Удивительный мир, в котором мы живем: захватывающие путешествия по астрономии, физике и истории

Рис. 1.1. Эволюция человека: 1 – обезьяна; 2 – Homo habilis, человек умелый; 3 – Homo erectrus, человек прямоходящий; 4 – Homo neanderthalensis, неандерталец; 5 – Homo sapiens, человек разумный; 6 – Homo sapiens sapiens, человек разумный современный

Рис. 1.2. Неандерталец и хомо сапиенс – человек разумный

Рис. 1.3. Вероятно, так неандертальцы воспринимали окружающий мир

Рис. 1.4. Небесная сфера – основное понятие в астрономии. Небесная сфера вместе со звездами, Солнцем и Луной вращается вокруг наблюдателя, глаз которого является центром небесной сферы

Можно предположить, что в один из тихих теплых вечеров он, атлет-неандерталец, похожий на Жерара Депардье, и она, красавица-сапиенс, подобная Орнелле Мути, сидели рядом и любовались прекрасным звездным небом. Неандерталец не мог говорить, но бархатным музыкальным тембром голоса смог донести до любимой свое восприятие звездного мира. Позже вернулся ревнивый хитроумный сапиенс, вылитый Луи де Фюнес, и неандерталец Депардье исчез…

Рис. 1.5. Атлет-неандерталец и красавица-сапиенс

После того теплого вечера все современные люди получили от 1 до 4 % генов неандертальцев, а астрономия получила свои основные положения.

Так и живем с генами неандертальцев и с основными понятиями астрономии…

Если кому покажется эта история глупой выдумкой, прочтите внимательно основные определения астрономии ниже и подумайте. Вы наверняка убедитесь, что если не точно такая, то подобная история действительно произошла в прошлом.

1.2. Применение методов мнемотехники для ускорения понимания и запоминания информации

Как стать властелином и повелителем информации и хозяином мира

Следует отметить одну особенность приведенной истории неандертальца и красавицы-сапиенс. Чтобы вам было легче воспринимать научные факты и теории, эта книга написана с использованием методов мнемотехники, которые ускоряют усвоение больших объемов информации.

Один только метод визуализации ускоряет восприятие информации в разы (до 60 000 раз!) по сравнению с текстами, и вы видите большое количество иллюстраций разного типа в этой книге.

Другой метод – это разбиение информации на блоки и составление логических цепочек из блоков (чанкинг и метод цепочек). Текст книги разделен на главы, разделы и подразделы с содержательными заголовками, что позволяет легко ориентироваться в тексте и воспринимать его. Вспомните, как трудно запомнить набор цифр, например, 4029647890053, а после разбиения на блоки это же число 402-964-789-00-53 запомнить легче. При работе с большими текстами этот эффект усиливается многократно. Читать один сплошной текст, тем более если это сухая научная информация, – совершенно непродуктивно. Совсем другой результат, если вы читаете текст, разбитый на блоки, системно выстроенные в логические цепочки и иерархические структуры на основе причинно-следственных связей. Это применяется в этой книге, и ее текст легко читать и запоминать, в результате, перед вами открываются новые возможности обрабатывать и усваивать большие объемы информации.

Также в книге используется эффективный метод ассоциаций. Реальные или сочиненные истории с сильными образами, сопровождающие текст, значительно облегчают, ускоряют и даже делают приятной работу с большими массивами данных.

Вы можете прочесть книгу легко и с удовольствием, даже не обратив внимания на то, что при чтении вам везде помогала мнемотехника и системный подход, которые применялись при изложении содержания.

Рассмотрим, как используются методы мнемотехники, и основное внимание уделим одному из самых эффективных из них – методу ассоциаций.

Увлекательные истории, реальные или выдуманные, оживляют описание физических явлений и изложение научных данных. Наиболее эффективны ассоциации, когда сильные и яркие персонажи участвуют, с одной стороны, в нелепых, абсурдных, экстравагантных и смешных, выдуманных историях, а с другой стороны, эти истории имеют какую-то логическую привязку к рассматриваемой информации. Например, что где-то, как-то и пусть даже при фантастических обстоятельствах история действительно произошла. Но если нет связей или их мало, не стесняйтесь и придумайте их.

Так, история с атлетом-неандертальцем и красавицей-сапиенс была использована не для критики астрономии, а, совсем наоборот, для облегчения понимания и запоминания довольно трудных и скучных основных положений астрономии. Картинки, приведенные в разделе, и яркие образы великих актеров Жерара Депардье, Орнеллы Мути и Луи де Фюнеса позволяют оживить восприятие занудных научных формулировок, и вы сможете быстрее их понять и запомнить.

