Многие считают, что наша цивилизация — источник постоянного прогресса, и все самые интересные открытия и разработки еще только впереди. Однако глубокие философские труды, некоторые шедевры архитектуры и даже созданные задолго до нас приборы отчетливо высвечивают неполноту этой концепции. Древним ученым также многое было известно, они создавали строения и вещи, принцип работы и назначение которых до конца непонятны. Четкая согласованность функционирования тех или иных устройств с законами физики и неопровержимость получаемых с их помощью сведений часто окутаны легендами. В число подобных приборов входит и астролябия, древний астрономический инструмент.
Как понятно из названия («астра» в переводе с греческого означает «звезда»), прибор связан с изучением небесных тел. И действительно, астролябия — это инструмент, позволяющий рассчитать, на какой высоте относительно поверхности нашей планеты находятся звезды и Солнце, и на основе полученных данных определить местоположение того или иного земного объекта. В длительных путешествиях по суше и по морю астролябия помогала определять координаты и время, порой служила единственным ориентиром.
Астрономический инструмент состоит из диска, представляющего собой стереографическую проекцию звездного неба, и круга с высоким бортиком, в который диск вложен. Основа прибора (элемент с бортом) имеет в центральной части небольшое отверстие, а также подвесное кольцо, необходимое для облегчения ориентации всей конструкции относительно горизонта. Срединная деталь составлена несколькими окружностями с нанесенными на них линиями и точками, определяющими широту и долготу. Эти диски называются тимпанами. Угломерный астрономический инструмент обладал тремя такими элементами, каждый из них подходил для определенной широты. Порядок, в котором вкладывались тимпаны, зависел от местности: верхний диск должен был содержать проекцию неба, соответствующего данному участку Земли.
Поверх тимпанов располагалась специальная решетка («паук»), снабженная большим количеством стрелок, указывающих на ярчайшие звезды, обозначенные на проекции. Сквозь отверстия в центре тимпанов, решетки и основы проходила ось, скреплявшая детали. К ней была присоединена алидада — специальная линейка для вычислений.
Точность показаний астролябии поражает: некоторые приборы, например, способны показывать не просто движение Солнца, но и отклонения, периодически возникающие в нем. Интересно, что создавался древний астрономический инструмент в ту пору, когда властвовала геоцентрическая картина мира. Однако представления о том, что все крутятся вокруг Земли, не помешали древним ученым создать такой точный прибор.
Астрономический инструмент имеет греческое название, однако многие его составляющие носят имена арабского происхождения. Причина такого кажущегося несоответствия в длительном пути, который преодолел прибор за период своего становления.
История развития астрономии, как и многих других наук, неразрывно связана с Древней Грецией. Здесь примерно за два столетия до начала нашей эры появился прообраз астролябии. Создателем его стал Гиппарх. Уже во втором веке после Рождества Христова описание схожего с астролябией угломерного прибора сделал Клавдий Птолемей. Он же соорудил инструмент, способный определять на небе.
Эти первые приборы несколько отличались от астролябий, какими их себе представляет современный человек и какие выставлены во многих музеях мира. Первым инструментом привычного строения считается изобретение Теона Александрийского (IV в. н. э.)
История развития астрономии в период раннего Средневековья стала разворачиваться на территории Связано это было с гонениями ученых со стороны церкви, с приписыванием инструментам, подобным астролябии, сатанинского происхождения.
Арабы усовершенствовали прибор, стали применять его не только для определения местоположения звезд и ориентации на местности, но и как измеритель времени, инструмент для некоторых математических вычислений, источник астрологических предсказаний. Мудрость Востока и Запада слилась воедино, результатом стал прибор астролябия, объединивший в себе европейское наследие с арабской мыслью.
Одним из европейцев, стремившихся возродить астролябию, был Герберт Орильякский (Сильвестр II), короткое время занимавший пост Он изучал достижения арабских ученых, научился применять многие инструменты, забытые со времен античности или запрещенные церковью. Его таланты признавались, однако связь с чуждыми исламскими знаниями способствовала возникновению целого ряда легенд вокруг него. Герберта подозревали в связи с суккубом и даже дьяволом. Первый одарил его знаниями, а второй помог занять столь высокое положение в Нечистому приписывалось его восхождение. Несмотря на все слухи, Герберт сумел возродить ряд важных приборов, в том числе и астролябию.
