Природа наградила нас глазами — этими изумительными органами восприятия мира. Лучи света, преломляясь в хрусталике, естественной двояковыпуклой линзе, создают на сетчатке изображения предметов. В нормальном, здоровом глазе они всегда четкие — ведь хрусталик способен к аккомодации, то есть к изменению своей кривизны так, чтобы изображения на сетчатке были в «фокусе». Светочувствительные нервные клетки (колбочки и палочки) составляют поверхность сетчатки и благодаря им изображение внешних предметов переходит в восприятие.

Глаз человека — необыкновенно чувствительный приемник излучения. В некоторых условиях он способен различать даже квантовую природу света. Невооруженный глаз видит на всем небе около 6000 звезд, причем самые слабые из них принадлежат к звездам 6-й звездной величины. Правда, в исключительных случаях, например, в горах, в очень чистые, прозрачные ночи некоторые люди с очень острым зрением различали звезды 8,5 звездной величины. Таких звезд на всем небе уже десятки тысяч!

Отдавая должное разным достоинствам глаза, не следует, однако, забывать и о его недостатках. Яркие звезды, например, выглядят лучистыми, причем с поворотом головы иллюзорные лучи меняют свое расположение. Вызван этот недостаток зрения тем, что свет, попадающий в наш глаз, рассеивается в хрусталике и в так называемом стекловидном теле — студенистой массе, заполняющей внутренность глаза.

Глаз видит далеко не все. Наш орган зрения чувствителен лишь к очень небольшой доле всех электромагнитных излучений, существующих в природе. От 400 до 760 миллимикрон — вот границы длин волн тех лучей, которые доступны глазу. Все остальное мы не видим.

Вся история изучения Вселенной есть, в сущности, поиски и находки средств, улучшающих человеческое зрение. До начала XVII века невооруженный глаз был единственным оптическим инструментом астрономов. Вся астрономическая техника древних сводилась к созданию различных угломерных инструментов, как можно более точных и прочных. Уже первые телескопы сразу резко повысили разрешающую и проницающую способность человеческого глаза. Вселенная оказалась совсем иной, чем она казалась до тех пор. Постепенно были созданы приемники невидимых излучений и в настоящее время Вселенную мы воспринимаем во всех диапазонах электромагнитного спектра — от гамма-лучей до сверхдлинных радиоволн.

Более того, созданы приемники корпускулярных излучений, улавливающие мельчайшие частицы-корпускулы (в основном ядра атомов и электроны), приходящие к нам от небесных тел. Если не бояться аллегорий, можно сказать, что Земля стала зорче, ее «глаза», то есть совокупность всех приемников космических излучений, способны фиксировать объекты, от которых до нас лучи света доходят за многие миллиарды лет.

Подумать только, благодаря телескопам и другим инструментам астрономической техники человек за три с половиной века проник в такие космические дали, куда свет — самое быстрое, что есть в этом мире — может добраться лишь за миллиарды лет! Это означает, что радиус изучаемой нами части Вселенной растет со скоростью, в огромное число раз превосходящей скорость света!

Эта книга повествует об увлекательной истории развития астрономической техники. Мы больше будем говорить о методах и инструментах, чем о результатах исследования. Но ведь путь бывает подчас не менее интересен, чем конечная цель.

Автор выражает глубокую благодарность доктору физико-математических наук Петру Владимировичу Щеглову, внимательно просмотревшему рукопись и сделавшему ряд весьма ценных замечаний.

 

Астрономия без телескопов

 

Угломерные инструменты

Попробуйте представить себя в роли древнего наблюдателя Вселенной, полностью лишенного каких-либо инструментов. Много ли в таком случае можно увидеть на небе?

Днем обратит на себя внимание движение Солнца, его восход, подъем до максимальной высоты и медленное нисхождение к горизонту. Если такие наблюдения повторять ото дня ко дню, можно легко заметить, что точки восхода и захода, а также наибольшая угловая высота Солнца над горизонтом непрерывно меняются. При длительных наблюдениях во всех этих переменах можно подметить годовой цикл — основу календарного летосчисления.

Ночью небо гораздо богаче и объектами и событиями. Глаз легко различит узоры созвездий, неодинаковые яркость и окраску звезд, постепенное в течение года изменение вида звездного неба. Особое внимание привлечет Луна с ее изменчивостью внешней формы, сероватыми постоянными пятнами на поверхности и очень сложным движением на фоне звезд. Менее заметны, но, несомненно, привлекательны планеты — эти блуждающие немерцающие яркие «звезды», порой описывающие на фоне звезд загадочные петли.

Спокойная, привычная картина ночного неба может быть нарушена вспышкой «новой» яркой незнакомой звезды, появлением хвостатой кометы или яркого болида, или, наконец, «падением звезд». Все эти события, несомненно, возбуждали интерес древних наблюдателей, но о действительных их причинах они не имели ни малейшего представления. На первых порах предстояло решить более простую задачу — подметить цикличность в небесных явлениях и по этим небесным циклам создать первые календари.

По-видимому, первыми это сделали египетские жрецы, когда примерно за 6000 лет до наших дней они подметили, что предутреннее появление Сириуса в лучах зари совпадает с разливом Нила. Для этого не нужны были какие-либо астрономические инструменты — требовалась лишь большая наблюдательность. Зато и ошибка в оценке продолжительности года была велика — первый египетский солнечный календарь содержал в году 360 суток.

Рис. 1. Простейший гномон.

Нужды практики заставляли древних астрономов совершенствовать календарь, уточнять продолжительность года. Предстояло разобраться и в сложном движении Луны — без этого счет времени по Луне был бы невозможен. Надо было уточнить особенности движения планет и составить первые звездные каталоги. Все перечисленные задачи предполагают угловые измерения на небе, числовые характеристики того, что до сих пор описывалось лишь словами. Так возникла нужда в угломерных астрономических инструментах.