Кроме трудности формулировок, также есть затруднения в понимании их смысла. Практически любой человек уверен, что современная астрономия знает почти все о Вселенной. И когда он читает, что небесные светила вращаются вокруг глаза наблюдателя по небесной сфере с центром в этом самом глазу и что ОСЬ МИРА проходит тоже через этот самый глаз (!), у обычного человека может начаться паника. «Что это, астрономия для сумасшедшего дома? Или я что-то не понимаю? Или кто-то решил надо мной пошутить? Или я заболел тяжелой болезнью? Или…» – лихорадочно крутится у него в голове, и может что-нибудь нехорошее случиться с человеком.

Данный раздел книги построен так, что читатель будет подготовлен и с улыбкой знатока приступит к чтению основных определений астрономии.

А теперь еще раз взгляните на историю атлета-неандертальца Депардье и красавицы-сапиенс Орнеллы Мути. С одной стороны, она нелепа, а с другой – когда вы будете читать определения астрономии в этом разделе, разве у вас не появится ощущение, что именно так все и было? Проверьте прямо сейчас! :-)

Прочитав этот раздел, вы запомните обычно скучную информацию об основных понятиях астрономии на долгие годы. Если вы поймете, как действуют истории с яркими образами, вы сами для любой информации сможете представлять истории и мини-спектакли, и вам будет легче читать и запоминать, а при встрече особенно занудных и трудных мест будете только посмеиваться, представляя образы ваших героев.

Используйте описанные методы мнемотехники в своей жизни, и вы почувствуете себя хозяином этого мира. Вы сможете достигать успеха в различных сферах жизни. Кто владеет информацией и может ей пользоваться – тот владеет миром! Успехов вам!

Теперь, с улыбкой на лице и яркими образами в голове, можно перейти к астрономии, не забывая историю с атлетом-неандертальцем и красавицей-сапиенс.

1.3. Основные понятия астрономии

Древние люди не могли посмотреть на Землю со стороны, даже на рисунках и фотографиях, которых в то время не было. Они наблюдали Солнце и звезды, сидя на Земле. Астрономы тоже, как неандертальцы и хомо хабилис, сидели и сидят на Земле и применяли и применяют понятия, которые использовали их далекие предки. Поэтому для астрономов с древних времен не Земля движется вокруг Солнца, а Солнце и звезды вращаются вокруг Земли, а точнее, вокруг глаза наблюдателя-астронома. И исходя из того, что наблюдатель-астроном – это центр мироздания и пуп Вселенной, используются многие понятия, которые являются базовыми в астрономии.

Если же вас будут утомлять научные формулировки, можете бегло просмотреть этот материал для представления, о чем он, и потом при необходимости вернуться к интересующим определениям.

Небесная сфера – это воображаемая сфера произвольного радиуса, на которую проецируются небесные тела. Служит для решения различных астрометрических задач. Произвольного радиуса, потому что на небесной сфере используются только угловые координаты небесных светил и основных точек и линий, применяемых в астрономии.

За центр небесной сферы принимают глаз наблюдателя, при этом наблюдатель может находиться как на поверхности Земли, так и в других точках пространства, например, он может быть отнесен к центру Земли. Глаз наблюдателя остается неподвижным, а небесная сфера со всеми звездами, Солнцем и другими космическими объектами вращается вокруг наблюдателя. А как же иначе? Глаз наблюдателя – это центр небесной сферы, и весь мир крутится вокруг наблюдателя! И небесная сфера вращается вокруг оси мира (см. ниже), которая проходит через глаз наблюдателя параллельно оси Земли. Почувствуйте разницу – ось Земли и ось мира!

Для наземного наблюдателя вращение небесной сферы воспроизводит суточное движение светил на небе.

Долгое время люди считали, что Земля – это плоский диск, а все небесные тела движутся вокруг него по небесному куполу. Времена невежества давно прошли, а с началом полетов в космос мало у кого остались сомнения, что Земля имеет сферическую форму. Астрономы же старались изо всех сил удержать понятие купола для небес, и, так как уже невозможно стало применять модель Земли в виде плоского диска, они трансформировали небесный купол в небесную сферу.

Вы можете возразить, что современные астрономы – хомо сапиенс, а не неандертальцы, и они знают, как устроена Вселенная. Да, конечно, знают, хотя некоторые наши современники продолжают верить, что Земля плоская, а отчеты о полетах в космос – обман. Астрономы до сих пор используют модель, где все небесные светила вращаются вокруг глаза наблюдателя, возможно, потому, что это просто удобно и до сего времени никто не смог предложить им что-то лучше. Небесная сфера – это как фундамент здания астрономии, которое строилось даже не века, а тысячелетия. Фундамент же лучше не трогать, иначе все здание может разрушиться.

