Человечество возникло и живёт на Земле. В течение очень долгого времени люди не могли даже немного приподняться над земной поверхностью. В представлении многих древних народов Земля была Великой Матерью, дающей урожай, и, следовательно, родительницей и кормилицей всего живого. Над Землёй находилось Небо – могущественный и грозный Бог – отец, орошающий дождями мать Землю для того, чтобы она воспроизводила жизнь. В мифологии некоторых народов Земля, наоборот, олицетворяла отца, а небо – мать мироздания. Земля обладала великой силой, которая проявлялась в её способности притягивать к себе все предметы, на ней находящиеся. В русских былинах описывается трагическая история богатыря Святогора, пытавшегося совладеть с «тягой земной».

О физическом устройстве Земли и неба первоначально думали мало. Было достаточно очевидно, что Земля плоская, возможно, имеет форму диска, а над ней находится твёрдый небесный купол, по которому движутся Солнце, Луна и звёзды. Однако представление о том, что Земля является шаром и, возможно, даже вращается вокруг Солнца, возникли уже давно. Впервые предположение о шарообразности Земли высказал в VI в. до н. э. древнегреческий учёный Пифагор. Возможно, он узнал об этом от египетских жрецов, которые вообще не очень стремились делиться своими тайными знаниями. Наиболее полные для античного мира доказательства шарообразности Земли приводит Аристотель. Он говорит о том, что все тяжёлые тела падают на землю под равными углами. Если бы Земля была плоской, то тела падали бы не перпендикулярно, так как стремились бы к центру плоской планеты, а поскольку большинство тел находится далеко от этого центра, они должны были бы падать по наклонной линии. Кроме того, Аристотель обращает внимание на тот факт, что некоторые из звёзд, видных в Египте или на Кипре, не видны в северных странах. Из этого следует, что Земля не только имеет форму шара, но и размеры этого шара невелики по сравнению с расстоянием до звёзд.

За триста лет до нашей эры древнегреческий географ и математик Эратосфен (ок. 276–194 до н. э.) пытался опытным путём определить размеры земного шара. Он заметил, что в одном из городов Египта Солнце в день летнего солнцестояния стоит точно в зените и потому освещает дно самого глубокого колодца. Затем он измерил угол падения солнечных лучей в тот же день в другом городе. Зная расстояние между городами, он вычислил длину окружности земного шара, и его расчёты оказались достаточно близкими к современным.

Геоцентрическая теория

Более сложным оказался вопрос о положении Земли относительно Солнца. Большинство греческих философов придерживались геоцентрической точки зрения, т. е. утверждали, что Земля находится в центре мироздания, а Солнце вместе с другими планетами вращается вокруг неё. Однако в начале III в. до н. э. Аристарх Самоский (ок. 310–230 до н. э.) предложил гелиоцентрическую систему, согласно которой Земля вместе с остальными планетами вращается вокруг Солнца. Такая система в отличие от геоцентрической объясняла смущавшее древнегреческих учёных движение планет. Если движение Солнца и звёзд хотя и не вполне, но более или менее хорошо соответствовали представлению об их вращении вокруг Земли, то планеты вели себя странно. Траектории их движения вокруг Земли не были такими регулярными. Планеты «блуждали» по небесному своду, откуда и произошло их название. По-гречески «планетес» означает «блуждать», «скитаться». Если предположить, что планеты, так же как и Земля, вращаются вокруг Солнца, такое их движение становилось более понятным.

Однако в Античности гелиоцентрическая теория большого распространения не получила, и в I в. всеобщим признанием стала пользоваться геоцентрическая система, разработанная Клавдием Птолемеем (ок. 90—160) – греческим астрономом, математиком, физиком, географом и теоретиком музыки, жившим, как и большинство учёных того времени, в Александрии (рис. 165, 166). Для объяснения сложного движения планет Птолемею пришлось ввести новые понятия и сложную систему дополнительных расчётов, но с учётом этих поправок его теория настолько хорошо совпадала с данными наблюдений, что не вызывала возражений в течение последующих полутора тысяч лет.

