Дневная звезда. Рассказ о нашем Солнце

Предисловие к русскому изданию

Перед нами — не совсем обычная научно-популярная книга о Солнце. Автор ее, английский астроном и популяризатор Саймон Миттон, уже знакомый советским читателям по переводу его книги «Галактики» (М.: Мир, 1979), поставил перед собой задачу в общедоступной форме рассказать о месте нашего Солнца в ряду других звезд, развитии наших представлений о строении Солнца и о современных методах его изучения. Необычность же его книги проявляется по меньшей мере в двух аспектах. Прежде всего, автор рассматривает изучение Солнца как задачу не только астрономии, но и науки вообще. Недаром книга начинается историческим очерком, в котором большое внимание уделяется многочисленным памятникам древней астрономии, среди которых наиболее впечатляющими, несомненно, являются знаменитый Стоунхендж в Англии, культовые сооружения в Египте и в государствах инков и майя. Ведь по существу эти своеобразные астрономические обсерватории обеспечивали наших далеких предков возможностями решения астрономических задач, уточнения характерных дат лунно-солнечного календаря и предсказания затмений. Точность, с которой строители должны были знать некоторые астрономические постоянные, поражает до сих пор, и автор не случайно пишет, что с учетом технических возможностей того времени создание Стоунхенджа потребовало от человечества не меньше усилий, чем вся современная программа космических полетов.

Далее, автор стремится везде довести рассказ об исследованиях Солнца до «сегодняшнего дня»; естественно, что небольшой объем научно-популярной книги нередко вынуждает его ограничиваться кратким изложением методики наблюдений и полученных результатов, без разъяснения физической сущности и подробностей решения тех или иных проблем. И все же читатель сможет познакомиться с такими сведениями с «переднего края» науки о Солнце, как загадка — солнечных нейтрино, колебания атмосферы Солнца, выявление в исторические времена вариаций уровня излучения и активности Солнца, тесно связанных, как мы теперь догадываемся, с изменением погодных условий и климата.

Несколько особняком стоит последняя глава книги, посвященная будущему земной энергетики в связи с перспективами развития солнечной энергетики. Автор считает преувеличенными представления об опасности широкого использования ядерной энергии и выражает мнение, что будущее принадлежит атомным и солнечным энергетическим установкам.

Возможно, что автор чересчур оптимистично оценивает возможности крупномасштабной солнечной энергетики, но он безусловно прав, рисуя самую широкую перспективу развития малой солнечной энергетики, столь заманчивую для условий нашего юга и особенно Средней Азии. Здесь есть где приложить руки умельцам, в том числе юным техникам.

При чтении книги следует иметь в виду, что автор опирался в основном на материал исследований западных астрономов, прежде всего английских и американских. Читателям, желающим подробнее ознакомиться с работами советских астрономов, мы рекомендуем обратиться к следующей литературе (поскольку перечень книг, приведенных автором, включает только книги на английском языке):

По звездной эволюции и общим проблемам астрономии:

Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум. Изд. 4-е.— М.: Наука, 1976;

Шкловский И.С. Звезды, их рождение, жизнь и смерть.— М.: Наука, 1975;

По вопросам солнечной активности:

Мирошниченко Л.И. Солнечная активность и Земля. М.; Наука, 1981;

Кононович Э.В. Солнце — дневная звезда. М.: Просвещение, 1982;

Солнечные вспышки/Отв. редактор В.Е.Степанов..— М: Наука, 1982;

По космическим исследованиям, в том числе исследованиям Солнца:

Гольдовский Д.Ю., Назаров Г. А. 25 лет космической эры: из истории создания первых ИСЗ. — М.: Знание, 1982;

по проблемам использования солнечной энергии:

Колтун М. Солнце и человечество. М.: Детская литература, 1981;

по проблемам солнечно-земных связей и влияния Солнца на Землю:

Витинский Ю.И., Оль А.И., Сазонов Б.И. Солнце и атмосфера Земли./Под ред. Э.Р Мустеля. — Л.: Гидрометеоиздат, 1976.

