Птолемей , а полностью - Клавдий Птолемей (Claudius Ptolemaeus) родился между 127-145 гг. нашей эры в Александрии (Египет), древний астроном, географ и математик, считавший Землю центром вселенной ("Птолемеева система"). К сожалению, о его жизни в настоящее время известно очень мало. (За исключением того, что династия Птолемеев утвердилась в Египте в результате завоеваний Александра Македонского, который отдал Египет в награду одному из своих выдающихся военачальников. Известная Египетская царица Клеопатра также носила фамилию Птолемей . - С.А.Астахов.)

Результаты его работ по астрономии были сохранены в его большой книге "Mathematike syntaxis" ("Математический Сбор"), которая, в конечном счете, становится известной как "Ho megas astronomos" ("Большой астроном"). Однако для ссылок на эту книгу в 9-м столетии арабские астрономы использовали греческий термин "Megiste" ("превосходный"). Когда определенный арабский артикль "al" (другое значение - " как", по-английски - "like") был записан слитно, название становится известным как "Almagest" ("Альмагест"), которое используется и сегодня.

Альмагест подразделяется на 13 отдельных томов , каждый из которых рассматривает определенное астрономическое понятие, относящееся к звездам и объектам солнечной системы (Земля и все другие небесные тела, относящиеся к Солнечной системе). Без всяких сомнений, Альмагест является энциклопедией природы, что и сделало его таким полезным для многих поколений астрономов и оказало на них глубочайшее влияние. В сущности, это синтез полученных Древнегреческой астрономией результатов, а также основной источник сведений о работах Гиппарха, по-видимому, являвшимся величайшим астрономом древности. В книге часто трудно определить, какие сведения принадлежат Птолемею, а какие Гиппарху, потому что Птолемей значительно дополнил данные Гиппарха своими собственными наблюдениями, по всей видимости, пользовавшись аналогичными или похожими инструментами. Например, если Гиппарх скомпоновал свой звездный каталог (первый такого типа) на основе данных о 850-ти звездах, то Птолемей расширил число звезд в его собственном каталоге до 1,022.

Птолемей снова и снова повторял наблюдения движений Солнца, Луны и планет Солнечной системы и корректировал данные Гиппарха - на этот раз для того, чтобы сформулировать собственную геоцентрическую теорию, которая в настоящее время известна в качестве Птолемеевой модели строения солнечной системы. В первой книге Альмагеста Птолемей подробно описывает эту геоцентрическую систему и пытается с помощью различных аргументов доказать, что в центре вселенной должна находится неподвижная Земля. Необходимо отметить его весьма последовательное доказательство, что в случае движения Земли, как это предполагали до этого некоторые из греческих философов, с течением времени на звездном небе проявятся и должны быть обнаружены некоторые явления, в частности параллаксы звезд. С другой стороны, Птолемей доказывал, что, поскольку все тела падают в центр вселенной, именно Земля и должна быть там расположена в соответствии с направлениями свободно падающих капель воды. Более того, если Земля не центр, тогда она должна вращаться с периодом в 24 часа, и, следовательно, тела, брошенные вертикально вверх, не должны падать на то же самое место, как это имеет место на практике. Птолемей смог доказать, что к тому времени не было получено ни одного противоречащего этим аргументам наблюдения. В результате геоцентрическая система стала абсолютной истиной для западного христианского мира вплоть до 15-го столетия, когда была вытеснена гелиоцентрической системой, разработанной великим польским астрономом Николаем Коперником.

Птолемей установил следующей порядок для объектов Солнечной системы: Земля (центр), Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер и Сатурн. Для объяснения неравномерностей движения этих небесных тел ему, точно так же, как и Гиппарху, потребовалась система дифферентов и эпициклов или один из подвижных эксцентров (обе системы разработаны Аполлоном из Пергама, греческим геометром 3-го столетия до нашей эры), чтобы описывать их перемещения только и исключитеьно с помощью равномерного движения по окружностям.