Самый древний из них гномон (рис. 1). В простейшем варианте он представляет собой вертикальный стержень, отбрасывающий тень на горизонтальную плоскость. Зная длину гномона L и измерив длину I отбрасываемой им тени, можно найти угловую высоту h Солнца над горизонтом по современной формуле:

Древние использовали гномоны для измерения полуденной высоты Солнца в различные дни года, а главное в дни солнцестояний, когда эта высота достигает экстремальных значений. Пусть полуденная высота Солнца в день летнего солнцестояния равна Н, а в день зимнего солнцестояния h. Тогда угол ε между небесным экватором и эклиптикой равен

а наклон плоскости небесного экватора к горизонту, равный 90°—φ, где φ — широта места наблюдения, вычисляется по формуле

С другой стороны, внимательно следя за длиной полуденной тени, можно достаточно точно подметить, когда она становится самой длинной или самой короткой, то есть иначе говоря, зафиксировать дни солнцестояний, а значит, и продолжительность года. Отсюда легко вычислить и даты солнцестояний.

Таким образом, несмотря на простоту, гномон позволяет измерять очень важные в астрономии величины. Эти измерения будут тем точнее, чем крупнее гномон и чем, следовательно, длиннее (при прочих равных условиях) отбрасываемая им тень. Так как конец тени, отбрасываемой гномоном, не бывает резко очерчен (из-за полутени), то на некоторых древних гномонах сверху укрепляли вертикальную пластинку с маленьким круглым отверстием. Солнечные лучи, пройдя сквозь это отверстие, создавали четкий солнечный блик на горизонтальной плоскости, от которого измеряли расстояние до основания гномона.

Еще за тысячу лет до нашей эры в Египте был построен гномон в виде обелиска высотой в 117 римских футов. В царствование императора Августа гномон перевезли в Рим, установили на Марсовом поле и определяли с его помощью момент полдня. На Пекинской обсерватории в XIII веке н. э. был установлен гномон высотой 13 м, а знаменитый узбекский астроном Улугбек (XV век) пользовался гномоном, по некоторым сведениям, высотой 55 м. Самый же высокий гномон работал в XV веке на куполе Флорентийского собора. Вместе со зданием собора его высота достигала 90 м.

К числу древнейших угломерных инструментов принадлежит также астрономический посох (рис. 2).

Рис. 2. Астрономический посох (слева вверху) и трикветр (справа). Слева внизу чертеж, поясняющий принцип действия астрономического посоха.

Вдоль градуированной линейки АВ перемещалась подвижная рейка CD, на концах которой иногда укрепляли небольшие стержни — визиры. В некоторых случаях визир с отверстием был и на том конце линейки АВ, к которому наблюдатель прикладывал свой глаз (точка А). По положению подвижной рейки относительно глаза наблюдателя можно было судить о высоте светила над горизонтом, или об угле между направлениями на две звезды.

Древние греческие астрономы пользовались так называемым трикветром, состоящим из трех соединенных вместе линеек (рис. 2). К вертикальной неподвижной линейке АВ на шарнирах прикреплены линейки ВС и АС. На первой из них укреплены два визира или диоптра m и п. Наблюдатель направляет линейку ВС на звезду так, чтобы звезда одновременно была видна сквозь оба диоптра. Затем, удерживая линейку ВС в этом положении, к ней прикладывают линейку АС таким образом, чтобы расстояния ВА и ВС были равны между собой. Это было легко сделать, так как на всех трех линейках, составляющий трикветр, имелись деления одинаковой шкалы. Измерив по этой шкале длину хорды АС, наблюдатель затем по специальным таблицам находил угол ABC, то есть зенитное расстояние звезды.

Рис. 3. Древний квадрант.

И астрономический посох и трикветр не могли обеспечить высокую точность измерений, и потому им нередко предпочитали квадранты — угломерные инструменты, достигшие к концу средневековья высокой степени совершенства. В простейшем варианте (рис. 3) квадрант представляет собой плоскую доску в форме четверти градуированного круга. Около центра с этого круга вращается подвижная линейка с двумя диоптрами (иногда линейку заменяли трубкой). Если плоскость квадранта вертикальна, то по положению трубы или визирной линейки, направленных на светило, легко измерить высоту светила над горизонтом. В тех случаях, когда вместо четверти круга использовали его шестую часть, инструмент назывался секстантом, а если восьмую часть — октантом. Как и в других случаях, чем крупнее был квадрант или секстант, чем точнее была его градуировка и установка в вертикальной плоскости, тем более точные измерения с ним можно было выполнять. Для обеспечения устойчивости и прочности крупные квадранты укрепляли на вертикальных стенах. Такие стенные квадранты еще в XVIII веке считались лучшими угломерными инструментами.

К тому же типу инструментов, что и квадрант, относится астролябия или астрономическое кольцо (рис. 4). Разделенный на градусы металлический круг подвешивается к какой-нибудь опоре за кольцо А. В центре астролябии укреплена алидада — вращающаяся линейка с двумя диоптрами. По положению алидады, направленной на светило, легко отсчитывается его угловая высота.

Рис. 4. Древняя (справа) и самодельная астролябия.

Часто древним астрономам приходилось измерять не высоты светил, а углы между направлениями на два светила, например, на планету и какую-нибудь из звезд). Для этой цели весьма удобен был универсальный квадрант (рис. 5а). Этот инструмент был снабжен двумя трубками — диоптрами, из которых одна (АС ) неподвижно скреплялась с дугой квадранта, а вторая (ВС) вращалась вокруг его центра. Главная же особенность универсального квадранта — его штатив, с помощью которого квадрант можно было фиксировать в любом положении. При измерениях углового расстояния от звезды до планеты неподвижный диоптр направлялся на звезду, а подвижный — на планету. Отсчет по шкале квадранта давал искомый угол.

Широкое распространение в древней астрономии получили армиллярные сферы, или армиллы (рис. 56). По существу, это были модели небесной сферы с ее важнейшими точками и кругами — полюсами и осью мира, меридианом, горизонтом, небесным экватором и эклиптикой. Нередко армиллы дополнялись малыми кругами — небесными параллелями и другими деталями. Почти все круги были градуированы и сама сфера могла вращаться вокруг оси мира. В ряде случаев делался подвижным и меридиан — наклон оси мира можно было менять в соответствии с географической широтой места.

