Астрономия — наука о движении и свойствах небесных тел — является одной из древнейших естественных наук.
На ранних этапах своего развития составляла единое целое с астрологией; окончательное разделение научной астрономии и астрологии произошло в Европе эпохи Возрождения.
Другие теории, исследующие внеземные объекты (астрофизика, космология и др.) также ранее рассматривались как часть астрономии, но в XX веке они выделились как отдельные науки.
Древний период
Астрономическая деятельность прослеживается в источниках по крайней мере с VI—IV тысячелетий до н. э., а наиболее ранние упоминания названий светил встречаются в «Текстах пирамид», датируемых XXV—XXIII в. до н. э., — религиозном памятнике. Отдельные особенности мегалитических сооружений и даже наскальных рисунков первобытных людей истолковываются как астрономические. В фольклоре также множество подобных мотивов.
Периодические изменения на небе известны с древнейших времён: Смена дня и ночи. Смена фаз Луны. Смена времён года. В соответствии с этими устойчивыми циклами появились единицы измерения времени: сутки, месяц, год. Хотя взаимное расположение звёзд выглядит неизменным, было замечено, что несколько светил (планеты) являются исключением из этого правила. Наблюдая изменения на небесной сфере, люди заметили их связь со сменой сезонов на Земле. Это натолкнуло на мысль, что небесные движения связаны и с другими земными явлениями — влияют на земную историю или предсказывают важнейшие события — рождение царей, войны, голод, эпидемии и др. Доверие к астрологическим фантазиям значительно содействовало развитию научной астрономии, поскольку иначе обосновать властям практическую пользу от наблюдений за небом было бы нелегко. По этим причинам особое внимание древние астрономы уделяли таким редким и непериодическим явлениям, как затмения, появление комет, падение метеоритов и т. п.
Исследования небесных тел в храмах-обсерваториях в Древнем Мире проводились невооружённым глазом.
Главными инструментами древних обсерваторий были: гномон (шест для измерения полуденной высоты Солнца по длине тени), солнечные часы и клепсидры для измерения времени; без помощи инструментов наблюдали Луну и её фазы, планеты, моменты восхода и заката светил, прохождения их через меридиан, солнечные и лунные затмения. Позже появились угломерные инструменты различных систем.
Шумер и Вавилон
Шумеро-аккадское государство Вавилон существовало со II тыс. до н. э. по VI век до н. э. (в последние десятилетия им правили халдеи, а в VI веке до н. э. страной завладела Персия).
Жрецы-вавилоняне оставили множество астрономических таблиц. Они же выделили основные созвездия и зодиак, ввели деление полного угла на 360°, развили тригонометрию.
Во II тыс. до н. э. у шумеров появился лунный календарь, усовершенствованный в I тыс. до н. э. Год состоял из 12 синодических месяцев — шесть по 29 дней и шесть по 30 дней, всего 354 дня. Сначала для согласования с солнечным годом (продолжительность которого они определили в дней) делали вставку 13-го месяца, но потом перестали это делать.
Обработав свои таблицы наблюдений, жрецы открыли многие законы движения планет, Луны и Солнца, могли предсказывать затмения. В 450 году до н. э. вавилоняне уже знали «метонов цикл» (235 месяцев с большой точностью совпадают с 19 солнечными годами). Впрочем, китайцы открыли его ещё раньше.
Вероятно, именно в Вавилоне появилась семидневная неделя (каждый день был посвящён одному из 7 светил).
Древний Египет
Разливы Нила происходят в начале лета, и как раз на это время приходится первый восход ярчайшей звезды неба — Сириуса, по-египетски называемого «Сотис». До этого момента Сириус не виден. Наверное, поэтому «сотический» календарь употреблялся в Египте наряду с гражданским. Сотический год — это период между двумя гелиакическими восходами Сириуса, то есть он совпадал с сидерическим годом, а гражданский год состоял из 12 месяцев по 30 дней плюс пять дополнительных суток, всего 365 дней.