В Птолемеевой системе дифференты являются большими кругами с центром на Земле, а эпициклы - круги меньшего диаметра, центры которых равномерно перемещаются по окружностям дифферентов . При этом Солнце, Луна и планеты перемещаются по окружностям своих собственных эпициклов. Или, для подвижного эксцентра существует окружность с центром, смещенным относительно Земли в сторону планеты, перемещающейся вокруг этой окружности. Обе схемы являются математически эквивалентными. Но даже с введением этих понятий могли быть объяснены еще не все наблюдавшиеся элементы движения планет. Введя в астрономию еще одно понятие, Птолемей с блеском показал свою гениальность. Он предположил, что Земля должна быть расположена на некотором расстоянии от центра дифферента для каждой планеты и, что центр планетарного дифферента и эпицикла для принятого равномерного циклического движения является воображаемой точкой, лежащей между местоположением Земли и другой воображаемой точкой, которую он назвал эквантом. При этом Земля и эквант лежат на одном диаметре соответствующего планетарного дифферента. Кроме того, он считал, что расстояние от Земли до центра дифферента должно быть равно расстоянию от центра дифферента до экванта. При помощи этой гипотезы Птолемей смог гораздо точнее объяснить множество наблюдавшихся элементов планетных движений.

В Птолемеевой системе плоскость эклиптики является явным солнечным годовым путем на фоне звезд . Следует положить, что плоскости дифферентов планет наклонены на небольшие углы относительно плоскости эклиптики, но плоскости их эпициклов должны быть наклонены на те же самые углы относительно дифферентов, чтобы плоскости эпициклов всегда были параллельными плоскости эклиптики. Плоскости дифферентов Меркурия и Венеры выбирались такими, чтобы обеспечить колебания этих планет относительно плоскости эклиптики (выше - ниже), и, следовательно, плоскости их эпициклов были подобраны, чтобы обеспечить соответствующие колебания уже относительно их дифферентов.

Однако, еще необходимо было объяснить так называемое ретроградное (обратное) движение, которое периодически наблюдалось в виде явных обратных петель траекторий внешних планет на фоне звезд (для Марса, Юпитера и Сатурна).

Хотя Птолемей и понимал, что планеты располагаются значительно ближе к Земле, чем "фиксированные" или "неподвижные" звезды, он, по всей видимости, верил в физическое существование "кристаллических сфер", к которым - как тогда говорили - прикреплены все небесные тела . За пределами сферы неподвижных звезд, Птолемей предполагал существование других сфер, заканчивающихся связью с "primum mobile" ("первичным движителем" - может быть, Богом?), который и обладал необходимой мощностью для обеспечения движения остальных сфер, составляющих всю наблюдаемую вселенную.

Как, в первую очередь, геометр, Птолемей выполнил несколько важнейших математических работ . Разработанные им новые геометрические теоремы и доказательства он изложил в книге, названной "Аналемма" ("Peri analemmatos" - греч., "De analemmate" - лат.), где подробно обсудил свойства проекций точек на небесную сферу (воображаемая сфера, расширяющаяся наружу с Земли для бесконечности, на поверхность которой проецируются расположенные в пространстве объекты), в частности, на три плоскости, расположенных между собой по правилу правого винта ("буравчика", если исходить из школьного учебника физики) под прямыми углами друг к другу - горизонт, меридиан, и первичная вертикаль. В другой книге - "Planisphaerium" - Птолемей имеет дело со стереографическим проекциями - вычерчиванием проекций твердого тела на плоскость - однако, и здесь он использовал южный полюс небесной сферы в качестве центра своих проекций. (Точка пересечения линий проекций используется для получения перспективных искажений, например, в аксонометрических проекциях.)

Кроме того, Птолемей разработал собственный календарь , который, кроме предсказаний погоды, указывал времена восходов и заходов звезд в утренние и вечерние сумерки. Другие математические публикации содержат работу (в двух томах), носящую название "Hypotheseis ton planomenon" ("Планетарная гипотеза"), и две отдельных геометрических публикации, одна из которых содержит обоснование существования не более чем трех измерений пространства; в другой он предпринимает попытку доказательства постулата о параллельных Эвклида. Согласно одному обзору Птолемей написал три книги по механике; другое руководство, тем не менее, упоминает только об одной - "Peri ropon" ("О балансировке").