Ось мира – это прямая линия, проведенная через центр небесной сферы (который есть не что иное, как глаз наблюдателя!) параллельно оси вращения Земли. Вокруг оси мира происходит видимое вращение небесной сферы. Точки пересечения оси мира с небесной сферой называются полюсами мира (см. ниже).

Если глаз наблюдателя поместить в центр Земли, то ось мира совпадает с осью вращения Земли и проходит через два полюса мира. Такая небесная сфера с центром в центре Земли называется геоцентрической и часто используется в астрономии.

Полюсы мира – это точки пересечения оси мира с небесной сферой. В точке пересечения оси мира и небесной сферы в Северном полушарии находится Северный полюс мира; в непосредственной близости от этой точки (отклонение составляет менее одного градуса) находится альфа, то есть самая яркая звезда созвездия, Малой Медведицы, которая называется Полярной звездой. Противоположная точка пересечения оси и сферы называется Южным полюсом мира. У Южного полюса мира рядом нет звезды, как в Северном полушарии, поэтому его находят с помощью созвездия Южный Крест.

Часто полюсы мира определяют как точки пересечения оси вращения Земли с небесной сферой. Вы можете возразить: ось мира и ось Земли в общем случае не совпадают – так где же находятся полюсы мира? Давайте посчитаем. Наблюдатель может отдалиться от оси Земли максимум на радиус Земли, когда приедет на экватор. Радиус планеты на экваторе равен 6 378 километрам, а до Полярной звезды 447 световых лет. Скорость света 300 000 километров в секунду, и в году 31 557 600 секунд, отсюда расстояние до Полярной звезды – 9,47·1012 километров. Таким образом, радиус Земли меньше расстояния до Полярной звезды более чем в 1,5·109 раз, или меньше чем в триллион раз! Возражать в данном случае – это как предъявлять претензии часовщику, что он установил ось маятника на часах на миллиардную долю микрона в сторону от положенного места. Поэтому убедились – оба определения об одном и том же, и двигаемся дальше!

Рис.1.7.1. Точки, линии, плоскости небесной сферы

Рис.1.7.2. Точки, линии, плоскости небесной сферы

Эклиптика – это круг, по которому плоскость орбиты Земли пересекает небесную сферу. Плоскость, в которой лежит эклиптика, называется плоскостью эклиптики, и она совпадает с плоскостью орбиты Земли.

Небесный экватор – это круг, принадлежащий небесной сфере и получаемый в результате пересечения небесной сферы плоскостью земного экватора. Небесный экватор делит небесную сферу на два полушария: Северное, с вершиной в Северном полюсе мира, и Южное, с вершиной в Южном полюсе мира.

Вертикаль наблюдателя – это прямая, проходящая через центр небесной сферы, то есть через глаз наблюдателя, и совпадающая с направлением нити отвеса в точке наблюдателя. Нить отвеса всегда направлена к центру Земли, поэтому вертикаль наблюдателя – это прямая, проходящая через глаз наблюдателя и центр Земли.

Зенит – это точка пересечения вертикали наблюдателя с небесной сферой, расположенная над головой наблюдателя. Надо запомнить, что зенит – это прямо над головой. И это имеют в виду, когда говорят и пишут, что «солнце стояло в зените». Если у вас Солнце в зените, то оно находится прямо по вертикали над вашей головой, и, следовательно, вы не отбрасываете тени. В каком месте на Земле Солнце в полдень находится действительно в зените, читайте в главе 5.

Надир – это точка пересечения вертикали наблюдателя с небесной сферой, противоположная зениту.

Или еще проще: зенит – это точка небесной сферы прямо над головой наблюдателя, а надир – точка небесной сферы прямо под ногами наблюдателя.

Истинный, или математический, горизонт – это большой круг на небесной сфере, плоскость которого перпендикулярна вертикали наблюдателя и проходит через центр небесной сферы – глаз наблюдателя. Истинный горизонт делит небесную сферу на две части: надгоризонтную полусферу, в которой расположен зенит, и подгоризонтную полусферу, в которой расположен надир.

Небесный меридиан, или меридиан наблюдателя, – это большой круг на небесной сфере, проходящий через полюсы мира, зенит и надир. Он совпадает с плоскостью земного меридиана наблюдателя и делит небесную сферу на восточную и западную полусферы.

