99 (Від стародавніх до сучасних теорій руху планет)

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ім. Т.Г. Шевченка

Фізичний факультет, кафедра астрономії

ДИПЛОМНИЙ ПРОЕКТ

ТЕМА:

Від стародавніх до сучасних теорій руху планет

Виконав: студент ІІІ курсу

Група 112 ФА

Колосов Сергій

Київ 2010

Зміст

Вступ

Перші кроки завжди важкі

Трохи теорії

Сучасні теорії руху небесних тіл

Висновок

Література

Вступ

Ще здавна серед "нерухомих зір" мешканці Землі помітили "блукаючі зорі", які грецькою мовою називаються планетами. Тоді були відомі 7 "блукаючих зір": зореподібні - Меркурій, Венера, Марс, Юпітер і Сатурн, а також дископодібні - Сонце та Місяць. Згодом, коли з'ясувалось, що Сонце є найближчою до нас зорею, а Місяць є супутником нашої планети Земля, назва "планети" закріпилась лише за тими космічними об'єктами, які обертаються навколо Сонця. Ще пізніше, крім згаданих планет, були відкриті планети Уран, Нептун і Плутон, декілька десятків супутників планет, а також декілька тисяч так званих малих планет (астероїдів).

Найпростіше помітити "блукання" Місяця серед зір, бо він швидко рухається із заходу на схід і за 27.3 доби "пробігає" всю небесну сферу, тобто здійснює повний оберт. Якщо в якусь ніч примітити його положення по відношенню до найближчих зір, то вже наступної ночі Місяць знаходитиметься в оточенні інших зір, бо за добу переміститься по небу на 13.2".

Переміщення Сонця серед зір не можна спостерігати безпосередньо, бо зорі вдень невидимі. Проте, якщо замітити якусь зорю поблизу горизонту в західній частині неба невдовзі після заходу Сонця і спробувати її відшукати через декілька днів в той же час, то можна помітити, що вона знизилась і ніби наблизилась до Сонця. Ще через декілька днів зоря зникне за горизонтом, а її місце займе інша зоря, яка раніше знаходилась на схід від першої. Надалі і ця зоря теж наближатиметься до Сонця. Саме за такими спостереженнями можна зробити висновок про зміну положення Сонця серед зір.

В давні часи спостереження за положеннями зір та планет проводились регулярно, що надало можливість визначити видимий шлях Сонця по небу. Виявилось, що Сонце, як і Місяць, рухається із заходу на схід і за 365.25 доби його видимий шлях набуде вигляду кола на небесній сфері, тобто через цей інтервал часу воно повертається до тих же самих зір. Річний шлях Сонця серед зір назвали екліптикою, яка за уявленнями древніх не змінює свого положення по відношенню до зір. За добу Сонце зміщується вздовж екліптики на схід приблизно на 1º.

Більш складним виявився рух зореподібних планет, які завжди розташовані поблизу екліптики. Нижні планети Меркурій і Венера ніби коливаються відносно Сонця. Спочатку планета рухається серед зір швидше за Сонце і обганяє його. Потім на певній кутовій відстані на схід від Сонця планета сповільнює свій рух, а Сонце наздоганяє та випереджає планету. Через деякий час, досягнувши максимального кутового віддалення на захід від Сонця, планета знову починає рухатися швидше і наздоганяє його. Надалі увесь цикл повторюється. Найбільше віддалення від Сонця сягає 40º для Венери і в середньому 23° (від 18 до 28°) для Меркурія. Ось тому Меркурій і Венера видимі тільки або вранці на сході, незадовго до сходу Сонця, або увечері на заході, після заходу Сонця.

Для верхніх планет - Марса, Юпітера, Сатурна, Урана і Нептуна - характерні "петлі" на небі. В основному ці планети переміщуються серед зір із заходу на схід. Проте в певні періоди кожна з них сповільнює свій рух, зупиняється серед зір, а згодом починає рухатись у зворотному напрямку, тобто зі сходу на захід. Ще через деякий час планета знову зупиняється і починає рухатись у звичайному для неї напрямку. Таким чином, спостерігач має можливість зафіксувати в рухові планет "петлі". Марс здійснює їх через кожні 780, Юпітер - 399, а Сатурн - 378 діб.

