как доказали что земля вращается вокруг солнца
Кто доказал, что Земля вращается вокруг Солнца?
Непросто жилось учёным прошлого с их прогрессивными взглядами на устройство вселенной. Многие из них пытались уйти от геоцентрической теории к гелиоцентрической. Но кто доказал, что Земля вращается вокруг Солнца первым?
Аристарх Самосский, один из первых учёных, предположивших, что наша планета движется вокруг небесного светила, а не наоборот был Древнегреческий деятель науки Самосский. Он сумел сделать такой вывод, основываясь на следующих предположениях:
Оперируя этими данными, учёный смог определить, что Солнце находится от нашей планеты в 20 раз дальше, чем Земля от Луны. Также был произведён расчёт массы различных небесных тел и, исходя из него, астроном предположил, что большее тело, то есть небесное светило, не может вращаться по орбите вокруг меньшего — Земли. Но такие взгляды не нашли понимания у современников астронома и обвинённый в богохульстве Аристарх был изгнан из Александрии.
Геоцентрическая теория (земля центр, вокруг которой вращаются все космические объекты) просуществовала ещё очень долгое время, в основном это стало возможным благодаря работам таких видных деятелям науки как Архимед, Аристотель и Птолемей. Построение мира Аристотеля-Птолемея на много веков стала единственно верной. Позже другие астрономы находили расхождение в подсчётах и неточности, но связывали их с несовершенством таблицы, пытаясь всячески её усовершенствовать.
Широкое распространение гелиоцентрический порядок, в которой рассказывается о том, что Солнце — центр вселенной, а наша планета и другие небесные тела осуществляют движение вокруг него, смогла получить только в эпоху Возрождения. Теория предполагала, что наша планета делает два вида движения: вокруг своей оси за сутки и полный оборот вокруг светила ровно за год, при этом оно остаётся неподвижным.
Первым, кто доказал, что Земля вращается вокруг Солнца после почти 1,5 тыс. лет процветания геоцентрической теории, стал учёный из Польши, Николай Коперник.
В 1543 году работа Коперника «О вращении небесных тел» произвела настоящую революцию в научном мире. Польский учёный, основываясь на физических расчётах, полученных благодаря теоретической механике, представляет миру работу, в которой описывается процесс смены дня и ночи и движения светила по небосводу. Также учёный смог объяснить и такие феномены как: попятные движения других планет, предварение равноденствия и многое другое.
Впоследствии у польского астронома появилось много последователей, которые иногда и с риском для жизни отстаивали гелиоцентрический порядок, совершенствуя и дополняя его.
Движение Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси
Движение Земли: Freepick
Движение Земли вокруг Солнца непрерывно. Благодаря этому постоянному вращению наблюдаем, как меняются на нашей планете времена года. Облетая вокруг небесного светила, Земля еще успевает совершать движение вокруг оси — так сменяются день и ночь. Почему не ощущаем этого движения и как все это происходит? Попробуем отыскать ответы.
Движение Земли вокруг Солнца
Ученые древности сформулировали идею геоцентричности мира. Считалось, что наша планета — недвижимый центр, а все небесные тела совершают вращение вокруг нее.
Первым мысль о том, что Земля вращается вокруг Солнца, высказал великий астроном Аристарх Самосский в III веке до н. э. Он предложил революционную на тот момент гелиоцентрическую систему мира.
Идею поддержали вавилонянин Селевк (II век до н. э.), Гераклид Понтийский, Сенека. Но все же эти ученые оставались в меньшинстве. Так, Аристотель и Птолемей активно доказывали обратное, а в их работах можно прочесть много аргументов в пользу того, что никакого движения Земли не происходит.
Вопросом продолжили заниматься средневековые авторы. Вновь гипотеза о вращении Земли была сформулирована великим индийским астрономом и математиком Ариабхатой (конец V — начало VI вв.).
Поворотным моментом в этой дискуссии стала публикация фундаментального труда «О вращениях небесных сфер», который написал и издал в 1543 году польский и немецкий астроном Николай Коперник. Ему удалось обосновать гипотезу вращения Земли и добиться того, чтобы гелиоцентрическая система мира была рассмотрена и принята человечеством.
