1. Что изучает астрономия. Ее значение и связь с другими науками

Астрономия является одной из древнейших наук, истоки кото­рой относятся к каменному веку (VI — III тысячелетия до н. э.).

Астрономия (Это слово происходит от двух греческих слов: astron — звезда, светило и nomos — закон) изучает движение, строение, происхождение и развитие небесных тел и их систем.

Человека всегда интересовал вопрос о том, как устроен окружающий мир и какое место он в нем занимает. У боль­шинства народов еще на заре цивилизации были сложены особые — космологические мифы, повествующие о том, как из первоначального хаоса постепенно возникает космос (по­рядок), появляется все, что окружает человека: небо и земля, горы, моря и реки, растения и животные, а также сам чело­век. На протяжении тысячелетий шло постепенное накопле­ние сведений о явлениях, которые происходили на небе.

Оказалось, что периодическим изменениям в земной природе сопутствуют изменения вида звездного неба и види­мого движения Солнца. Высчитать наступление определен­ного времени года было необходимо для того, чтобы в срок провести те или иные сельскохозяйственные работы: посев, полив, уборку урожая. Но это можно было сделать лишь при использовании календаря, составленного по многолетним на­блюдениям положения и движения Солнца и Луны. Так необходимость регулярных наблюдений за небесными светила­ми была обусловлена практическими потребностями счета времени. Строгая периодичность, свойственная движению небесных светил, лежит в основе основных единиц счета вре­мени, которые используются до сих пор, — сутки, месяц, год.

Простое созерцание происходящих явлений и их наивное толкование постепенно сменялись попытками научного объяс­нения причин наблюдаемых явлений. Когда в Древней Греции (VI в. до н. э.) началось бурное развитие философии как науки о природе, астрономические знания стали неотъемлемой частью человеческой культуры. Астрономия — единственная наука, ко­торая получила свою музу-покровительницу — Уранию.

С самых древних времен развитие астрономии и матема­тики было тесно связано между собой. Вы знаете, что в пере­воде с греческого название одного из разделов математики — геометрии — означает «землемерие». Первые измерения ра­диуса земного шара были проведены еще в III в. до н. э. на ос­нове астрономических наблюдений за высотой Солнца в пол­день. Необычное, но ставшее привычным деление окружнос­ти на 360° имеет астрономическое происхождение: оно воз­никло тогда, когда считалось, что продолжительность года равна 360 суткам, а Солнце в своем движении вокруг Земли каждые сутки делает один шаг — градус.

Астрономические наблюдения издавна позволяли лю­дям ориентироваться в незнакомой местности и на море. Раз­витие астрономических методов определения координат в XV — XVII вв. в немалой степени было обусловлено развити­ем мореплавания и поисками новых торговых путей. Состав­ление географических карт, уточнение формы и размеров Земли на долгое время стало одной из главных задач, кото­рые решала практическая астрономия. Искусство прокладывать путь по наблюдениям за небесными светилами, получившее название навигация, сначала использовалось в мореход­ном деле, затем в авиации, а теперь и в космонавтике.

Вопрос о положении Земли во Вселенной, о том, неподвиж­на она или движется вокруг Солнца, в XVI — XVII вв. приобрел важное значение как для астрономии, так и для миропонимания. Гелиоцентрическое учение Николая Коперника явилось не только важным  шагом в решении этой научной проблемы, но и способствовало изменению стиля научного мышления, от­крыв новый путь к пониманию происходящих явлений.

Астрономические наблюдения за движением небесных тел и необходимость заранее вычислять их расположение сыграли важную роль в развитии не только математики, но и очень важного для практической деятельности человека раз­дела физики — механики. Выросшие из единой когда-то нау­ки о природе — философии — астрономия, математика и фи­зика никогда не теряли тесной связи между собой. Взаимо­связь этих наук нашла непосредственное отражение в де­ятельности многих ученых. Далеко не случайно, например, что Галилео Галилей и Исаак Ньютон известны своими ра­ботами и по физике, и по астрономии. К тому же Ньютон яв­ляется одним из создателей дифференциального и интег­рального исчислений. Сформулированный им же в конце XVII в. закон всемирного тяготения открыл возможность применения этих математических методов для изучения движения планет и других тел Солнечной системы. Постоян­ное совершенствование способов расчета на протяжении XVII в. вывело эту часть астрономии — небесную меха­нику — на первый план среди других наук той эпохи.

Много раз в истории развития науки отдельные мыслите­ли пытались ограничить возможности познания Вселенной. Пожалуй, последняя такая попытка случилась в XIX в. незадолго до открытия спектрального анализа. «Приговор» был суров: «Мы представляем себе возможность определения их (небесных тел) форм, расстояний, размеров и движений, но никогда, никакими способами мы не сможем изучить их хи­мический состав…» (О. Конт).

