Для современной науки характерно постепенное проникновение как в процессы микромира, длящиеся миллионные доли секунды, так и в макропроцессы, продолжительность которых составляет миллионы и миллиарды лет. История развития измерения времени и календаря еще раз подтверждает положение диалектического материализма: «Человеческие представления о пространстве и времени относительны, но из этих относительных представлений складывается абсолютная истина, эти относительные представления, развиваясь, идут по линии абсолютной истины, приближаются к ней». [5]
Для измерения времени может служить любое явление природы, если оно равномерно периодически повторяется. Первым эталоном послужило извечное вращение нашей планеты вокруг своей оси, которое постоянно приводит к смене дня и ночи; это последнее особенно важно для повседневной жизни людей. Длительные же промежутки времени — смена времен года и смена фаз Луны — согласуются с движением Земли по орбите вокруг Солнца и Луны вокруг Земли.
До недавнего времени вращение Земли вокруг оси считалось абсолютно равномерным, несмотря на то, что известный немецкий философ Иммануил Кант (1724–1804) еще в 1755 г. обращал внимание па замедление вращения Земли вокруг своей оси, вызываемое, по его мнению, ежесуточными морскими приливами, действующими в противоположном вращению направлении, что должно приводить к увеличению продолжительности суток. В последующем была обнаружена сезонная неравномерность, зависящая от метеорологических факторов, от изменения солнечной активности, от приливов и отливов, связанных с лунными фазами, при которых скорость вращения Земли замедляется. Наконец, некоторые ученые высказывают предположение, что неравномерность в скорости вращения Земли вызывается перераспределением масс внутри нашей планеты.
Долголетними же астрономическими наблюдениями обнаружена незначительная неравномерность вращения Земли вокруг своей оси, наблюдаемая через неодинаковые промежутки времени, что сказывается на продолжительности суток как в сторону их увеличения, так и уменьшения. В последние годы установлено, что эта неравномерность вращения Земли в течение года приводит к отклонению продолжительности суток от их среднегодового значения примерно на 0,001 с. [6]
Из-за незначительности изменений скорости вращения Земли можно считать его практически равномерным. Тем самым вращение Земли вокруг своей оси служит удобным и достаточно надежным эталоном для определения и измерения времени.
Глава 1
НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ АСТРОНОМИИ
§ 1. Вращение Земли вокруг своей оси и движение ее вокруг Солнца. Смена времен года
В очень древние времена люди не имели правильного представления о форме и размерах нашей планеты и о том, какое место она занимает в пространстве. Теперь мы знаем, что физическая поверхность Земли, представляющая сочетание суши и водных пространств, в геометрическом отношении имеет весьма сложную форму; ее нельзя представить ни одной из известных и математически изученных геометрических фигур. На поверхности Земли моря и океаны занимают около 71 %, а суша — около 29 %; самые же высокие горы и самые большие глубины океанов по сравнению с размерами всей Земли ничтожно малы. Так, например, на глобусе диаметром 60 см гора Эверест высотой приблизительно 8840 м изобразится всего лишь крупинкой в 0,25 мм. Поэтому за общую — теоретическую — форму Земли принимают тело, ограниченное поверхностью океанов, находящейся в спокойном состоянии, мысленно продолженной под всеми материками. Эта поверхность называется геоидом (гео — по-гречески «земля»). В первом же приближении фигуру Земли считают эллипсоидом вращения (сфероидом) — поверхностью, образованной в результате вращения эллипса вокруг своей оси.
Размеры земного сфероида определялись неоднократно, но наиболее фундаментальные из них были установлены в 1940 г. в СССР Ф. Н. Красовским (1873–1948) и А. А. Изотовым (1907–1988): по их определениям малая ось земного сфероида, совпадающая с осью вращения Земли, b = 6356,86 км, а большая полуось, перпендикулярная малой оси и лежащая в плоскости земного экватора, a = 6378,24 км.
Отношение α = (a — b)/a, называемое сжатием земного сфероида, равно 1/298,3.
В 1964 г. решением Международного астрономического союза (MAC) для земного сфероида принято a = 6378,16 км, b = 6356,78 км и α = 1:298,25, что весьма близко к результатам, полученным советскими учеными в 1940 г. и принятыми постановлением Совета Министров СССР от 7 апреля 1946 г. за основные для всех астрономо-геодезических и картографических работ, выполняемых в нашей стране.
Находясь в любой точке земной поверхности, мы довольно скоро обнаруживаем, что все видимое на небосводе (Солнце, Луна, звезды, планеты) вращается вокруг нас как одно целое. На самом деле это явление кажущееся, оно является следствием вращения Земли вокруг своей оси с запада на восток, т. е. в направлении, противоположном кажущемуся суточному вращению небесного свода [7] вокруг оси мира, представляющей прямую, параллельную оси вращения Земли, концами которой являются северный и южный полюсы нашей планеты. Вращение Земли вокруг своей оси можно доказать разными способами. Но теперь его можно непосредственно наблюдать с помощью космических аппаратов.
В древние времена люди полагали, что Солнце, перемещаясь относительно звезд, обходит нашу планету по кругу в течение одного года, Земля же будто бы неподвижна и находится в центре Вселенной. Такого представления о мироздании придерживались и древние астрономы. Оно нашло отражение в знаменитом сочинении древнегреческого астронома Клавдия Птолемея (II в.), написанном в середине II в. и известном под искаженным названием «Альмагест» [8]. Такая система мира получила название геоцентрической (от того же слова «гео»).
Новый этап в развитии астрономии начинается с опубликования в 1543 г. книги Николая Коперника (1473–1543) «О вращении небесных сфер», в которой изложена гелиоцентрическая (гелиос — «солнце») система мира, отражающая действительное строение Солнечной системы. Согласно теории Н. Коперника центром мира является Солнце, вокруг которого движутся шарообразная Земля и все подобные ей планеты и притом в одном направлении, вращаясь каждая относительно одного из своих диаметров, и что только Луна вращается вокруг Земли, являясь его постоянным спутником, и вместе с последней движется вокруг Солнца, при этом примерно в одной и той же плоскости.
Рис. 1. Видимое движение Солнца
Для определения положения тех или иных светил на небесной сфере необходимо иметь «опорные» точки и линии. И здесь прежде всего используется отвесная линия, направление которой совпадает с направлением силы тяжести. Продолженная вверх и вниз эта линия пересекает небесную сферу в точках Z и Z' (рис. 1), называемых соответственно зенитом и надиром.
Большой круг [9] небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна линии ZZ', называется математическим или истинным горизонтом [10]. Ось РР', вокруг которой вращается в своем видимом движении небесная сфера (это ее вращение является отражением вращения Земли), и называется осью мира: она пересекает поверхность небесной сферы в двух точках — северном Р и южном Р' полюсах мира.
6
Земля в годичном периоде быстрее вращается в июне—сентябре, а в остальные месяцы года медленнее, что может быть подтверждено, например, с помощью кварцевых часов (см. с. 50).
7
Конечно, никакого небосвода на самом деле не существует, а его дневной голубой цвет обусловлен рассеянием солнечных лучей в атмосфере Земли.
8
В «Альмагесте» кроме описания мироздания содержится один из первых дошедших до нас звездных каталогов — список 1023 ярчайших звезд.
9
В астрономии по традиции
10
Он отличается от