Понадобилось еще много экспериментов для подтверждения выводов ученого. Много было скептиков и противников этой идеи.
Только когда Галилей вывел принцип относительности движения, споры начали утихать. Он установил, что равномерное движение Земли не сказывается на процессах, которые на ней протекают. Ученый объяснил, почему мы, жители планеты, ничего не ощущаем во время ее постоянного движения.
Земля в Космосе: Freepick
Для современного человека то, что Земля вращается вокруг Солнца, не сенсация. Исследователи установили такие подробности этого процесса:
Когда наша планета совершает это вращение, то ее угол наклона остается неизменным. По этой причине на определенном отрезке траектории Земля больше поворачивается к светилу нижней частью, в Южном полушарии наступает летний сезон.
В это же время на Северный полюс солнечные лучи попадают в гораздо меньшей степени — там наступает период зимних холодов. Есть и периоды, когда Солнце более-менее равномерно бросает лучи на оба полушария. Происходит это весной и осенью.
Итак, разобрались, с какой скоростью движется Земля вокруг Солнца, и в том, что такое орбита Земли. Но на этом особенности движения Земли не заканчиваются.
Движение Земли вокруг своей оси
Если между Северным и Южным полюсами нашей планеты провести воображаемую линию, то получится так называемая земная ось. Вокруг нее постоянно происходит вращение, о котором известно:
Последний факт мало известен, но вызывает интерес. Наглядно его можно продемонстрировать так:
Земля и Солнце в Космосе: Freepick
Этого вращательного движения люди не ощущают, так как оно осуществляется постоянно и равномерно. При этом еще и меняется. Ученые установили, что каждый год происходит замедление вращения в среднем на четыре миллисекунды.
Объясняют это явление притяжением Луны, которое оказывает воздействие на протекание приливов и отливов на планете. Когда они происходят, Луна старается притянуть к себе воду и двигает ее в направлении, которое противоположно ходу Земли.
Это своеобразное противодействие провоцирует возникновение незначительной силы трения на дне водоемов. По законам физики данный процесс приводит к небольшому замедлению скорости движения Земли.
Крайние точки в процессе вращения нашей планеты — это такие даты:
Почему же Земля не улетает в космические просторы и не падает на Солнце, если она постоянно находится в движении? Действительно, во время ее вращения происходит выработка центробежной силы, которая направлена на то, чтобы отбросить планету от Солнца.
Но это не происходит, потому что движение Земли всегда имеет одинаковую скорость, а безопасное расстояние до светила соотносится с центробежной силой.
Если бы Солнце не притягивало Землю, она бы отправилась «путешествовать» по Галактике. Наша планета упала бы на свою звезду, если бы скорость вращения на орбите была медленнее. Благодаря идеальному природному балансу всех этих сил и скоростей ни того, ни другого не происходит.
Движение Земли вокруг Солнца подчиняется целому ряду законов, которые человечество разгадывало в течение веков. Люди долго пытались найти иные объяснения смене дня и ночи и времен года. Но теперь точно установлено, что наша планета вращается, а мы движемся вместе с ней.
Уникальная подборка новостей от нашего шеф-редактора
Как древние греки опередили Коперника
Но когда оказалось, что он ровно ничего не знает ни о теории Коперника, ни о строении солнечной системы, я просто опешил от изумления.
Артур Конан Дойл, «Этюд в багровых тонах»
Больше двух тысячелетий назад, в Древней Греции, астроном Аристарх Самосский пришёл к выводу, что Земля вращается вокруг Солнца. Постойте, постойте! Это же сделал Николай Коперник! И не два тысячелетия, а «всего» 500 лет назад. Это ведь он доказал, что все планеты вращаются вокруг Солнца. Или нет? Да, конечно, Коперник. Он установил это, опираясь на множество расчётов и наблюдений, на которые потратил 40 лет. Но первая гелиоцентрическая модель Солнечной системы была построена не им, а Аристархом, на 1800 лет раньше! Коперник знал о ней и строго подтвердил и обосновал эту модель.