Наконец, более подготовленному читателю можно рекомендовать книги:

Солнечная и солнечно-земная физика. Иллюстрированный словарь терминов. — М.: Мир, 1980;

Гибсон Э. Спокойное Солнце, — М.: Мир, 1977;

Солнечно-земные связи, погода и климат. М.: Мир, 1982*

Изучение Солнца сейчас движется вперед быстро — сам автор отмечает, что сейчас каждый пятый астроном в мире — занимается Солнцем. Поэтому хотелось бы сделать несколько дополнений к тому, о чем пишет автор.

Так, в главе 8 он описывает открытие собственных колебаний солнечной атмосферы. Большой вклад в эти исследования внесли также советские ученые во главе с акад. А.Б.Северным, обнаружившие колебания Солнца с периодом 2 час 40 мин, что было впоследствии подтверждено другими исследователями. Ряд статей об этом опубликован в трудах Крымской астрофизической обсерватории. В той же главе в качестве основного источника нагрева верхних слоев атмосферы Солнца называется диссипация звуковых (акустических) волн, зарождающихся ниже уровня фотосферы. В настоящее время все большее внимание привлекает точка зрения, что основную роль в нагреве атмосферы Солнца играет омическая диссипация. Наконец, следует напомнить, что в открытии радиационных поясов Земли большую роль сыграли работы акад. С.Н.Вернова и его сотрудников, проведенные на первых в истории советских искусственных спутниках Земли.

И в заключение — кому предназначена эта книга? По уровню изложения она вполне доступна школьникам старших классов и прежде всего лицам, интересующимся астрономией, в том числе историей и ролью «дневной звезды» — нашего Солнца.

Введение и гл. 1—8 переведены Б.А.Иошпой, гл. 9—11 и указатель — Е.В.Ивановым.

Б.А.Иошпа Е.В.Иванов

Предупреждение!

В этой книге рассказывается о Солнце. Ни при каких обстоятельствах никто не должен пытаться смотреть пряма на Солнце, даже через светофильтры или закопченные стекла. Солнце — мощный источник инфракрасного и ультрафиолетового излучения; если оно окажется сконцентрированным на сетчатке глаза, это может привести к непоправимым последствиям для зрения.

В гл. 3 описан безопасный метод наблюдений Солнца путем проектирования его изображения на экран из белого картона.

Введение

Среди миллиардов звезд Млечного Пути Солнце — звезда, ничем особенным не выделяющаяся. Когда мы задумываемся о непостижимой разуму огромности космоса с бесчисленными скоплениями галактик, разбросанных по пространству, мы поражаемся незначительности нашей планеты, нашего Солнца, даже нашей Галактики перед молчаливыми просторами Вселенной. Гигантский диск нашей Галактики кажется нам светлой пеленой, наброшенной на небо. В действительности это плоский заполненный звездами диск, из центра которого выходят два спиральных рукава. Наше Солнце расположено далеко от центра Галактики вдоль одного из таких рукавов. 32 000 световых лет отделяют Солнце от центра Млечного Пути. В Галактике миллиарды звезд, подобных Солнцу, поскольку у него типичные для большинства звезд размер, масса, структура, температура и светимость. Единственная причина особого интереса, который астрономы проявляют к Солнцу, очень проста — мы обращаемся вокруг этой звезды и поэтому можем изучать ее подробнее, чем другие звезды. Нет другой звезды, настолько близкой к нам, чтобы мы могли исследовать тонкую структуру ее поверхности. Ни о какой другой звезде мы не можем с определенностью утверждать, что у нее есть несколько планет, хотя с теоретической точки зрения это вполне вероятно. Неверно, что все астрономы наблюдают темное звездное небо. На самом деле примерно каждый пятый астроном посвятил себя изучению Солнца.

