Глава пятая
Физика палки, воткнутой в землю
Уже лет сто, а то и двести открытия в астрофизике определяются технологическими достижениями в сочетании с гениальностью ученых – в разных пропорциях. Но давайте представим себе, что никаких технологий у нас нет. Представим себе, что все оборудование вашей домашней лаборатории составляет одна-единственная палка. Что вы можете узнать с ее помощью? Очень много всего.
Набравшись терпения и подойдя к делу тщательно, вы с палкой сможете раздобыть массу сведений о нашем месте в мироздании. Из чего сделана ваша палка, неважно. И какого она цвета – тоже. Требование к ней только одно: она должна быть прямая. Найдите во дворе место, откуда хорошо виден горизонт, и надежно вбейте там палку в землю молотком. Ах да, мы же договорились, что с техническим прогрессом у нас обстоит туго, так что вместо полотка можете взять булыжник. Проверьте, прямо ли стоит палка, не шатается ли.
Первобытная лаборатория готова.
В ясную погоду отметьте положение тени от палки на восходе Солнца, в течение дня и на закате. Сначала тень будет длинная, потом начнет укорачиваться, а затем снова удлиняться, и так до заката. Сбор данных этого эксперимента – дело примерно настолько же увлекательное, что и наблюдение за движением часовой стрелки на циферблате. Но поскольку никаких технических средств у вас нет, отвлекаться вам особенно не на что. Обратите внимание, что когда тень короче всего, это значит, что полдня уже прошло. В этот момент, который называется «местный полдень», тень указывает в точности на север или на юг в зависимости от того, по какую сторону от экватора вы находитесь.
Итак, вы только что создали примитивные солнечные часы. Если хотите выражаться по-ученому, называйте палку красивым словом «гномон» (лично мне больше нравится «палка»). Обратите внимание, что в северном полушарии, где зародилась цивилизация, при движении Солнца по небу тень от палки вращается вокруг основания палки по часовой стрелке. Собственно, часовая стрелка вращается «по часовой стрелке» именно поэтому.
Если погода останется ясной, а у вас хватит терпения повторить это упражнение 365 раз подряд, вы отметите, что Солнце восходит каждый день в другой точке горизонта. И дважды в году тень от палки на восходе показывает в прямо противоположную сторону, чем на закате. В такие дни Солнце восходит точно на востоке, а садится точно на западе, и день длится ровно столько же, что и ночь. Это дни весеннего и осеннего равноденствия. В остальные дни Солнце встает и заходит в других местах горизонта. Поэтому тот, кто считает, будто Солнце всегда встает на востоке и садится на западе и это так же верно, как дважды два – четыре, просто никогда не наблюдал, что происходит в небе.
Если следить, в каких точках Солнце восходит и заходит, из северного полушария, видно, что эти точки после весеннего равноденствия сползают на север от линии «восток-запад», потом останавливаются, а затем некоторое время сползают на юг. Когда они снова пересекут линию «восток-запад», сползание к югу замедляется, прекращается и опять сменяется сползанием к северу. Этот цикл повторяется ежегодно.
Все это время траектория Солнца меняется. В день летнего солнцестояния Солнце встает и садится в самой северной точке горизонта и проходит по небу выше всего. Поэтому летнее солнцестояние – самый длинный день в году, а тень от палки в полдень этого дня окажется короче всего. Когда Солнце встает и садится в самой южной точке горизонта, его траектория проходит по небу ниже всего, отчего в полдень тень от палки окажется самой длинной. Понятно, что этот день называется зимним солнцестоянием, как же иначе?
На 60 % земной поверхности и примерно для 75 % обитателей Земли Солнце никогда не поднимается прямо над головой. На остальной части планеты – в поясе шириной 5000 км около экватора – Солнце поднимается в зенит лишь два раза в год (ну или ровно один раз в год, если вы живете точно-точно на тропике Рака или тропике Козерога). Спорим, тот, кто считает, будто Солнце встает точно на востоке и заходит точно на Западе, еще и убежден, будто в полдень оно всегда в зените?
Глядите-ка: всего одна палка и неисчерпаемый запас терпения – и вы уже отметили на компасе важнейшие точки и знаете, какие четыре дня знаменуют смену времен года. Теперь надо изобрести какой-то способ замерять интервал между местным полднем сегодня и завтра. Тут бы пригодился дорогой хронометр, но достаточно и хороших песочных часов – одних или нескольких. И тот и другой прибор для измерения времени достаточно точно подскажет, сколько времени нужно Солнцу, чтобы обойти Землю, то есть сколько длятся одни солнечные сутки. Да, в среднем за год они составляют ровно 24 часа. Без учета ежегодно добавляемой секунды координации, чтобы компенсировать замедление вращения Земли за счет гравитационного воздействия Луны на земные океаны.
Вернемся к вашей палке. Мы еще не закончили. Проведите воображаемую линию от верхушки палки к какой-нибудь точке на небе и при помощи своего верного измерителя времени отметьте момент, когда через нее проходит какая-нибудь знакомая звезда из знакомого созвездия. Затем, опять же с помощью измерителя времени, замерьте, когда звезда займет то же положение относительно палки на следующую ночь. Этот интервал, так называемые сидерические сутки, длится 23 часа, 56 минут и 4 секунды. Из-за того, что солнечные и сидерические сутки отличаются почти на четыре минуты, Солнце блуждает на фоне узоров из звезд и создает впечатление, будто в течение года оно навещает разные созвездия по очереди.
При свете дня никаких звезд, кроме Солнца, разумеется, не видно. Но те, которые видны у горизонта сразу после заката или перед самым рассветом, отмечают положение Солнца на небе, поэтому внимательный наблюдатель, наделенный цепкой памятью на звездные узоры, может понять, какие из них окажутся за солнечным диском.
Воспользовавшись в очередной раз прибором для измерения времени, попробуйте проделать с палкой, воткнутой в землю, еще один опыт. Целый год каждый день отмечайте, куда падает тень от верхушки палки в полдень по данным прибора для измерения времени. Оказывается, каждый день положение тени будет меняться, и к концу года у вас получится восьмерка – она называется ученым словом «аналемма».
Почему? Потому что земная ось наклонена на 23,5 градуса относительно плоскости солнечной системы. Этот наклон обеспечивает не только привычную смену времен года и отклонения траектории Солнца по небу, но и восьмерку, которая образуется, если отмечать изменчивое положение Солнца в полдень в течение года. Более того, орбита Земли вокруг Солнца – не идеальный круг. А согласно законам движения планет Кеплера, скорость движения Земли по орбите должна быть непостоянной: когда мы приближаемся к Солнцу, она возрастает, а когда удаляемся, снижается. А поскольку период обращения Земли остается незыблемым, как скала, чем-то придется пожертвовать – поэтому Солнце не всегда достигает высшей точки в небе именно в «полдень по часам». Изо дня в день это отклонение невелико, однако в иные дни Солнце запаздывает на целые 14 минут. А иногда спешит на целые 16. И лишь четыре дня в году – соответствующие низшей и высшей точке восьмерки и центральному пересечению – время по часам совпадает с солнечным. Так случилось, что эти дни приходятся на 15 апреля (в США в этот день надо подавать налоговую декларацию, но это совпадение), 14 июня (это День государственного флага Соединенных Штатов – но это тоже совпадение), 2 сентября (День Труда – опять же совпадение) и 25 декабря (понятно, что и к Рождеству это тоже отношения не имеет).