Аристарху удалось невероятное — пользуясь элементарной геометрией, лишь наблюдая за небом, он придумал способ вычислить размеры Луны и Солнца и расстояния до них. И написал об этом книгу «О величинах и расстояниях Солнца и Луны». А разве так можно? Ведь Луна и Солнце очень далеко. Как узнать их размеры без современных приборов, без применения законов физики? Оказывается, можно, причём совсем простым рассуждением, доступным школьнику. Сейчас мы сами это проделаем. Найдём размеры Солнца и Луны, а потом вместе с Аристархом придём к выводу о том, что именно Земля должна вращаться вокруг Солнца, а не наоборот. Но Аристарху тогда никто не поверил. Почему? В этом мы тоже разберёмся. Но прежде чем измерять другие планеты и звёзды, надо измерить Землю.
Измеряем Землю
Кто первый высказал идею о шарообразности Земли, неизвестно. Возможно — Пифагор и его ученики, считавшие шар совершеннейшей из фигур. Полтора века спустя Аристотель приводит несколько доказательств шарообразности Земли. Главное из них: во время лунного затмения на поверхности Луны отчётливо видна тень от Земли, и эта тень круглая!
Эратосфен был крупнейшим учёным-энциклопедистом, занимался не только математикой, но и географией, картографией и астрономией. Он долгое время возглавлял Александрийскую библиотеку в Египте — главный научный центр того времени. Работая над составлением первого атласа Земли (конечно, не всей Земли, а известной к тому времени её части), он задумал провести точное измерение земного шара. Ведь чтобы составить карту, надо знать расстояния!
Идея была такова. К югу от Александрии, в городе Сиена (современный Асуан) один день в году, ровно в полдень, Солнце достигает зенита — высшей точки на небе. Исчезает тень от вертикального шеста, на несколько минут освещается дно колодца. Происходит это в день летнего солнцестояния, 22 июня — день наивысшего положения Солнца на небе. Эратосфен направляет своих помощников 2 в Сиену, и те устанавливают, что ровно в полдень (по солнечным часам) Солнце находится точно в зените. Одновременно (как написано в первоисточнике: «в тот же час») Эратосфен измеряет длину тени от вертикального шеста в Александрии. Получился треугольник, который на схематичном рисунке 2, а мы обозначили КАВ и перерисовали крупнее на рисунке 2, б. В Сиене солнечный луч перпендикулярен поверхности Земли, значит, если его продолжить, пройдёт через центр Земли. Параллельный ему луч в Александрии составляет угол с вертикалью, который мы обозначим буквой α. Такой же угол образуют радиусы Земли ZA и ZS, идущие из центра Земли в Александрию и Сиену. Семиклассники знают, почему — потому что накрест лежащие углы при параллельных прямых равны. А младшие пусть поверят нам на слово.
Теперь нарисуем круг радиусом 1 с центром на конце шеста — в точке K (рис. 2, в). Измерим длину дуги внутри угла α, обозначим её буквой d. На рисунке она выделена красным, а круговой сектор (то есть «долька» круга) — синим. Ему соответствует гигантский круговой сектор между радиусами Земли ZA и ZS, и он подобен синей «дольке», потому что имеет тот же угол α. Значит, дуга AS во столько раз больше дуги d, во сколько раз радиус Земли R = ZA больше радиуса маленького круга, равного 1. Итак, AS : d = R : 1. Длину d мы знаем (измерили). Как найти длину дуги AS? Это длина пути из Александрии в Сиену, около 800 км. Её Эратосфен аккуратно вычисляет, исходя из среднего времени движения верблюжьих караванов между двумя городами, а также используя данные бематистов — людей особой профессии, измерявших расстояния шагами. Поделив 800 км на длину дуги d, находим радиус Земли — примерно 6400 км. А длина окружности Земли равна 2πR = 40 000 км. Удивительно, что получилось столь круглое число! Разгадка проста: сама единица длины в 1 метр и была введена (во Франции в конце XVIII века), как одна сорокамиллионная часть окружности Земли (по определению!).