Кульминация – это прохождение светила через небесный меридиан в процессе его суточного движения. В течение суток все светила дважды пересекают небесный меридиан. Различают верхнюю и нижнюю кульминацию светила. В верхней кульминации высота светила наибольшая, а в нижней – наименьшая. Для незаходящих светил обе кульминации происходят над горизонтом. Для восходящих и заходящих светил верхняя кульминация происходит над горизонтом, а нижняя – под горизонтом. У невосходящих светил обе кульминации происходят под горизонтом и недоступны для наблюдения.

Система небесных координат используется в астрономии для описания положения светил на небе или точек на воображаемой небесной сфере. Координаты светил или точек задаются двумя угловыми величинами, однозначно определяющими положение объектов на небесной сфере. Таким образом, система небесных координат является сферической системой координат, в которой третья координата – расстояние – часто неизвестна и не играет роли.

Системы небесных координат отличаются друг от друга выбором основной плоскости, называемой фундаментальной, и началом отсчета. В зависимости от задачи может быть более удобным использовать ту или иную систему. Чаще всего используются горизонтальная и экваториальная системы координат. Реже – эклиптическая, галактическая и другие, на основе соответствующих фундаментальных плоскостей.

Основное предназначение небесной сферы и ее плоскостей, линий и точек – определение для всех небесных объектов небесных координат относительно выбранной фундаментальной плоскости, а также описание движения всех небесных тел, включая вращение Земли вокруг своей оси, движение Земли и других планет вокруг Солнца, вращение Луны вокруг Земли, движение звезд на небесной сфере и другие космические процессы.

В астрономии используется очень большой набор понятий и терминов, и многие из них основываются на принципах и определениях, описанных выше. Это надо иметь в виду при более детальном ознакомлении с астрономией.

Глава 2. Открывая тайны звездного неба

2.1. Звездное небо и ориентирование по сторонам света в Северном и Южном полушариях

От расположения звезд на небе зависит вся жизнь на Земле, и древние люди внимательно следили за небесными светилами. А мы, люди XXI века, как часто смотрим на бесконечное небо с миллиардами сверкающих звезд? Знаем ли мы основные созвездия, можем ли мы ориентироваться по звездам ночью и по солнцу днем? Люди умели это с древних времен, и не стоит пользователям интернета забывать о базовых знаниях человечества. Каждый должен уметь ориентироваться по небу и понимать, как и почему движутся небесные светила.

Упомянутый в предисловии и первой главе метод ассоциаций для запоминания больших объемов информации применялся уже в глубокой древности. Чтобы лучше понимать, как движутся звезды на небосводе, и ориентироваться по ним, древние люди стали выделять группы звезд – созвездия, которые можно было связать в отдельные фигуры, похожие на предметы, мифологических персонажей и животных. Такая система позволила людям организовать ночное небо, сделав каждый его участок легко узнаваемым. Это помогло измерять время, применять астрономические знания в сельском хозяйстве и ориентироваться по звездам.

В Северном полушарии для ориентирования и определения северного направления и, соответственно, четырех сторон света используется Полярная звезда. Эта звезда находится в точке пересечения земной оси с небосводом, или, как астрономы говорят, небесной сферой. За сутки Земля делает полный оборот вокруг своей оси и, соответственно, все звезды небесной сферы Северного полушария для наблюдателя на Земле делают полный оборот вокруг Полярной звезды. И где бы ни находился наблюдатель в Северном полушарии и в любое время, Полярная звезда всегда будет от него на севере.

Для нахождения Полярной звезды мы находим обычно хорошо различимый на ночном небе большой ковш – созвездие Большой Медведицы, далее берем расстояние между двумя крайними звездами ковша Медведицы, которые создают «глубину» ковша, мысленно откладываем по линии этих двух звезд пять таких расстояний в направлении от «дна» ковша наружу и находим в этой области заметную звезду. Это и будет Полярная звезда, крайняя звезда в ручке ковша Малой Медведицы.

Рис. 2.1.а. Большая, Малая Медведица и Полярная звезда

Рис. 2.1.б. Большая, Малая Медведица и созвездия вокруг них. Стрелками показаны направления, которые помогают найти на небе указанные созвездия

Если вы нашли на небе Большую и Малую Медведицу и Полярную звезду рис.2.1.а, используя направление, указанное на рис. 2.1.б, вы можете найти другие приведенные на рисунке созвездия, мысленно двигаясь от уже найденных созвездий, можно определить и другие созвездия Северного полушария.