Перші кроки завжди важкі

Перші спроби пояснити видимі переміщення планет на небі, а заодно створити теорії руху з метою передбачення їхніх положень в будь-який наступний чи минулий момент належать стародавнім грекам і вавілонянам. Зокрема відомо, що одна з перших астрономічних доктрин для пояснення руху планет була запропонована Евдоксом Кнідським (біля 410-350 р. до н. е) і базувалась па системі концентричних сфер, в центрі яких знаходиться Земля. Згідно Евдоксу видимий рух кожної планети можна відтворити за допомогою чотирьох сфер, кожна з яких обертається рівномірно навколо своєї осі. Осі всіх сфер перетинаються в одній точці, але мають різні нахили. За цією концепцією дві сфери обертаються із заходу на схід, а дві інші в протилежному напрямку, до того ж періоди обертання сфер приймаються різними. Кожна із сфер, незалежно від її власного обертання, "сприймає" рух інших зовнішніх по відношенню до неї сфер. На екваторі внутрішної четвертої сфери знаходиться точка, яка зображає певну планету. Складний рух точки з урахуванням напрямку обертання всіх чотирьох сфер, періодів їхнього обертання і нахилу осей відтворює видимий рух планет з тими особливостями, про які згадувалось вище. Подальше вдосконалення системи Евдокса запропонував Каліпп, який збільшив число сфер до п'яти для Сонця, Місяця, Меркурія. Венери і Марса. Загалом, в теорії Каліппа нараховувалось 33 сфери для всіх планет. Згодом Аристотель ускладнив ще більше моделі Евдокса і Каліппа. Нагадаємо ще, що з праць Архімеда відомо про запропоновану ще в III ст. до н.е. Арістархом Самосським завершену модель геліоцентричної системи світу, в якій Земля разом з Олімпом і помешканням богів оберталась навколо своєї осі. На жаль, це вчення не було сприйняте позитивно, а перемогло уявлення про геоцентричну будову світу, яким користувались аж до XVI ст. До нас дійшли й інші свідчення про погляди на будову світу та про пояснення особливостей руху планет. Проте, на нашу думку, на цьому більш детально зупинятись не варто. Зауважимо лише, що матеріали цих вчених древності не збереглись у письмовому вигляді. Ми маємо лише свідчення так званих коментаторів їхніх вчень, тому неможливо проаналізувати математичні основи згаданих теорій, результати і точність обчислень для передбачення руху планет.

Трохи теорії

Стародавня наука про теорії руху планет починається для нас від Гіппарха (II ст. до н.е.) і Птолемея (II ст. н.е.). Останній у широковідомому трактаті "Альмагест" подав геоцентричну картину світу і теорії руху планет, а також прокоментував погляди та розрахунки щодо руху світил свого попередника Гіппарха. У короткому нарисі немає змоги зосередити увагу навіть на основних положеннях теорій руху відомих на той час планет, а тому зупинимось лише на викладенні підходу, яким користувались Гіппарх та Птолемей для дослідження руху планет. З цією метою розглянемо один з простих випадків руху в площині - а саме обертання паралелограма навколо однієї з його сторін.

Нехай в паралелограмі TNPO сторони-стержні мають змогу обертатись в площині навколо кожної з вершин завдяки наявності в них шарнірів. Закріпимо на площині сторону ТО паралелограма і повернемо його на 360° проти годинникової стрілки. Неважко збагнути і довести, що вершини N і Р, які лежать на одній із сторін паралелограма, опишуть два кола однакового діаметра з центрами в точках Т і О. При обертанні сторони TN проти годинникової стрілки сторона NP буде обертатись за годинниковою стрілкою. Причому за повний оберт сторони TN відрізок NP зробить теж повний оберт навколо точки N. Отже, точка Р опише коло радіусом NP з центром в точці N. Така сукупність рухів дістала в кінематиці назву пари обертань: одне з них зводиться до переносного обертання відрізка NP разом із NT, а інше є відносним обертанням NP навколо шарніра N. Абсолютний рух NP, тобто його рух відносно нерухомих осей в площині рисунка, зводиться до поступального переміщення. Крім того, в даному випадку поступальний рух є коловим. Розглянута схема руху шарнірного паралелограма надає можливість зрозуміти вчення про теорії руху стародавніх вчених.

