качестве исключения, дробь 2/3). Если при измерении стола на глаз мы определили, что восьмой карандаш выступает за край, к примеру, на одну четверть, то длина стола будет равной 7 и 3/4. Если же мы хотим получить более точный результат, то можем обратиться к теории пропорций, созданной древними греками, перенести меру на бумагу и применить теорему Фалеса. Допустим, что длина стола в этом случае равна 7 и 2/3.

Результаты измерений в повседневной жизни выражаются в виде дробей или десятичных дробей с конечным числом знаков в зависимости от использованного метода и измерительного инструмента. В обоих случаях результатом измерений будет рациональное число. В примере с нашим столом результат измерений, выраженный в виде дроби, равен 7 и 2/3, в качестве единицы измерения использовался карандаш. При измерении стола с помощью рулетки мы получим результат в 1,40 м — конечную десятичную дробь. В реальной жизни измерение представляет собой приближение и зависит от измеряемого предмета, вида измерительного инструмента и точности измерений.

* * *

ВЕЩЕСТВЕННЫЕ ЧИСЛА

Вещественные числа (обозначаются #R.jpg_0 ) — это множество чисел, включающее как рациональные числа (положительные, отрицательные дроби и ноль; обозначаются #Q.jpg_0 ), так и иррациональные (алгебраические и трансцендентные), которые имеют бесконечно много непериодических знаков после запятой и которые нельзя представить в виде дроби, как, например, √2,  π и так далее.

Примеры вещественных чисел ( #R.jpg_1 ).

Начиная от натуральных чисел ( #N.jpg_1 ) — 1, 2, 3, … — которые мы используем при счете, — и заканчивая вещественными числами ( #R.jpg_2 ), которые нужны для измерений в математических моделях, последовательное расширение множеств чисел можно объяснить необходимостью в числах, которые будут выражать результаты определенных операций:

Целые числа ( #Z.jpg ) позволяют выразить результат 3 – 4 = -1, рациональные ( #Q.jpg_1 ) — (3/4) = 0,75, вещественные ( #R.jpg_3 ) — √2, комплексные ( #C.jpg ) — √-4.

* * *

Точные измерения возможны только в математических моделях. Что и как измеряют математики? В этой науке измерения всегда были тесно связаны с геометрией — разделом, который изучает свойства фигур и тел на плоскости и в пространстве. Интересно отметить, что истоки геометрии восходят к решению конкретных задач, связанных с измерениями.

В элементарной геометрии приводится общее описание объектов и фигур, носящее качественный характер. Если мы хотим получить более конкретное и точное описание, требуется применить количественный подход — и здесь необходимы измерения, а для выражения результатов измерений нужны цифры. Отрезки имеют длину, участки плоскости — площадь, тела в пространстве — объем.

В математических моделях результаты измерений непрерывны, и для того чтобы выразить их, множества рациональных чисел недостаточно — его нужно расширить и включить в него все числа, которые покрывают числовую прямую, то есть вещественные числа. В повседневной жизни мы часто измеряем длину. В математической модели при измерении длины мы откладываем рассматриваемый отрезок вдоль прямой линии и устанавливаем соответствие между точками прямой и обозначающими их вещественными числами.

При этом вещественные числа требуются для измерений даже в, казалось бы, простых случаях. Пифагорейцы, пытаясь найти ответ на вопрос, чему равна длина диагонали квадрата с длиной стороны, равной единице, обнаружили, что существуют несоизмеримые величины. По теореме Пифагора, искомая длина диагонали равна √2, однако результат этой операции нельзя выразить рациональным числом ( ) — для этого потребуются иррациональные числа, и мы вынуждены будем пересечь границу множества .

Длина диагонали квадрата со стороной длиной 1 равна √2, так как по теореме Пифагора √(1 2 + 1 2 ) = √2.

Древние греки, использовавшие при расчетах только рациональные числа, столкнулись со следующей проблемой: как измерить длину диагонали квадрата, если не существует числа, выражающего результат измерения? Решение проблемы приводит к идее о соизмеримых и несоизмеримых величинах: первые можно выразить как величину, кратную или дробную исходной единице измерения, вторые, напротив, нельзя выразить с помощью дробей или пропорций, как в нашем примере с диагональю квадрата.

В книге V «Начал» Евклид (ок. 325 г. до н. э. — ок. 265 г. до н. э.) с помощью своей теории пропорций в приложении к соизмеримым и несоизмеримым величинам решает эту задачу и устанавливает правила работы со всеми видами величин, как соизмеримыми, так и несоизмеримыми.

Величины и единицы

Слово «измерение» происходит от латинского metiri и, согласно Толковому словарю русского языка, означает «определение величины чего-либо какой-либо мерой». Это слово имеет и другие значения, в частности «протяженность измеряемой величины в каком-либо направлении». Единица измерения называется мерой. Например, пинту можно назвать мерой объема, причем ее величина в разных странах отличается; кроме того, существуют разные пинты для жидких и сыпучих объектов.

Измерение предполагает абстрагирование, при котором из всех характеристик объекта выделяется одна, которую мы хотим оценить количественно, иными словами, поставить ей в соответствие некоторое число. Если мы хотим поставить книгу на полку, интерес будут представлять ее длина или ширина, но если мы хотим придавить этой книгой листья растений для гербария, то прежде всего обратим внимание на ее вес или толщину.

В процессе измерений становится понятен смысл термина «величина». Хотя первое его значение, приведенное в толковом словаре, это «размер, объем, протяжение вещи», нас интересует другое определение — «все, что можно измерить и исчислить (в математике, физике)». Именно эта формулировка ближе всего к теме нашего обсуждения. Еще более понятно определение величины, данное Международным бюро мер и весов, согласно которому величина — это «свойство явления, тела или вещества, которое может быть выражено количественно в виде числа с указанием отличительного признака как основы для сравнения».

Процесс измерения представляет собой сравнение неизвестной величины, которую мы хотим определить, и известной нам величины, которую мы выбрали в качестве единицы измерения. В процессе измерения мы определяем соотношение размера объекта и конкретной единицы измерения.

Для любого измерения необходима единица измерения — величина, которая выбрана в качестве основы для сравнения со всеми остальными величинами того же типа. Результатом измерения является величина, которая выражается числом и названием соответствующей единицы измерения в полном или сокращенном виде: 25 кг, 30 м, 28 с и так далее.

Необходимость проводить измерения для планирования походов, проведения сельскохозяйственных работ, количественной оценки торгового оборота при покупках и продажах, для уплаты налогов и совершения многих других действий привела к возникновению великого множества единиц измерения. В традиционных системах мер единицы измерения определялись на основе частей тела, каких-то действий, связанных с сельскохозяйственными работами, или просто из соображений удобства для конкретной социальной группы.

Меры, определяемые на основе человеческого тела, сегодня мы называем антропоморфными — это локоть, пядь, фут, сажень и другие. Можно сказать, что знаменитое изречение Плутарха «человек есть мера всех вещей существующих» также относится к нашему обсуждению в том смысле, что с древних времен ряд единиц измерения был связан с самим человеком, с его телом. Разумеется, антропоморфные единицы, имевшие одно и то же название, в разных странах и в разное время отличались.

Антропоморфные меры.

Длинные расстояния измерялись с помощью единиц времени: в днях или часах пути пешком, на лошади и так далее. Такие меры называются путевыми. Позднее появились и другие меры, в частности стадий, лига или миля. Миля, к примеру, была путевой мерой, которую использовали еще древние римляне. Она равнялась восьми стадиям, или 1000 шагов в пять римских футов, то есть «ног» (примерно 1375 м). Сухопутная миля, которую используют англичане, равняется 1609 м. Существует и морская миля — 1852 м.

Для измерения площадей земельных участков использовались меры, связанные с человеческим трудом, например время, необходимое для обработки. Также меры площади пахотной земли, например испанская фанега, характеризовали количество зерна, которое можно было на ней вырастить. Подобные единицы не были постоянными и зависели от множества факторов.

Количество зерна традиционно измерялось по объему, и единицей измерения считался сосуд, например та же самая испанская фанега. Применение подобных мер могло вызывать конфликты: зерно можно отмерять одним и тем же измерительным инструментом либо по край, либо с горкой.

Метрическая система мер и другие системы

Большинству из нас привычна метрическая система мер. Мы измеряем расстояния между городами в километрах, отмеряем лекарство или молоко в детской бутылочке с соской в миллилитрах (или кубических сантиметрах), а если хотим приобрести жилье, то интересуемся его площадью в квадратных метрах.

Одновременно мы используем единицы из других систем: время мы отсчитываем в минутах, но придаем особое значение интервалу не в 10, а в 60 минут (этот интервал имеет свое название — час), а минута, в свою очередь, делится на 60 секунд. Есть свои единицы измерения для перчаток или обуви, которые выражаются не в сантиметрах или других единицах, производных от метра. Даже сегодня мы используем единицы из разных систем мер, и все они помогают нам описать окружающий мир.

В современных технологиях используются единицы измерения, которые не являются частью метрической системы мер. Классический пример — форматы бумаги в системе DIN. Наиболее популярным из них является DIN А4 (210 x 297 мм).

Эта система мер, используемая в большинстве стран мира, основана на немецком стандарте, введенном Deutsches Institut fur Normung (Немецким институтом по стандартизации) в 1922 году — стандарте DIN, который затем стал частью стандарта ISO (Международной организации по стандартизации). С форматами бумаги стандарта DIN работает большинство цифровых печатных машин и фотокопировальных аппаратов для частного и промышленного использования. Этот формат бумаги был создан с учетом трех условий: во-первых, соотношение большей стороны к меньшей у листов разного размера должно быть одинаковым; во-вторых, листы последовательных форматов по площади должны отличаться друг от друга ровно в два раза, так, что если разрезать лист пополам, то получится два одинаковых листа следующего формата; в-третьих, площадь листа наибольшего формата, А0, должна составлять ровно 1 м2.