Современная наука о Солнце включает в себя, кроме традиционной астрономии, еще много других научных дисциплин. Солнечная энергия является основным источником всех естественных явлений на Земле: она нагревает ее атмосферу, океаны и поверхность суши. Она должно быть влияет каким-то образом на климатические изменения, такие как засухи, ледниковые периоды и т.д. Частицы, извергаемые Солнцем в периоды бурного выделения энергии, например во время солнечных вспышек, вызывают на Земле полярные сияния, изучаемые исследователями атмосферы. Внутренние слои Солнца представляют собой уникальную лабораторию для физиков. Там такие температуры, давления и плотности, каких никогда не получить на Земле. Благодаря Солнцу мы можем изучать взаимодействия горячей плазмы с магнитными полями. Именно Солнцу мы обязаны тем, что знаем, какие процессы приводят к освобождению ядерной энергии внутри звезд. Солнце также владеет секретами химического состава Вселенной. Оно сконденсировалось из космического газового облака. Мы можем выяснить этот первичный химический состав, изучая содержание элементов на Солнце в настоящее время.

Физика Солнца представляет собой важную отрасль астрономии. В шестидесятые и семидесятые годы она была Отодвинута на второй план в результате целого ряда открытий экзотических объектов, сделанных радио- и рентгеновской астрономией. Радиогалактики, квазары, пульсары, нейтронные звезды и черные дыры — все эти названия входили в обыденную речь по мере того, как ученые открывали явления, которые, казалось, находились в противоречии с установившимися теориями. Все это время на солнечных обсерваториях спокойно продолжалась обычная работа. Но 14 мая 1973 г. из Флориды был запущен «Скайлэб». Эта орбитальная станция, предназначенная для солнечных исследований, произвела переворот в современной физике Солнца. Полученные результаты еще долгие годы будут внимательно изучаться. На станции были расположены шесть телескопов, детально исследовавших Солнце в широком спектральном интервале, включающем рентген и ультрафиолет, не пропускаемые нашей атмосферой. Станция с экипажем на борту функционировала 171 день. Все ее исследовательские задачи были успешно выполнены, даже перевыполнены.

В эти же годы резко повысился интерес к проблеме источников энергии на Земле. Не существует дефицита энергии как таковой, есть просто дефицит дешевой и легко доступной энергии. Солнце обладает огромными запасами тепловой энергии, причем бесплатной и не вызывающей побочных эффектов, связанных со сгоранием ископаемого топлива или радиационной опасностью при использовании ядерной энергии. Любая разумная энергетическая политика дальнего прицела должна опираться на все большее использование солнечной энергии. Это сейчас общепризнано и служит усилению интереса к солнечным исследованиям.

В этой книге я сделал попытку рассказать в общих чертах о нашем сегодняшнем понимании Солнца. Это очень увлекательная повесть, включающая историю, физику, астрофизику, космические исследования и энергетические проблемы. Объединяющей темой является рассказ о том, как с точки зрения физики можно объяснить большинство наблюдаемых явлений. В то же время я подчеркиваю, что наблюдения Солнца оказали неоценимую услугу физической теории на определенных стадиях ее развития.

Читатели, желающие продолжить знакомство с миром Солнца, могут найти в краткой библиографии, приводимой в конце книги, отправную точку для изучения обширной литературы по Солнцу.

Древнее Солнце

В древние времена люди обожествляли Солнце как почти единственный источник тепла и света. Даже теперь эта традиция продолжает существовать среди некоторых примитивных племен, сохранившихся почти незатронутыми современной цивилизацией в пустыне и джунглях. Если взглянуть в глубь тысячелетий, на память приходят таинственные древние сооружения, сохранившиеся до наших дней — великие египетские пирамиды, одинокие каменные круги эпохи мегалита в Западной Европе, остатки цивилизации майя. Почему наши предки тратили столько усилий на воздвижение этих монументов? Мы не знаем точного ответа, однако потребность следить за движением Солнца была несомненно одним из главных стимулов в их строительстве.

