Евгений Гусев - Расширяя границы Вселенной: история астрономии в задачах

В учебном пособии представлено 426 задач по истории астрономии. Задачам предшествует краткое историческое введение. Издание призвано помочь в преподавании астрономии в высших учебных заведениях и в школах. Оно содержит оригинальные задачи, связанные с развитием астрономии как науки. Многие задачи носят астрофизический характер, поэтому пособие может быть также использовано на занятиях по физике.

Предисловие

История развития любой науки интересна и поучительна: она показывает эволюцию человеческой мысли, её последовательное проникновение в тайны природы и человеческого бытия. В этом отношении особый интерес представляет астрономия — древнейшая естественная наука. Познание структуры и законов Вселенной происходило фантастическими темпами. От совершенно примитивных попыток объяснения небесных явлений до современного уровня понимания мироустройства прошло всего лишь несколько тысячелетий. За этот период наши представления о Вселенной изменились гораздо сильнее, чем, к примеру, представления о строении материи. Наиболее интенсивно астрономия развивалась в XIX и XX веках. Но даже ещё 100 лет назад люди не догадывались об истинных источниках энергии звёзд, не осознавали огромную роль электромагнитных явлений в космосе, не были уверены в существовании других галактик и не подозревали о глобальном расширении нашего мира.

Невиданные изменения претерпели за последние столетия инструменты и методы астрономии. Однако отнюдь не при помощи гигантских телескопов были получены основные сведения о строении Солнечной системы, о законах, управляющих движением планет и их спутников, астероидов и комет. Главным инструментом любого учёного был и остаётся интеллект. Человеческий ум, используя результаты наблюдений, иногда очень оригинальных, часто ошибаясь, неуклонно продвигается по пути истины.

Знакомство с историей познания Вселенной даёт удивительную возможность приобщиться к процессу научного исследования, оценить потрясающую мощь человеческого интеллекта и его способность создавать методы исследований, разрабатывать технологии, позволяющие изучать загадочные небесные явления и недоступные объекты.

Для изучения истории астрономии имеются фундаментальные курсы А. И. Еремеевой и Ф. А. Цицина (1989), А. Паннекука (1966), А. Берри (1946), А. Кларк (1913), О. Струве и В. Зебергс (1968), книги

Б. Ван — дер — Вардена (1991), А. А. Гурштейна (1991), Ю. Г. Переля (1951), И. А. Климишина (1987), многочисленные статьи и сборники «Историко — астрономические исследования» (М.: Наука), «История астрономии в России и СССР» под ред. ак. В. В. Соболева. Вопросы истории астрономии затрагиваются в курсах астрономии вузов и средней школы. Для усвоения любого учебного курса полезно закреплять теорию практическими упражнениями и решением задач, однако авторам неизвестны задачники по истории астрономии. Таким образом, данная книга представляет собой первую попытку в этом направлении.

Представленные задачи, если следовать терминологии, принятой в преподавании астрономии и физики, в большинстве своём являются качественными задачами. Они имеют ряд преимуществ по сравнению с количественными задачами, поскольку обычно не требуют математических выкладок и позволяют сосредоточиться на сути изучаемого явления. Их роль существенна для закрепления и углубления знаний. Для повышения эффективности обучения условия задач содержат сопоставления и противопоставления; некоторые задачи могут быть отнесены к парадоксальным, занимательным, экспериментальным или провокационным. Отдельные задачи носят познавательный характер. Наличие подробных ответов повышает информационную ценность задач. Большинство задач посвящено двум фундаментальным эпохам в развитии астрономии — периодам становления гелиоцентрической системы мира и формирования астрофизической картины мира. Задачи последнего раздела сборника основаны на цитатах из трудов и высказываний учёных разных эпох; в определённой степени они дополняют материал предшествующих разделов. Использование подобных задач может сделать более познавательными и интересными учебные занятия и внеаудиторные мероприятия по астрономии.

Для решения задач необходимо хорошее знание учащимися не только астрономии, но и физики. Не все задачи легки. Часто для успешного решения необходима эрудиция, применение неординарных подходов, знакомство с научно — популярными книгами, статьями, дополнительными учебными пособиями. В сборнике нет разделения на задачи для учащихся вузов и задачи для школьников. В астрономии, как и в других науках (но в астрономии — особенно!), уровень знаний и интереса к предмету не имеет резкой образовательной или возрастной зависимости.