Формат листа бумаги, соотношение сторон которого при складывании пополам остается неизменным.

Как найти искомое соотношение? Рассмотрим прямоугольный лист бумаги со сторонами а и b соответственно. Лист бумаги большего формата должен иметь стороны 2а и b. Чтобы соотношение длин его сторон было прежним, должно выполняться условие:

Следовательно:

Иными словами, соотношение длины большей стороны к меньшей должно равняться √2. Если мы разрежем пополам лист бумаги, удовлетворяющий этому условию, то указанное соотношение сторон будет выполняться и для двух полученных листов.

Зная размеры листа формата А0, несложно определить размеры листа следующего формата (А1): достаточно разделить его большую сторону пополам и принять длину большей стороны листа А1 равной длине меньшей стороны листа А0. Если мы выполним аналогичные действия для листа А1, точнее, разделим его большую сторону пополам и оставим меньшую сторону неизменной, то получим лист формата А2 и так далее, как показано на следующем рисунке.

Размеры листов бумаги формата DIN .

* * *

РАСЧЕТ РАЗМЕРОВ ЛИСТА ФОРМАТА А0

Прямоугольник со сторонами а и b должен иметь площадь 1 м 2 , при этом длины его сторон должны удовлетворять соотношению b = √2· а :

Зная а , мы с легкостью вычислим b :

Таким образом, лист бумаги формата DIN А0 имеет следующие размеры:

* * *

Прямые и косвенные измерения

Измерения могут быть прямыми, например измерение температуры термометром, и косвенными — в этом случае для получения результата требуется несколько измерений. Если мы проводим измерения с помощью специального измерительного инструмента, то речь идет о прямых измерениях. В таких случаях мы получаем результат, сравнивая измеряемую величину с другой величиной, имеющей ту же физическую природу. Это происходит, к примеру, при сравнении длины объекта с длиной размеченного эталона.

Методы измерений — это приемы, используемые для измерения величины: подсчет, оценка, использование формул или применение измерительных инструментов.

Большинство людей ассоциируют с измерением именно применение инструментов — линеек, рулеток, мерных сосудов, термометров, часов, хронометров и так далее.

Иногда прямое измерение невозможно: во-первых, существуют величины, которые нельзя измерить путем сравнения с эталоном той же природы, во-вторых, рассматриваемая величина может быть слишком мала или слишком велика, и у нас не найдется подходящего инструмента для ее измерения. В таких ситуациях следует прибегнуть к косвенному измерению: провести измерение с помощью какой-то другой величины и вычислить искомое значение на ее основе.

При использовании формул и отношений для определения новых мер особую роль играют треугольники, что подтверждает и история математики. Всем известна теорема Пифагора со множеством доказательств, найденных разными культурами в разное время и в разных регионах: в Египте, Греции, Африке, Китае, Индии и Европе. Также особую роль треугольников подчеркивают отношение подобия треугольников и теорема Фалеса, которые позволяют проводить косвенные измерения. Кроме того, треугольник является основным элементом тригонометрии. Эта математическая дисциплина, на протяжении многих веков связанная с астрономией, описывает основы расчетов, необходимых для астрономических измерений. Тригонометрия лежит и в основе триангуляции — метода измерения дуг земных меридианов (мы расскажем об этом в следующих главах).

Рассмотрим косвенное измерение на примере подобия фигур, в частности прямоугольных треугольников. Допустим, что мы хотим измерить высоту очень высокой башни или здания. По какой-то причине мы не можем подняться на его вершину, чтобы произвести прямые измерения, опустив, к примеру, веревку или рулетку до самой земли. Но мы можем определить высоту башни с помощью простого косвенного метода.

Поставим возле башни вертикально расположенный предмет (шест или посох) и измерим его высоту. Если теперь мы одновременно измерим длину тени этого предмета и длину тени башни, то сможем узнать ее высоту. Учитывая, что Солнце находится на огромном расстоянии от Земли (примерно 150000000 км), солнечные лучи, освещающие башню, можно считать параллельными. Соотношение между высотой и тенью объекта будет тем же, что и соотношение между высотой и тенью башни, так как образуются два подобных треугольника (это прямоугольные треугольники с одинаковыми углами). Следовательно, достаточно найти одно из этих соотношений.

Измерение высоты башни по длине тени шеста.

Пусть А'В' — искомая высота, В'С' — длина тени башни, АВ — высота вертикально расположенного предмета (шеста или посоха), ВС — длина его тени. Так как

имеем

Эти несложные математические рассуждения позволяют определить высоту башни путем косвенных измерений.

Как мы только что показали, математические методы очень удобны для проведения точных измерений. Одна из древнейших задач, с которой столкнулись люди, это измерение времени и составление календаря. Еще одной насущной задачей было объяснение окружающего мира и создание общих представлений о нем, то есть космологии. Когда человек смог избавиться от мифологической картины мира, он захотел узнать его реальные размеры и измерить Землю. Парадоксально, но и для измерения времени, и для измерения окружающего пространства человеку пришлось посмотреть на небо. Как вы узнаете из следующих глав, систематическое наблюдение за небесными телами и стремление понять, как они движутся, помогли измерить время и пространство.

 

Глава 2

Измерение небес

Еще древние заметили, что жаркое время года сменяется холодным, за ним вновь приходит жара, за ней — снова холод. Растения расцветают, на деревьях появляются плоды, затем многие деревья постепенно теряют листья, после чего все начинается сначала.

Наблюдения за небосводом и фиксация результатов этих наблюдений привели к тому, что человек стал связывать небесные явления с изменениями в окружающей среде. В результате люди стали изучать положение небесных тел и их движение (так родилась астрономия) и смогли предсказывать явления природы, в частности смену времен года. Возникла идея о том, что звезды влияют на происходящее на Земле, и так родилась астрология.

Измерение небес стало в некотором роде необходимостью, и наиболее полезной наукой для этого оказалась математика, в частности геометрия и тригонометрия. Древние греки создали сложные математические теории, объяснявшие видимое движение звезд и, в особенности, планет.

Древнегреческий рационализм и космология

Если понимать под наукой систематическое изучение, описание и объяснение явлений природы при помощи математики и логики, то истоки западной науки следует искать в древнегреческой традиции. Современная физика началась с попыток решить астрономические задачи о движении небесных тел и дать им рациональное объяснение при помощи математических моделей.

В целом, представления древних людей о Вселенной носили ярко выраженный мифологический характер. Первыми, кто предложил рациональную космологию, стали философы Древней Греции. Начиная с VI века до н. э. великие древнегреческие мыслители силой своего воображения пытались найти рациональное объяснение окружающему миру, не обращаясь к трактовкам сверхъестественного характера.

Они считали, что явления природы подчиняются определенным причинно-следственным связям, а все изменения в ней можно объяснить действием определенных законов. По мнению древних греков, познание этих законов помогло бы объяснить, почему происходят те или иные явления.

* * *

АНАКСИМАНДР  И РАССУЖДЕНИЯ ПО АНАЛОГИИ

Древнегреческий философ Анаксимандр  (ок. 610 г. до н. э. — ок. 545 г. до н. э.) использовал рассуждения по аналогии. Так, он утверждал, что «звезды есть части сжатого воздуха в форме колес, полные огня, постоянно испускающие пламя из небольших отверстий». Сегодня подобное объяснение вызывает улыбку, но для того времени оно стало важным шагом вперед — Анаксимандр исключил из рассмотрения сверхъестественные силы и попытался определить естественные причины явлений природы.

Фрагмент «Афинской школы» (1510–1511) Рафаэля Санти , на котором изображен  Анаксимандр .

* * *

Два важных наблюдения

Чтобы понять древнегреческий рационализм, в рамках которого были созданы сложные математические модели для объяснения, количественного описания и предсказания небесных явлений, попытаемся ненадолго забыть все свои знания и мысленно перенесемся в начало IV века до н. э. Только так мы сможем понять всю гениальность древних греков. Примерно за 400 лет до нашей эры древние греки уже имели достаточно данных о видимом движении небесных тел и начали предлагать математические теории для его объяснения.

Систематически наблюдая за звездным небом, они отметили два важных явления. Первое из них — движение Солнца и звезд по небу, второе — движение планет. Посмотрим, что именно об этих явлениях было известно астрономам древности (Древнего Египта, Древней Греции и Месопотамии).

Суточное движение Солнца и движение звезд

Систематические наблюдения за суточным движением Солнца из одной и той же точки при помощи гномона (вертикального шеста, закрепленного на горизонтальной поверхности) показывают, что длина и направление тени гномона равномерно, медленно и непрерывно меняются в течение дня (от восхода до заката Солнца) и тем самым определяют положение Солнца.

Тень гномона в течение дня описывает симметричную фигуру в форме веера. Эта фигура каждый день меняется, но в тот момент, когда тень гномона имеет наименьшую длину, она всегда указывает в одном и том же направлении.

Вверху — монументальные солнечные часы в начальной школе Chinook Trail Elementary School в Колорадо-Спрингс (США). Внизу  — проекции конца тени гномона.

Так мы можем определить, где находятся север, юг, запад и восток (когда тень имеет наименьшую длину, она всегда указывает на север), когда наступает местный полдень (в момент, когда тень гномона имеет наименьшую длину) и сколько длятся солнечные сутки (временной интервал, разделяющий два последовательных полудня, равный 24 часам).

С другой стороны, положение Солнца во время восхода над горизонтом каждый день изменяется: оно постепенно смещается от точки востока (весеннего равноденствия) до точки, расположенной ближе к северу (летнего солнцестояния), откуда вновь движется на восток (до точки осеннего равноденствия) и продолжает двигаться на юг до точки, где направление движения вновь меняется (точки зимнего солнцестояния), затем возвращается на восток, и весь цикл повторяется сначала.

Положение Солнца в момент заката меняется аналогичным образом, но на этот раз точка захода Солнца смещается вокруг точки запада. Так стало возможным определить год как временной интервал между двумя весенними равноденствиями.