Рис. 5а. Универсальный квадрант.

Из всех древних астрономических инструментов армиллы оказались самыми живучими. Эти модели небесной сферы и сейчас можно купить в магазинах наглядных пособий, и они используются на учебных занятиях по астрономии для решения различных задач. Так же применяли небольшие армиллы и древние астрономы. Что же касается крупных армилл, то они были приспособлены для угловых измерений на небе.

Армилла прежде всего жестко ориентировалась так, чтобы ее горизонт лежал в горизонтальной плоскости, а меридиан — в плоскости небесного меридиана. При наблюдениях с армиллярной сферой глаз наблюдателя совмещали с ее центром. На оси мира укрепляли подвижной круг склонения с диоптрами и в те моменты, когда сквозь эти диоптры была видна звезда, отсчитывали по делениям кругов армиллы координаты звезды — ее часовой угол и склонение. При некоторых дополнительных устройствах с помощью армилл удавалось измерять непосредственно и прямые восхождения звезд.

Рис. 56. Армиллярная сфера.

На любой современной обсерватории есть точные часы. Были часы и на древних обсерваториях, но они и по принципу действия и по точности сильно отличались от современных. Самые древние из часов — солнечные. Их употребляли еще за много веков до нашей эры.

Простейшие из солнечных часов — экваториальные (рис. 6, а). Они состоят из стержня, направленного к Полярной звезде (точнее, к северному полюсу мира), и перпендикулярного к нему циферблата, разделенного на часы и минуты. Тень от стержня выполняет роль стрелки, причем шкала на циферблате равномерная, то есть все часовые (и, конечно, минутные) деления равны между собой. У экваториальных солнечных часов есть существенный недостаток — они показывают время лишь в период с 21 марта до 23 сентября, то есть когда Солнце находится над небесным экватором. Можно, конечно, сделать двусторонний циферблат и укрепить еще один нижний стержень, но от этого экваториальные часы вряд ли станут более удобными.

Рис. 6. Экваториальные (слева) и горизонтальные солнечные часы.

Более употребительны горизонтальные солнечные часы (рис. 6, 6). Роль стержня в них обычно выполняет треугольная пластинка, верхняя сторона которой направлена на северный полюс мира. Тень от этой пластинки падает на горизонтальный циферблат, часовые деления которого на этот раз не равны между собою (равны лишь попарно часовые деления, симметричные относительно полуденной линии). Для каждой широты оцифровка циферблата таких часов различна. Иногда вместо горизонтального употребляли вертикальный циферблат (настенные солнечные часы) или циферблаты особой сложной формы.

Самые крупные солнечные часы были построены в начале XVIII века в Дели. Тень от треугольной стены, вершина которой имеет высоту 18 м, падает на оцифрованные мраморные дуги с радиусом около 6 м. Эти часы исправно действуют до сих пор и показывают время с точностью до одной минуты.

Все солнечные часы обладают очень большим недостатком — в пасмурную погоду и по ночам они не работают. Поэтому наряду с солнечными часами древние астрономы употребляли также песочные часы и водяные часы, или клепсидры. И в тех и в других время, по существу, измеряется равномерным движением песка или воды. Небольшие песочные часы встречаются до сих пор, клепсидры же постепенно вышли из употребления еще в XVII веке после того как были изобретены высокоточные механические маятниковые часы.

Как же внешне выглядели древние обсерватории?

 

Древние обсерватории

Для того чтобы подметить первое появление Сириуса в лучах утренней зари, никаких специальных зданий типа современных обсерваторий, разумеется, не требуется. Нужен лишь открытый горизонт и чистое, ясное небо. Поэтому древние египетские жрецы, бывшие одновременно и первыми астрономами, вели астрономические наблюдения с подножья пирамид или с оснований исполинских каменных сфинксов, как это изображено на широко известной в популярной астрономической литературе картинке. Позже для астрономических наблюдений во многих странах и восточного и западного полушарий использовались плоские площадки на вершинах пирамид (например, у древних ацтеков) или башен.

Первые астрономические обсерватории возникли, по-видимому, в Китае. В период династии Чжоу (с XII века до н. э.) просвещение в Китае стало широко распространяться и в городе Чжоугун (современная провинция Хэнань) правитель У-Ван построил большую обсерваторию. Ныне от этой обсерватории остались частично разрушенный старинный гномон и сравнительно невысокая башня с площадкой наверху, предназначенной для размещения переносных угломерных инструментов.

Древние китайские астрономы ввели в употребление астрономически обоснованные солнечный и лунный календари. Были составлены звездные каталоги, изготовлены звездные глобусы, введены многочисленные созвездия, в том числе и 28 зодиакальных. Астрономы древнего Китая аккуратно регистрировали вспышки новых звезд и появление ярких комет, причем эти наблюдения ценны и для современной астрономии. Первый звездный каталог, содержащий сведения о 800 звездах, появился в Китае еще в IV веке до нашей эры и, судя по всему, был первым в мире звездным каталогом. Позже знаменитый астроном древнего Китая Чжан Хэн (78 — 139 гг. н. э.) разделил звездное небо на 124 созвездия, причем подсчитал, что общее количество хорошо видимых в Китае звезд близко к 1500. Из них 320 звездам Чжан Хэн дал собственные имена.

Этот великий астроном сконструировал множество астрономических приборов, в том числе армиллярную сферу, приводимую во вращение специальным гидромеханическим механизмом. Рядом со сферой стояло искусственное дерево-календарь, с которого ежедневно падало по одному листу. В конце месяца упавшие листья снова водворялись на дерево.