Работы Птолемея в области оптических явлений были зафиксированы в "Оптике" ("Optica"), оригинальное издание которой состояло из пяти томов. В последнем томе он работает с теорией преломления (изменение направления света и других энергетических волн при переходе ими границы раздела среды с одной плотностью в среду с другой плотностью) и при этом обсуждает изменения местоположения небесных светил в зависимости от высоты стояния над горизонтом. Это было первой документальной попыткой объяснения реально наблюдаемого явления (атмосферной рефракции). Следует упомянуть и о трехтомной монографии Птолемея о музыке, известной, как "Гармоника" ("Harmonica").

Репутация Птолемея, как географа, зиждется, главным образом, на его "Geographike hyphegesis" ("Справочнике по географии"), который был подразделен на восемь томов; и которые содержали информацию о том, как создавать карты и списки мест в Европе, Африке и Азии и создавать таблицы местоположения географических объектов по широте и долготе. Отметим, тем не менее, что в Руководстве было и много ошибок - например, экватор был установлен слишком далеко к северу, а величина окружности Земли была почти 30 процентов меньше той, которая, строго говоря, уже была достаточно точна определена (Эратосфеном); также существовали некоторые противоречия между текстом и картами. Конечно же, Руководство в целом не может считаться "хорошей географией", потому что Птолемей ничего не упоминает о климате, природных условиях, жителях или специфических характеристиках стран, с которыми он имеет дело. Также небрежны его географические проработки таких объектов, как реки и горные области. Т.е. работа получилась весьма ограниченного применения.

Астролябия
Впервые появившись ещё во времена Древней Греции, пика своей популярности этот прибор достиг в Европе эпохи Возрождения. На протяжении более чем 14 столетий подряд астролябии в различных своих формах были главнейшим инструментом для определения географической широты.

Секстант
С секстантом получилось очень интересная и весьма удивительная история. Впервые принцип его действия был изобретён и описан Исаакам Ньютоном в 1699 году, но по некоторым причинам не был опубликован. А несколько десятилетий спустя, в 1730 году, сразу двое учёных независимо друг от друга изобрели непосредственно сам секстант. Поскольку область применения секстанта оказалась значительно шире, чем просто определение географических координат местности, со временем он довольно быстро вытеснил астролябию с пьедестала главного навигационного инструмента.

Ноктурлабиум
Этот прибор изобрели в те времена, когда основным устройством для определения времени были солнечные часы. В силу некоторых конструктивных особенностей работать они могли только днём, а узнавать время люди хотели иногда и ночью. Так и появился ноктурлабиум. Принцип действия весьма прост: во внешнем круге устанавливался месяц, затем через отверстие в середине прибор визировался на полярной звезде. Рычаг-указатель направлялся на одну из референтных незаходящих звёзд. Внутренний круг при этом показывал время. Само-собой, работать эти «часы» могли только в Северном полушарии.

Планисфера
Вплоть до XVII века планисферы использовались как основной инструмент для определения моментов восхода и захода различных небесных светил. По сути планисфера представляет собой координатную сетку, нанесённую на металлический диск, около центра которого вращается алидада. Изображение небесной сферы на плоскости могло быть либо в стереографической, либо в азимутальной проекции.

Астрариум
Это не просто старинные астрономические часы, это настоящий планетарий! В XIV веке этот сложный механический прибор создал итальянский мастер Джованни де Донди, что в свою очередь знаменовало начало развитие в Европе технологий изготовления механических часовых инструментов. Астрариум превосходно моделировал всю солнечную систему, он в точности показывал как перемещаются планеты по небесной сфере. А кроме этого ещё показывал время, календарные даты и важные праздники.

Торкветум
Не просто прибор, а настоящее аналоговое вычислительное устройство. Торкветум позволяет производить измерения в различных системах небесных координат и легко переходить от одной из этих систем к другой. Это могут быть горизонтальная, экваториальная или эклиптическая системы. Удивительно, что прибор этот, позволяющий делать такие вычисления, был изобретён аж в XII веке западноарабским астрономом Джабиром ибн Афлахом.