Продолжительность светового дня также постоянно меняется. День зимнего солнцестояния — это самый короткий световой день в году, а тень гномона в полдень этого дня — самая длинная в году. День летнего солнцестояния — самый длинный световой день в году, а тень гномона в полдень этого дня — самая короткая в году.

Таким образом, вместе со сменой времен года изменяется положение Солнца в момент восхода (и заката) на линии горизонта. Каждый день высота Солнца над горизонтом меняется в зависимости от времени года.

Видимое движение  Солнца .

Систематические наблюдения за ночным небом показывают, что положение звезд относительно друг друга неизменно. В результате стало возможным определить созвездия (произвольно выбранные группы соседних звезд) и составить карту звездного неба.

Все звезды синхронно смещаются с востока на запад. Это движение называется суточным, так как напоминает суточное движение Солнца, которое также движется на запад.

Над горизонтом, очень близко к Полярной звезде, расположена точка Р, которую мы будем называть Северным полюсом мира. При наблюдении звездного неба кажется, что близлежащие к полюсу мира звезды вращаются относительно него, описывая дуги окружности. Если угловое расстояние от звезды до Северного полюса мира меньше или равно расстоянию от Северного полюса мира до горизонта (С), эта звезда никогда не будет заходить за горизонт, что можно видеть на рисунке. Такие звезды видны на небе в любую ночь и в любой час (конечно, небо должно быть ясным) и называются незаходящими.

Окружность, вдоль которой звезда совершает видимое движение, называется суточной параллелью. Это весьма удачное название — подобно тому, как плоскости земных параллелей параллельны плоскости экватора, плоскость суточной параллели параллельна плоскости небесного экватора. Чем дальше звезда от Северного полюса мира, тем меньше видимая часть ее траектории будет напоминать дугу окружности.

Кажется, что звезды описывают полный круг (то есть возвращаются в исходное положение) примерно за 23 часа 56 минут. На основе этого наблюдения можно определить звездные сутки — промежуток времени, за который звезда совершает полный круг и возвращается в исходное положение на небе. Видимое движение звезды, которая восходит над горизонтом точно на Востоке, почти полностью совпадает с видимым движением Солнца в дни равноденствий. Траектория этого движения называется небесным экватором. Звезды, расположенные вблизи точки юга, поднимаются над горизонтом не слишком высоко и заходят за горизонт вскоре после восхода.

Видимое движение звезд в зависимости от направления наблюдений: север (слева), восток (справа вверху), юг (справа в центре) и запад (справа внизу).

Древние греки знали, что если смещаться из точки, в которой производятся наблюдения, к югу, например в сторону Египта, то высота Северного полюса мира будет уменьшаться на 1° примерно каждые 110 км. Некоторые незаходящие звезды начнут скрываться за горизонтом, а звезды, которые раньше восходили в точке востока и заходили в точке запада, будут заходить за горизонт и восходить над ним в тех же точках, но их траектория будет становиться все более перпендикулярной к плоскости горизонта. Наконец, на небе появятся звезды, не видные ранее, а звезды, расположенные вблизи точки юга, будут подниматься выше, и их можно будет наблюдать дольше.

Основные особенности движения звезд таковы: они совершают суточное движение в направлении с востока на запад и каждые 23 часа 36 минут описывают полный круг.

Движение планет

Большая точность наблюдений позволит обнаружить некоторые отклонения от регулярного движения, описанного в предыдущем разделе. Это второе важное наблюдение.

Невооруженным глазом мы можем различить семь небесных тел, положение которых относительно звезд меняется. Эти небесные тела древние назвали планетами (в переводе с древнегреческого — «странниками»), к ним относятся Солнце, Луна, Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн.

Как определить положение Солнца относительно звезд? Для этого нужно, подобно древним египтянам, вавилонянам и грекам, наблюдать звездное небо непосредственно перед восходом Солнца или сразу после заката. Так можно убедиться, что Солнце каждый день меняет свое положение относительно звездного неба и смещается примерно на Т к востоку. Ровно через год Солнце возвращается в прежнюю точку относительно расположения звезд. По результатам этих наблюдений естественным образом определяется эклиптика — видимая траектория движения Солнца между звезд.

Во время движения по эклиптике Солнце проходит через двенадцать созвездий: Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Весы, Скорпион, Стрелец, Козерог, Водолей и Рыбы. Пояс вдоль эклиптики шириной около 16°, в котором заключены эти созвездия, называется зодиаком.

Солнце во время видимого движения вдоль эклиптики в дни равноденствий находится на небесном экваторе, затем постепенно отдаляется от него. Наибольшее отклонение в обе стороны от небесного экватора составляет примерно 23,5° и наблюдается в дни солнцестояний. Греки заметили, что скорость видимого движения Солнца вдоль эклиптики зимой несколько больше, чем летом.

Траектории движения Солнца и  Луны вдоль зодиака.

Остальные планеты, подобно Солнцу, помимо суточного движения на запад, также движутся на восток, но медленнее.

Угловой размер Луны, как и Солнца, равен примерно половине градуса. Луна движется на восток быстрее, чем Солнце, и ее траектория более хаотична. Полный оборот вдоль зодиака с востока на запад Луна совершает в среднем за 27 и одну треть суток. Промежуток времени, в течение которого планета совершает полный оборот вдоль зодиака, двигаясь с востока на запад, называется сидерическим периодом обращения. Сидерический период обращения Луны, который также называется сидерическим месяцем, может отличаться от среднего периода на целых 7 часов.

В разное время диск Луны выглядит по-разному — Луна имеет различные фазы, которые при наблюдении из Северного полушария сменяют друг друга в таком порядке: новолуние (диск Луны не виден), молодая луна (видимая часть диска Луны имеет форму буквы С), полнолуние (диск луны виден полностью), убывающая луна (видимая часть диска Луны имеет форму буквы D). Интервал между двумя новолуниями (так называемый лунный, или синодический месяц) длится в среднем 29 с половиной дней. Фактический интервал может отличаться от среднего на целую половину суток. Наконец, было отмечено, что траектория движения Луны по звездному небу в определенный момент совпадает с эклиптикой, после чего постепенно удаляется от нее, пока не достигнет максимального отклонения примерно в 5°, затем вновь приближается к эклиптике и отклоняется от нее на такой же угол, но уже в противоположную сторону.

Движение Солнца и Луны вдоль зодиака.

Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн — пять планет, которые видны на звездном небе как яркие точки. Их средние сидерические периоды обращения составляют: для Меркурия — 1 год, для Венеры — 1 год, для Марса — 687 дней, для Юпитера — 12 лет, а для Сатурна — 29 с половиной лет. Фактические периоды обращения для всех планет могут отличаться от приведенных средних значений.

Движение планет с запада на восток называется прямым, или собственным. Отмечено, что скорость прямого движения этих пяти планет постоянно меняется. Кроме того (это стало неожиданным открытием), прямое движение планет на восток периодически прерывается, и в течение определенных промежутков времени планеты движутся в обратном направлении, на запад. В это время их траектории образуют петли, после чего планеты вновь продолжают прямое движение. Во время обратного, или попятного, движения яркость планет возрастает.

Видимая траектория попятного движения планеты.

Меркурий начинает попятное движение каждые 116 дней, Венера — каждые 584 дня, Марс — каждые 780 дней, Юпитер — каждые 399 дней, Сатурн — каждые 378 дней. Это средняя продолжительность синодического периода обращения планет, то есть средний промежуток времени между двумя моментами начала попятного движения.

Меркурий и Венера никогда не отдаляются от Солнца на значительное угловое расстояние, в отличие от Марса, Юпитера и Сатурна.

Итак, планеты, помимо суточного движения с запада на восток в том же направлении, что и звезды, каждую ночь смещаются чуть дальше на восток относительно зодиакальных созвездий (это движение называется прямым, или собственным). Кроме того, прямое движение всех планет, за исключением Солнца и Луны, периодически сменяется попятным. Увязать движение планет с движением звезд было настолько сложно, что всю историю развития представлений о мире можно рассматривать как последовательные попытки преодолеть наблюдавшиеся расхождения.

Первое объяснение: Вселенная состоит из двух сфер

Из гипотез древнегреческих философов постепенно складывалась общая концепция, позволявшая объяснить большинство результатов наблюдений. Эту концепцию Вселенной, состоящей из двух сфер, начиная с IV века до н. э. разделяло большинство греческих астрономов и философов. В указанной модели Вселенной Земля считается неподвижной сферой, расположенной в центре другой сферы намного большего размера (небесной сферы). Небесная сфера вращается с востока на запад вокруг неподвижной оси, проходящей через Северный полюс мира, и вместе с ней вращаются закрепленные на ней звезды. За пределами небесной сферы нет ничего — ни пространства, ни материи.

На основе этой концепции на протяжении почти двух тысячелетий, с IV века до н. э. до времен Николая Коперника (1473–1543) , последовательно создавались различные противоречившие друг другу астрономические и космологические системы. Но истинность самой концепции практически не подвергалась сомнению.

В модели Вселенной из двух сфер не объясняется движение всех небесных тел, в частности планет, но она позволяет забыть бесчисленное множество частных результатов и рассмотреть лишь несколько основных предпосылок. Также эта модель помогает предсказывать положение небесных тел в будущем. Основные ее предпосылки таковы: небесная сфера, вращаясь с востока на запад, совершает полный оборот за 23 часа 56 минут, а Солнце в течение года движется на запад вдоль большого круга (эклиптики), расположенного под углом примерно в 23,5° (в действительности — 23°27′) относительно небесного экватора. В течение дня Солнце занимает фиксированное положение относительно эклиптики и описывает круг, параллельный небесному экватору.

Вселенная, состоящая из двух сфер.

Геометрическую модель Вселенной из двух сфер, благодаря ее простоте и удобству, астрономы-наблюдатели используют до сих пор при определении положения небесных тел. Координаты небесных тел определяются посредством угловых измерений, поэтому можно считать, что небесные тела находятся на поверхности сферы.