Данный труд является продолжением работы авторов по созданию сборников задач по астрономии и астрофизике. Мы благодарим сотрудников Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга (МГУ) А. И. Еремееву и Ф. А. Цицина за внимательное прочтение рукописи и дискуссию. Мы также признательны сотрудникам издательства МЦНМО Р. О. Алексееву и М. Ю. Панову за большой труд по подготовке книги.

Авторы.

Сентябрь 2003 года.

Человек стоит на берегу вселенной (немного об истории астрономии)

Берег Вселенной — это наша планета Земля, родина человечества. Мы пристально всматриваемся в космическую бездну. Что там? Обитель богов? Или пространство, заполненное звёздами и планетами, на которых живут разумные существа?

Есть мнение, что наш предок стал человеком не в тот момент, когда он взял в руки палку и замахнулся на дикое животное или иноплеменника, а лишь когда он впервые поднял голову к небу. Человек не может не размышлять. Наряду с привычными заботами о выживании, о еде, о семье у него часто возникает вопрос о своём месте в обществе и мире. Человек разумный во все времена хотел понять и систематизировать картину окружающего мира.

Науки зарождались в связи с практическими потребностями человека. Астрономия — наука о космических телах и всей Вселенной, — возникла прежде всего из необходимости ориентироваться на поверхности Земли. В этом древнему человеку помогли небесные светила: в начале люди определяли по ним направления сторон света, а в более поздние времена научились находить географические координаты на земле и на море. Кстати, эта задача не потеряла своего практического значения и для современного человека: если вам кажется, что теперь мы решаем её при помощи технических средств, то не заблуждайтесь — в основе их работы по сей день лежат небесные светила. Задача определения времени также была решена путём наблюдения небесных тел. Но что бы человек ни делал, помимо конкретных практических целей, в основном определяемых социальной жизнью, он преследует и весьма отвлечённые; человек обладает удивительным свойством — любознательностью. Мы рассматриваем окружающие тела и пытаемся понять их внутреннее строение, их предназначение, их связь с другими телами и с нами самими.

Интерес человека к небесным объектам — Солнцу, Луне, звёздам и планетам — это не исключительное, а закономерное явление. Часть земной поверхности, доступная для изучения, всегда была ограничена линией горизонта или возможностью нашего перемещения; в конце концов — конечным размером планеты. Небо же, напротив, предоставляет нам уникальную возможность проникновения: днём мы можем видеть яркие, а значит, близкие космические тела, ночью же наш взор проникает в глубины Вселенной. Изобретение телескопа и его дальнейшее совершенствование позволило увидеть очень далёкие объекты и приблизиться к пониманию структуры и физики космоса.

Наука — это деятельность, направленная на получение объективных знаний о мире и создание на их основе картины мира, т. е. упорядоченного представления о строении мира и царящих в нём взаимосвязях. Каждая наука изучает определённый аспект окружающей действительности и как бы создаёт свою модель мира; можно говорить о физической, биологической и прочих моделях мира. Изучение важнейших объектов Вселенной ведёт нас к построению астрономической картины мира.

Любая наука эволюционирует, т. е. рождается, развивается, дифференцируется, сливается с другими науками. Среди точных наук особенно большой интерес представляет развитие астрономии. В масштабе эволюции нашей планеты все науки очень молоды. Земля как космическое тело существует 4,6 млрд лет. Жизнь на планете зародилась неизвестным путём более трёх миллиардов лет назад. Человек современного типа живёт на Земле около 300 тыс. лет. Цивилизации, частью социальной жизни которых стала наука, существуют около 10 тыс. лет. Однако большинство современных научных дисциплин существуют всего несколько столетий. Астрономия в этом смысле занимает особую позицию: согласно письменным источникам, она непрерывно развивается около 5000 тыс. лет, начиная с эпохи Древнего Шумера, Египта, Китая. А косвенные данные, такие, как названия созвездий, первые попытки изображения звёздного неба, счёт времени по лунным фазам, космологические мифы разных народов свидетельствуют о гораздо более раннем зарождении астрономии. К настоящему времени человек смог в основном понять устройство Вселенной, хотя существует ещё много трудных задач, решить которые, возможно, удастся в текущем веке. Итак, проследим основные этапы развития астрономии.