Нагадаємо, що коло радіуса TN в "Альмагесті" названо деферентом (основне коло), коло радіуса ОР - ексцентром (ексцентричне коло), а коло радіуса NP - епіциклом. Точка N зображає так знану середню (фіктивну) планету, точка Р - реальну планету, а точка Т збігається з оком спостерігача і разом з тим, за уявленнями древніх, з центром світу. Відмітимо два особливі положення шарнірного паралелограма. В першому з них планета Р збігається з точкою А і знаходиться на найбільшій відстані від Т (паралелограм витягується в одну лінію), в другому положенні планета Р збігається з точкою D і віддалена від ока спостерігача Т на найменшу відстань. За грецькою термінологією ці точки дістали назви апогей і перигей. Якщо позначимо радіус деферента або ексцентра через а, радіус епіцикла - b (приймається, що b < а), r₁ = ТА і r₂ = TD, то

Відношення

одержало назву ексцентриситет ексцентра. Саме від t: залежить відхилення реального нерівномірного руху планет від рівномірного.

Наведена геометрична модель деферентів, ексцентрів і епіциклів та співвідношення (1) і (2) надають можливість вивести всі необхідні формули для розрахунку широти і довготи планети. Такий геометричний, а по своїй суті кінематичний підхід використовувався для створення перш за все теорій руху Сонця і Місяця, а потім вже планет і одержав назву гіпотези простого ексцентриситету. Саме завдяки цій гіпотезі вдалось пояснити та врахувати відмінність швидкостей Сонця і Місяця поблизу апогею і перигею, тобто так звану першу нерівність в рухові планет. З наявністю цієї нерівності пов'язане виникнення таких фундаментальних понять, як середній рух Сонця, тропічний рік й інших. Проте Гіппарху і Птолемею була відома також нерівність руху і зореподібних планет по підношенню до Сонця, яка дістала назву другої нерівності. Задачу про врахування другої нерівності Птолемей вирішив тим же методом деферентів і епіциклів, як і для випадку першої нерівності. Але з метою уточнення теорії руху цих планет ним було здійснене бісектування ексцентриситету. Суть його можна пояснити за допомогою рисунка.

Нехай через Ρ позначена планета, Τ - око спостерігача або центр екліптики, О - центр рівномірного обертання. Тому, як і раніше, ОТ = аг (г - повний ексцентриситет, а - радіус ексцентра). Поділимо ОТ пополам і з'єднаємо планету Ρ із середньою точкою відрізка ОТ, яку позначимо через С. Нехай планета Р рухається по колу радіуса PC, яке є ексцентром, але так, що рівномірно обертається не радіус PC, а пряма РО. До цього і зводиться Птолемеєве бісектування ексцентриситету. За теорією, побудованою на основі такої геометричної моделі, рух планети є нерівномірним, бо точка О обумовлює нерівність руху планети по ексцентру. Отже, поруч з ексцентром і деферентом з'являється ще одне коло рівномірного обертання точки Р' - проекції точки Ρ на коло, яке дістало назву еквант в Альфонсійських таблицях (у Птолемея ця назва відсутня). Порівняно з гіпотезою простого ексцентриситету, яка відповідає врахуванню членів першого порядку, його бісектування уточнює теорії руху до рівня збереження деяких членів другого порядку відносно ексцентриситету.