Греки предложили убедительные объяснения, доказывающие истинность этой модели Вселенной. В древнегреческой культуре особый вес имели эстетические аргументы, поэтому они также использовались для обоснования модели. Древнегреческие геометры считали сферу совершеннейшей из фигур, так как она при вращении вокруг оси всегда занимает одну и ту же область пространства. Кроме того, концепция небесной сферы имела смысл еще и потому, что звезды при движении по небу описывают окружности. Земля должна была иметь форму сферы не только по эстетическим причинам, но и потому, что при наблюдении с возвышения было видно, что корпус корабля, уходящего в море, пропадает из вида раньше, чем мачты, а когда корабль возвращается в порт, мачты появляются на горизонте первыми. И в довершение, тень, отбрасываемая Землей на Луну во время лунных затмений, также имела круглую форму.

Земля должна была находиться в центре небесной сферы (отсюда и название геоцентрической модели Вселенной) не только для того, чтобы обеспечить симметричность модели, но и потому, что телу, расположенному в центре сферы, попросту некуда падать. Все направления указывают вверх, следовательно, Земля не может упасть и должна находиться в центре сферы неподвижно.

Доступные данные не позволяли выявить изменение относительных расстояний между звездами (то есть наличие параллакса), которое было бы заметно, если бы Земля двигалась. Сегодня мы знаем, что параллакс звезд незаметен потому, что нас разделяют огромные расстояния. Также если бы Земля двигалась, то птицы, парящие в воздухе, или камни, брошенные вертикально вверх, должны были бы запаздывать относительно ее движения. Если бы Земля вращалась, то предметы, не закрепленные на ее поверхности, улетели бы в космос. Также вращение Земли обязательно должно вызвать сильный ветер. Ничего из вышеперечисленного не наблюдается, следовательно, Земля неподвижна.

Второе объяснение: геометрическая астрономия

Принцип кругового движения Можно сказать, что Платон (427–347 гг. до н. э.) заложил основы программы астрономических исследований в Древней Греции, когда задал ученикам вопрос: с помощью каких равномерных и упорядоченных движений можно рационально объяснить движение планет?

Римская копия греческого оригинала головы Платона , выставленного в афинской Академии после его смерти .

Платон считал, что истину следует искать в мире идей и чистых форм, — к экспериментам этот мыслитель относился с пренебрежением. Можно выделить три основные характеристики учения Платона, которые в большей или меньшей степени повлияли на астрономию и космологию последующих эпох: во-первых, он невысоко ценил результаты наблюдений либо относился к ним с недоверием; во-вторых, ученый был убежден, что космос имеет идеальную геометрическую структуру; в-третьих, Платон сформулировал принцип равномерного кругового движения, согласно которому все небесные тела равномерно движутся по окружностям. Космология Платона изложена в некоторых его диалогах — «Федре», «Федоне», «Государстве» и «Тимее».

В «Государстве» Платон говорит о веретене, в которое вставлено другое, меньшее веретено, и так далее (всего восемь веретен). Он пишет: «Все веретено в целом, вращаясь, совершает всякий раз один и тот же оборот, но при его вращательном движении внутренние семь кругов медленно поворачиваются в направлении, противоположном вращению целого». Очевидно, что Платон говорит о планетах. Все астрономические и космологические модели, созданные после этого, описывали беспорядочное движение планет. Постулат Платона о равномерном круговом движении планет имел огромное влияние — его ошибочные представления преобладали в астрономии на протяжении двух тысячелетий.

Платоновская модель мира, описанная в его диалогах.

Теория гомоцентричных сфер

Математик Евдокс Книдский (ок. 390 г. до н. э. — ок. 337 г. до н. э.) первым всерьез рассмотрел вопрос, заданный Платоном. Он предложил оригинальную теорию концентрических сфер, с помощью которой совершенно превосходным образом объяснил движение планет.

В своей теории Евдокс сопоставил каждой планете модель, состоявшую из определенного числа вложенных друг в друга концентрических сфер, в центре которых находилась Земля. Солнцу и Луне соответствовали по три сферы, всем остальным планетам (Меркурию, Венере, Марсу, Юпитеру и Сатурну) — по четыре. Чтобы объяснить движение звезд, Евдоксу хватило всего одной сферы. Таким образом, в общей сложности Евдокс применил 27 сфер:

3 (Солнце) + 3 (Луна) + 20 (4 х 5, пять планет) + 1 (звезды) = 27.

Евдокс не связывал движение сфер, соответствующих разным планетам, — математические модели для каждой планеты были независимыми.

Система Евдокса для одной планеты.

Меркурию, Венере, Марсу, Юпитеру и Сатурну соответствовало по четыре сферы, расположенных следующим образом: планета располагалась на экваторе внутренней сферы (сферы 4); полюса этой сферы крепились к другой, концентрической сфере большего размера (сфере 3); полюса сферы 3, в свою очередь, крепились к еще одной сфере большего размера, концентрической предыдущим (сфере 2); и наконец, полюса сферы 2 аналогичным образом крепились к сфере большего размера, концентрической предыдущим (сфере 1).

Таким образом, ось каждой сферы (и, следовательно, оба ее полюса) смещалась в результате движения сферы, в которой она помещалась. Все сферы вращались вокруг своих осей с постоянными и различными скоростями.

Какую роль играла каждая из этих сфер в описании движения планеты? Первая из них (будем называть ее сферой 1) в течение суток вращается с востока на запад, ее ось расположена в направлении север — юг. Эта сфера объясняет суточное движение планеты, соответствует сфере, на которой закреплены звезды, и приводит в движение все остальные сферы. Ось сферы 2 наклонена относительно оси предыдущей сферы на угол, почти равный углу между эклиптикой и небесным экватором, и вращается с запада на восток. Период обращения этой сферы равен сидерическому периоду обращения планеты. Движение этой сферы объясняет собственное движение планеты (с запада на восток). Полюса сферы 3 расположены на экваторе предыдущей сферы (на зодиакальном поясе). Период обращения этой сферы равен промежутку времени между моментами начала попятных движений (синодическому периоду). Ось последней, четвертой сферы, наклонена на определенный небольшой угол относительно оси предыдущей сферы и вращается с той же скоростью, но в противоположном направлении.

Если мы будем производить наблюдения из центра сфер (то есть с Земли) и рассмотрим совокупное движение сфер 3 и 4, то увидим, что планета движется вдоль кривой, называемой лемнискатой Бута (эта лемниската построена на поверхности сферы). Но так как планета также смещается в результате движения сферы 2 (медленное движение на восток) и сферы 1 (движение на запад), при наблюдении из центра сферы мы увидим все особенности ее траектории, в том числе попятное движение.

Следовательно, каждая планета совершает суточное движение вокруг Земли с востока на запад, собственное движение на восток вдоль зодиака, а также попятное движение.

* * *

ЛЕМНИСКАТА

В теории гомоцентричных сфер Евдокса фигурирует кривая под названием лемниската Бута. На плоскости лемниската представляет собой кривую характерной формы, состоящую из двух петель, пересекающихся в центральной точке так, как показано на рисунке.

На плоскости лемниската может быть задана следующим уравнением в общем виде:

( х 2 + у 2 ) 2 = 2 а 2  ( х 2 - у 2 ).

где 2 а — расстояние между фокусами F 1   и F 2 . Эту плоскую кривую, также известную как лемниската Бернулли, впервые описал в 1694 году швейцарский математик  Якоб Бернулли (1654–1705) , рассмотрев ее как видоизмененный эллипс. Если эллипс — это кривая, определяемая как множество точек плоскости, для которых сумма расстояний до двух фиксированных точек F 1  и F 2 (фокусов) постоянна, то лемниската — это множество точек плоскости, для которых постоянным будет произведение расстояний до двух фокусов.

* * *

Космология Аристотеля

Великий философ Аристотель (384 г. до н. э. — 322 г. до н. э.), ученик Платона и основатель афинского Ликея, задался целью упорядочить и систематизировать все знания своего времени. Он включил в свою космологию теорию гомоцентричных сфер, чтобы объяснить движение планет, а также заложил основы науки, которую сегодня мы называем античной физикой.

Мраморный бюст Аристотеля в Национальном римском музее.

Согласно Аристотелю, существует принципиальная разница между подлунным миром, который простирается от Земли до Луны, и надлунным. Вращение небесных сфер в надлунном мире вечно, равномерно и неизменно, движения в подлунном мире конечны, нерегулярны и недолговечны. Предметы в подлунном мире состоят из четырех элементов: земли, воды, воздуха и огня. Небесные тела, однако, состоят не из этих четырех элементов, а из иного, чистого, неизменного, прозрачного и невесомого элемента — эфира, или квинтэссенции. Так как эфир неизменен, ничто на небесах никогда не меняется.

В своей космологии Аристотель использовал теорию гомоцентричных сфер Евдокса, которую усовершенствовал Каллипп Кизикский (370 г. до н. э. — 300 г. до н. э.) , увеличив общее число сфер с 27 до 34. Однако Аристотель, отличавшийся системным мышлением, попытался придать геометрическим фигурам модели физическое воплощение. Геометрическую модель мира можно было считать корректной только при условии, что она имела механический смысл и соответствовала нашим общим представлениям о материи и движении.

Аристотель построил систему гомоцентричных сфер, двигавшихся одновременно и соединенных между собой. Наружная, звездная, сфера придавала всем остальным вращение с востока на запад. Чтобы сфера, соответствующая определенной планете, не передавала свое движение прочим внутренним сферам, Аристотель добавил к модели компенсирующие сферы: они располагались между множеством звезд для каждой планеты и следующей за ней, внутренней планеты, вращались вокруг тех же осей и с той же скоростью, что и планетные сферы предыдущего, внешнего множества, но в противоположном направлении. С появлением множества этих компенсирующих сфер общее число сфер в модели возросло до 56. Теперь они соприкасались друг с другом и образовывали единую систему.