Современные двойники этих старинных храмов — солнечные обсерватории. Наше Солнце поддерживает жизнь на планете. Оно влияет на климат и представляет серьезную опасность для людей, работающих в космосе. Поэтому Солнце находится под постоянным наблюдением астрономов. Они хотят узнать как можно больше о его деятельности и о том, как Солнце влияет на нас и на окружающую среду. Для этого ученые сооружают специальные обсерватории в местах с наибольшим количеством ясных дней. Используя сеть обсерваторий, ученые почти непрерывно могут исследовать магнитное поле и излучение Солнца.

Астрономы обнаружили, что возраст и размеры нашей Вселенной огромны. Она представляется человеческому разуму безграничной и вечной. Бесконечная Вселенная состоит из скоплений галактик, разбросанных в черной пустоте космоса, причем отдельные галактики, входящие в эти скопления, разделены миллионами световых лет. Наш Млечный Путь — это одна из таких галактик, видимая нами изнутри как скопление звездной пыли, рассыпанной по небосклону. Здесь, в непосредственном соседстве с нами, расположены сотни миллиардов звезд. Они образуют спиральную галактику, протяженность которой составляет сотни тысяч световых лет. В одном из спиральных рукавов этой галактики вдали от края Млечного Пути находится наше Солнце. Именно то, что оно наше Солнце, наша дневная звезда, и выделяет его для нас из бесконечного множества звезд. Оно ближе к нам, чем любая другая звезда, хотя пассажирскому самолету понадобилось бы 20 лет, чтобы достичь его, если бы такие путешествия были возможны. Излучение Солнца, нагревающее и освещающее Землю, проходит это кажущееся нам столь огромным расстояние за время, лишь немного превышающее восемь минут.

В этой книге я расскажу о Солнце с позиций современной астрономии. Осознание нами значения Солнца возросло в связи с внушающими опасения предсказаниями о том, что запасы нефти и угля на Земле истощатся в недалеком будущем. Единственное, рассчитанное на долгий срок решение этой неизбежной проблемы — возможность надежного и разумного использования ядерной и солнечной энергий. Наше будущее будет зависеть от успеха ученых в использовании огромной энергии солнечного излучения. Растущее осознание неисчерпаемости солнечной энергии привело к увеличению исследований в этой области и к драматическим открытиям, касающимся природы Солнца. Мы можем видеть Солнце сквозь широкое спектральное окно, на одном конце которого находится рентген, а на другом — радиоволны. Все это вызвало революцию в солнечных исследованиях. Но начнем наш рассказ об изучении Солнца с древних времен. Мы увидим, что многое, сделанное тогда, по крайней мере так же впечатляет, как и современные достижения.

5 тысяч лет тому назад в Южной Англии в эпоху неолитической культуры начали серьезно заниматься астрономией. Предки неолитического человека перешли теперешний Ла-Манш по узкому перешейку земли, соединявшему тогда Британские острова с Европейским континентом. Около 10 000 лет до нашей эры волны разбушевавшегося Северного моря затопили перешеек и отрезали охотников среднего каменного века от континента. Постепенно произошел переход от общества охотников и собирателей трав к сельскохозяйственной общине. Около 3000 лет до нашей эры возникло неолитическое общество, начала развиваться технология, позволившая вырубать лес, очищать землю от кустарника, сеять и собирать пшеницу, передвигать огромные каменные глыбы. Развитие сельского хозяйства вело к более оседлому образу жизни, который побуждал к сотрудничеству и оставлял больше времени для размышлений.

Около 2600 лет до нашей эры (мы не можем назвать более точную дату) люди эпохи неолита в Южной Англии вырыли большой кольцевой ров на слегка холмистой равнине около города Солсбери. Ров имел форму правильного круга диаметром около 105 м. Выброшенные земля и булыжник образовали 2 вала по обе стороны рва. Около 3000 куб. метров дробленого мела нужно было выкопать при помощи кирок и скребков, сделанных из костей животных. И в самом деле, из плечевой лопатки быка может выйти неплохая лопата. Примерно 10 лет труда ушло на сооружение двух меловых валов. В северной части круга было оставлено место для входа. В 30 м перед входом за кольцом был установлен вертикальный камень, теперь называемый Пяточным. Длина этого знаменитого камня из песчаника — 6 м, а вес 35 т. Тем не менее он был перенесен на 32 км из известковых холмов Марлборо-Даунс, покрытых тогда крупными валунами, к месту теперешнего нахождения. По-видимому, для изобретательных строителей нового каменного века эта задача не представлялась чрезмерно трудной. Пяточный камень был установлен в меловой дыре вертикально, однако за последние 5 тыс. лет он наклонился на 30° (рис. 1).