Эратосфен, конечно, использовал другую единицу измерения — стадий (около 200 м). Стадиев было несколько: египетский, греческий, вавилонский, и каким из них пользовался Эратосфен — неизвестно. Поэтому трудно судить наверняка о точности его измерения. Кроме того, неизбежная ошибка возникала в силу географического положения двух городов. Если города находятся на одном меридиане, то полдень в них наступает одновременно. Поэтому, сделав измерения во время наивысшего положения Солнца в каждом городе, мы получим правильный результат. Но на самом деле Александрия и Сиена — не на одном меридиане. Мы можем легко в этом убедиться, взглянув на карту, но у Эратосфена карты не было (ведь он как раз и составлял первую карту). Поэтому его метод (абсолютно верный!), скорее всего, дал неточный результат. Тем не менее, многие исследователи уверены, что точность измерения Эратосфена была высока и что он ошибался менее чем на 2%. Более точное значение было получено только через 2 тысячи лет, в середине XIX века. Над этим трудилась группа учёных во Франции и экспедиция В. Я. Струве в России. Даже в эпоху великих географических открытий, в XVI веке, люди не смогли достичь результата Эратосфена и пользовались неверным значением длины земной окружности. Ни Колумб, ни Магеллан не знали, каковы истинные размеры Земли и какие расстояния им придётся преодолевать. Они-то считали, что длина экватора гораздо меньше, чем на самом деле. Знали бы — может и не поплыли бы.
В чём причина высокой точности метода Эратосфена? До него измерения были локальными, на расстояниях, обозримых человеческим глазом, то есть не более 100 км. При этом неизбежны ошибки из-за рельефа местности, атмосферных явлений и т.д. Для большей точности нужно проводить измерения на очень больших расстояниях. Восьмисот километров между Александрией и Сиеной оказалось достаточно.
Опыт Эратосфена можно проделать и в наших широтах, где Солнце не бывает в зените. Правда, для этого нужны две точки обязательно на одном меридиане. Если же повторить опыт Эратосфена для Александрии и Сиены, сделав измерения в этих городах одновременно (сейчас это легко, можно послать SMS), мы получим верный ответ. И будет неважно, находятся ли города на одном меридиане (почему?).
Измеряем Луну и Солнце
Оказывается, измерить «подручными средствами» Луну и Солнце даже проще, чем Землю. Для этого не нужно уходить за 800 км, а можно всё сделать, не сходя с места. Мы повторим рассуждения Аристарха, попутно чуть поправив и упростив их.
Наши измерения будут состоять из трёх простых шагов. Сначала понаблюдаем за Луной.
Шаг 1. Во сколько раз Солнце дальше, чем Луна?
Почему иногда видна полная Луна, а иногда месяц? Потому что Луна светит отражённым солнечным светом. Если взять шар и посветить на него с одной стороны, то в любом положении освещённой окажется ровно половина шара. Так же и Солнце всегда освещает ровно половину поверхности Луны. Видимая форма Луны зависит от того, как повёрнута к нам эта освещённая половина. В новолуние, когда Луна вовсе не видна на небе, Солнце освещает её обратную сторону. Затем освещённая половина постепенно поворачивается в сторону Земли. Мы начинаем видеть тонкий серп, затем — месяц («растущая Луна»), далее — полукруг (эта фаза Луны называется «квадратурой»). Затем день ото дня (вернее, ночь от ночи) полукруг дорастает до полной Луны. Потом начинается обратный процесс: освещённая полусфера от нас отворачивается. Луна «стареет», постепенно превращаясь в месяц, повёрнутый к нам левой стороной, подобно букве «C», и, наконец, в ночь новолуния исчезает. Период от одного новолуния до другого длится примерно четыре недели. За это время Луна совершает полный оборот вокруг Земли. От новолуния до половины Луны проходит четверть периода, отсюда и название «квадратура».