Особое внимание китайские астрономы уделяли предвычислению солнечных и лунных затмений. В ту пору считалось, что эти «небесные знамения» грозят несчастьем и правителям и простому люду. Предсказание затмений рассматривалось как важнейшая государственная служба. В книге «Шу-Кинг» рассказывается о солнечном затмении, наступившем в 2137 году до н. э. и не предсказанном заранее придворными астрономами. По поводу этого происшествия в названной выше книге говорится, что «господа Хи и Хо забыли о добродетели, предались непомерному пьянству, запустили свои обязанности и оказались ниже своего ранга. Они впервые нарушили счет времени по светилам. В последний осенний месяц, в первый его день Солнце и Луна, вопреки вычислениям, сошлись в созвездии Фанг. Слепых известил барабан, бережливые люди были охвачены смятением, народ бежал.

А господа Хи и Хо находились при своей должности: они ничего не слышали и не видели». Возникшая во время затмения паника обошлась Хи и Хо очень дорого — по приказу правителя им отрубили головы.

Астрономы древнего Китая первыми в мире открыли пятна на Солнце. По этому поводу в 28 году до н. э. в одной из китайских летописей сделана следующая запись: «В марте первого года Хэ-Пин взошло желтое Солнце и посередине его имеется темное пятно величиной с монету». Солнечные пятна много раз видели и позже, причем в те моменты, когда на Солнце можно было смотреть невооруженным глазом, то есть при восходе или заходе, а также в те моменты, когда Солнце закрыто легкой пеленой облаков.

В эпоху средневековья китайские астрономы совершенствовали астрономические инструменты, главным образом армиллы и небесные глобусы. С помощью сложных водяных механизмов сферы и глобусы приводились в медленное вращение, совершая полный оборот за сутки. По их поверхности перемещались в соответствующем темпе шарики, изображавшие Луну и Солнце. Глобусы и сферы соединялись с часами, колокола которых звонили каждые четверть часа.

Вместе с усовершенствованием инструментов строятся и новые обсерватории. В V веке н. э. возникла обсерватория в Нанкине, а в XII веке н. э. положено начало Пекинской обсерватории. Эта последняя, ныне превращенная в музей, располагается на древней городской стене и к ней ведет длинная пологая лестница (рис. 7).

Рис. 7. Древняя Пекинская обсерватория.

Рассмотрите внимательно оборудование Пекинской обсерватории, характерное для всех древних обсерваторий вообще. Здесь на обширной, огороженной барьером наблюдательной площадке собраны почти все типы древних угломерных инструментов — армиллярные сферы, квадрант, гномоны, секстант. Были также на Пекинской обсерватории и небесные глобусы и клепсидры разных типов. Словом, Пекинская обсерватория одна из очень немногих сохранившихся до наших времен типичных древних обсерваторий. Подобные обсерватории были и в других культурных странах древнего мира.

 

Гиппарх и Птолемей

Уже в древности среди астрономов наметились два типа ученых — наблюдателей и теоретиков. Первые из них прославились многочисленными и очень точными (разумеется, по тем временам) астрономическими наблюдениями. В процессе этих наблюдений они неизбежно открывали новые, порою необыкновенные и трудно объяснимые космические явления. Астрономам-теоретикам и в древности и теперь приходится решать сложную задачу — теоретически осмыслить то новое, что открыто в Природе, и, если удастся, построить достаточно общую теорию, объясняющую большой класс явлений. Конечно, разделение на практиков-наблюдателей и теоретиков-вычислителей несколько условно. Иногда в одном лице сочетается и то и другое. Но такие случаи все же были исключением. Два знаменитых астронома древности Гиппарх и Птолемей являют собой два типа астрономов — величайшего наблюдателя древности и блестящего теоретика, создавшего весьма общую теоретическую схему, которой пользовалась наука на протяжении почти пятнадцати веков.

О жизни Гиппарха известно очень мало. Родился он в Никее и большую часть жизни провел на острове Родос, где и построил себе обсерваторию. Вероятно, ему приходилось бывать и в Александрии — крупнейшем культурном центре древнего мира. Расцвет творческой деятельности Гиппарха захватил середину II века до нашей эры. Лишь одно и притом второстепенное его сочинение дошло до нас. Об остальных главных трудах Гиппарха мы знаем лишь по изложению этих трудов в более поздних сочинениях других авторов.

Гиппарха справедливо считают изобретателем сферической тригонометрии, формулами которой ему приходилось пользоваться для пересчета экваториальных координат светил в эклиптикальные. Гиппарх был отличным вычислителем — об этом свидетельствуют его таблицы движения Солнца и Луны. Однако важнейшие заслуги Гиппарха относятся к области практической, наблюдательной астрономии. Он пользовался уже знакомыми нам угломерными инструментами, но довел технику наблюдений до такого совершенства, при котором положения светил определялись им с ошибкой, не превосходящей одной минуты дуги.

Сегодня мы в полной мере можем оценить трудность тех задач, которые поставил перед собой и успешно решил Гиппарх. Ему удалось подметить неравномерное движение Солнца по эклиптике — «отражение» неравномерного обращения Земли вокруг Солнца. Гиппарх же, считая Землю центром Вселенной, объяснил обнаруженные им неравномерности тем, что центр круговой орбиты Солнца не совпадает с центром Земли. Тогда при таком эксцентричном положении Земли наблюдателю будет казаться, что в удаленных от него частях орбиты Солнце движется медленнее, а в более близких — быстрее, хотя на самом деле движение Солнца совершенно равномерно. На основе этого остроумного, хотя и неверного по существу, объяснения Гиппарх и составил свои солнечные таблицы, по которым можно было узнать положение Солнца на эклиптике для любого момента времени.

Подобное объяснение Гиппарх пытался дать и движениям Луны. Но эти движения гораздо сложнее солнечных. Как мы теперь знаем, благодаря возмущениям со стороны Солнца, Земли и планет лунная орбита непрерывно меняет свою форму и положение в пространстве. К этому добавляется и неравномерное движение Луны по орбите, сильно осложненное влиянием тяготения Земли. Можно лишь поражаться, что Гиппарху удалось подметить важнейшие из лунных неравенств, то есть неправильностей в очень сложном движении Луны.