Спустя некоторое время, в XII веке, Европа снова стала пользоваться этим прибором. Сначала в ходу была только арабская астролябия. Это был для многих новый инструмент и лишь для некоторых — забытое и модернизированное наследие предков. Постепенно начали появляться аналоги местного производства, а также длинные ученые труды, связанные с применением и устройством астролябии.
Пик популярности прибора пришелся на эпоху Великих открытий. В ходу была морская астролябия, помогавшая определять, где оказалось судно. Правда, она обладала особенностью, сводившей на нет точность данных. Колумб, подобно многим своим современникам, путешествовавшим по воде, жаловался, что этот прибор невозможно использовать в условиях качки, он эффективен, только когда под ногами неподвижная земля или на море полный штиль.
Определенную ценность для мореплавателей прибор все же представлял. Иначе не назвали бы в его честь один из кораблей, на которых отправилась в путешествие экспедиция знаменитого исследователя Жана Франсуа Лаперуза. Корабль «Астролябия» — один из двух, участвовавших в экспедиции и таинственно исчезнувших в конце восемнадцатого века.
С наступлением эпохи Возрождения «амнистию» получили не только различные приспособления для исследования окружающего мира, но и предметы декора, страсть к коллекционированию. Астролябия — это прибор, кроме прочего, часто использовавшийся для предсказаний судьбы по движениям звезд, а потому он был украшен различными символами и знаками. Европейцы переняли у арабов привычку создавать точные в плане измерений и элегантные внешне приборы. Астролябии стали появляться в коллекциях придворных. Знание астрономии считалось основой образования, обладание прибором подчеркивало ученость и вкус владельца.
Красивейшие приборы инкрустировались драгоценными камнями. Указателям придавалась форма листьев и завитков. Для декорирования инструмента использовалось золото и серебро.
Некоторые мастера практически целиком посвящали себя искусству создания астролябий. В XVI веке самым знаменитым из них считался фламандец Гуалтерус Арсениус. Для коллекционеров его изделия были эталоном красоты и изящества. В 1568 году ему была заказана очередная астролябия. Прибор для измерения положения звезд предназначался полковнику австрийской армии Альбрехту фон Валленштейну. Сегодня хранится в музее им. М.В. Ломоносова.
Астролябия, так или иначе, проскальзывает во многих легендах и мистических событиях прошлого. Так, арабский этап ее истории подарил миру миф о вероломном султане и ученых способностях придворного астролога Бируни. Правитель, по скрытой в веках причине ополчившийся на своего предсказателя, решил с помощью хитрости избавиться от него. Астролог должен был точно указать, каким выходом из зала воспользуется его хозяин, или же понести справедливое наказание. В своих вычислениях Бируни воспользовался астролябией и, записав результат на клочок бумаги, спрятал его под ковер. Хитрый султан приказал слугам вырубить в стене проход и вышел через него. Вернувшись, он открыл бумагу с предсказанием и прочел там сообщение, предугадывавшее все его действия. Бируни был оправдан и отпущен.
Сегодня астролябия — это часть прошлого астрономии. Ориентация на местности с ее помощью перестала быть целесообразной уже с начала XVIII века, когда появился секстант. Периодически прибором все же пользовались, но еще спустя век или чуть больше астролябия окончательно перекочевала на полки коллекционеров и любителей древностей.
Приблизительное понимание устройства и функционирования прибора дает современный его потомок — планисфера.
Это карта, на которую нанесены звезды и планеты. Ее составляющие, стационарная и подвижная части, во многом напоминают основу и диск. Для определения правильного положения светил в конкретной части неба необходим верхний движущийся элемент, соответствующий по параметрам нужной широте. Схожим образом ориентируется и астролябия. Своими руками можно даже изготовить подобие планисферы. Такая модель даст представление и о возможностях ее древнего предшественника.
Готовую астролябию можно купить в сувенирных лавках, иногда она появляется в коллекциях декоративных изделий, берущих за основу стиль сим-панк. Рабочие приборы найти, к сожалению, трудно. Планисферы также редки на прилавках наших магазинов. Интересные экземпляры можно обнаружить на заграничных сайтах, но стоить такая подвижная карта будет, как тот самый чугунный мост. Самостоятельное конструирование модели может оказаться делом, требующим массы времени, но результат стоит того и точно понравится детям.