Замечательная догадка Аристарха была в том, что, когда Луна в квадратуре, солнечные лучи, освещающие половину Луны, перпендикулярны прямой, соединяющей Луну с Землёй, то есть треугольник ZLS, соединяющий Землю, Луну и Солнце, — прямоугольный (рис. 3). Для простоты мы считаем, что наблюдатель находится в центре Земли. Это несильно повлияет на результат, так как расстояние от Земли до Луны и до Солнца значительно больше размеров Земли.
Рис. 3. Луна в квадратуре (схема)
Измерим угол β между лучами ZL и ZS во время квадратуры. Для этого надо одновременно видеть на небе Солнце и Луну: такое возможно, например, ранним утром. Затем нарисуем на большом листе другой прямоугольный треугольник с тем же углом β. Эти треугольники подобны. Измерив линейкой треугольник на листе, мы узнаем, что его гипотенуза в 400 раз больше катета. Значит, и в гигантском треугольнике ZLS гипотенуза ZS во столько же раз больше катета ZL. Таким образом, ZS = 400 ZL, значит Солнце в 400 раз дальше от Земли, чем Луна.
Аристарх получил отношение 20, а не 400, в первую очередь из-за того, что точно установить момент наступления квадратуры по внешнему виду Луны крайне трудно. И всё же наблюдение Аристарха впечатляет. Если бы, как тогда многие считали, Солнце и Луна были примерно на одном расстоянии от Земли, то в момент, когда Луна освещена наполовину, они находились бы недалеко друг от друга на небе, что совсем не так. Убедитесь в этом сами, посмотрев во время квадратуры днём на небо: положение Луны относительно Солнца позволит вам хоть немного лучше ощутить эти огромные масштабы.
Художник Мария Усеинова
1 Конечно, для этого надо обладать очень острым зрением и делать наблюдения в благоприятных условиях. Но в наше время, с помощью оптики с большим увеличением, это сделать легко. Видео «проседающего» на горизонте корабля есть в Интернете.
2 По легенде, одним из них был Архимед, друживший с Эратосфеном.
Как вращается Земля
Общеизвестно, что Земля вращается вокруг Солнца, однако не каждый знает, как и почему наша планета это делает. И даже ученые до сих пор не могут точно ответить на вопрос, что побуждает небесные тела вращаться вокруг центра Солнечной системы.
Земля или Солнце: что вращается?
Много лет назад считалось, что Земля является неподвижной, а вращаются вокруг нее Солнце и все другие местные планеты. Доказать обратное удалось только в XVI в. Многие ошибочно связывают этот научный прорыв с именем Галилео Галилея, ведь это он произнес знаменитые слова «И все-таки она вертится!».
Однако открытие принадлежит Николаю Копернику — в своем трактате «Об обращении небесных сфер», увидевшем свет в 1543 г., он выдвигал теорию о движении планет вокруг Солнца, а не всех небесных тел вокруг Земли.
Эта идея долгое время не была признана в европейских научных кругах и тем более ее не поддержала церковь. Однако это была мини-революция, оказавшая влияние на дальнейшее развитие астрономии.
Сначала теория о вращении планет вокруг центра Солнечной системы была окончательно доказана, затем астрономы начали выяснять причины такого явления.
В последние столетия выдвигалось множество гипотез, однако точно ответить сегодня на вопрос, почему Земля крутится вокруг Солнца, не может ни один исследователь.
Хотя несколько версий имеется:
Закон Ньютона утверждает, что все тела, в т. ч. и космические, передвигаются по прямой линии. Это значит, что околосолнечные планеты, включая нашу, давно должны были улететь в открытое космическое пространство, однако до сих пор этого не произошло. Все же Солнце имеет большую массу, вызывающую соответствующую силу притяжения.
Во время своего движения Земля все время пытается отклониться от эллиптической траектории и начать движение по прямой линии, однако солнечная гравитация притягивает планету обратно, поэтому мы удерживаемся на орбите и кружимся вокруг нашего светила.
Вращение Земли вокруг Солнца
Вокруг центральной точки Солнечной системы Земля крутится по орбите, форму которой можно описать, как «сглаженный, близкий к правильному кругу эллипс». Эта форма немного изменяется год от года, полный цикл изменений составляет почти 100 тыс. лет.