В июле 134 года до н. э. Гиппарх неожиданно заметил яркую незнакомую звезду в созвездии Скорпиона. Это была первая новая звезда, открытая на европейском континенте. Она вскоре померкла и исчезла со звездного неба, но Гиппарх, пораженный необычайным небесным явлением, решил составить подробную перепись видимых на небе ярких звезд, измерив при этом их координаты.

Звездный каталог Гиппарха — древнейший из дошедших до нас. Он включает в себя 1022 звезды, распределенные по 48 созвездиям. Звезды по видимой яркости (блеску) впервые разделены на шесть категорий, шесть звездных величин. Введены и промежуточные оценки яркости в этой условной, но до сих пор общепринятой шкале. Каталог Гиппарха содержит 15 самых ярких звезд первой величины, 45 — второй, 208 — третьей, 474 — четвертой, 217 — пятой и 49 — шестой. Тут же в каталоге указаны еще девять «тусклых» звезд и пять «туманностей».

Когда Гиппарх сравнил координаты некоторых звезд его каталога с теми координатами, которые были получены его предшественниками, в частности, Тимохарисом (III век до н. э.), он обнаружил значительные расхождения. Объяснить их можно было только одним — начало отсчета координат, точка весеннего равноденствия, очень медленно смещается по эклиптике навстречу Солнцу, завершая полный оборот (как мы теперь знаем) за 26 000 лет. Так было открыто предварение равноденствий, вызванное прецессией оси земного шара, то есть очень медленным перемещением ее по конусообразной поверхности. При этом (что отметил и Гиппарх) наклон эклиптики к экватору остается неизменным.

Изучал Гиппарх и движения планет. Но они оказались настолько сложными, что он воздержался от каких-либо теоретических объяснений. Эту задачу предстояло решить Клавдию Птолемею.

Подробности жизни Птолемея неизвестны. Мы даже не знаем где и когда он родился. Некоторые исследователи утверждали, что этот великий астроном древности имел родственное отношение к династии Птолемеев, правивших Египтом. Однако сам Клавдий Птолемей никогда об этом ничего не писал и не говорил. Большую часть жизни он провел в Александрии, где занимался теоретическим обобщением работ своих предшественников. В отличие от Гиппарха, это был типичный астроном-теоретик, не внесший в практику астрономических наблюдений ничего нового.

Около 150 года н. э. Птолемей опубликовал свой главный труд. Он скромно назывался «Математическим сборником или синтаксисом», но, по существу, представлял собой астрономическую энциклопедию той эпохи. Недаром арабы назвали книгу Птолемея «Альмагест», то есть «Всеобщее обозрение», и под таким наименованием она обычно и упоминается в истории астрономии.

«Альмагест» состоит из 13 книг. В первых из них излагается прямолинейная и сферическая тригонометрия. Далее следует описание всех существовавших во времена Птолемея типов астрономических инструмент тов, звездный каталог Гиппарха и различные математические таблицы, и наконец, теоретические схемы, объясняющие движения Солнца и Луны. Здесь Птолемей не был оригинален и почти полностью повторил лишь то, что было известно и Гиппарху. Главная же идея «Альмагеста» содержится в его последних пяти книгах. Именно здесь изложена знаменитая геоцентрическая система Птолемея — высшее теоретическое достижение древней астрономии. Напомним ее основные идеи (рис. 8).

В центре Вселенной Птолемей поместил шарообразную Землю, а Луну и Солнце водворил на концентрические круговые орбиты, общий центр которых совпадает с центром Земли. Для Птолемея, как и для всех его современников, величайшим авторитетом в области философии природы был Аристотель — знаменитый древнегреческий мыслитель, живший в IV веке до н. э. Аристотель учил, что Вселенная делится на две радикально различные части. Одна из них — Земля и все земное, где господствуют несовершенство, смерть и разрушение. Наоборот, небо и все небесное — идеальная сфера бытия. Эта область Вселенной характерна чистотой и совершенством. Идеально чисты и совершенны все небесные тела. Совершенны и их движения — непременно круговые и равномерные. Именно эта умозрительная и, по существу, неверная идея Аристотеля на много веков затормозила развитие астрономии. Она прочно владела умами всех астрономов от Птолемея до Коперника и лишь Кеплер в XVII веке рискнул посягнуть на, казалось бы незыблемый, авторитет Аристотеля — он ввел для небесных тел неравномерные и некруговые движения.

Рис. 8. Система Птолемея.

Птолемей поступил иначе. Для объяснения сложного, петлеобразного и притом неравномерного видимого движения планет, он предположил, что планеты равномерно обращаются по малым окружностям (эпициклам), а центры эпициклов опять же равномерно движутся вокруг Земли по большим окружностям — деферентам. Если предположить, что плоскости эпициклов несколько наклонены к плоскости деферентов, легко понять, что в этом случае земному наблюдателю покажется, что планеты на фоне далеких звезд описывают сложные петли.

Это было гениальное решение проблемы. Неравномерные и некруговые движения рассматривались как результат сложения двух круговых и равномерных движений. На рис. 8 показано строение Вселенной по Птолемею, который математически доказал, что при соответствующем подборе радиусов эпициклов и деферентов, а также при надлежащем выборе скоростей их равномерных движений удается объяснить видимые движения планет. В то же время сохраняется и «совершенство небес» — все движения там вполне «идеальны» в том смысле, как это понимал Аристотель.

Единственное, в чем могли упрекнуть Птолемея его современники, так это в непонятной сложности его системы, где планеты двигались не вокруг каких-либо тел, а вокруг геометрических точек — центров эпициклов. К сожалению, и эту громоздкую систему мира пришлось позже еще более усложнить. В последовавшие за Птолемеем века выяснилось, что видимые движения некоторых планет очень сложны и одного эпицикла для их объяснения недостаточно. К XIII веку, например, пришлось предположить, что у Марса, по-видимому, есть не один, а 200 эпициклов! Сам Марс движется по 200-му эпициклу, центр которого обращается по 199-му эпициклу и т. д. Система мира получалась запутанной, сложной и физически непонятной. Когда в XIII веке в Толедо состоялся, говоря по-современному, съезд всех известных астрономов того времени, Кастильский король Альфонс X, выслушав их дебаты, заявил, что «если бы он присутствовал при творении мира, он посоветовал бы богу сотворить мир попроще». Эта неосторожная «богохульная» острота стоила Альфонсу короны.