рис. 1

Внутри кругового вала были сделаны две насыпи и четыре камня были установлены по углам прямоугольника. Затем было выкопано 56 лунок, разделяющих круг на 56 равных сегментов. Неплохо для неграмотных людей, занимающихся практической геометрией за 2000 лет до Эвклида, основателя геометрии как точной науки! Но для чего делали все это?

План Стоунхенджа, на котором показаны внешний вал и круг лунок, окружающих монументальное сооружение, воздвигнутое из огромных глыб. Пяточный камень (отмеченный номером 96) служил своеобразным визиром для фиксации положения Солнца в момент летнего солнцестояния. Четыре визира, отмеченные номерами 91, 92, 93 и 94, указывали на астрономически важные направления, отмечавшие восход и заход Солнца и особые положения Луны. 56 лунок Обри, первые 32 из которых пронумерованы на плане, представляли собой вычислительное устройство, помогающее определять наступление затмений. Подобное симметричное сооружение можно было воздвигнуть лишь на широте Стоунхенджа.

Изнутри круговые стены выглядели как ослепительно белое ограждение, замыкающее священное место, с его 56 лунками и точными прямоугольниками. Остальная часть Стоунхенджа — гигантские арки и мегалиты, которые поражают посетителей сегодня, были воздвигнуты лишь спустя 1000 лет.

В 1963 г. Джеральд Хокинс раскрыл тайну Стоунхенджа. В своем сенсационном докладе, опубликованном в научном еженедельнике Nature, он выдвинул по-настоящему смелую, однако спорную теорию, согласно которой Стоунхендж был сооружен как астрономическая лаборатория для наблюдений траекторий Солнца и Луны. Преследовались, по-видимому, 2 цели: упорядочение календаря для сельскохозяйственных нужд и предсказание солнечных затмений.

Чтобы пояснить вышесказанное (применимое и к другим древним каменным кругам), необходимо сначала описать движения Солнца и Луны, как они понимались строителями Стоунхенджа. Солнце восходит в разных точках горизонта в различные дни года. В северном полушарии в день летнего солнцестояния оно восходит в самой северной точке горизонта и в самой южной точке — в день зимнего солнцестояния. Это сразу дает способ проверки календаря. Тщательно, день за днем отмечая восходы Солнца, астрономы Стоунхенджа при помощи соответствующих отметок могли отождествить поворотные точки годового цикла. Две деревянные палки, находящиеся в 10 м друг от друга, могли играть роль визирных линий к горизонту. После нескольких лет практики можно было зафиксировать направления критических линий восхода и захода при помощи неподвижных столбиков и даже камешков. По-видимому, первые строители Стоунхенджа так и делали, поскольку наблюдатель в центре прямоугольника видит восход Солнца в день летнего солнцестояния прямо над вершиной Пяточного камня. Две стороны прямоугольника представляют собой те же самые визирные линии. Другие особенности геометрии Стоунхенджа производят еще большее впечатление. Если посмотреть в направлении, противоположном лучам восходящего летнего Солнца, то мы увидим точку на южном горизонте, где Солнце садится в дни зимнего солнцестояния.

Из всех естественных явлений на небе наибольшее впечатление производят затмения, которые возникают тогда, когда Солнце, Земля и Луна оказываются на одной прямой линии. Если Луна находится между Солнцем и Землей, наступает солнечное затмение, так как Луна загораживает от нас Солнце. Лунные затмения возникают, когда Земля находится между Солнцем и Луной, набрасывая тень на Луну. Полные лунные затмения довольно часты, так как Земля намного больше Луны, и поэтому вероятность прохождения Луны через тень Земли относительно велика. В то же время полные солнечные затмения наблюдаются только в каком-то одном районе земного шара. Полное солнечное затмение гораздо более редкое явление, чем лунное. Большинство людей так никогда и не видят полного солнечного затмения.