Рис. 165. Клавдий Птолемей

Рис. 166. Геоцентрическая система Птолемея

В раннем Средневековье не существовало единого представления о форме Земли, большинство людей вполне довольствовались понятием «земная твердь». Но в XI–XII вв. Европа познакомилась с трудами древнегреческих мыслителей. Представления Аристотеля и Евклида приобрели большую популярность, в том числе и среди авторитетных христианских философов. К началу эпохи Возрождения общепринятым стало мнение, что Земля представляет собой шар, подвешенный в пустоте без опоры, вокруг которого на небесном своде вращаются звёзды и планеты (Луну и Солнце тоже считали планетами).

Рис. 167. Николай Коперник

Гелиоцентрическая теория Н. Коперника.

Впервые в птолемеевой системе усомнился польский астроном, математик и экономист Николай Коперник (1473–1543) (рис. 167).

Рис. 168. Гелиоцентрическая система Коперника

В своём труде «Об обращении небесных сфер», изданном в год его смерти, Коперник удивляется чрезмерной сложности системы Птолемея, а обращаясь к трудам других древнегреческих учёных, он приходит к выводу, что центром вращения мира должно быть Солнце (рис. 168). Земля вместе с планетами вращается вокруг Солнца, а Луна является не планетой, а спутником Земли и вращается вокруг неё. Таким образом, суточное движение Солнца воображаемо и вызвано эффектом суточного вращения Земли, которая совершает полный оборот вокруг своей оси за 24 часа. Точно так же перемещение Солнца по зодиаку объясняется не его истинным движением, а вращением Земли вокруг Солнца. Такое представление значительно упрощало расчёты движения планет, однако давало несколько менее точные результаты, чем расчёты, сделанные по системе Птолемея, потому что Коперник считал орбиты Земли и планет не эллиптическими, какими они на самом деле являются, а круговыми. Это и послужило главной причиной продолжительных возражений против гелиоцентрической системы.

Современные представления о движении Земли.

Современные представления о движении Земли сводятся к следующим основным положениям:

1. Околосолнечная орбита Земли, так же как и других планет Солнечной системы, является не очень вытянутым эллипсом, в одном из фокусов которого находится Солнце. Средняя скорость движения Земли по орбите приблизительно равна 30 км/с.

2. Двигаясь по орбите, Земля совершает полный оборот приблизительно за 365,25 солнечных суток (т. е. оборотов Земли вокруг своей оси). Этот промежуток времени называют звёздным годом. Из-за лишних 0,25 суток за четыре года накапливаются полные сутки, поэтому каждый четвёртый год считается високосным и состоит из 366 суток.

3. Из-за того что орбита Земли представляет собой эллипс, Земля в разные времена года находится на различном расстоянии от Солнца. В среднем это расстояние составляет 150 млн км. Точка, в которой Земля находится ближе всего к Солнцу, называется перигелием, а точка наибольшего отдаления Земли от Солнца – афелием.

4. Земля вращается вокруг своей оси, т. е. прямой линии, соединяющей Северный и Южный полюса. Эта ось не перпендикулярна плоскости земной орбиты, а находится под некоторым углом к ней. В результате в течение одного полугода Земля обращена к Солнцу Северным полюсом, а в течение другого – Южным (рис. 169).

Рис. 169. Вращение Земли вокруг Солнца

Перемена состояния происходит в дни весеннего и осеннего равноденствия, тогда, когда Земля пересекает небесный меридиан. В том полушарии, которое в этот день поворачивается в сторону Солнца, наступает весна, а затем лето. Продолжительность светового дня начинает превышать продолжительность ночи, а на полюсе и в местах, расположенных за полярным кругом, Солнце видно круглосуточно (полярный день). В другом полушарии всё происходит наоборот: наступает осень, температура воздуха падает, продолжительность светового дня снижается, а на полюсе и в его окрестностях Солнце никогда не поднимается над горизонтом (полярная ночь).

Проверьте свои знания

1. Кто и когда впервые определил длину окружности земного шара?

2. Кто и когда впервые предложил гелиоцентрическую теорию? Как вы считаете, почему эта теория не получила в то время большого распространения?

3. Какую форму имеет орбита Земли?

4. Что такое афелий и перигелий?

5. Почему вблизи полюсов бывают полярные ночи и полярные дни?

Задания

В настоящее время во многих зданиях с высокими потолками находятся так называемые маятники Фуко (рис. 170), которые доказывают вращение Земли вокруг своей оси. Объясните принцип работы такого маятника. Если нужно, найдите необходимые сведения в литературе или Интернете.

Рис. 170. Маятник Фуко