Звездное небо, столь всеобъемлюще занимавшее умы древних, поражает своей красотой и загадочностью и современного человека. Такие приспособления, как астролябия, делают его немного ближе к нам, чуть понятнее. Музейный или сувенирный вариант прибора к тому же дает возможность ощутить мудрость наших предков, и две тысячи лет назад создававших инструменты, позволяющие довольно точно отображать мир и находить наше место в нем.
Сегодня астролябия — стильный сувенир, интересный своей историей и притягивающий взгляд необычностью конструкции. Когда-то это было значительным прорывом в астрономии, позволяющим соотнести положение небесных тел с местностью, практически единственным шансом на понимание, где на просторах океана или пустыни затерялся путник. И пусть прибор значительно проигрывает в функциональном плане своим современным аналогам, он всегда будет значимой частью истории, предметом, окутанным романтическим покровом тайны, а потому вряд ли затеряется в веках.
Астрономические инструменты - это приборы и аппараты которые используются в ходе астрономических наблюдений за небесными объектами.
Первыми в истории подобными инструментами были гномоны, позже появились такие инструменты как астролябия, квадрант и секстант.
В Новое время, в XVII веке, в Европе появились в телескопы. Первый телескоп был создан знаменитым итальянским астрономом Галилео Галилеем. В ХХ веке на вооружении астрономов появились более совершенные приборы. Это были радиотелескопы, рентгеновские, нейтринные, а также гравитационные телескопы.
Гномон – из всех астрономических инструментов он является наиболее древним. Он представляет собою поставленный вертикально столбик. Таким предметом может быть обелиск или колонна, например. Используя его, древние могли узнавать по наименьшей его тени в полдень угловую высоту Солнца. В результате, полуденная кратчайшая тень указывала и направление истинного меридиана.
Считается, что его изобрел древнегреческий философ Анаксимандр, из древнегреческого города Милет, расположенного в Малой Азии, на берегу Эгейского моря.
Кроме того, гномоном называли ещё и часть солнечных часов. В них по направлению его тени можно определить время.
С помощью гномонов можно определить следующие астрономические величины:
Замечание 1
Чем выше сам гномон, тем выше его точность.
Астролябия. Этот астрономический инструмент также является одним из древнейших в мире. Он использовался для измерения горизонтальных углов и определения широты и долготы тех или иных небесных тел. Само слово астролябия происходит от древнегреческого слова, означающего «берущий звезды». Астролябия работала по принципу стереографической проекции, которая переводила окружность на сфере в окружность на плоскости.
Этот прибор использовался для определения времени и продолжительности дня, математических вычислений и астрологических предсказаний.
Впервые астролябия появилась во времена Древней Греции. Её изобретателем считается Аполлоний Пергский, живший в третьем веке до нашей эры.
Начиная с восемнадцатого века, астролябия стала использоваться при межевании земель, чтобы измерить горизонтальные углы при работе. В настоящее время астролябия вытеснена теодолитом.
Квадран т является ранним прототипом другого астрономического прибора секстанта и предназначен для определения высот небесных объектов и угловых расстояний между светилами.
Квадрант устроен из пластины с лимбом в четверть окружности, для того чтобы иметь возможность отсчитывать углы. Также у квадранта есть планка для телескопа
Использовались большие стенные квадранты, которые прикреплялись к стенам астрономических обсерваторий. К концу семнадцатого века квадрант вышел из употребления.
Секстант . Это измерительный навигационный прибор, который используется для измерения высоты Солнца и иных небесных объектов над горизонтом. Целью таких измерений является определение географических координат той точки, в которой, собственно, и производится измерения.
Под горизонтом, в основном, понимается горизонт моря. А под точкой измерения понимается судно, с которого и производится операция.
Использование секстанта позволяет узнать широту того места, в котором располагается наблюдатель. Для этого нужно узнать высоту Солнца, а также дату, в которой и производилось измерение.
Также с помощью секстанта можно проводить измерение горизонтального угла, который расположен между направлениями на разные объекты.
Секстант был изобретен независимо друг от друга в 1730 году английским математиком Джоном Хэдли и американским изобретателем Томасом Годфри
Секстант основан на принципе совмещения изображений при использовании двойного отражения одного из них. Такой метод был придуман ещё Исааком Ньютоном в 1699 году, однако, не был опубликован.