Планета несется в пространстве, преодолевая примерно 107 тыс. км в час. Ее движение, если смотреть на Землю «условно сверху», так, чтобы взгляд наблюдателя падал на наш северный полюс, осуществляется против часовой стрелки.
Наклон оси вращения Земли
Под земной осью понимают условную прямую, проходящую через оба географических полюса нашей планеты и ее центр. Вокруг этой линии Земля совершает свое суточное вращение.
По отношению к плоскости, в которой мы движемся вокруг Солнца, эта линия расположена не перпендикулярно, а под углом 66°33´. Это объясняет изменения у нас времен года, ведь из-за наклона каждая точка на поверхности земного шара в разные периоды времени получает различное количество солнечного тепла и света.
Никакие внешние факторы (воздействие Солнца, лунное притяжение и т. д.) не влияют на угол этого наклона, однако вызывают прецессию — перемещение нашей планеты по траектории в виде кругового конуса. Сейчас Северный полюс Земли «смотрит» на Полярную звезду, самую яркую в созвездии Малой Медведицы.
Примерно через 12 тысячелетий он будет направлен на звезду Вега в противоположной части небосвода, а еще через такой же период времени — снова на звезду-альфа Ursa Minor.
Вращение Земли вокруг своей оси
Суточное вращение наша планета совершает против часовой стрелки, если смотреть на нее сверху с условного северного полюса мира, совпадающего по ориентации с земным Северным полюсом. Выполняя 1 полный оборот за 23 часа 56 минут и немногим более 4 секунд, Земля тем самым определяет продолжительность местных суток. Кроме того, такое вращение объясняет смену дня и ночи.
За то время, когда мы совершим один полный виток вокруг центра Солнечной системы, планета успевает сделать примерно 365,25 осевых оборотов — это продолжительность местного годового периода.
Исчисление дней с сотыми долями целого числа не удобно, потому учеными в конце XVI в. было предложено каждые 4 года добавлять в календарь 1 дополнительный день.
Каждое столетие земные сутки удлиняются примерно на 1 мс (миллисекунду) из-за постепенного замедления вращения планеты под воздействием лунной гравитации. Однако пока такая малая погрешность не вызывает проблем и влияет лишь на работу суперточных систем и механизмов.
Ранее Земля также меняла темп своего вращения — об этом свидетельствуют геологические исследования ее поверхности, однако всегда это происходило на величину не более +/-5% от начального значения.
Теория об инертном вращении
Существует гипотеза, что когда Земля только появилась и находилась в активной фазе своего формирования, она хорошо («с запасом») раскрутилась, а теперь вращается исключительно по инерции. Такая теория применима и к другим объектам Солнечной системы. Однако у нее имеется и немало противников, ведь объяснить колебания скорости движения нашей планеты эта гипотеза не может.
Теория о магнитных полях
Из курса физики понятно: при попытке соединить два магнита между собой одинаково заряженными полюсами их естественной реакцией станет стремление оттолкнуться друг от друга. На этом факте построена теория о магнитных полях, гласящая, что раз земные полюса имеют одинаковый заряд, они стремятся в разные стороны и тем самым заставляют Землю вращаться.
Не так давно также было высказано еще одно научное предположение: земная магнитосфера толкает внутреннее ядро в направлении с запада на восток, и это заставляет его двигаться вокруг своей оси быстрее, чем остальные участки тела.
Воздействует ли на вращение нашей планеты Солнце?
Теория о влиянии на околосолнечное вращение нашей планеты самого Солнца — наиболее вероятная на сегодня. О прогревании солнечным излучением поверхностных оболочек Земли (атмосферы, гидросферы, верхних слоев литосферы) ученые знают давно. Открытие последних лет — нагрев этот неравномерный, вызывающий воздушные и морские течения.
При взаимодействии с твердой земной корой эти течения заставляют планету вращаться, а своеобразными турбинами, которые определяют направление и скорость движения, являются континенты.
Некоторые из земных материков недостаточно монолитные, и это вызывает их дрейф, что, в свою очередь, влияет на снижение или увеличение скорости вращения.