Поддерживаемая авторитетом церкви, птолемеева система мира просуществовала до Коперника, который, как и Птолемей, в своей гелиоцентрической системе мира оставил лишь «идеальные» движения и для Земли, и для других планет. Поэтому, как это ни парадоксально, на первых порах (то есть до Кеплера) система Коперника хуже объясняла видимые движения планет, чем громоздкая система Птолемея. Но ведь именно в этой «громоздкости» и заключалась потенциальная сила птолемеевой системы, способной в принципе даже в наши дни с любой степенью точности предсказывать не только движения планет, но также видимые движения межпланетных космических станций!

Секрет этого парадокса прост. По существу, Птолемей изобрел так называемый гармонический анализ за полтора тысячелетия до Фурье, который считается его первооткрывателем. Суть же этого анализа заключается в том, что любое сложное движение в природе можно разложить на сумму круговых и равномерных движений, причем такое представление может быть как угодно точным — для этого надо взять в указанной сумме лишь достаточно большое количество членов. Таким образом, ложная в своей физической основе птолемеева система мира с чисто математической стороны оказалась весьма совершенной теоретической схемой, увенчавшей древнюю астрономию. Что же касается старинных астрономических угломерных инструментов и практики работы с ними, то наибольшие результаты в этой области были достигнуты великими астрономами-наблюдателями XV и XVI веков — Улугбеком и Тихо Браге.

 

Внук Тимура

Вторая половина XIV века и начало следующего столетия отмечены завоеваниями легендарного Тимура. Вся жизнь Тимура была непрерывной цепью походов и войн, во время которых население завоеванных стран подвергалось невероятным притеснениям и жестокостям. Имя Тимура, не знавшего ни страха, ни жалости, наводило ужас на все азиатские народы. К концу своей жизни (1405 год) Тимур стал властителем огромной, хотя и непрочной империи, столицей которой был Самарканд. Для украшения этого города Тимур не жалел ни сил, ни средств. Отовсюду он привозил сюда награбленные им богатства, а также и пленников — мастеров, поэтов, ученых. Сам Тимур (по национальности узбек) был неграмотен, но, отличаясь недюжинным природным умом, он ценил знающих людей и особенно любил беседовать с учеными. Уже при жизни Тимура Самарканд стал одним из самых богатых и культурных городов мира.

В конце 1393 года Тимур начал большой семилетний поход на Иран. По обычаю, принятому у монголов, Тимура сопровождали члены его двора, среди которых была и жена младшего сына Тимура семнадцатилетнего Шахруха. 22 марта 1394 года во время одной из стоянок жена Шахруха разрешилась от бремени. Новорожденному дали имя Мухамед-Тарагай, но в историю он вошел под прозвищем Улугбек, что означает «великий князь».

Маленький. Улугбек принимал участие во всех походах своего деда. Он сопровождал Тимура во время его набегов на Индию, Армению, Афганистан. Участвовал Улугбек и в приеме иностранных посланников, как требовали того сложившиеся традиции.

В 1404 году Тимур женил своего десятилетнего внука Улугбека на его двоюродной племяннице, и, видимо, чувствуя приближение своей кончины, назначил уделы малолетним внукам. Улугбеку досталась обширная область, куда входил, в частности, город Ташкент.

Спустя год во время одного из походов Тимур заболел и умер, а его громадное, но непрочное государство распалось в течение нескольких месяцев. Началась длительная междоусобная борьба за наследство Тимура, в ходе которой в 1409 году Улугбек становится правителем Мавераннахра, Хорезма и Ферганы. Столицей этого большого государства был оставлен древний Самарканд.

В отличие от деда, Улугбек не отличался воинственностью. Правда, в первые годы правления он совершил несколько походов для защиты своих владений. Но увлекало Улугбека совсем иное. Его призванием стала наука. Он всячески покровительствовал ученым, строил для школ (медресе) великолепные здания. Улугбек окружил себя знаменитыми в то время поэтами, врачами, историками. Он сам писал стихи и принял участие в составлении большого научного труда по истории главнейших стран Азии. Но основной привязанностью Улугбека была астрономия.

На окраине Самарканда Улугбек выбрал невысокий холм, на котором под его руководством была построена крупнейшая астрономическая обсерватория XV века. Время не пощадило ее и вскоре после смерти Улугбека в 1449 году его обсерватория пришла в упадок, а затем постепенно разрушилась и была забыта. Лишь в 1908 году русский археолог В. Л. Вяткин с трудом отыскал развалины обсерватории Улугбека. Его раскопки продолжили советские археологи и сегодня мы можем достаточно полно представить себе внешний облик и оборудование крупнейшей обсерватории XV века.

Цилиндрическое трехэтажное здание обсерватории со множеством окон и помещений, достигавшее около 50 ж в диаметре, имело мраморный цоколь и керамическую облицовку из яркой резной мозаики. Внутренние помещения были оштукатурены и, но свидетельству очевидцев, на их стенах имелись изображения небесных сфер и «семи климатов». Холм, на котором была воздвигнута обсерватория, имел высоту 21 м, с крыши обсерватории (то есть с высоты 55 м) открывался широкий горизонт.

Здание обсерватории имело центральный широкий проем, расположенный по меридиану. В этом проеме и располагался главный угломерный инструмент обсерватории — исполинский секстант.