Телескоп - это прибор, с помощью которого люди могут проводить визуальные наблюдения отдалённых небесных объектов.
Замечание 2
Изобретателем телескопа считается Галилео Галилей который в 1609 году создал телескоп с восьмикратным увеличением, имевшим длину около полуметра. Само, название, «телескоп» было предложено в 1611 году греческим математиком Иоаннисом Димисианосом.
Различают несколько видов телескопов.
Оптический телескоп – телескоп, который собирает и фокусирует электромагнитное излучение оптического диапазона. С помощью оптического телескопа происходит увеличение наблюдаемого объекта, и его становится возможным наблюдать или фотографировать.
Оптические телескопы в основном делятся на следующие типы:
Радиотелескопы . Они применяются при изучении космических объектов в радиодиапазоне.
Радиотелескоп состоит из таких основных элементов как принимающая антенна, принимающая аппаратура и радиометр, являющийся чувствительным радиоприемником, который перестраивается по частоте.
Так как радиодиапазон является больше оптического, то для отслеживания и регистрации радиоизлучения специалисты используют радиотелескопы той конструкции, которая подходит для того или иного радиодиапазона.
Для регистрации радиоизлучения в длинноволновой области телескопы составляются из большого числа от десятков до тысяч элементарных приемников, в основном диполей.
Если нужен радиодиапазон коротких волн, то специалистами используется полу- или полноповоротные параболические антенны.
Радиоинтреферометрия - радиотелескопы, расположенные в разных частях земного шара и объединенные в одну сеть.
Рентгеновский телескоп – такой телескоп используется при наблюдении объектов в рентгеновском спектре. Поскольку атмосфера Земли не является прозрачной для рентгеновских лучей, то такие телескопы используют на искусственных спутниках или высотных ракетах.
Гравитационно-волновой телескоп или детектор гравитационных волн используется для поиска и регистрации гравитационных волн.
Детектор гравитационных волн (гравитационно-волновой телескоп) техническое устройство, предназначенное для регистрации гравитационных волн. Такие волны могут образовываться в результате процесса слияния двух черных дыр.
Впервые такие волны были непосредственно обнаружены в 2015 году. Таким образом, было подтверждено одно из утверждений общей теории относительности Альберта Эйнштейна.
Простейшие астрономические инструменты.
Интересно, что у почти у всех начинающих любителей астрономии бессознательно сложилось мнение, что первый прибор по астрономии, который они должны иметь — это хотя-бы небольшой телескоп, или нечто подобное, бинокль или монокуляр. Но астрономы знали и менее «примитивных» помощников в своем труде, чем бинокли и телескопы, и эти помощники и ныне могут сыграть свою полезную роль при любительских наблюдениях, пусть и своебразную и небольшую (да и сейчас профессионалы-астрономы все еще пользуются механизмами этих приборов, оснащают ими телескопы для точности, и используют все для того же — определения углов на небесной сфере).
До 1611 года, до знаменательного года изобретения телескопа всем достославным Галилео Галилеем (или кем-то еще раннее, но все равно он был первым, использавшим телескоп для серъезных астрономических наблюдений), астрономы пользовались всякими расчерченными на градусы в прямом смысле деревянными палочками и перекладинами, квадратиками и кружочками больших и малых размеров. Это были всякие там астрономические посохи, высотомеры, секстанты, квадранты и трикветры.
Ими пользовались древнегреческие астрономы (а они почти все эти инструменты впервые и создали), и Аристарх, и Гиппарх, и Птолемей, и в средние века арабские астрономы довели их до совершенства. Использовались эти приборы для решения задач самого раннего зародившегося раздела астрономии — астрометрии, занимающейся вопросами над небесными светилами «Где, когда, и что» — для расчета положений светил на небесной сфере, расстояний между звездами, определению по небу времени, и поэтому они и называются угломерными инструментами.
Как и все приборы они требовали большей точности, и их и делали для этого как можно большими, а у арабских астрономов они стали настоящими громадинами, так квадранты достигали радиуса 60 м, а Николай Коперник с помощью таких приборов определяющий координаты планет и рассчитывающий по ним уже свою гелиоцентрическую систему, пользовался приборами, намного превышающими его рост. Но не обязательно было всегда делать такие громадины, для многих задач подходили и маленькие приборы. И конечно же, такие приборы (пусть и станут они у вас самыми первыми — или новыми помощниками, если уже у вас есть бинокль или телескоп, делать их намного проще самого простого телескопа), по силу сделать их любому любителю астрономии, человеку.
Основные материалы для этого найдутся у всех: дерево, пила, и транспортир... И благо, с ними можно и делать много полезного, они хорошие помощники в тех же визуальных наблюдениях метеоров, они помогают точнее, лучше и удобнее определить координаты метеора, положения серебристых облаков (которые также наблюдаются в основном визуально), совсем новичкам в наблюдениях звездного неба помогут легче понять смысл эфемерид и найти самим на небе планеты, понять структуру и определения начальных теорий небесной сферы.
К тому же и просто приятно обнаружить себя в душе каким-то древним астрономом, ощутить на себе эхо далекого прошлого, посмотреть на небо глазами древнего грека, араба с жарких пустынь, Улугбека, Коперника или Тихо Браге! А ниже — пусть и некоторые угломерные инструменты, и как их делать, что я насобирал из всякой астролитературы, которой уже и не помню. Многое соорудил сам, видя лишь где-то картинку какого-то исторического угломерного инструмента.
Астролябия:
Естественно же более упрощенная, чем древний предок, решает намного меньше задач. Так, в трактате арабского астронома Х в. ас-Суфи перечислялось 1000 способов использования астролябии! Эта астролябия же поможет измерять горизонтальные углы азимутов светил. Для ее изготовления необходимо иметь: Диск из многослойной фанеры, текстолита или оргстекла. Диаметр диска такой, чтобы на нем разместилась круговая шкала (лимб) из транспортира и за ней оставалось бы свободное поле 2-3 см.
Транспортир, лучше из тех, что есть, побольше.
Визирная планка. Изготовляется из плоскости латуни или дюралюминия шириной 2-3 см, и длиной, превышающей поперечник диска на 5-6 см. Выступающие за край диска концы полоски изогните под прямым углом вверх и пропилите в них продолговатые или круговые отверстия. На горизонтальной планке симметрично центру проделайте две большие широкие прорези, чтобы чрез них была виден градуируемый лимб транспортира. Середину визирной планки прикрепите к центру диска, с помощью болта, шайб и гаек, чтоб она вращалась в горизонтальной плоскости. На визирную планку к центру прикрепите и компас.
При наблюдениях направляйте визирную планку на светило так, чтобы оно было видно сквозь боковые прорези планки. Отношение градусной меры транспортира к планке (видную через поперечную прорез планки, через ту, что «ближе» к светилу) к стрелке севера компаса и будет азимутом светила.
Как найти самому азимут, высоту и зенитное расстояние:
Да вообще, не трудно догадаться, что измерять самому высоту и азимут светила можно и при помощи транспортира. Но как его положить, чтобы он «видел» круги небесной сферы? Один из простейших инструментов для этого — высотомер, с которым мы и познакомимся сейчас. Высотомер состоит из как можно большего (ну, и не метрового конечно — трудно будет делать!) транспортира, содержащего 1800. Из центра окружности А транспортира и перпендикулярно его радиусу (разделяющего наш транспортир на две равные части) устанавливается линейка (или рейка) такой длины, чтобы она в 3-4 раза превосходила радиус транспортира. А в центр транспортира привинчивают шарнир, а к нему веревку с грузом, так, чтобы веревка была тонка, а груз ее не порвал.
Если веревка в точке скрепления проходит вдоль линейки, то значит она прикреплена верно. К транспортиру, выше линии 0-1800 его шкалы и параллельно ей устанавливают еще визиры, из трехизогнутой (как у астролябии) планки, средняя сторона которой равна диаметру транспортира, другие (боковые) равны друг другу, и в точке пересечения диагоналей этих квадратов или прямоугольников проделайте дырки-окружности диаметром 3-5 мм. Противоположный конец линейки перпендикулярно к центру прикрепите к не очень толстой дощечке так, чтобы она без колебаний держала линейку к своему креплению, и чтоб линейка вращалась вокруг своего центра, а этот центр вставляется в центр окружности еще одного транспортира, на этот раз на полную окружность (3600). Внизу к линейке прикрепите какую-нибудь стрелку, чтобы та исходила из этого центра транспортира и «доставала» до его внешнего края.
Так же к дощечке желательно прикрепить компас, для указания юга, от которого отсчитываются астрономические азимуты. Прибор перед началом наблюдений устанавливают так, чтобы дощечка находилась неподвижно и по горизонтали, а нижний транспортир на 00 шкалы по компасу направлен на юг, часть от 0 до 1800 направлена к востоку, другая к западу. При измерении азимута и высоты светила (измеряются одновременно!) мы направляем на него визиры так, чтобы сквозь них оно было видно, и конечно, центр вращения А (для отсчитывания высоты) направляется сверху вниз, а в месте крепления к доске вправо-влево. Таким образом, получив изображение искомого светила в визире мы увидем, что верхний транспортир наклонен под определенным углом, отмеченным на шкале веревкой, это и есть высота h светила, а стрелка к нижнему транспортиру покажет значение азимута. Зенитное расстояние z же можно легко узнать по формуле z+h = 900.
Углы между светилами:
Т. н. астрономические грабли — простейший вариант угломерного прибора, состоит из двух деревянных линеек (например, по 60 см длиной), скрепленных в форме буквы Т. На конце линейки, противоположно перекладине, укрепляется визир. На перекладине по дуге окружности 57,3 см (построить можно с помощью шнура) с интервалом в 1 см (либо в 0,5 см) вбиваются гвоздики. Центром окружности является визир. При интервале разбития гвоздиков в 1 см соответствует угол в 1 градус на небесной сфере, при 0,5 см угол в полградуса. С помощью этого нехитрого инструмента можно проводить регулярные (скажем, каждый вечер в одно и то же время) измерения угловых расстояний планет и Луны относительно некоторых «опорных» звезд и тем самым устанавливать особенности движения упомянутых светил на небесной сфере.
Другой прибор так и называется угломерным инструментом. Состоит он из прямоугольного куска дерева 35×20 см. С одной из его сторон неподвижно прикреплена рейка (или линейка) длиной 60 см. В противоположном конце рейки прикрепляется другая такая же так, чтоб она вращалась вокруг центра крепления. По обеим концам реек параллельно прикрепляются визиры. На доске, аналогично астрономическим граблям, очерчена дуга радиусом 57,3 см, на ней нанесена шкала градусов.
При наблюдениях обычно визиры одной рейки направляют на звезду, неподвижной — на планету. Полученное на шкале расстояние концов реек и есть их угловое расстояние. С помощью этих приборов можно находить и горизонтальные координаты светила. Так, найдя юг (отметив его по компосу) мы от него отмерим расстояние до светила, и по градуируемой шкале получим его азимут. Отложив от светила прямое и точное направление на горизонт, получим его высоту, а от зенита — его зенитное расстояние. Подумайте, как тогда надо распложить приборы относительно горизонта и вертикали.
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.
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? между небесным экватором и эклиптикой равен
а наклон плоскости небесного экватора к горизонту, равный 90°-?, где? - 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).
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.
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.
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.
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.
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.
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?
| <<< Назад
|
Вперед >>>
|
Астролябия.
Зеркальный телескоп (рефлектор) И. Ньютона.
Телескоп И. Кеплера.
Гигантский телескоп Я. Гевелия.
Квадрант для определения высот небесных светил.
40‑футовый телескоп-рефлектор В. Гершеля.
Телескоп-рефлектор с диаметром зеркала 2,6 м Крымской астрофизической обсерватории.
Вся история астрономии связана с созданием новых инструментов, позволяющих повысить точность наблюдений, возможность вести исследования небесных светил в диапазонах электромагнитного излучения (см. Электромагнитное излучение небесных тел), недоступных невооруженному человеческому глазу.
Первыми еще в далекой древности появились угломерные инструменты. Самый древний из них - это гномон, вертикальный стержень, отбрасывающий солнечную тень на горизонтальную плоскость. Зная длину гномона и тени, можно определить высоту Солнца над горизонтом.
К старинным угломерным инструментам принадлежат и квадранты. В простейшем варианте квадрант - плоская доска в форме четверти круга, разделенного на градусы. Вокруг его центра вращается подвижная линейка с двумя диоптрами.
Широкое распространение в древней астрономии получили армиллярные сферы - модели небесной сферы с ее важнейшими точками и кругами: полюсами и осью мира, меридианом, горизонтом, небесным экватором и эклиптикой. В конце XVI в. лучшие по точности и изяществу астрономические инструменты изготовлял датский астроном Т. Браге . Его армиллярные сферы были приспособлены для измерения как горизонтальных, так и экваториальных координат светил.
Коренной переворот в методах астрономических наблюдений произошел в 1609 г., когда итальянский ученый Г. Галилей применил для обозрения неба зрительную трубу и сделал первые телескопические наблюдения. В совершенствовании конструкций телескопов-рефракторов , имеющих линзовые объективы, большие заслуги принадлежат И. Кеплеру .
Первые телескопы были еще крайне несовершенны, давали нечеткое изображение, окрашенное радужным ореолом.
Избавиться от недостатков пытались, увеличивая длину телескопов. Однако наиболее эффективными и удобными оказались ахроматические телескопы-рефракторы, которые начали изготовляться с 1758 г. Д. Доллондом в Англии.
Для фотографических наблюдений используются астрографы .
Для астрофизических исследований нужны телескопы со специальными приспособлениями, предназначенными для спектральных (объективная призма , астроспектрограф), фотометрических (астрофотометр), поляриметрических и других наблюдений.
Созданы инструменты, позволяющие вести наблюдения небесных тел в различных диапазонах электромагнитного излучения, в том числе и в невидимом диапазоне. Это радиотелескопы и радиоинтерферометры , а также инструменты, применяемые в рентгеновской астрономии , гамма-астрономии , инфракрасной астрономии.
Для наблюдений некоторых астрономических объектов разработаны специальные конструкции инструментов. Таковы солнечный телескоп , коронограф (для наблюдений солнечной короны), кометоискатель, метеорный патруль , спутниковая фотографическая камера (для фотографических наблюдений спутников) и многие другие.
Важный прибор, необходимый для наблюдений, - астрономические часы .
При обработке результатов астрономических наблюдений используются суперкомпьютеры.
Существенно обогатила наши представления о Вселенной радиоастрономия , зародившаяся в начале 30‑х гг. нашего столетия. В 1943 г. советские ученые Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси теоретически обосновали возможность радиолокации Луны. Радиоволны, посланные человеком, достигли Луны и, отразившись от нее, вернулись на Землю. 50‑е гг. XX в. - период необыкновенно быстрого развития радиоастрономии. Ежегодно радиоволны приносили из космоса новые удивительные сведения о природе небесных тел.
Сегодня радиоастрономия использует самые чувствительные приемные устройства и самые большие антенны. Радиотелескопы проникли в такие глубины космоса, которые пока остаются недосягаемыми для обычных оптических телескопов. Перед человеком раскрылся радиокосмос - картина Вселенной в радиоволнах.
Астрономические инструменты для наблюдений устанавливают на астрономических обсерваториях . Для строительства обсерваторий выбирают места с хорошим астрономическим климатом, где достаточно велико количество ночей с ясным небом, где атмосферные условия благоприятствуют получению хороших изображений небесных светил в телескопах.
Атмосфера Земли создает существенные помехи при астрономических наблюдениях. Постоянное движение воздушных масс размывает, портит изображение небесных тел, поэтому в наземных условиях приходится применять телескопы с ограниченным увеличением (как правило, не более чем в несколько сотен раз). Из‑за поглощения земной атмосферой ультрафиолетовых и большей части длин волн инфракрасного излучения теряется огромное количество информации об объектах, являющихся источниками этих излучений.
В горах воздух чище, спокойнее, и поэтому условия для изучения Вселенной там более благоприятные. По этой причине еще с конца XIX в. все крупные астрономические обсерватории сооружались на вершинах гор или высоких плоскогорьях. В 1870 г. французский исследователь П. Жансен использовал для наблюдений Солнца воздушный шар. Такие наблюдения проводятся и в наше время. В 1946 г. группа американских ученых установила спектрограф на ракету и отправила ее в верхние слои атмосферы на высоту около 200 км. Следующим этапом заатмосферных наблюдений было создание орбитальных астрономических обсерваторий (ОАО) на искусственных спутниках Земли. Такими обсерваториями, в частности, являлись советские орбитальные станции «Салют». В настоящее время успешно эксплуатируется космический телескоп «Хаббл».
Орбитальные астрономические обсерватории разных типов и назначений прочно вошли в практику современных исследований космического пространства.