Чтобы предсказать предстоящее затмение, необходимо тщательно отмечать движение Луны. Плоскость траектории Луны вокруг Земли отклоняется немного больше 5° от плоскости траектории годового движения Земли вокруг Солнца. Это приводит к тому, что относительное движение Луны по небу гораздо сложнее солнечного. Наклон плоскости лунной орбиты медленно меняется со временем и проходит полный цикл за 18,61 года. В результате экстремальные положения восхода и захода Луны, определяемые относительно горизонта, наблюдаются каждые 18,61 года.

В Стоунхендже длинные стороны прямоугольника направлены на самые южные точки восхода Луны и самые северные точки ее захода. Кроме того, одна диагональ одновременно определяет два важных промежуточных положения восхода и захода Луны. Одна из удивительных черт астрономических линий Стоунхенджа — их простая и в то же время замечательная симметрия. Всего одного прямоугольника достаточно для определения почти всех основных положений восхода и захода Солнца и Луны.

Разрушенные каменные монументы эпохи неолита можно найти по всей Западной Европе, а на Британских островах имеется множество маленьких каменных кругов. В большинстве случаев они вполне пригодны для календарных целей, особенно если мы учтем, что ошибка на неделю тогда не имела особого значения. Ведь для того, чтобы упорядочить календарь только для сельскохозяйственных нужд, можно ориентироваться и на миграцию птиц и на времена зимовки животных и цветения растений. Для чего же был сооружен Стоунхендж и почему его структура так сложна? Совершенно ясно, что на определение лунных линий не было бы затрачено столько усилий только с целью упорядочения календаря. Построение большого числа критических линий в прямоугольнике указывает на существование другой задачи. Если Стоунхендж передвинуть на другую широту, хотя бы только на 10 км на север или юг, он просто не будет действовать! Только на этой единственной широте линии Солнца и Луны могут быть определены при помощи прямоугольника. Что же кроется за этим хитроумным сооружением?

Хокинс и другие ученые, например известный космолог Фред Хойл, предположили, что этот уникальный прямоугольник использовался для определения дат затмений, видимых в Стоунхендже. Для этой цели необходимо намного более точное устройство, чем для простого повторяющегося календаря. Этой теорией можно также удовлетворительно объяснить существование 56 лунок, находящихся на одинаковом расстоянии друг от друга, которые несомненно должны были выполнять какую-то определенную полезную функцию (рис. 2).

рис. 2

Чтобы предсказать затмения, нужно было в совершенстве овладеть методом слежения за течением 18,61 годового цикла Луны. Если 18,61 умножить на 3, то получается почти точно число 56. Это дает повод думать, что лунки служили своего рода вычислительной машиной. Если маркировочный камень передвигать каждый год на 3 лунки, то он пройдет полный цикл так же, как и Луна, за 18,67 года. Это было одно из основных открытий Хокинса; он показал, как, найдя способ не сбиться со счета, можно было предсказать некоторые, хотя и не все, солнечные затмения в Стоунхендже.

Фред Хойл, работая над этой же проблемой, пришел к гениальному, хотя и довольно сложному, решению. Он показал, что, передвигая 4 маркировочных камня по определенной схеме и варьируя расстояния между лунками, можно предсказать почти все затмения. Он указал на возможность коррекции неизбежно возникающих при пользовании схемой небольших ошибок; возможно, небольшие поправки производились в моменты, когда Солнце или Луна достигали своих критических положений при восходе и заходе. Теория Хойла предусматривает возможность использования Стоунхенджа даже сейчас в качестве надежного предсказателя затмений без внесения значительных изменений в древнюю схему. Конечно, мы не можем доказать, что все так и было в действительности, но и любой историк, работающий с письменными источниками, не может доказать, в том смысле, как это понимают ученые, реальность событий прошлого, за исключением самых элементарных. Доказано лишь, что современный человек может все еще предсказывать затмения, используя Стоунхендж.