Недель сначала не было, месяц делился на 3 декады. Употреблялся в Египте и лунный календарь с метоновым циклом, согласованный с гражданским. Позже под влиянием Вавилона появилась семидневная неделя. Сутки делились на 24 часа, которые сначала были неравными (отдельно для светлого и тёмного времени суток), но в конце IV века до н. э. приобрели современный вид. В Египте, в отличие от Вавилона, использовалась десятичная система, но в сутках, кроме 10 светлых часов, они выделяли ещё по часу на переходные периоды, поэтому и получилось 12 часов; то же для тёмного времени суток.
Степень развития египетской математики и астрономии неясна. Документов на эту тему почти нет, но эллины высоко ценили египетских астрономов и учились у них.
Астрология появилась не в Египте (по общему мнению историков, в МесопотамииСурдин В. Г. ПОЧЕМУ АСТРОЛОГИЯ — ЛЖЕНАУКА? ), но гадание по Луне и планетам использовалось там весьма широко.
Египетская система мира, по описанию Гераклида Понтийского (IV век до н. э.), была геоцентрической, но Меркурий и Венера обращаются вокруг Солнца (хотя вместе с ним — и вокруг Земли). Верхние планеты (которые можно наблюдать в противостоянии Солнцу) считались в Древнем Египте воплощениями бога Хора, нижние же планеты египтяне принимали за одну, не делая между ними различий. Египтяне делили небо на созвездия. Свидетельством этого могут служить упоминания в текстах, а также рисунки на потолках храмов и гробниц. Всего созвездий в Древнем Египте было известно 45. К примеру, упоминается созвездие Мес (видимо, Большая Медведица); созвездие АН в виде фигуры с головой сокола, пронзающей копьём созвездие Мес.
Древняя Греция
Эллины, судя по всему, ещё в гомеровские времена интересовались астрономией, их карта неба и многие названия остались в современной науке. Первоначально знания были неглубоки — например, утренняя и вечерняя Венера считались разными светилами (Фосфор и Геспер); уже шумеры знали, что это одно и то же светило. Исправление ошибки «раздвоения Венеры» приписывают Пифагору и Пармениду.
Полюс мира в это время уже ушёл от Альфы Дракона, но ещё не придвинулся к Полярной; может быть, поэтому в Одиссее ни разу не упоминается направление на север.
Пифагорейцы предложили пироцентрическую модель Вселенной, в которой звёзды, Солнце, Луна и шесть планет обращаются вокруг Центрального Огня (Гестии). Чтобы всего получилось священное число — десять — сфер, шестой планетой объявили Противоземлю (Антихтон). Как Солнце, так и Луна, по этой теории, светили отражённым светом Гестии. Это была первая математическая система мира — у остальных древних космогонистов работало скорее воображение, чем логика.
Расстояния между сферами светил у пифагорейцев соответствовали музыкальным интервалам в гамме; при вращении их звучит «музыка сфер», неслышимая нами. Пифагорейцы считали Землю шарообразной и вращающейся, отчего и происходит смена дня и ночи. Впрочем, отдельные пифагорейцы (Аристарх Самосский и др.) придерживались гелиоцентрической системы. У пифагорейцев возникло впервые и понятие эфира , но чаще всего этим словом обозначался воздух. Только Платон обособил эфир как отдельную стихию.
Платон, ученик Сократа, уже не сомневался в шарообразности Земли (даже Демокрит считал её диском). По Платону, Космос не вечен, так как всё, что ощущается, есть вещь, а вещи старятся и умирают. Более того, само Время родилось вместе с Космосом. Далеко идущие последствия имел призыв Платона к астрономам разложить неравномерные движения светил на «совершённые» движения по окружностям .
На этот призыв откликнулся Евдокс Книдский, учитель Архимеда и сам ученик египетских жрецов. В своих (не сохранившихся) сочинениях он изложил кинематическую схему движения планет с несколькими наложенными круговыми движениями, всего по 27 сферам. Правда, согласие с наблюдениями для Марса было плохим. Дело в том, что орбита Марса заметно отличается от круговой, так что траектория и скорость движения планеты по небу меняются в широких пределах. Евдокс также составил звёздный каталог.
Аристотель, автор «Физики», тоже был учеником Платона. В его сочинениях было немало рациональных мыслей; он убедительно доказал, что Земля — шар, опираясь на форму тени Земли при лунных затмениях, оценил окружность Земли в 400 000 стадиев, или около 70 000 км — завышено почти вдвое, но для того времени точность неплохая. Но встречаются и множество ошибочных утверждений: разделение земных и небесных законов мира, отрицание пустоты и атомизма, четыре стихии как первоосновы материи плюс небесный эфир, противоречивая механика: «стрелу в полёте подталкивает воздух» — даже в Средневековье это нелепое положение высмеивалось (Филопон, Буридан). Метеоры он считал атмосферными явлениями, родственными молнии.
Концепции Аристотеля часть философов канонизировала ещё при его жизни, и в дальнейшем многие противоречащие им здравые идеи встречались враждебно — например, гелиоцентризм Аристарха Самосского. Аристарх впервые пытался также измерить расстояние до Солнца и Луны и их диаметры; для Солнца он ошибся на порядок (получилось, что диаметр Солнца в 250 раз больше земного), но до Аристарха все полагали, что Солнце меньше Земли. Именно поэтому он и решил, что в центре мира находится Солнце. Более точные измерения углового диаметра Солнца выполнил Архимед, в его пересказе нам и известны взгляды Аристарха, сочинения которого утрачены.
Эратосфен в 240 г. до н. э. довольно точно измерил длину земной окружности и наклон эклиптики к экватору (т.е наклон земной оси); он также предложил систему високосов, позже названную юлианским календарём.
С III века до н. э. греческая наука усвоила достижения вавилонян, в том числе — в астрономии и математике. Но греки пошли значительно дальше. Около 230 года до н. э. Аполлоний Пергский разработал новый метод представления неравномерного периодического движения через базовую окружность — деферент — и кружащуюся вокруг деферента вторичную окружность — эпицикл; само светило движется по эпициклу. В астрономию этот метод ввёл выдающийся астроном Гиппарх, работавший на Родосе.
Гиппарх открыл отличие тропического и сидерического годов, уточнил длину года (365,25 — 1/300 дней). Методика Аполлония позволила ему построить математическую теорию движения Солнца и Луны. Гиппарх ввёл понятия эксцентриситета орбиты, апогея и перигея, уточнил длительность синодического и сидерического лунных месяцев (с точностью до секунды), средние периоды обращения планет. По таблицам Гиппарха можно было предсказывать солнечные и лунные затмения с неслыханной для того времени точностью — до 1-2 часов. Кстати, именно он ввёл географические координаты — широту и долготу. Но главным результатом Гиппарха стало открытие смещения небесных координат — «предварения равноденствий». Изучив данные наблюдений за 169 лет, он нашёл, что положение Солнца в момент равноденствия сместилось на 2°, или на 47" в год (на самом деле — на 50,3").
В 134 году до н. э. в созвездии Скорпиона появилась новая яркая звезда. Чтобы облегчить слежение за изменениями на небе, Гиппарх составил каталог для 850 звёзд, разбив их на 6 классов по яркости.
45 год до н. э.: введён юлианский календарь, разработанный александрийским астрономом Созигеном по образцу египетского гражданского.
Систему Гиппарха завершил великий александрийский астроном, математик, оптик и географ Клавдий Птолемей. Он значительно усовершенствовал сферическую тригонометрию, составил таблицу синусов (через 0,5°). Но главное его достижение — «Мегале синтаксис» (Большое построение); арабы превратили это название в «Аль Маджисти», отсюда позднейшее «Альмагест». Труд содержит фундаментальное изложение геоцентрической системы мира.
Будучи принципиально неверной, система Птолемея, тем не менее, позволяла с достаточной для того времени точностью предвычислять положения планет на небе и потому удовлетворяла, до известной степени, практическим запросам в течение многих веков.
Системой мира Птолемея завершается этап развития древнегреческой астрономии.