В настоящее время компьютерные технологии значительно упрощают изучение звездного неба, для чего разработаны удобные приложения. Таким приложением, например, является Star Walk 2, которое позволяет быстро находить любое созвездие и любую планету.

Рис. 2.2. Карта созвездий Северного полушария

Рис. 2.3. Карта созвездий Южного полушария

Помимо созвездий исключительно северных или южных, есть еще так называемые экваториальные (Рис. 2.4 и Рис. 2.5), где на эклиптике расположены зодиакальные созвездия, о которых подробнее поговорим в главе 5.

Рис. 2.4. Созвездия экваториального пояса, часть 1

Рис. 2.5. Созвездия экваториального пояса, часть 2

Как Большая Медведица в Северном полушарии, так Южный Крест в Южном используется для нахождения точки на небосводе, через которую проходит ось вращения Земли. Но в этой точке в Южном полушарии нет заметной звезды, как Полярная в Северном полушарии.

Созвездие Южный Крест составляют пять ярких звезд, где четыре звезды расположены в форме креста, а пятая находится рядом с перекрестием, образованным воображаемыми линиями из этих четырех звезд.

На южном небе можно увидеть пару ложных крестов – Южный Крест меньше и ярче их. Для того чтобы его найти, надо посмотреть на Млечный Путь и найти на нем темное пятно особой формы – туманность Угольный Мешок. Мне туманность напоминает фигурку человечка во всем черном, который прячется в Млечном Пути, у него большой нос, и одной рукой он держит Южный Крест. Но, конечно, у каждого свои фантазии. По одну сторону от туманности и расположен Южный Крест. На фотографиях трудно распознать эту особенность созвездия, а когда ты ночью стоишь под небом Южной Африки, в глаза сразу бросаются звезды Южного Креста.

Рис. 2.6. Созвездие Южного Креста

Рис. 2.7. Созвездие Южного Креста на небе в южном полушарии

Вблизи созвездия Южный Крест, с восточной стороны (слева, если смотришь на юг), находится небольшое, но очень красивое скопление звезд, известное как «Шкатулка с брильянтами». Это группа звезд разных цветов, ярко сверкающая на ночном небе.

Рис. 2.8. Скопление звезд, известное как «Шкатулка с брильянтами»

В Южном полушарии для ориентирования по Южному Кресту следует соединить прямой две точки созвездия, которые образуют его длинную ось, так называемый стержень креста.

Рис. 2.9. Нахождение Южного полюса мира по созвездию Южный Крест

От крайней звезды по этой прямой мысленно отложить расстояние, в 4,5–5 раз больше длины стержня Южного Креста. Если крест, рассматривать, как меч с ручкой (более короткая часть стержня креста) и лезвием (более длинная часть стержня креста), то лезвие меча будет указывать направление на юг. Мысленно отложив отрезки, вы попадете в воображаемую точку, которая всегда и везде для наблюдателя в Южном полушарии указывает направление на юг и является точкой небесной сферы Южного полушария, через которую проходит ось вращения Земли. Вокруг этой точки также описывают правильную окружность все звезды Южного небосвода в течение суток. Эта точка небесной сферы в Южном полушарии и точка, совпадающая с Полярной звездой Северного полушария, называются соответственно Южным и Северным полюсом мира.

При более точном рассмотрении Полярная звезда отклонена от Северного полюса мира менее чем на один градус, но, кроме специальных случаев, это смещение считается пренебрежимо мало. Полюсы мира не смещаются на небесной сфере не только в течение суток, но и при полном годовом цикле движения Земли вокруг Солнца. В действительности полюсы мира все-таки движутся, но очень медленно. Также звездное небо меняется от ночи к ночи, что затрудняет изучение созвездий (читайте об изменении звездного неба в течение года и тысячелетий в разделе 2.4).

Направление на Северный полюс мира совпадает с направлением на географический север, а на Южный полюс мира – с направлением на географический юг.

Глядя на Полярную звезду, Северный полюс мира в Северном полушарии или Южный полюс мира в Южном полушарии, легко определить, где север, где юг и другие стороны света. Если у кого-то это вызовет затруднение, то нужно найти полюс мира, от него опустить воображаемую вертикаль до горизонта, заметить в этом месте какую-либо особенность ландшафта. Это и будет ориентиром в определении севера в Северном полушарии и юга в Южном полушарии.

Если вы стоите лицом на север в Северном полушарии, у вас справа восток и слева запад. Если вы стоите лицом на юг в Южном полушарии, у вас справа запад, слева восток. Если в Южном полушарии вы повернетесь лицом на север, то у вас будет восток справа, а запад слева, как и в Северном полушарии.