Теория гомоцентрических сфер стала объектом критики уже в древности: расстояние между любой данной планетой и Землей считалось неизменным, и было непросто объяснить, почему планеты во время попятного движения светят ярче (изменение яркости планет связывалось с их приближением к Земле).

Аристотель заложил основы античной физики, объяснив движение небесных тел и проведя четкое различие между небесной динамикой (движением в надлунном мире) и земной динамикой (движением в подлунном мире). Его физическая доктрина стала догмой для 60 последующих поколений, поскольку она была крайне подробной и не противоречила здравому смыслу и наблюдениям.

Модель Аристотеля . Первые четыре сферы соответствуют Сатурну. За исключением сферы 1, которая сообщает остальным движение на запад, движение трех других сфер (2, 3, 4) для следующих планет компенсируется движением трех сфер, вращающихся в обратном направлении (4', 3' и 2').

Аристотель не ограничился тем, что принял на веру геоцентрическую и геостатическую модель, в которой планеты двигались по круговым орбитам, — он весьма умело и остроумно доказал ее истинность. В своей космологии он установил тесную взаимосвязь между астрономией и физикой и создал настоящую систему мира — космофизику. Поэтому неудивительно, что все греческие, арабские и христианские астрономы, за редкими исключениями (одним из них стал Аристарх Самосский), явно или неявно разделяли основные предпосылки космологии Аристотеля: замкнутый и конечный космос, неподвижность Земли, расположенной в центре мира, и наличие двух принципиально разных миров — надлунного (небесного) и подлунного (земного).

Аристарх Самосский

О жизни Аристарха Самосского (ок. 310 г. до н. э. — ок. 230 г. до н. э.) , который был учеником Стратона из Лампсака, третьего главы Ликея, известно немногое. Все сведения о нем взяты из его книги «О величинах и расстояниях Солнца и Луны» и упоминаний более поздних авторов. Его считали авторитетным астрономом, называли математиком и отмечали его обширные знания в геометрии, астрономии, музыке и других науках. Его современник Архимед (ок. 287 г. до н. э. — ок. 212 г. до н. э.) в своем труде «Исчисление песчинок» утверждает: Аристарх предполагал, что Солнце и сфера, на которой закреплены звезды, неподвижны, а Земля вращается вокруг Солнца по кругу.

Книга «О величинах и расстояниях Солнца и Луны» — это астрономический трактат, в котором с помощью геометрических методов рассчитаны соотношения расстояний между небесными телами. В современном языке эти соотношения обозначаются синусами углов. Свои геометрические методы Аристарх позаимствовал из теории пропорций Евдокса, изложенной в книге V «Начал» Евклида. Он применил и другие соотношения, которые мы относим к тригонометрии, считая их известными или тривиальными. Он сравнил расстояние Земля — Солнце с расстоянием Земля — Луна и вычислил, что первое почти в 20 раз больше второго (истинное соотношение между этими расстояниями намного больше — 390:1).

Почему последователи Аристарха не приняли его гелиоцентрическую модель и ее вновь предложил лишь Николай Коперник в своем труде «О вращении небесных сфер» (1343)? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно перенестись из XXI века в III век до н. э. Утверждать, что Земля движется, значило попрать древнее учение, здравый смысл и физику Аристотеля. Кроме того, если бы Земля двигалась, то наблюдался бы параллакс звезд, чего отмечено не было. Помимо этого, другие возможные преимущества этой модели (так, с ее помощью можно было объяснить изменение блеска планет) вскоре были сведены на нет при помощи новых методов, не противоречивших традиционной космологии.

* * *

ОТНОШЕНИЕ РАССТОЯНИЙ «ЗЕМЛЯ — ЛУНА» И «ЗЕМЛЯ — СОЛНЦЕ» ВЫЧИСЛЕННОЕ АРИСТАРХОМ САМОССКИМ

В III веке до н. э. Аристарх Самосский вычислил, насколько дальше Земля располагается от Солнца, чем от Луны, а также определил их относительные размеры. Для этого он использовал следующее соотношение: треугольник ЗЛС , в вершинах которого находятся Земля, Солнце и молодая Луна, прямоугольный, так как угол Земля — Луна — Солнце равен 90°. Далее он измерил угол между Солнцем и Луной и принял его равным 87°. Так как сумма углов треугольника равна 180°,  β  = 3°.

Таким образом он смог вычислить отношение расстояний d (3, С)/ d (3, Л) путем математических рассуждений. В упрощенном виде и в современной нотации суть рассуждений Аристарха записывается так:

cos 87° = d(T,L)/d(T,S),

где d (3, С) — расстояние от Земли до Солнца, d (3, Л) — расстояние от Земли до Луны:

d(T,S) = d(T,L)/cos 87°

так как 1/cos87°равняется примерно 19, имеем:

d(T,S) ~= 19d(T,L).

Кроме того, так как Луна и Солнце наблюдаются с Земли под одним и тем же углом, равным половине градуса, отношение их диаметров будет таким же:

диаметр Солнца = 19 диаметров Луны.

Этот математический метод остроумен и точен, однако Аристарх допустил ошибку при измерении угла α : он равен не 87°, а 89°52’ (Солнце расположено примерно в 390 раз дальше от Земли, чем Луна).

* * *

Гиппарх Никейский

Гиппарх Никейский (ок. 190 г. до н. э. — ок. 120 г. до н. э.) применил новые измерительные приборы и первым количественно оценил неравномерности в движении Солнца и Луны. Он стал образцом для подражания для всех астрономов Александрии: пытаясь увязать принцип кругового движения с результатами наблюдений, он отдавал безоговорочный приоритет последним. Программа астрономических исследований Гиппарха выглядела так: астроном должен определить число круговых орбит небесных тел, их размеры и положение, а также скорость кругового движения, чтобы с помощью геометрических методов и численных расчетов показать, что предложенная система объясняет результаты наблюдений, позволяет делать точные количественные прогнозы и составлять прогнозные таблицы.

Гиппарх отметился важными результатами наблюдений, составил более точную карту звездного неба, систематизировал множество результатов, полученных вавилонскими астрономами, а также открыл предварение равноденствий (постепенное смещение точек равноденствия, или точек пересечения небесного экватора с эклиптикой, в силу которого равноденствия наблюдались раньше).

Во времена Гиппарха уже была известна длина окружности Земли — ее вычислил Эратосфен (об этом мы расскажем в главе 4). Зная длину окружности Земли, Гиппарх смог вычислить расстояния от нее до Солнца и Луны. Применив собственные методы и подходы, аналогичные подходам Аристарха, Гиппарх определил соотношение размеров Земли и Луны. Он наблюдал за тенью Земли на силуэте Луны в различных фазах лунного затмения и, приняв во внимание, что Солнце находится очень далеко от Луны и от Земли, вычислил: диаметр Земли в 8/3 раза больше диаметра Луны (а не в 2 раза, как рассчитал Аристарх). Он получил, что расстояние до Солнца составляет 490 радиусов Земли, а расстояние до Луны — от 39 до 67 радиусов Земли (реальное расстояние составляет примерно 60 радиусов Земли).

Клавдий Птолемей

Математик и астроном Клавдий Птолемей , живший во II веке (ок. 100 — ок. 170) работал в Александрийской библиотеке и музее. Именно он разработал методологию практической астрономии, дошедшую до XVI века. Его важнейший труд «Великое математическое построение по астрономии в 13 книгах», или «Альмагест», стал первым, где приводилось полное, подробное и системное описание движения всех небесных тел с точки зрения математики. Птолемей считал астрономические гипотезы истинными только в том случае, если для них выполнялись определенные физические принципы. Здесь имеется в виду не только принцип равномерного кругового движения, но и другие, имеющие отношение к аристотелевой физике, в частности геоцентризм, принцип расположения неподвижных звезд на одной сфере и принцип несуществования пустоты.

В своей теории движения планет Птолемей применил геометрические методы и поставил во главу угла точность расчетов, а не соблюдение реальных физических траекторий планет и принципов аристотелевой физики. Модели, составленные Птолемеем, позволяли прогнозировать положение планет.

* * *

ТЕОРИЯ ЭКСЦЕНТРИКОВ (ЭКСЦЕНТРИЧЕСКОГО КРУГА)

Если считать Землю ( 3 ) неподвижной и поместить планету ( П ) на круговую эксцентрическую орбиту, то есть орбиту, центр которой ( Ц ) не совпадает с Землей, можно объяснить, почему планеты проходят равные дуги за неодинаковые промежутки времени. При измерении с Земли видимая угловая скорость планеты, находящейся на эксцентрической орбите, в точке, ближайшей к Земле (перигелии), — больше, в точке, наиболее удаленной от Земли (афелии), — меньше, как показано на иллюстрации. Так, если планета движется с постоянной угловой скоростью w относительно Ц , то она пройдет расстояние отточки П 1   до П 2   за то же время, что и расстояние от П 3  до П 4 , однако дуги П 1 П 2 и  П 3 П 4 из точки 3 будут видны под разными углами. Этот метод позволил Гиппарху объяснить, почему скорость видимого движения Солнца по эклиптике в течение года меняется.

* * *

Теория гомоцентричных сфер была забыта, так как она не позволяла объяснить изменение яркости планет. В III веке до н. э. начали использоваться другие теории, в которых основную роль играла геометрия, а именно теория эксцентриков (эксцен трического круга) и теория эпициклов и деферентов. Понятия эпицикла и деферента, примененные Гиппархом, ввел Аполлоний Пергский (ок. 262 г. до н. э. — ок. 190 г. до н. э.) . В «Альмагесте» используются, по сути, три математических понятия: эксцентрики (планеты располагались на орбитах, центр которых не совпадал с Землей), система эпициклов и деферентов (планеты располагались на окружностях — эпициклах, центры которых двигались вдоль других окружностей — деферентов, а в центре деферентов находилась Земля) и эквант (точка внутри деферента, отличная от его центра, относительно которой центр эпицикла описывает одинаковые углы за равные промежутки времени). С их помощью Птолемей не только объяснил все результаты наблюдений, но и смог предсказать положение планет в будущем.

