Расширяя границы Вселенной: История астрономии в задачах

Методы космонавтики оказались чрезвычайно плодотворными для астрономических исследований. Вне земной атмосферы возможно изучение небесных тел во всех диапазонах электромагнитного излучения. Искусственные спутники и межпланетные станции подробно исследовали атмосферу и поверхность планет, что было невозможно осуществить столь детально с Земли. На Луну, Венеру и Марс опускались исследовательские лаборатории, передавшие на Землю уникальные данные. Планеты — гиганты, Меркурий, спутники планет, астероиды исследовались с пролётных траекторий автоматическими межпланетными станциями. Выдающуюся роль в этих работах сыграли отечественные учёные и инженеры. Благодаря наблюдениям с Земли и из космоса были открыты удивительные по своим физическим свойствам космические объекты: квазары, нейтронные звёзды (в том числе и особые — пульсары и магнетары), космические мазеры, реликтовое излучение, чёрные дыры, рентгеновские источники, гравитационные линзы.

XX век характеризуется появлением ещё одной новой, очень важной астрономической науки — релятивистской космологии,которая изучает нестационарную Вселенную как единое целое. Большой вклад в становление космологии внесли А. Эйнштейн (1916 г.), А. А. Фридман (работы 1922–1924 гг.), Ж. Леметр (1927 г.), Г. А. Гамов (1946 г.). Современная космология базируется на двух фундаментальных наблюдательных фактах: красном смещениилиний в спектрах галактик, которое, согласно принципу Доплера — Физо, интерпретируется как всеобщее взаимное удаление галактик (Э. П. Хаббл, 1929 г.); а также на существовании фонового микроволнового излученияс Т =2,7 К, свидетельствующего о сверхплотном и горячем состоянии Вселенной в момент Большого взрыва. В начале 1980–х годов была создана инфляционная модель эволюции Вселенной (А. Гус и А. Д. Линде), согласно которой её расширение в первые 10 ^–35секунды шло несравненно быстрее, чем в соответствии с фридмановской моделью.

А что дальше?

Дальнейшее развитие астрономии требует немалых материальных затрат, а потому будет в значительной мере определяться тем, насколько велик интерес общества к этой сфере научных исследований. При благоприятных условиях развития перспективы астрономии выглядят захватывающими. Новые технологии позволяют создавать мощные телескопы с невиданным ранее качеством изображения. Уже действуют оптические телескопы с диаметром зеркала 8-10 метров и проектируются инструменты диаметром 25-100 метров. Недавно начали работать подземные нейтринные телескопы нового поколения; заканчивается сооружение гравитационноволновых детекторов сверхвысокой чувствительности. Планируется создание обсерватории на Луне и научных лабораторий на поверхности Марса и астероидах.

Новая мощная наблюдательная техника требуется астрономам для решения уже существующих проблем, таких как происхождение космических лучей сверхвысокой энергии и физические механизмы гамма — всплесков, для разгадки природы тёмной материи, составляющей периферию галактик: что это — коричневые карлики, чёрные дыры или ещё неоткрытые слабо взаимодействующие с электромагнитным излучением элементарные частицы большой массы? Но ясно, что работая над этими проблемами, астрономы непременно встретятся с новыми загадками космоса; это и делает научный поиск таким захватывающим.

Для учёных понять природное явление означает умение предвидеть его развитие. Основная задача космологии — понять будущее нашей расширяющейся Вселенной. Это невозможно без правильного представления о барионной материи, источниках скрытой массы и неизвестных свойствах вакуума, возможно, наиболее сильно влияющего на динамику расширения Вселенной. Успехи космологии в значительной степени зависят от прогресса в изучении элементарных частиц и от создания долгожданной единой теории физических взаимодействий. В то же время, новые открытия в астрономии, как правило, способствуют прогрессу физики, которая всё сильнее влияет на нашу жизнь. Прослеживая шаги учёных в познании Вселенной, узнавая историю астрономии, мы реконструируем важную часть истории человечества.

Условия задач

Раздел 1. Зарождение астрономии

1.1. В чём причина того, что именно астрономия является древнейшей из современных наук?

1.2. Почему происходила дифференциация астрономии?

1.3. Предположим, что наш современник решил разрушить представления древних людей о хрустальных сферах, к каждой из которых якобы прикреплена планета (модель Евдокса). Существование каких космических тел могло бы послужить главным аргументом против этой модели?

1.4. Зачем и когда были введены точки и линии небесной сферы?

1.5. Почему древние греки, ориентируясь по звёздному небу, основной осью считали восток — запад, а не север — юг, как наши современники?

1.6. Почему астрономический знак точки весеннего равноденствия совпадает со знаком созвездия Овен и обозначается символом рогов?

1.7. Почему в Древнем Риме в 60–х годах до н. э. был принят закон, запрещающий высшим должностным лицам государства в определенные периоды времени наблюдать за небесными явлениями?

1.8. Во II в. до н. э. Гиппарх создал свой знаменитый каталог, содержащий положения и звёздные величины 850 звёзд. Сравнив свои данные с наблюдениями Аристилла и Тимохариса (ок. 280 г. до н. э.), он обнаружил, что эклиптические долготы всех звёзд ежегодно увеличиваются на 36" (по современным данным на 50,3"). Что за явление открыл Гиппарх?

1.9. В древнем Египте первое появление Сириуса в лучах утренней зари после периода невидимости (гелиакический восход) совпадало с поднятием вод Нила. Совпадают ли эти два явления так же хорошо и в настоящее время?

1.10. Каким образом древние египтяне, наблюдая гелиакический восход Сириуса, смогли довольно точно определить продолжительность тропического года?

1.11. В Древнем Китае обнаружили, что длина тени от гномона в полдень календарного дня зимнего солнцестояния (по древнему 365-дневному календарю) не равна длине тени, измеренной годом раньше. Через какой интервал времени длины теней от гномона совпадают? Какой вывод о продолжительности года был сделан в Древнем Китае на основании этих наблюдений?

1.12. До 1492 г. календарный год в России начинался с 1 марта, с 1492 г. по 1700 г. — с 1 сентября, а с 1700 г. — с 1 января. С какими астрономическими явлениями могут быть связаны эти даты начала года?

1.13. Какова астрономическая основа шестидесятеричной системы счисления, принятой у некоторых древних цивилизаций?

1.14. Какова астрономическая основа разделения окружности на 360°?

1.15. Какую астрономическую основу имеют единицы времени неделяи месяц?

1.16. Почему десятый месяц в году — октябрь,название которого в переводе означает «восьмой», а двенадцатый — декабрь, что означает «десятый»?

1.17. Какая система счисления использовалась древними астрономами, установившими продолжительность суток в 24 часа?

1.18. Почему поясное время было предложено и стало использоваться только с конца XIX века?

1.19. В знаменитой «Одиссее» Гомера упоминается созвездие Большой Медведицы. Поэт определяет его как «созвездие, которое никогда не погружает своих звёзд в волны моря». Точность описаний Гомера известна; его поэмы служат для нас одним из основных источников знаний о древнейшей Греции. Но на родине Гомера вы увидели бы неожиданное зрелище: Большая Медведица будет на ваших глазах регулярно «окунать свои звёзды» в волны Ионического и Эгейского морей. И это не удивительно: Греция — южная страна; на её широте высота северного полюса мира мала, и Медведица является созвездием «заходящим». В чём же дело?