На древних обсерваториях

Как уже говорилось, первоначальные астрономические наблюдения (например, утреннего появления Сириуса) не требовали каких-то специально оборудованных помещений и инструментов. Они проводились с подножия пирамид или с их вершин.

В Китае в период династии Чжоу (XII в. до н. э.) правитель У Вон построил, по-видимому, первую китайскую обсерваторию. Она представляла собой невысокую башню, на плоской вершине которой размещались угломерные инструменты. Известно, что позже знаменитый китайский астроном Чжан Хэн (78-139 гг. н. э.) сконструировал несколько инструментов для измерения углов и времени. Среди них было искусственное дерево-календарь, с которого ежедневно падало по одному листу. Когда завершался месяц, эти листья снова водворялись на дерево.

В 1154 г. в Пекине была построена большая обсерватория, ныне превращенная в астрономический музей. На рисунке 6 изображена оригинальная по конструкции обсерватория в Дели, одновременно бывшая исполинскими солнечными часами. Существовали подобные обсерватории и в других странах и городах, например в Александрии. Чем же были оснащены эти древние научные учреждения?

Рис. 6. Обсерватория в Дели

Самым простым и, по-видимому, наиболее древним астрономическим инструментом по праву считается гномон (рис. 7). По сути это вертикальный стержень, отбрасывающий тень на горизонтальную плоскость. Если известна высота гномона L и длина тени l, то угловая высота h Солнца определяется по очевидной формуле .

Рис. 7. Гномон

С помощью гномона древние астрономы определяли дни солнцестояний (когда полуденная высота Солнца становилась наибольшей h_max или наименьшей h_min). Мы уже говорили, как по этим данным можно найти наклон эклиптики к экватору. Посмотрев на чертеж небесной сферы (см. рис. 2), нетрудно сообразить, что где φ - широта места наблюдения. Несмотря на предельную простоту, гномон позволял измерять очень важные в астрономии величины.

Иногда гномоны делали огромных размеров. Знаменитый узбекский астроном Улугбек (XV в. н. э.) пользовался гномоном высотой 55 м. В том же веке во Флоренции на здании собора был установлен гномон, который вместе с собором достигал высоты 90 м! Увеличение высоты гномона было обоснованным. Чем выше гномон, тем длиннее его тень и тем легче заметить ее изменение. Значит, здесь, как и во многом другом, проявляется главное стремление астрономов - сделать измерения как можно более точными.

В древности широко использовали прибор, именуемый астрономическим посохом (рис. 8). В простейшем варианте это градуированная линейка АВ, вдоль которой перемещается рейка CD. На концах рейки обычно укрепляли небольшие стержни - визиры. Визир с отверстием имелся и на конце основной линейки АВ в точке А. Рисунок с транспортиром поясняет принцип действия астрономического посоха. С его помощью древние астрономы определяли высоту звезд и угловое расстояние между ними.

Рис. 8. Астрономический посох и принцип его действия

Несколько сложнее был устроен трикветр (рис. 9). Он состоял из трех соединенных между собой линеек. К вертикальной неподвижной линейке АВ на шарнирах прикреплялись линейки ВС и АС. Верхняя ВС имела два визира, или диоптра, тип. При наблюдениях астроном направлял эту линейку на звезду так, чтобы звезда была одновременно видна сквозь оба диоптра. Затем, удерживая линейку ВС в этом положении, к ней прикладывали линейку АС таким образом, чтобы расстояния ВА и ВС были равны между собой. Осуществить это было легко, так как на всех трех линейках трикветра имелись деления с одинаковой шкалой. Измерив по шкале длину отрезка линейки АС, астроном затем по специальным таблицам находил угол ABC, равный зенитному расстоянию звезды.

Рис. 9. Трикветр

И астрономический посох, и трикветр были грубыми, неточными инструментами, и в древности им обычно предпочитали квадранты, один из которых изображен на рисунке 10. Квадрант представлял собой доску в форме четверти градуированного круга. В его центре укреплялась подвижная линейка с двумя диоптрами (в некоторых квадрантах линейку заменяли полой трубкой). Квадрант устанавливали вертикально и по положению трубки или линейки с визирами, направленными на светило, измеряли по шкале высоту этого светила. Если вместо четверти круга брали его шестую часть, то инструмент называли секстантом, а если восьмую - октантом. Чем крупнее был квадрант, тем точнее была градуировка, но при этом возникали трудности с обеспечением вертикальности его установки во время наблюдений. Некоторые из квадрантов укрепляли на вертикальных стенах (в плоскости небесного меридиана), почему они и получили наименование стенных квадрантов. В других конструкциях квадранты могли вращаться вокруг вертикальной оси и с их помощью удавалось измерять не только высоту, но и азимут. Это были универсальные квадранты - прообраз будущих оптических универсальных инструментов. Некоторые из квадрантов позволяли измерять углы в любой плоскости.

Рис. 10. Древний квадрант

Существовали в древности и легкие переносные инструменты типа астролябии (рис. 11). Главной ее частью был разделенный на градусы металлический круг. За кольцо А астролябия подвешивалась к какой-либо опоре, или ее просто держали в руках. Подвижная линейка с двумя диоптрами, называемая алидадой, направлялась на светило, а отсчет высоты производился по кругу.

Рис. 11. Древняя (справа) и самодельная астролябия

Непременной принадлежностью любой древней обсерватории были армиллярные сферы, или просто армиллы (рис. 12). Так называли модели небесной сферы с ее важнейшими точками и кругами-полюсами, осью мира, небесным меридианом, экватором, горизонтом. Многие армиллы дополнялись и другими деталями. Каждая из армилл могла вращаться вокруг оси мира, а во многих из них делался подвижным и меридиан, так что наклон оси мира к горизонту можно было устанавливать соответственно широте обсерватории. Основные круги армилл обычно были градуированы. При наблюдении армиллы устанавливали по отвесу так, чтобы их меридиан лежал в плоскости небесного меридиана. Во время наблюдений через диоптры фиксировалось направление на светило и по шкале отсчитывались его координаты. Замечательно, что армиллы позволяли измерять не только горизонтальные, то также экваториальные и эклиптические координаты светил.

Рис. 12. Армиллярная сфера

В наше время изготовляют металлические модели небесной сферы - это далекие потомки древних армилл. Сегодняшняя армиллярная сфера - всего лишь наглядное пособие при изучении школьного курса астрономии. Но когда-то без них не обходился ни один астроном. Великий Коперник (XVI в.) пользовался астрономическим жезлом, квадрантом и армиллами. С их помощью он мог производить угловые измерения с точностью до одной-двух минут дуги. Но и этого оказалось достаточным, чтобы утвердить новую систему мира, которая произвела революцию в астрономии.