Вообразите только, какой властью обладал предсказатель затмений! Солнце, свет Вселенной, самый могущественный из богов, исчезает при полном затмении. Очевидно, что тот, кто был способен предсказать такое исключительное событие, должен был обладать значительной политической и религиозной властью. И в тех редких случаях, когда священники предсказывали затмения, которые на самом деле не наблюдались, они могли объяснить это своим вмешательством в божественные дела.

Почти тысячу лет после первых строителей Стоунхенджа люди раннего бронзового века управляли Стоунхенджем. Эти преемники обладали секретами плавки металлов, добывали руду, занимались сельским хозяйством, торговали. Пышные захоронения свидетельствуют о прочности уклада, богатстве, предпринимательской деятельности правителей, торговавших с Шотландией, Египтом и Скандинавией. Люди раннего бронзового века также начали работу над постоянным храмом — свидетельством их астрономических знаний.

Беспорядочная каменная кладка, которую мы видим сейчас, была осуществлена нелегкой ценой. Например, ряды камней, так называемые голубые камни, которые в конце концов были расположены в форме круга и в форме подковы, привозились на лодках или плотах из Пресельских гор Уэльса. Более 80 камней, весивших 5 тонн каждый, перетаскивались вручную на санях и катках сначала вниз к естественной гавани у Милфорд-Хейвена, потом морем к устью реки Эйвон, а оттуда по суше до Стоунхенджа. Какая неудержимая сила влекла людей в Уэльс искать эти камни? Этого мы не знаем.

Совсем недалеко, в Марлборо-Даунсе, строители бронзового века нашли огромные серые глыбы, которые образуют арки и круг из гигантских колонн, или сарсенов. Каждый сарсен весит 25—50 тонн, а его длина достигает 5 м. Строители соорудили внешнее кольцо из 30 вертикально поставленных камней, покрытых сверху горизонтально уложенными плитами, чтобы получить полный круг связанных между собой арок. В центре сооружения были воздвигнуты 5 отдельных арок снова в виде подковы. Через большой центральный трилит или арку хорошо виден восход Солнца над Пяточным камнем в день летнего солнцестояния.

Некоторые приемы, необходимые для постройки Стоунхенджа, были продемонстрированы по телевидению. Вероятно, для того чтобы передвинуть один сарсен, требовалось несколько сотен людей, которые тянули его, волокли, устанавливали деревянные катки и расчищали дорогу. Лунки и рвы выкапывались при помощи оленьих рогов и бычьих лопаток. Чтобы уложить на место перекладины арок, требовались огромные насыпи из булыжника и земли. Многие камни обтесывались при помощи ударов больших молотов, а далее их поверхность отшлифовывалась путем протаскивания по ней тяжелых камней. Около 60 тысяч человеко-дней ушло только на эту работу. А на всю работу по строительству Стоунхенджа должно было потребоваться около 1,5 млн. рабочих дней. Такая самоотверженность могла быть достигнута только при устойчивой общине, устремленной к общей цели.

И в результате Стоунхендж стал представлять собой самый изумительный научный прибор на свете — поражающую воображение обсерваторию для наблюдения за Солнцем и Луной. С точки зрения экономики, на его строительство ушло больше средств, чем на любую современную солнечную обсерваторию (относительно общих ресурсов общества). В этом отношении строительство Стоунхенджа можно сравнить только с программой космических исследований 1960-х годов.

Стоящие камни определяют направления множества узких лучей зрения к горизонту, большое число которых совпадает с направлениями восхода и захода Солнца в критические времена года. Но огромные каменные арки не очень точно фиксируют эти положения, так как центральные круги камней слишком близки друг к другу. Чтобы достаточно точно провести линию, нужны две точки, расположенные на расстоянии нескольких сотен шагов друг от друга. Тогда с какой же целью этот храм Солнца был воздвигнут, причем такой высокой ценой? Мы не знаем этого, но во всяком случае сооружение Стоунхенджа дало понять последующим поколениям, что древний человек угадал секрет солнечных затмений и достиг в этом гораздо большего, чем так часто превозносимые вавилоняне. Возможно, Стоунхендж играл роль центра, подобного национальным обсерваториям нашего времени, для координации работ меньших каменных кругов.