Эпицикл и деферент . Планета ( Р ) находится на эпицикле и вращается с востока на запад (или наоборот) со скоростью w 2 . Одновременно с этим центр эпицикла ( С ) вращается с запада на восток со скоростью w 1 .

Астрономия Птолемея представляла собой не цельную систему, а совокупность частных решений для отдельных планет. Его система противоречила некоторым важным принципам физической картины, описанной Аристотелем. Возникло несоответствие между космологией — физической системой, которая объясняла мир в целом, однако не содержала математического описания наблюдаемых явлений, и очень точной математической астрономией, которая объясняла результаты наблюдений, но никак физически не описывала движение небесных тел.

* * *

СИСТЕМА ЭПИЦИКЛОВ И ДЕФЕРЕНТОВ. ОБЪЯСНЕНИЕ ПОПЯТНОГО ДВИЖЕНИЯ

Система эпициклов и деферентов позволяет объяснить попятное движение и изменение яркости планет, понимаемое как изменение расстояний от планет до Земли. Рассмотрим идеальный случай, в котором угловая скорость центра эпицикла С относительно Земли в три раза больше угловой скорости планеты относительно С ( w 2  = Зw 1 ). Траектория движения планеты при наблюдении с Земли будет выглядеть так, как показано на иллюстрации, и планета будет описывать три петли, всякий раз приближаясь к Земле. Планета будет совершать попятное движение относительно звездного неба и будет блестеть ярче, потому что будет находиться ближе к Земле. Эта упрощенная модель достаточно точно описывает движение планеты Меркурий.

* * *

Система Коперника

Гелиоцентрическая модель, предложенная Аристархом Самосским в III веке до н. э., подвергалась критике по тем же причинам, по которым начиная от Аристотеля и Птолемея и до Коперника критике подвергались все модели, которые не были геоцентричными. Во-первых, физические доводы о неподвижности Земли не подвергались сомнениям, во-вторых, оценки размера Вселенной были ошибочными из-за отсутствия параллакса звезд.

Новая физика возникла как раз из необходимости дать ответ на критику астрономии Коперника. Эти возражения, по сути, были идентичны аргументам Аристотеля и Птолемея о невозможности движения Земли и заключались в том, что движение Земли должно было вызывать следующие явления. Во-первых, тела, не скрепленные с Землей, были бы отброшены вдаль центробежной силой, вызванной огромной скоростью вращательного движения; во-вторых, все тела, не скрепленные с Землей или временно отделенные от нее, например облака, птицы, брошенные вверх предметы и так далее, в результате этого движения запаздывали бы относительно поверхности Земли. Так, камень, брошенный с башни вниз, не падал бы возле нее, тело, брошенное вертикально вверх, не падало бы в исходную точку, и так далее.

Коперник объяснял видимое движение небесных тел движением Земли. С появлением этой новой концепции с древней геоцентрической традицией было покончено. Когда стало понятно, что система Коперника может иметь под собой реальную основу, в особенности начиная с 1609 года, когда Галилео Галилей (1564–1642) впервые применил телескоп для наблюдения за небом, ученые принялись за поиски физической теории, которая одинаково корректно описывала бы и движение Земли, и всю Вселенную.

В системе Коперника попятное движение объясняется с точки зрения перспективы: Земля во время движения вокруг Солнца опережает планеты, расположенные дальше от Солнца, а ее опережают планеты, расположенные ближе к Солнцу. Планета ( П ) видна с Земли ( 3 ) на фоне звездного неба в точке  А .

Взяв за основу открытия Галилея, Иоганна Кеплера (1571–1630) и других ученых, прочный фундамент новой физики заложил Исаак Ньютон (1642–1727) в своем труде «Математические начала натуральной философии» (Philosophix Naturalis Principia Mathematica), опубликованном в 1687 году.

Западная наука началась с наблюдения небес и составления математических моделей, позволявших точно предсказывать, где звезды и планеты окажутся в будущем. В следующей главе мы расскажем, как результаты этих наблюдений использовались для составления календарей и измерения времени.

 

Глава 3

Измерение времени

Мы живем не только в пространстве, но и движемся во времени. По этой причине уже с зарождения цивилизации и появления первых общественных отношений люди занялись организацией не только своих территорий, но и своего времени. В обществах земледельцев, где посадка и сбор урожая были привязаны к временам года, особенно важно было установить общую систему измерения времени, позволявшую правильно определять время наступления событий и длительность различных интервалов.

Наблюдая за природными циклами, люди начали изучать положение звезд и движение небесных тел, в том числе Солнца и Луны. Так началось развитие астрономии. Вскоре было установлено соответствие между природными и небесными циклами: времена года были связаны с движением Солнца вдоль эклиптики, а приливы и отливы — с движением Луны. А на основе лунного и солнечного календаря составлялись календари в самых разных древних культурах и цивилизациях.

Древняя задача

Невозможность согласования природных циклов

Календарь, то есть система разделения времени на дни, месяцы и годы — это связующее звено между космическим временем и временем отдельных людей. Также календарь определяет социальное время — время, понятное всему обществу, жизнь которого подчиняется этому календарю. Календарь задает ритм времени и направление его измерения. Он структурирует время, определяет различия между рабочими днями и днями отдыха, а также отражает социальные традиции.

В основе всех календарей лежат наблюдения за движением небесных тел, а в качестве единицы измерения в них используются те или иные циклы, которые могут наблюдать все люди. Как показано в таблице, дни, месяцы и годы имеют разную продолжительность в зависимости от того, как они определяются.

Цикл ∙ Определение ∙ Примерная продолжительность

Сидерический год · Промежуток времени, в течение которого Солнце совершает полный оборот относительно какой-либо звезды · 365 дней, 6 часов, 9 минут и 9 секунд (365,256363 суток)

Тропический, или солнечный год · Временной интервал между двумя равноденствиями, за который земля совершает полный оборот вокруг Солнца · 365 дней, 5 часов, 48 минут и 46 секунд (365,242199 суток)

Лунный год · Интервал продолжительностью в 12 лунных месяцев · 29,5·12 = 354 суток

Лунный месяц ·  Интервал между двумя новолуниями · В среднем — 29 дней, 12 часов, 44 минуты и 3 секунды (от 29 дней 6 часов до 29 дней 20 часов)

День · Интервал между двумя восходами или заходами Солнца либо двумя восходами или заходами Луны · От 23 часов 59 минут 39 секунд до 24 часов 0 минут 30 секунд

Епакта (от латинского epactae, — arum, от греческого  — «добавочные дни») — число дней, на которое продолжительность солнечного года превышает продолжительность лунного года из 12 лунных месяцев. Епакта используется, к примеру, для вычисления даты Пасхи, которая отмечается в первое воскресенье после полнолуния, наступающего за днем весеннего равноденствия.

Чтобы календарь был практичным, время в нем должно выражаться целыми числами, поэтому продолжительность суток, к примеру, принимается равной 24 часам. Каждое общество выбирает свой календарь, определяя его по результатам наблюдений за Луной, Солнцем или другой звездой. После выбора небесного тела, которое будет считаться точкой отсчета, для простоты в календаре используются средние значения.

Метонов цикл

Древнегреческий астроном Метон Афинский (V век до н. э.) известен тем, что создал эффективную систему согласования солнечного и лунного календаря. Метон заметил, что 19 солнечных лет равны 235 лунным месяцам. Так как 19 лунных лет равны 228 месяцам (19·12 = 228), то, чтобы согласовать солнечный и лунный календари, Метон добавил к 19 лунным годам семь дополнительных месяцев (19·12 + 7 = 235). Так, 19-летний цикл включал 12 лет по 12 месяцев и 7 лет по 13 месяцев. Афиняне, удивленные этим открытием, начертали метонов цикл золотыми буквами на стене афинского храма по случаю проходивших в то время Олимпийских игр 432 года до н. э.

В IV веке иудеи, применив метонов цикл, определили лунно-солнечный календарь, в котором согласовывались солнечные и лунные циклы и традиционный лунный календарь приводился в соответствие смене времен года. Праздник Пасхи, отмечавшийся в честь Исхода евреев из Египта, должен был совпадать с праздником весны. Когда расхождение между лунным календарем и временами года становилось слишком велико, ячмень, необходимый для пасхальных ритуалов, попросту не успевал вызреть. Чтобы устранить неудобство, Синедрион внес поправку эмпирически, удвоив последний месяц года. Так как солнечный год на 11 дней длиннее лунного, то чтобы уравнять их, требовалось добавлять по одному месяцу каждые 2 или 3 года согласно следующей последовательности: 3, 6, 8, 11, 14, 17 и 19. Так удалось добиться того, что праздник Пасхи (Песах) всегда выпадал на первый месяц весны — нисан. Годы, к которым необходимо было добавлять лишний месяц, похожим образом определялись и в китайском календаре, о котором мы расскажем далее.

Григорианский календарь

Первый римский календарь

Рассказывают, что первый римский календарь, который начинался весной и состоял из 304 дней, составил сам Ромул, возможно, взяв за основу древний календарь этрусков. Так как этот год был короче природного, к нему периодически нужно было добавлять несколько дней. Началом летосчисления по древнеримскому календарю был 753 год до нашей эры — год основания Рима. При указании даты по римскому календарю после числа указывается сокращение а.и.с., что означает «ab urbe condita» — «от основания города». Так, год 50 a.u.c. по римскому календарю соответствует 703 году до н. э. по нашему календарю. В этом календаре всего лишь изменено начало отсчета.