Открытие спектрального анализа и его применение в астро­номии положило начало широкому использованию физики при изучении природы небесных тел и привело к появлению нового раздела науки о Вселенной — астрофизики. В свою очередь, необычность с «земной» точки зрения условий, существующих на Солнце, звездах и в космическом пространстве, способство­вала развитию физических теорий, описывающих состояние ве­щества в таких условиях, которые трудно создать на Земле.

Более того, в XX в., особенно во второй его половине, до­стижения астрономии снова, как и во времена Коперника, привели к серьезным изменениям в научной картине мира, к становлению представлений об эволюции Вселенной. Эти представления составляют основу современной космологии. Оказалось, что Вселенная, в которой мы сегодня живем, несколько миллиардов лет тому назад была совершенно иной — в ней не существовало ни галактик, ни звезд, ни планет. Для то­го чтобы объяснить процессы, происходившие на начальной стадии ее развития, понадобился весь арсенал современной те­оретической физики, включая теорию относительности, атом­ную физику, квантовую физику и физику элементарных частиц,

События, которые произошли в науке за последние де­сятилетия, показали, что неразрывная связь, существующая между астрономией и физикой, позволяет успешно решать многие проблемы, волнующие человечество. Далеко не слу­чайно, что в первые годы ХХI в. три Нобелевских премии по физике были присуждены ученым за исследования по астро­физике и космологии.

В астрономии, как и во многих других науках, всё больше используются компьютеры для решения задач самого разного уровня — от управления телескопами до исследования процессов эволюции планет, звезд и галактик.

Развитие ракетной техники позволило человечеству выйти в космическое пространство. С одной стороны, это существен­но расширило возможности исследования всех объектов, находящихся за пределами Земли, и привело к новому подъему в развитии небесной механики, которая успешно осуществляет расчеты орбит автоматических и пилотируемых космических аппаратов различного назначения. С другой стороны, методы дистанционного исследования, пришедшие из астрофизики, ныне широко применяются при изучении нашей планеты с искусственных спутников и орбитальных станций. Результаты исследований тел Солнечной системы позволяют лучше по­нять глобальные, в том числе эволюционные, процессы, происходящие на Земле. Вступив в космическую эру своего сущест­вования и готовясь к полетам на другие планеты, человечество не вправе забывать о Земле и должно в полной мере осознать необходимость сохранения ее уникальной природы.

2 . Структура и масштабы Вселенной

Вы уже знаете, что наша Земля со своим спутником Луной, другие планеты и их спутники, кометы и малые планеты об­ращаются вокруг Солнца, что все эти тела составляют Сол­нечную систему. В свою очередь, Солнце и все другие звезды, видимые на небе, входят в огромную звездную систему — нашу Галактику. Самая близкая к Солнечной системе звезда находится так далеко, что свет, который распространяется со скоростью 300 000 км/с, идет от нее до Земли более четырех лет. Звезды являются наиболее распространенным типом не­бесных тел, в одной только нашей Галактике их насчитывает­ся несколько сотен миллиардов. Объем, занимаемый этой звездной системой, так велик, что свет может пересечь его только за 100 тыс. лет.

Во Вселенной существует множество других галактик, по­добных нашей. Именно расположение и движение галактик определяет строение и структуру Вселенной в целом. Галак­тики так далеки друг от друга, что невооруженным глазом можно видеть лишь три ближайшие: две — в Южном полу­шарии, а с территории России всего одну — туманность Андромеды. От наиболее удаленных галактик свет идет до Земли около 13 млрд. лет. Значительная часть вещества звезд и га­лактик находится в таких условиях, создать которые в земных лабораториях невозможно. Все космическое пространство заполнено электромагнитным излучением, гравитационными и магнитными полями, между звездами в галактиках и между галактиками находится очень разреженное вещество в виде газа, пыли, отдельных молекул, атомов и ионов, атомных ядер и элементарных частиц.

Как известно, расстояние до ближайшего к Земле небес­ного тела — Луны составляет примерно 400 000 км. Наиболее удаленные объекты располагаются от нас на расстоянии, ко­торое превышает расстояние до Луны более чем в 10¹⁶ раз.

Попробуем представить размеры небесных тел и расстоя­ния между ними во Вселенной, воспользовавшись хорошо из­вестной моделью— школьным глобусом Земли, который в 50 млн раз меньше нашей планеты. В этом случае мы должны изобразить Луну шариком диаметром примерно 7 см, находя­щимся от глобуса на расстоянии около 7,5 м. Модель Солнца будет иметь диаметр 28 м и находиться на расстоянии 3 км, а модель Нептуна — самой далекой планеты Солнечной системы — будет удалена от нас на 90 км. Ближайшая к нам звезда при таком масштабе модели будет располагаться на расстоянии примерно 800 000 км, т. е. в 2 раза дальше, чем Луна. Размеры нашей Галактики сократятся примерно до размеров Солнечной системы, но самые далекие звезды все же будут находиться за ее пределами.