Даже у нас, привыкших к огромным размерам современных технических сооружений, секстант Улугбека вызывает изумление (рис. 9). Дуга секстанта имеет радиус 40,2 м. В ее центре в верхней части здания был укреплен основной диоптр. По самой дуге секстанта на специальных бронзовых рельсах наблюдатель передвигал визирные инструменты, с помощью которых фиксировалось направление на небесное светило. При наблюдениях Солнца помещение секстанта полностью затемнялось, превращаясь, таким образом, в огромную камеру-обскуру. Луч Солнца, пройдя через основной диоптр, давал «зайчик» на специальном белом диске, перемещавшемся по дуге секстанта. По положению тележки с этим диском измерялась полуденная высота Солнца.

Дуга секстанта Улугбека, собственно, состоит из двух параллельных дуг, выложенных из жженого кирпича и облицованных сверху мрамором. Расстояние между ними составляет 51 см. Вдоль каждой из дуг врезаны пазы шириной 26 мм и глубиной 15 мм, в которых, видимо, укреплялись бронзовые рельсы. Расстояния между градусными делениями на дуге инструмента равны 70,2 см. Эти деления отмечены поперечными пазами, с помощью которых, вероятно, закреплялись тележки с подвижными визирами. По бокам дуг шла лестница для наблюдателя. До сих пор нельзя считать окончательно решенным вопрос, был ли инструмент Улугбека секстантом, или, как считал В. Л. Вяткин, квадрантом. До наших дней в нижней подземной части инструмента сохранились плитки с обозначениями от 80 до 58 градусов. В верхней же части дуги видны деления, соответствующие 19, 20 и 21 градусу. Возможно, что исполинский угломерный инструмент Улугбека был квадрантом, что вполне соответствует размерам и высоте здания обсерватории. Как показали измерения, выполненные в 1941 году В. П. Щегловым, точность расположения по меридиану главного инструмента обсерватории Улугбека была очень высокой — ошибка по азимуту оказалась близкой всего к 10 минутам дуги!

Рис. 9. Обсерватория Улугбека (реконструкция) и его секстант (справа).

Несомненно, что наряду с основным инструментом Улугбек и его сотрудники при астрономических наблюдениях использовали небольшие переносные угломерные приборы. Что же нового в астрономию внесла обсерватория Улугбека?

Исполинские размеры основного инструмента, отличное качество его изготовления, а также высокое искусство самаркандских астрономов позволили им с максимально возможной для того времени точностью измерить важнейшие астрономические величины — наклон эклиптики к экватору, продолжительность года и другие. На короткий срок обсерватория Улугбека сделалась астрономической столицей мира. Слава Улугбека перешагнула границы Азии и на гравюрах XVII века мы видим Улугбека в окружении немногих самых знаменитых астрономов мира.

Основным трудом обсерватории Улугбека считаются «Новые астрономические таблицы» («Зидж Гурагони»), которые содержат каталог 1018 звезд. В этом труде излагаются также различные системы летосчисления, основы сферической и практической астрономии, теория затмений и движения планет и ряд других сведений. Книга Улугбека неоднократно переиздавалась в различных странах, что неудивительно, так как она представляла собою астрономическую энциклопедию XV века. Измеренные Улугбеком положения звезд отличались от тех, которые были даны в древних каталогах Тимохариса и Гиппарха. Объяснялось это не только ошибками древних наблюдателей и другими причинами, но в некоторых случаях и реальными перемещениями звезд в пространстве.

Обсерватория Улугбека была высшим достижением в области астрономии всего мусульманского Востока. О самом Улугбеке великий узбекский поэт Алишер Навои писал так:

«Султан Улугбек, потомок хана Тимура, подобного которому мир еще не знал. Все его сородичи ушли в небытие. Кто о них вспоминает в наше время? Но Улугбек протянул руку к наукам и добился многого. Перед его глазами небо стало близким и опустилось вниз».

 

Он жил недаром

Почти век спустя после трагической гибели Улугбека (он был зверски убит по приказу его сына) в далекой от Самарканда Дании в семействе датского дворянина Браге в 1546 году родился мальчик, которому дали имя Тиге. Позже это имя было латинизировано и в историю астрономии знаменитый датчанин вошел под именем Тихо Браге.

На тринадцатом году жизни по настоянию своего дяди Тихо поступил в Копенгагенский университет, где успешно изучал риторику и философию, готовя себя к политической карьере. Однако необычное небесное явление изменило его первоначальные планы. В 1560 году произошло частное солнечное затмение и Тихо мог убедиться, что все его фазы наступали почти точно по предсказаниям календаря. Юноша был настолько поражен этим научным предвидением, что решил сам посвятить свою жизнь изучению тех законов, которые управляют движением небесных светил. Эту страсть, пробудившуюся в Тихо, поддерживали и его астрологические заблуждения. Он был сыном своего века, верил прорицаниям по звездам, и сам пожелал в этом достичь высшего совершенства.

От изучения гуманитарных наук Тихо перешел к математике и астрономии. Деньги, которые ему посылал дядя для развлечений, Тихо употреблял на покупку книг и угломерных астрономических инструментов. Уже в 1563 году, 17-летним юношей Тихо приступил к первым самостоятельным астрономическим наблюдениям. Три года спустя он отправился в путешествие по Германии, посетил Виттенберг, Базель и другие научные центры. Здесь он встречался с известными астрономами и тут же в Германии он соорудил огромный квадрант радиусом 6 метров, а также начал постройку громадного небесного глобуса поперечником в 1,5 метра.

Неожиданное происшествие на время прервало научные занятия Тихо. В Ростоке во время пирушки Тихо вступил в спор с неким Мандерупиусом по поводу доказательства одной математической теоремы. Жаркая дискуссия закончилась дуэлью, во время которой противник Тихо отсек ему шпагой большую часть носа. С тех пор будущий великий астроном носил серебряный протез. Рассказывают, что этот искусственный нос постоянно отклеивался и Тихо был вынужден постоянно возить с собой коробочку с цементом и часто приклеивать себе нос. Вероятно, это обстоятельство сделало Тихо особенно раздражительным, хотя и до происшествия в Ростоке он не отличался тихим нравом.