Римский календарь основывался на лунном календаре (из него были заимствованы месяцы), однако римляне хотели адаптировать его к смене времен года, поэтому добавили в него дополнительные дни. Как и большинство других древних календарей, римский был полон религиозных смыслов и отражал идеи, которые для современного человека имеют отношение, скорее, к магии. К примеру, в римском календаре выделялись dies fasti — благоприятные дни, и dies nefasti — неблагоприятные дни, когда, как считалось, боги пребывали в не лучшем расположении духа и предпринимать какие-либо начинания не рекомендовалось. Различие между dies fasti и dies nefasti напоминает различие между рабочими и выходными днями. Кроме того, выделялись специальные дни, например nefastos partem diem — особо неблагоприятные дни, когда только жрецы совершали жертвоприношения в храмах. День под названием quando stercus delatum fas предназначался для уборки храма Весты.

Этот день считался неблагоприятным до тех пор, пока храм не будет очищен и мусор не будет выброшен из дверей, метко названных Porta Stercoraria (лат. «навозные врата»). Публий Овидий Назон (43 г. до н. э. — 17 г. н. э.) даже написал поэму «Фасты», в которой описал месяцы года (уже по юлианскому календарю, в котором год состоял из 12 месяцев) и указал особые дни, праздники и связанные с ними обряды и легенды. Прочитав это прекрасное сочинение, вы из первых уст узнаете о том, как был устроен древнеримский календарь.

Некоторые месяцы в римском календаре были названы в честь богов и легли в основу современных названий. Месяц martius, от которого произошло название «март», был первым месяцем в году и посвящался богу войны Марсу, который, по легенде, был отцом Ромула. В марте ежегодно выбирались и вступали в должность консулы, обладавшие верховной властью в Риме в эпоху Республики, начиная с V века до н. э.

Месяц aprilis — наш апрель — был вторым месяцем в древнеримском календаре и посвящался богине Венере. Происхождение этого названия в точности неизвестно. Иногда предполагается, что это слово произошло от слова aperio, что означает «открывать», так как именно в апреле природа раскрывается во всем своем великолепии. Есть также мнение, что слово «апрель» происходит от латинского ареr — «кабан», животное, весьма почитаемое в Древнем Риме. Овидий предложил свою версию, не имеющую научной ценности, но, несомненно, очень поэтичную: он связал aprilis и «афрос» ), что на греческом означало «морская пена» — по легенде, из морской пены родилась богиня Афродита.

Наш месяц май берет свое название от римского maius. Есть мнение, что этот месяц мог быть посвящен старшим (maiores), а следующий, июнь — юношам (iuniores). Другие авторы связывают это название с именем богини Майи — одной из Плеяд и матери Меркурия.

Четвертым месяцем древнеримского календаря был junius, по которому назван наш июнь. Помимо уже упомянутой версии существует и другая, согласно которой этот месяц назван в честь богини Юноны, супруги Юпитера.

Остальные месяцы из-за недостатка воображения или излишней тяги римлян к порядку получили названия, указывавшие на их порядковые номера в году: quintilis (пятый месяц), sextilis (шестой), september (седьмой), october (octo означает «восемь»), november (novem — «девять»), december (decem — «десять»). Месяцы martius, maius, quintilis и september имели 31 день, шесть оставшихся — 30 дней. Так был определен любопытный год продолжительностью в 304 дня.

Воинственного Ромула на троне сменил мудрый царь-жрец по имени Нума Помпилий (715 г. до н. э. — 672 г. до н. э.) . Он объединил дни, которые добавлялись к концу года, в два новых месяца, januarius и februarius. Так получились привычные нам 12 месяцев. Месяц januarius был посвящен двуликому богу Янусу, который мог смотреть сразу в две стороны. Янус открывал и закрывал врата, поэтому иногда его изображали с ключом в левой руке. Между прочим, слово janua и означает «дверь».

Месяц februarius был посвящен почитанию усопших и ритуалам очищения. По всей видимости, название этого месяца происходит от слова februa, которым обозначались подобные ритуалы.

* * *

«ФАСТЫ»  ОВИДИЯ И КАЛЕНДАРЬ

Овидий с иронией писал о десяти месяцах года в календаре, придуманном Ромулом: «Распределив времена, основатель города Рима Установил отмечать дважды пять месяцев в год. Видимо, Ромул, война тебе ближе была, чем светила» [2] . Далее он делает важное замечание: месяцы изначально были взяты из лунного календаря, а также выступает с критикой в адрес первых римлян: «Из-за того, что расчет незнаком был этим невеждам, В счете теряли они за пятилетие — год. Год их кончался, когда десять раз луна обернется».

Год, состоявший из 304 дней, также упоминается в тексте Овидия и описывается весьма любопытным образом: «Довод, однако же, есть немалый для Ромула, Цезарь; И для ошибки такой в нем оправдание есть. Сколько месяцев мать дитя свое носит во чреве, Стольким же месяцам быть он указал и в году».

Следует признать, что при определении календаря велик соблазн заменить привычные астрономические рассуждения иными, имеющими более земную природу.

Публий Овидий Назон .

* * *

Месяц januarius был посвящен многим важным событиям: в частности, со временем он стал обозначать начало срока службы консулов. В 154 году до н. э. власти кельто-иберского города Сегеда в провинции Ближняя Испания, располагавшегося близ современного города Калатаюд, решили расширить область влияния, усилить укрепления и объединиться с соседними поселениями. Римский Сенат счел, что этот шаг может привести к войне, и наложил вето. Жители Сегеды не подчинились приказу, Рим объявил им войну и отправил в провинцию почти 30 тысяч солдат под командованием консула Квинта Фульвия Нобилиора. Чтобы консул мог прибыть в Испанию заблаговременно и кампания не растянулась до зимы, в тот год он впервые вступил в должность в первый день месяца januarius, что с тех пор стало традицией. В результате в 154 году до н. э. оказалось на два месяца меньше обычного.

Таким образом, исходный порядок месяцев сместился на две позиции, и quintilis стал седьмым, sextilis — восьмым, september — девятым, october — десятым, november — одиннадцатым и, наконец, december — двенадцатым.

Нума Помпилий считал, что четные числа приносят несчастье, и не терпел месяцев с четным числом дней, поэтому все месяцы, которые в календаре Ромула состояли из 30 дней (aprilis, junius, sextilis, october, november и december), он укоротил до 29 дней, а в остальных оставил 31. Новый месяц januarius имел 29 дней, а сам по себе несчастливый februarius получил злополучное четное число дней — 28.

Продолжительность всех месяцев в сумме составляла 355 дней, что по-прежнему не вполне соответствовало смене времен года. Чтобы исправить расхождение, каждые 2 года к календарю поочередно добавлялось по 22 или 23 дня. Эти дни назывались mercedonius — от латинского merces, что означало «жалование» или «возмещение», так как именно в эти дни обычно выплачивалось жалование рабам.

Таким образом, продолжительность лет в четырехлетием периоде согласно римскому календарю была такой:

Первый год: 355 дней.

Второй год: 377 дней.

Третий год: 355 дней.

Четвертый год: 378 дней.

Четыре года состояли в общей сложности из 1465 дней. Учитывая, что в нашем календаре 4 года состоят примерно из 1461 дня, четырехлетний цикл по календарю Нумы Помпилия оказывался на четыре дня длиннее, чем нужно. Добавлением дней mercedonius, а также определением благоприятных и неблагоприятных дней, дней собраний, рыночных дней и других занимались жрецы. «Монополия на время» была крайне важной, и чтобы сохранить ее, жрецы держали правила составления календаря в секрете. Лишь в 304 году до н. э. Гней Флавий огласил на форуме список присутственных дней суда на год вперед. Так календарь стал доступен не только жрецам и патрициям, но и более широкому кругу людей, который мы сегодня называем социумом, обществом.

В каждом месяце римского календаря были три особые даты — иды, календы и ноны, которые, по всей видимости, указывали, что месяцы происходили из лунного календаря. Изначально календами назывались дни новолуния, нонами — дни первой четверти луны, идами — дни полнолуния. Когда месяцы календаря перестали связывать с фазами луны, эти дни остались — уже не имея астрономического смысла, они сохраняли большое практическое значение для древних римлян.

Отзвук названия «календы» слышится даже в самом слове «календарь». Иногда можно услышать ироничное выражение «до греческих календ», которое обозначает несуществующую дату — в греческом календаре календ не было. Если календы обозначали первый день месяца, то иды и ноны выпадали на разные дни в зависимости от месяца: в месяцах martius, maius, quintilis и october ноны выпадали на седьмой день, иды — на пятнадцатый, в прочие месяцы ноны выпадали на пятый день, иды — на тринадцатый. Другие дни римского календаря назывались по числу дней до ближайшей особой даты (календ, ид или нон).

Юлианская реформа

В 46 году до н. э. Юлий Цезарь при помощи астронома Созигена Александрийского провел реформу римского календаря, установив продолжительность года в 365 дней с четвертью. В египетском календаре, прекрасно знакомом Созигену, год состоял из 365 дней, в то время как реальная продолжительность года составляет 365,242199 дня. Таким образом, отклонение за год составляло 0,242199 дня, за четыре года — 0,968796 дня, то есть почти целые сутки. Цезарь указал, что этот день следует добавлять раз в четыре года.

Он постановил, что продолжительность месяцев будет составлять 31 и 30 дней поочередно, за исключением месяца februarius, который в обычные годы состоял из 29 дней. Раз в четыре года к месяцу februarius добавлялся еще один день между 23 и 24 числом, и продолжительность этого месяца достигала 30 дней. Дни в римском календаре назывались по числу дней до ближайшей особой даты (календ, ид или нон). Так, день 24 февраля назывался ante diem sextum Kalendas Martias, а добавочный день обозначался приставкой «бис-» и назывался ante diem bis sextum Kalendas Martias. От слов bis sextum и произошло современное название «високосный год». Посмотрим на схему.

После смерти Юлия Цезаря в 44 году до н. э. римский сенат постановил назвать месяц quintilis в его честь — julius, так как Цезарь родился именно в этом месяце. По той же причине в 8 году до н. э. месяц sextilis был назван august в честь Октавиана Августа. Возникло нарушение протокола: как в месяце julius мог быть 31 день, а в месяце august — всего 30? Вопрос решился просто: к августу был добавлен еще один день, взятый, разумеется, из месяца februarius, который страдал от всех этих изменений потому, что был последним по счету… и месяцем очищения. Получалось, что три месяца подряд (julius, august и september) имели 31 день, поэтому было принято решение перенести один день из september в october, еще один — из november в december. Все эти изменения отражены в следующей схеме.