Необхідно звернути увагу ще на дві обставини, які можна кваліфікувати як визначне досягнення древніх астрономів. Одна з них стосується відліку напрямків кутів при астрономічних спостереженнях. Справа в тому, що положення світил проектуються на небесну сферу, радіус якої, за уявленням древніх, вважався безмежно великим в порівнянні з відстаннями до Сонця, Місяця і планет. Отже, два паралельні напрямки ΝΡ - радіус епіцикла і ТА - лінія абсид (див. рис. на с 206) практично "збігаються" в одній точці небесної сфери. Положення цієї точки серед "нерухомих" зір наперед невідоме, тому неможливо проводити відлік кутів від неї. Гіппарх прийняв за початок відліку кутів точку весняного рівнодення, положення якої визначалось з певною точністю по рівності тривалості дня і ночі весною. Інша обставина свідчить про факт відкриття ще Гіппархом поступального руху рівнодення вздовж екліптики, або так званої прецесії, яка становить лише біля 50" за рік. Останнє підтверджує досить високий рівень по точності теорій руху планет стародавніх вчених бо на гой час точність спостережень не перевищувала 10'.

Загалом, теорії руху планет Птолемея, подані в "Альмагесті". є унікальним досягненням. Точність обчислених положень окремих планет сягає 2' на інтервалі в декілька десятиріч. Крім того, уже в постньютонівський період з'ясувалось, що три із чотирьох визначуваних Птолемеєм елементів орбіти, а саме ексцентриситет в, довгота перигею π і середня довгота, по своїй суті є геліоцентричними. Лише радіус епіцикла 6 має геоцентричну суть. Залишається нерозгаданою одна з найбільших таємниць в історії астрономічної науки: як могло статися гак, що стародавні вчені фактично користувались геліоцентричними параметрами руху планет, і чому Птолемей не зміг перейти до геліоцентричної моделі побудови Сонячної системи. Деякі відомі вчені навіть висувають припущення про те, що система Птолемея є переробкою і відлунням ще раніше детально розробленої геліоцентричної моделі про будову планетної системи, але залишеної потім в зв'язку з протиріччям її релігійній схоластиці та догмам верховних жерців.

Геометричний, а по суті кінематичний підхід до створення теорій руху планет зберігався аж до XVI століття і був "похований" видатними досягненнями середньовічних вчених Коперника (1473-1543), Тихо Браге (1546-1601), Галілея (1564 - 1642), Кеплера (1571 - 1630), Ньютона (1643-1727) та інших. Спочатку Коперник намагався уточнити теорії руху Сонця і планет на основі геометричного підходу і замінив паралелограм Птолемея подвійним паралелограмом. Проте він не зміг впоратись з відомими на той час нерівностями в рухові Сонця, Місяця і планет в рамках геоцентричної будови планетної системи, тому відмовився від неї і кінець кінцем дійшов висновку, що Земля обертається навколо Сонця. Потім Тихо Браге на основі спостережень Місяця з небувалою до того часу точністю 0.5' знайшов третю нерівність, суть якої полягає у відхиленні на 40.5' спостереженого положення Місяця від розрахованого за теорією Птолемея-Коперника між сизигіями і квадратурами. Ця нерівність дістала назву варіації Місяця. Надалі Тихо Браге знайшов четверту нерівність - річну нерівність руху Місяця з амплітудою 4.5', згідно з якою довгота Місяця зменшується в період руху Землі від перигелію до афелію її орбіти, а потім збільшується в наступні шість місяців. Із спостережень Тихо Браге випливає також п'ята нерівність - евекція по широті, перша з відкритих в широті Місяця. Аналізуючи теорію Птолемея, Кеплер дійшов висновку, що рух планет відбувається по овальній кривій. Згодом він зрозумів, а потім і довів, що така крива є еліпсом. Ця геометрична крива була відома ще стародавнім математикам. Надалі Кеплер усвідомив, що Сонце розташоване в одному з фокусів сімейства еліпсів, а кожна планета рухається по своєму еліпсові. Це надало змогу сформулювати три знамениті закони Кеплера. Відомий астроном Галілей, сучасник Кеплера, винайшов оптичну трубу-телескоп і відкрив чотири супутники Юпітера та фази Венери. Після цього не лишилося сумніву відносно геліоцентричної будови планетної системи. Нарешті, геніальний Ньютон відкрив закон всесвітнього тяжіння