По возвращении в Данию в 1570 году Тихо увлекся алхимией и, казалось, навсегда позабыл астрономию. Но снова неожиданное небесное явление заставило Тихо, и на этот раз уже окончательно, посвятить свою жизнь звездам. В ноябре 1572 года в созвездии Кассиопеи вспыхнула новая звезда, достигшая яркости Юпитера. Тихо измерял ее угловое расстояние от других обычных звезд. Он установил, что суточное вращение Земли на положение таинственной звезды никак не влияет. Отсюда Тихо сделал вывод, что новая звезда значительно дальше Луны. Год спустя Тихо написал трактат о Новой 1572 года, а в 1574 году его пригласили в Копенгагенский университет для чтения лекций по астрономии.

В 1576 году в жизни Тихо Браге произошло важное событие. Датский король Фридрих II отвел Тихо остров Гвен вблизи берегов Швеции и отпустил значительные средства для строительства крупной обсерватории на этом острове. Кроме того, для поощрения Тихо король назначил ему крупную пенсию и подарил имение в Норвегии.

Обрадованный неожиданной поддержкой Тихо уже в мае 1576 года развернул на острове Гвен крупное строительство. К 1584 году в распоряжении Тихо были две большие обсерватории. Они мало походили на современные обсерватории, а скорее напоминали роскошные, богатые замки. Один из них Тихо назвал Ураниборгом (то есть «замком Урании», богини астрономии), второй получил наименование Стьернеборг («звездный замок»).

Ураниборг стоял на холме в центре острова и был со всех сторон окружен живописным садом. Внутри замка размещались четыре обсерватории, лаборатории, типография, жилые помещения и даже тюрьма.

Внутри посетитель любовался гобеленами, картинами и статуями великих людей. В Стьернеборге обсерватории были расположены под землей, чтобы защитить находившиеся там инструменты от нежелательных внешних воздействий (например, ветра).

На острове Гвен находились также мастерские, где под руководством Тихо изготовлялись изумительные по своей точности астрономические угломерные инструменты. Они уступали по размерам главному инструменту Самаркандской обсерватории, но тщательность их изготовления (почти все они были металлическими) и, особенно, градуировки позволили Тихо достичь максимальной для его эпохи точности наблюдений, — ошибка в определении координат звезд в среднем не превосходила одной минуты дуги.

Тихо был первым из астрономов, кто стал учитывать рефракцию — кажущееся смещение небесных светил с их истинного положения на небесной сфере благодаря преломлению световых лучей в земной атмосфере. На известной гравюре XVI века Тихо Браге изображен во время наблюдений на шестиметровом стенном квадранте (рис. 10). Один из помощников.(справа от Тихо) фиксирует положение визира на дуге квадранта, другой записывает данные наблюдений, третий следит за показаниями часов.

Кстати сказать, до XVIII столетия часы были «ахиллесовой пятой» всех астрономов. Маятниковых часов тогда еще не знали, а клепсидры, песочные и им подобные часы отличались неравномерностью хода и грубыми ошибками. Стоит упомянуть еще одну деталь рассматриваемой нами гравюры. У ног Тихо лежит любимый дог — подарок английского короля Якова, посетившего Ураниборг.

Двадцать один год продолжалась научная деятельность Тихо на острове Гвен. Ему удалось открыть новые неправильности в движении Луны, одна из которых вызвана перемещением плоскости лунной орбиты в пространстве. Он составил новые солнечные и планетные таблицы, более точные, чем те, что были до тех пор. Замечателен звездный каталог, на составление которого Тихо затратил 7 лет. По количеству звезд он уступал каталогам Улугбека или Гиппарха — в нем дана перепись всего 777 звезд. Но зато координаты этих звезд Тихо измерил с точностью несравненно большей, чем его предшественники. В начале XVII века Байер использовал каталог Тихо для составления первого подробного звездного атласа. Ко всему сказанному следует добавить, что Тихо заново перемерил основные астрономические постоянные и его результаты остались лучшими в дотелескопической астрономии.

Рис. 10. Тихо Браге за наблюдениями.

Известность Тихо и его Ураниборга побудила многих ученых, а также высокопоставленных особ к «паломничеству» на остров Гвен. Надо заметить, что Тихо и с королями и с крестьянами вел себя, как говорят, на равной ноге. Всякое услужничество и раболепие было совершенно чуждо его натуре. К сожалению, эти качества и погубили великого астронома. Однажды канцлер Дании Вальтендорф во время посещения Ураниборга жестоко избил любимого дога Тихо. Астроном не стерпел и в крайне резких выражениях высказал главе датского правительства все, что он о нем думает. В результате из-за травли и интриг со стороны Вальтендорфа Тихо в 1597 году был вынужден навсегда покинуть Данию. Он попробовал обосноваться в Праге, где нашел себе покровителя в лице императора Рудольфа II. Но Пражская обсерватория, куда Тихо перевез часть своих инструментов, ни в какое сравнение не могла идти с Ураниборгом. Правда, здесь у Тихо Браге появился молодой помощник, бедный юноша по имени Иоганн Кеплер — один из будущих основоположников новой астрономии. Но никаких новых открытий в Праге Тихо не сделал. Дух его был надломлен и в 1601 году после мучительной болезни Тихо Браге скончался.

На его могильном памятнике есть надпись — «Я жил недаром». Рассказывают, что, чувствуя приближение смерти, Тихо говорил так о себе своим близким. Можно, впрочем, согласиться с этой горделивой самооценкой. Тихо Браге был величайшим наблюдателем в дотелескоиический период развития астрономии. Он достиг максимума того, что мог дать невооруженный глаз для угловых измерений на небе. Наблюдения Тихо Браге послужили той экспериментальной основой, опираясь на которую Иоганн Кеплер открыл свои знаменитые законы движения планет.

Всего лишь несколько лет Тихо Браге не дожил до того момента, когда был изобретен телескоп, сразу раскрывший перед человечеством неисчерпаемую сложность мироздания. Астрономия до начала XVII века была, в сущности, астрометрией — наукой об угловых измерениях на небесной сфере. С изобретением телескопа зародилась астрофизика — основа современной астрономии.