Так было определено число дней в месяцах современного календаря.

В Древнем Риме летосчисление велось со дня основания города. Император Диоклетиан захотел начать отсчет лет с года своего восшествия на трон (284 год до н. э.). В конечном итоге начало современного исчисления лет определил Дионисий Малый, который начал отсчет с года рождения Христа, определив его с возможной ошибкой в 4–5 лет. Это изменение летосчисления было произведено в 531 году.

Так как после реформы Юлия Цезаря каждые четыре года добавлялся один день, средняя продолжительность года по календарю составила 365,25 дня, что больше соответствовало реальной продолжительности в 365,242199 дня, но все равно давало избыток в 0,007801 дня в год. Это расхождение кажется небольшим, но за 400 лет оно в сумме составляет 3,1204 дня. К XVI веку оно достигло уже 10 дней. В результате потребовалась реформа календаря, и был введен так называемый григорианский календарь, который мы и используем сегодня.

Григорианская реформа

Григорианский календарь учредил папа Григорий XIII в 1582 году, взяв за основу работы членов совета, возглавляемого математиком и астрономом Христофором Клавием. Обращают на себя внимание два изменения: во-первых, годы, кратные 4, оставались високосными, но каждые 400 лет три високосных года исключались. Таким образом, високосными переставали быть годы, кратные 100, но не кратные 400.

Во-вторых, было устранено отставание в 10 дней, которое накопилось за время использования юлианского календаря: за четвергом 4 октября 1582 года (по юлианскому календарю) последовала пятница 15 октября 1582 года (по григорианскому календарю). Изначально эти изменения были приняты Испанией, Италией, Францией и Португалией. Другие государства переходили на новый календарь постепенно: Англия — в 1752 году, Финляндия — в 1918, Турция — в 1926 и так далее.

Немецкий математик-иезуит Христофор Клавий , который вместе с итальянским врачом и астрономом Луиджи Лилио был видным членом комиссии по реформе календаря.

* * *

ИСТОРИИ О ПЕРЕХОДЕ НА ГРИГОРИАНСКИЙ КАЛЕНДАРЬ

Россия перешла на григорианский календарь лишь с приходом советской власти. В результате перехода день 1 февраля 1918 года стал считаться 14 февраля. Возникла любопытная ситуация: получалось, что Октябрьская революция произошла в ноябре. Революция началась 25–26 октября по юлианскому календарю, который использовался в царской России. При переходе на григорианский календарь эти даты пришлись на 7 и 8 ноября соответственно.

Шекспир и Сервантес умерли в одну и ту же дату 23 апреля 1616 года, но не в один и тот же день. Сервантес умер 23 апреля 1616 года по григорианскому календарю, который действовал в Испании с 1582 года, а Шекспир умер 23 апреля 1616 года по юлианскому календарю, который действовал в Англии до 1752 года. Некоторые биографы указывают, что Ньютон родился в 1642 году, другие — в 1643. Это не ошибка: Ньютон родился 25 декабря 1642 года по юлианскому календарю, что соответствует 4 января 1643 года по григорианскому.

В Англии смена календаря, которая сопровождалась исключением нескольких дней, стала причиной беспорядков. Любопытное упоминание этих событий можно увидеть на картине «Предвыборный банкет» Уильяма Хогарта: на ней изображен раненый активист, который отнял у манифестанта-консерватора плакат, где можно прочесть: «Give us our Eleven Days» («Верните наши 11 дней»). Картина была написана через три года после перехода на новый календарь.

Фрагмент картины «Предвыборный банкет»  Уильяма Хогарта , где на плакате (выделен кругом) можно прочесть слова «Верните наши 11 дней».

* * *

Исламский календарь

Официальный календарь исламского мира — так называемый календарь Хиджры. Халиф Умар ибн аль-Хаттаб постановил, что мусульманское летосчисление начнется с 16 июля 622 года — даты Хиджры (в переводе с арабского — «переселение») пророка Мухаммеда из Мекки в Медину. В основе исламского календаря лежит цикл из 12 лунных месяцев. Нечетные месяцы имеют 30 дней, четные — 29, продолжительность года составляет 354 или 355 дней.

Мухаммед утверждал, что Аллах расположил Луну на небосводе для измерения времени, и поэтому запретил изменять названия 12 лун года, которые имеют большое значение в сельском хозяйстве и скотоводстве, а также наделены религиозным смыслом. Как вы увидите, 12 месяцев исламского календаря не совпадают с 12 месяцами григорианского, поэтому мы будем называть их «первый месяц», «второй месяц», а не «январь», «февраль» и так далее.

Год в исламском календаре начинается с месяца Мухаррам («священного месяца»). Название этого месяца происходит от слова «харам» — «запретный». В этом месяце запрещено воевать. Некоторые мусульмане весь этот месяц постятся, как и в месяц Рамадан. Мухаррам состоит из 30 дней, первый из которых называется Рас-ас-Сана. Хотя он не имеет особого религиозного значения, многие мусульмане в этот день вспоминают жизнь пророка Мухаммеда и Хиджру.

Второй месяц, Сафар, имеет 29 дней. Это название происходит от арабского «суфр» — «желтый», так как изначально это был осенний месяц, «когда растения желтеют и увядают». Сафар считается самым несчастливым в календаре, так как, по преданию, именно в этом месяце Адам был изгнан из райского сада.

Третий месяц называется Раби аль-авваль. В этом месяце мусульмане всего мира отмечают Мавлид — день рождения пророка Мухаммеда. Большинство мусульман-суннитов считает, что точная дата рождения Мухаммеда — двенадцатый день этого месяца, мусульмане-шииты верят, что Мухаммед родился утром семнадцатого дня этого месяца.

Четвертый месяц исламского календаря — Раби ас-сани. Он также называется Раби аль-ахир. Пятый месяц называется Джумада аль-уля, шестой — Джумада аль-ахира. Седьмой месяц, Раджаб, как и все нечетные месяцы, имеет 30 дней. Название этого месяца сходно с арабским словом «уважение, боязнь».

Арабы доисламского периода высоко чтили месяц Раджаб. В течение этого месяца, как и в месяц Мухаррам, были запрещены войны. Согласно изречению, которое приписывается Мухаммеду, тот, кто постится в месяц Раджаб, в раю будет пить из источника жизни.

Правоверные мусульмане постятся в первую пятницу этого месяца. Шаабан — восьмой месяц года, состоящий из 29 дней. Рамадан, девятый месяц года, когда мусульмане весь месяц постятся от рассвета до захода солнца. Этот пост на арабском языке называется саум.

* * *

ДАТЫ МЕСЯЦА РАМАДАН ПОСЛЕДНИХ ЛЕТ

Исламский календарь — лунный календарь. Первым днем месяца считается первый день после новолуния, когда после захода Солнца можно увидеть серп луны; иными словами, новый месяц начинается спустя два дня после новолуния. Год по исламскому календарю короче, чем по григорианскому, поэтому создается впечатление, что дни исламского календаря смещаются по григорианскому году. К примеру, даты месяца Рамадан последних лет таковы:

Определить точную дату начала Рамадана очень важно, ведь в этом месяце мусульманам необходимо соблюдать определенные обряды. Многие мусульмане настаивают, что начало Рамадана следует определять на глаз, вглядываясь в небо, чтобы заметить момент, когда на нем появится первый серп луны после новолуния. Другие мусульмане руководствуются датой и временем, заранее рассчитанными для каждого часового пояса, или ждут официального объявления от одной из множества исламских организаций.

* * *

Десятый месяц называется Шавваль. Его название означает «спаривание животных». Зуль-када — одиннадцатый месяц, состоящий из 30 дней. Его связывают с отдыхом. Двенадцатый месяц года — Зуль-хиджа. Это название дословно означает «совершать паломничество». Именно в этом месяце мусульмане совершают хадж — паломничество в Мекку. Этот месяц имеет 29 дней в так называемые простые годы и на один больше — в так называемые добавочные годы, о которых мы поговорим позже.

Исламский лунный год делится на 12 месяцев, состоящих из 30 и 29 дней поочередно, без учета смены времен года. Его продолжительность равна 354 дням, но так как 12 лунных месяцев в общей сложности составляют 354 дня, 8 часов, 48 минут и 38 секунд, то по прошествии 12 месяцев до первой луны нового года остается еще немного времени. В результате расхождение за 30 лунных лет составляет примерно 11 дней. Мухаммед запретил добавлять в календарь новые месяцы, и примерно в 639 году халиф Умар ибн аль-Хаттаб предложил оригинальное решение этой задачи, основанное на лунных циклах продолжительностью в 30 лет. Этот цикл состоит из 19 «простых» лет по 354 дня (из 6 месяцев по 30 дней и 6 месяцев по 29 дней: 6·30 + 6·29 = 354) и 11 «добавочных» лет по 355 дней (из 7 месяцев по 30 дней и 5 месяцев по 29 дней: 7·30 + 5·29 = 355). Так как каждые 32 лунных месяца Луна запаздывает примерно на сутки, а к 30 годам следует добавить 11 дней, Умар ибн аль-Хаттаб определил цикл из 30 лет (360 лунных месяцев по вавилонской традиции) и добавил по одному дню к определенным годам по следующему правилу: следовало пронумеровать месяцы последовательно и добавить по одному дню к тем годам, которые содержали месяц с номером, кратным 32. Иными словами, если мы составим последовательность чисел, кратных 32 (месяцам), то получим:

32, 64, 96, 128, 160, 192, 224, 256, 288, 320, 352.

Если теперь мы разделим эти числа на 12, чтобы определить, к каким годам следует добавить день, получим: