Глава I ЧЕЛОВЕК И НЕБО
Космическая арена
Над нами звёздное небо. Оно существует всегда — и в ясную, и в пасмурную погоду, и ночью, и днем, и зимой, и летом.
Однако нам, жителям Земли, далеко не всегда дано любоваться его красотой: мешает атмосфера. Молекулы газа, а ещё в большей степени водяные пары и механические примеси, содержащиеся в атмосфере, рассеивают в дневное время солнечные лучи, создавая иллюзию голубого небосвода, скрывающего от нас звёзды. Голубой небосвод служит своеобразным фильтром, смягчающим тени, придающим особую мягкость земному ландшафту.
Атмосфера — серьезная помеха для оптической астрономии. Вот почему, если не считать наблюдений Солнца, основное время астрономических наблюдений — тёмные ночи, да и то лишь тогда, когда воздух прозрачен, небо чистое и ясное. А ясных ночей, увы, не так-то много...
Да и ночная темнота часто перестаёт быть темнотой... Если бы вы остались поздно вечером на территории какой-либо обсерватории, вас поразило бы полное отсутствие фонарей. И только маленькие светлячки карманных фонариков иногда мелькнут среди кустов. Это астрономы направляются в башни телескопов.
Яркий электрический свет мешает видеть звёзды. И не случайно астрономические обсерватории стараются размещать вдали от больших городов. Бюраканская обсерватория в Армении расположена в 40 километрах от Еревана. Но даже на таком расстоянии электрическое зарево большого города мешает астрономическим наблюдениям.
Что же говорить о современных городских жителях! Яркое уличное освещение безжалостно «забивает» слабый свет далёких звёзд. А если добавить к этому, что над крупными городами всегда висит довольно плотное марево из всякого рода промышленных и автомобильных дымов и газов, то станет ясно, что горожане редко могут по-настоящему любоваться величественной картиной звёздного неба во всей его первозданной красоте.
Между тем, человечество вступило в эпоху освоения космоса. Все более дальними и сложными становятся космические полёты как автоматических, так и пилотируемых космических кораблей. Космос стремительно вовлекается в сферу человеческой практики. Человек из жителя Земли становится на наших глазах обитателем Вселенной.
Космос становится нашим домом. А свой дом надо знать...
Невольно может сложиться впечатление, что в окружающем нас мире нет ничего более устойчивого и неизменного, чем картина звёздного неба, что в «звёздных мирах» мало что меняется с течением времени, что Вселенная всегда была такой, какая она сейчас, и что она всегда такой и останется. Из года в год, из века в век люди видят над собой одни и те же созвездия. Чтобы их очертания изменились сколько-нибудь существенным образом, должны пройти тысячелетия.
Не случайно выдающийся астроном средневековья Тихо Браге (1546—1601) писал в своё время: «По всем философским воззрениям следует, что в воздушных просторах небесного мира ничего не меняется, что небеса и небесные тела не растут и не уменьшаются, что они не подвергаются никаким изменениям ни по числу, ни по виду, ни по блеску, ни в каких-либо других отношениях, не меняясь с годами».
Даже в начале текущего столетия учёные были убеждены в том, что Вселенная стационарна, что в основных своих чертах она не изменяется с течением времени. Этой точки зрения придерживался и такой выдающийся физик, как создатель теории относительности А. Эйнштейн.
Однако в 1922 г. талантливый ленинградский математик А. А. Фридман, исследуя уравнения общей теорий относительности, выведенные Эйнштейном, пришел к выводу, что Вселенная не может пребывать в стационарном состоянии — она должна либо расширяться, либо сжиматься, либо пульсировать.
В настоящее время этот вывод подтвержден многочисленными астрономическими наблюдениями и не вызывает сомнений. Гигантские звёздные острова — галактики (в одной из них находится наше Солнце), совокупность которых называется Метагалактикой, разлетаются с огромными скоростями. Мы живём в расширяющейся Вселенной.
В последнее десятилетие выяснилось, что нестационарна не только Вселенная как целое, нестационарные явления широко распространены в космосе; они происходят на самых различных уровнях существования материи. Это космические взрывы, распад, дезинтеграция, скачкообразные превращения материи, её переходы из одного состояния в другое.
Разумеется, все эти события с точки зрения масштабов человеческой жизни протекают чрезвычайно медленно. Хотя скорости взаимного удаления некоторых космических объектов, в том числе и галактик, достигают огромной величины, сравнимой со скоростью света, никто из нас непосредственно этого явления не ощущает —«разбегание» галактик можно обнаружить лишь весьма точными астрономическими наблюдениями.
Что касается самих галактик, то продолжительность существования многих из них превосходит десяток миллиардов лет, а составляющих их звёзд — миллиарды лет. Даже быстротекущие с астрономической точки зрения нестационарные явления длятся миллионы лет.
Таким образом, чтобы стали заметными сколько-нибудь существенные изменения в состоянии звёзд, галактик или Метагалактики, должны пройти промежутки времени, намного превосходящие не только продолжительность жизни одного отдельного человека, но и продолжительность существования многих последовательных поколений. К тому же космические явления, как правило, протекают на столь значительных расстояниях от Земли, что их нельзя заметить невооруженным глазом. Иными словами, подавляющее большинство космических процессов не находит непосредственного отражения в видимой картине звёздного неба.
И все же небо — это своеобразная арена, на которой происходят целый ряд явлений, доступных непосредственному наблюдению.
Каждый день мы видим, как над горизонтом восходит Солнце и совершает свой дневной путь по небу; Солнце заходит, становятся видны наиболее близкие и яркие звёзды. Они также поднимаются над горизонтом, достигают наивысшего положения на небе и скрываются затем за выпуклостью земного шара. Большинство ночей видна на небе Луна то полным диском, то узким серпиком. Её положение среди звёзд меняется ото дня ко дню.
Периодически появляются на небе и планеты. Некоторые из них можно наблюдать невооруженным глазом в виде ярких немерцающих светил: Венеру, Марс, Юпитер, Сатурн.
Кроме того, на небе иногда возникают метеорные следы, яркие вспышки болидов, изредка появляются яркие кометы, происходят солнечные и лунные затмения, движутся искусственные небесные тела, созданные руками человека — искусственные спутники Земли, космические корабли и орбитальные станции.
Чтобы упорядочить наблюдение и регистрацию всех подобных явлений и сделать возможными точные количественные измерения положений и движений космических объектов, необходимо построить некоторую геометрическую систему, с помощью которой можно было бы производить «целеуказания» на небе.
С введением такой системы непосредственно связаны и задачи ориентирования в пространстве и во времени.
Небесная геометрия
Вероятно, многие помнят, как в курсе астрономии средней школы они знакомились с так называемой сферической астрономией. И, должно быть, у некоторых об этом разделе астрономической науки сложилось тогда впечатление как о чисто формальной системе условных геометрических построений, которые необходимо хорошо запомнить. Однако на самом деле это не так. За внешне формальными положениями и конструкциями сферической астрономии скрывается вполне определённый физический смысл.
Начнём с основного определения — определения небесной сферы. Небесная сфера — это воображаемая сфера (т.е. поверхность шара) произвольного радиуса, в центре которой находится глаз наблюдателя.
Как принято говорить в физике и математике, с определениями не спорят. Тем самым подчеркивается исходный характер определений, известная произвольность их введения. Но произвольность эта отнюдь не абсолютная. Коль скоро задача естествознания — изучить реальный мир, определения не должны вступать в противоречия с действительным положением вещей. Они также не должны вступать в противоречия с существующей системой знания и призваны открывать возможность решения тех задач, ради которых они вводятся.