Экваториум
Этот прибор использовался для того, чтобы без математических вычислений, а только лишь используя геометрическую модель, определять положения Луны, Солнца и других значимых небесных объектов. Впервые экваториум был построен арабским математиком аз-Заркали в XI веке. А в начале XII века Ричард Уоллингфорд построил для предсказания затмений экваториум «Альбион», в котором последняя предусмотренная дата соответствовала 1999 году. В те времена этот срок, наверное, казался настоящей вечностью.

Армиллярная сфера
Не только полезный, но ещё и очень красивый астрономический инструмент. рмиллярная сфера состоит из подвижной части, изображающей небесную сферу с её основными кругами, а также вращающейся вокруг вертикальной оси подставки с кругом горизонта и небесным меридианом. Служит она для того, чтобы определять экваториальные или эклиптические координаты различных небесных светил. Изобретение этого прибора приписывают древнегреческому геометру Эратосфену, который жил в III веке до н. э. И что самое интересное, армиллярная сфера использовалась аж до самого начала XX века, пока не была вытеснена более точными приборами.

Небесные светила интересовали людей с незапамятных времён. Ещё до революционных открытий Галилея и Коперника астрономы предпринимали неоднократные попытки выяснить закономерности и законы движения планет и звёзд и использовали для этого специальные инструменты.

Инструментарий древних астрономов был настолько сложен, что современным учёным потребовались годы, чтобы разобраться в их устройстве.

1. Календарь из Уоррен Филда

Хотя странные углубления на поле Уоррен обнаружили с воздуха еще в 1976 году, только в 2004 году было определено, что это древний лунный календарь. Как полагают ученые, найденному календарю порядка 10 000 лет.

Он выглядит как 12 углублений, расположенных по дуге в 54 метра. Каждая лунка синхронизирована с лунным месяцем в календаре, причем с поправкой на лунную фазу.

Удивительно также то, что календарь в Уоррен Филд, который был построен за 6000 лет до Стоунхенджа, ориентирован на точку солнечного восхода в день зимнего солнцестояния.

2. Секстант Аль-Худжанди в росписи

Сохранилось очень мало сведений о Абу Махмуд Хамид ибн аль-Хидр Аль-Худжанди, кроме того, что он был математиком и астрономом, который жил на территории современных Афганистана, Туркменистана и Узбекистана. Также известно, что он создал один из крупнейших астрономических инструментов в 9-10 веках.

Его секстант был сделан в виде фрески, расположенной на 60-градусной дуге между двумя внутренними стенами здания. Эта огромная 43-метровая дуга была поделена на градусы. Мало того, каждый градус был с ювелирной точностью разделен на 360 частей, что сделало фреску потрясающе точным солнечным календарем.

Над дугой Аль-Худжанди располагался куполообразный потолок с отверстием посередине, сквозь которое солнечные лучи падали на древний секстант.

3. Вольвеллы и зодиакальный человек

В Европе на рубеже 14-го века учеными и врачами использовалась довольно странная разновидность астрономических инструментов – вольвеллы. Они выглядели, как несколько круглых листов пергамента с дыркой в центре, наложенные друг на друга.

Это позволяло перемещать круги, чтобы рассчитать все необходимые данные - от фаз Луны до положения Солнца в Зодиаке. Архаичный гаджет помимо своей основной функции также являлся символом статуса – только самые богатые люди могли обзавестись вольвеллой.

Также средневековые врачи верили, что каждая часть человеческого тела управляется своим созвездием. К примеру, за голову отвечал Овен, а за гениталии – Скорпион. Поэтому для диагностировки врачи использовали вольвеллы, чтобы рассчитать текущее положение Луны и Солнца.

К сожалению, вольвеллы были довольно хрупкими, поэтому сохранились лишь очень немногие из этих древних астрономических инструментов.

4. Древние солнечные часы

Сегодня солнечные часы служат разве что для украшения садовых лужаек. Но когда-то они были необходимы для отслеживания времени и движения Солнца по небу. Одни из старейших солнечных часов были найдены в Долине царей в Египте.

Они датируются 1550 - 1070 годами до н.э. и представляют собой круглый кусок известняка с нарисованным на нем полукругом (разделенным на 12 секторов) и отверстием в середине, в который вставлялся стержень, отбрасывающий тень.

Вскоре после обнаружения египетских солнечных часов, подобные были найдены в Украине. Они были захоронены с человеком, который умер 3200 - 3300 лет назад. Благодаря украинским часам ученые узнали, что цивилизация Зрубна обладала знаниями геометрии и умела высчитывать широту и долготу.

5. Небесный диск из Небры

Названный по имени немецкого города, где он был обнаружен в 1999 году, «небесный диск из Небры» является старейшим изображением космоса, когда-либо найденным человеком. Диск был захоронен рядом с долотом, двумя топорами, двумя мечами, и двумя кольчужными наручами около 3600 лет назад.

На бронзовом диске, покрытом слоем патины, были золотые вставки, изображающие Солнце, Луну и звезды из созвездий Орион, Андромеда и Кассиопея. Никто не знает, кто сделал диск, но расположение звезд говорит о том, что создатели были расположены на той же широте, что и Небра.

6. Астрономический комплекс Чанкильо

Древняя астрономическая обсерватория Чанкильо в Перу является настолько сложной, что ее истинное предназначение было обнаружено только в 2007 году с помощью компьютерной программы, предназначенной для выравнивания панелей солнечных батарей.

13 башен комплекса выстроены по прямой линии протяженностью 300 метров вдоль холма. Изначально ученые думали, что Чанкильо - фортификационные сооружения, но для форта это было невероятно плохое место, поскольку в нем не было ни оборонительных преимуществ, ни проточной воды, ни источников пропитания.

Но потом археологи поняли, что одна из башен смотрит на точку восхода солнца при летнем солнцестоянии, а другая – на точку восхода солнца при зимнем солнцестоянии. Построенные около 2300 лет назад башни являются старейшей солнечной обсерваторией в Америке. По этому древнему календарю до сих пор можно определить день года с максимум двухдневной погрешностью.

К сожалению, огромный солнечный календарь из Чанкильо - это единственный след цивилизации строителей этого комплекса, которые предшествовали инкам более чем на 1000 лет.

7. Звездный атлас Гигина

Звездный атлас Гигина, также известный как «Poetica Astronomica» был одним из первых сочинений с изображениями созвездий. Хотя авторство атласа спорно, он иногда приписывается Гаю Юлию Гигину (римскому писателю, 64 г. до н.э. - 17 г. н.э.). Другие утверждают, что работа имеет сходство с трудами Птолемея.

В любом случае, когда Poetica Astronomica была переиздана в 1482 году, она стала первым печатным произведением, в котором были показаны созвездия, а также мифы, связные с ними.

В то время как другие атласы предоставляли более конкретную математическую информацию, которая могла быть использована для навигации, Poetica Astronomica представляла собой более причудливую, литературную интерпретацию звезд и их историю.

8. Небесный глобус

Небесный глобус появился еще тогда, когда астрономы считали, что звезды перемещаются по небу вокруг Земли. Небесные глобусы, которые были созданы, чтобы отобразить эту небесную сферу, начали создавать еще древние греки, а первый глобус в форме, аналогичной современным глобусам, был создан немецким ученым Йоханнесом Шёнером.

На данный момент сохранились только два небесных глобуса Шёнера, которые являются настоящими произведениями искусства, изображающими созвездия в ночном небе. Старейший сохранившийся пример небесного глобуса датируется около 370 г. до н.э.

9. Армиллярная сфера.

Армиллярная сфера - астрономический инструмент, в котором несколько колец окружают центральную точку - была далеким родственником небесного глобуса.

Существовали два разных типа сфер - наблюдательная и демонстрационная. Первым из ученых, кто использовал подобные сферы, был Птолемей.

С помощью этого инструмента можно было определить экваториальные или эклиптические координаты небесных тел. Наряду с астролябией, армиллярная сфера использовалась моряками для навигации на протяжении многих веков.

10. Эль-Караколь, Чичен-Ица

Обсерватория Эль-Караколь в Чичен-Ице была построена между 415 и 455 г. н.э. Обсерватория была очень необычной - в то время как большинство астрономических инструментов были настроены на наблюдение за движением звезд или Солнца, Эль-Караколь (в переводе «улитка») была построена для наблюдения за движением Венеры.

Для майя Венера была священна – буквально все в их религии основывалось на культе этой планеты. Эль-Караколь помимо того, что был обсерваторией, также являлась храмом бога Кетцалькоатля.

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?

Небесные светила интересовали людей с незапамятных времён. Ещё до революционных открытий Галилея и Коперника астрономы предпринимали неоднократные попытки выяснить закономерности и законы движения планет и звёзд и использовали для этого специальные инструменты. Инструментарий древних астрономов был настолько сложен, что современным учёным потребовались годы, чтобы разобраться в их устройстве.

1. Календарь из Уоррен Филда

Хотя странные углубления на поле Уоррен обнаружили с воздуха еще в 1976 году, только в 2004 году было определено, что это древний лунный календарь. Как полагают ученые, найденному календарю порядка 10 000 лет. Он выглядит как 12 углублений, расположенных по дуге в 54 метра. Каждая лунка синхронизирована с лунным месяцем в календаре, причем с поправкой на лунную фазу. Удивительно также то, что календарь в Уоррен Филд, который был построен за 6000 лет до Стоунхенджа, ориентирован на точку солнечного восхода в день зимнего солнцестояния.

2. Секстант Аль-Худжанди в росписи

Сохранилось очень мало сведений о Абу Махмуд Хамид ибн аль-Хидр Аль-Худжанди, кроме того, что он был математиком и астрономом, который жил на территории современных Афганистана, Туркменистана и Узбекистана. Также известно, что он создал один из крупнейших астрономических инструментов в 9-10 веках. Его секстант был сделан в виде фрески, расположенной на 60-градусной дуге между двумя внутренними стенами здания. Эта огромная 43-метровая дуга была поделена на градусы. Мало того, каждый градус был с ювелирной точностью разделен на 360 частей, что сделало фреску потрясающе точным солнечным календарем. Над дугой Аль-Худжанди располагался куполообразный потолок с отверстием посередине, сквозь которое солнечные лучи падали на древний секстант.

3. Вольвеллы и зодиакальный человек

В Европе на рубеже 14-го века учеными и врачами использовалась довольно странная разновидность астрономических инструментов – вольвеллы. Они выглядели, как несколько круглых листов пергамента с дыркой в центре, наложенные друг на друга. Это позволяло перемещать круги, чтобы рассчитать все необходимые данные - от фаз Луны до положения Солнца в Зодиаке. Архаичный гаджет помимо своей основной функции также являлся символом статуса – только самые богатые люди могли обзавестись вольвеллой.

Также средневековые врачи верили, что каждая часть человеческого тела управляется своим созвездием. К примеру, за голову отвечал Овен, а за гениталии – Скорпион. Поэтому для диагностировки врачи использовали вольвеллы, чтобы рассчитать текущее положение Луны и Солнца. К сожалению, вольвеллы были довольно хрупкими, поэтому сохранились лишь очень немногие из этих древних астрономических инструментов.

4. Древние солнечные часы

Сегодня солнечные часы служат разве что для украшения садовых лужаек. Но когда-то они были необходимы для отслеживания времени и движения Солнца по небу. Одни из старейших солнечных часов были найдены в Долине царей в Египте. Они датируются 1550 - 1070 годами до н.э. и представляют собой круглый кусок известняка с нарисованным на нем полукругом (разделенным на 12 секторов) и отверстием в середине, в который вставлялся стержень, отбрасывающий тень. Вскоре после обнаружения египетских солнечных часов, подобные были найдены в Украине. Они были захоронены с человеком, который умер 3200 - 3300 лет назад. Благодаря украинским часам ученые узнали, что цивилизация Зрубна обладала знаниями геометрии и умела высчитывать широту и долготу.

5. Небесный диск из Небры

Названный по имени немецкого города, где он был обнаружен в 1999 году, «небесный диск из Небры» является старейшим изображением космоса, когда-либо найденным человеком. Диск был захоронен рядом с долотом, двумя топорами, двумя мечами, и двумя кольчужными наручами около 3600 лет назад. На бронзовом диске, покрытом слоем патины, были золотые вставки, изображающие Солнце, Луну и звезды из созвездий Орион, Андромеда и Кассиопея. Никто не знает, кто сделал диск, но расположение звезд говорит о том, что создатели были расположены на той же широте, что и Небра.

6. Астрономический комплекс Чанкильо

Древняя астрономическая обсерватория Чанкильо в Перу является настолько сложной, что ее истинное предназначение было обнаружено только в 2007 году с помощью компьютерной программы, предназначенной для выравнивания панелей солнечных батарей. 13 башен комплекса выстроены по прямой линии протяженностью 300 метров вдоль холма. Изначально ученые думали, что Чанкильо - фортификационные сооружения, но для форта это было невероятно плохое место, поскольку в нем не было ни оборонительных преимуществ, ни проточной воды, ни источников пропитания.

Но потом археологи поняли, что одна из башен смотрит на точку восхода солнца при летнем солнцестоянии, а другая – на точку восхода солнца при зимнем солнцестоянии. Построенные около 2300 лет назад башни являются старейшей солнечной обсерваторией в Америке. По этому древнему календарю до сих пор можно определить день года с максимум двухдневной погрешностью. К сожалению, огромный солнечный календарь из Чанкильо - это единственный след цивилизации строителей этого комплекса, которые предшествовали инкам более чем на 1000 лет.

7. Звездный атлас Гигина

Звездный атлас Гигина, также известный как «Poetica Astronomica» был одним из первых сочинений с изображениями созвездий. Хотя авторство атласа спорно, он иногда приписывается Гаю Юлию Гигину (римскому писателю, 64 г. до н.э. - 17 г. н.э.). Другие утверждают, что работа имеет сходство с трудами Птолемея.

В любом случае, когда Poetica Astronomica была переиздана в 1482 году, она стала первым печатным произведением, в котором были показаны созвездия, а также мифы, связные с ними. В то время как другие атласы предоставляли более конкретную математическую информацию, которая могла быть использована для навигации, Poetica Astronomica представляла собой более причудливую, литературную интерпретацию звезд и их историю.

8. Небесный глобус

Небесный глобус появился еще тогда, когда астрономы считали, что звезды перемещаются по небу вокруг Земли. Небесные глобусы, которые были созданы, чтобы отобразить эту небесную сферу, начали создавать еще древние греки, а первый глобус в форме, аналогичной современным глобусам, был создан немецким ученым Йоханнесом Шёнером. На данный момент сохранились только два небесных глобуса Шёнера, которые являются настоящими произведениями искусства, изображающими созвездия в ночном небе. Старейший сохранившийся пример небесного глобуса датируется около 370 г. до н.э.

9. Армиллярная сфера

Армиллярная сфера - астрономический инструмент, в котором несколько колец окружают центральную точку - была далеким родственником небесного глобуса. Существовали два разных типа сфер - наблюдательная и демонстрационная. Первым из ученых, кто использовал подобные сферы, был Птолемей. С помощью этого инструмента можно было определить экваториальные или эклиптические координаты небесных тел. Наряду с астролябией, армиллярная сфера использовалась моряками для навигации на протяжении многих веков.

10. Эль-Караколь, Чичен-Ица

Обсерватория Эль-Караколь в Чичен-Ице была построена между 415 и 455 г. н.э. Обсерватория была очень необычной - в то время как большинство астрономических инструментов были настроены на наблюдение за движением звезд или Солнца, Эль-Караколь (в переводе «улитка») была построена для наблюдения за движением Венеры. Для майя Венера была священна – буквально все в их религии основывалось на культе этой планеты. Эль-Караколь помимо того, что был обсерваторией, также являлась храмом бога Кетцалькоатля.

Для тех, кто мечтает открыть для себя мир небесных светил, полезен будет , способный обучить любого новичка премудростям астрономии.