Другим указанием на раннее изучение Солнца в Европе могут служить традиции захоронений. В Нью-Гранж, Каунти-Мит (Ирландия), находится замечательная галерея могил. Это захоронение эпохи мегалита датируется 2500 годом до нашей эры. Оно окружено каменным кругом. Гробница установлена так, что в день зимнего солнцестояния первые лучи восходящего Солнца попадают в усыпальную камеру, находящуюся в конце гробницы. Этот критический момент является поворотным пунктом в солнечном цикле, когда слабеющее Солнце, лучи которого только в этот день согревают усыпальницу, перестает опускаться, начиная снова свое восхождение по небу.

Небесные боги преобладали в теологии древнего Египта. Небесная богиня Нат поддерживала небесный свод, Солнце совершало свой дневной путь в колеснице. Согласно египетской космологии 2000 года до нашей эры, ночью Солнце двигается под Землей с запада на восток. Среди египетских храмов наибольшее впечатление производит комплекс в Кар-наке, расположенный в современном городе Луксоре. 15 больших храмов включают группу, посвященную богу Солнца Ра и богу Тебеса — древнего города, находившегося тогда на месте Луксора. Основные оси храма Амон-Ра направлены на точку восхода Солнца в самый короткий день года с точностью до 0,05 градусов. Другие храмы архитекторы посвятили Луне.

Важной особенностью египетских памятников являются сохранившиеся письменные свидетельства в виде иероглифов и настенных росписей. Они не оставляют никаких сомнений как в намерениях строителей, так и в достижениях астрономии того времени. В Амон-Ра археологи нашли надписи, посвященные восходу Солнца. Можно даже найти место, предназначенное для поклонения Солнцу, в этом месте сохранилась фреска, на которой изображен фараон, помогающий Амон-Ра и другим богам заложить основание храма. На фреске есть надпись: «Прими наше поклонение твоему прекрасному лику, владыка богов, Амон-Ра, первородный бог двух царств». Это место мы назвали бы сейчас обсерваторией, т.е. местом для наблюдения за Солнцем, точнее, за его восходом во время зимнего солнцестояния.

Глыбы известняка общим весом в 6 млн. т вытянуты вдоль линии восхода Солнца в первый день весны. Стороны пирамиды Гизе, датируемой 2800 г. до нашей эры, тянутся с востока на запад. Охраняющий пирамиды сфинкс пристально смотрит в пустыню, вглядываясь в розовую утреннюю зарю, улавливая первые лучи Солнца в день весеннего равноденствия.

Египет изобилует символами поклонения Солнцу и сооружениями для систематического наблюдения за ним. Амон-Ра, пирамида Гизе, сфинкс и великий храм Абу-Симбел, спасенный ЮНЕСКО от вод искусственного озера Насер, являются величайшими в мире памятниками, посвященными Солнцу. Дважды в год яркое восходящее Солнце, пересекая пустыню, проникает во внутреннее святилище храма Абу-Симбел, освещая статую фараона Рамзеса II, окруженную с двух сторон статуями бога Солнца.

Большая часть произведений искусства Египта рассеяна по музеям всего мира. В Центральном парке Нью-Йорка и на каменной набережной Лондона стоят обелиски-близнецы. Это так называемые Иглы Клеопатры, весят они 200 тонн, а высота их составляет 21 м. Вырезаны они из цельного гранита. Воздвигнутые в Гелиополисе (городе Солнца) тем же фараоном, который построил солнечную обсерваторию в Карнаке, они вначале были покрыты золотом. Возможно, они использовались как вертикальные теневые «столбы» («палки»), т.к. на их поверхностях есть надписи, посвященные богу Солнца Ра. Однако их точного назначения мы не знаем, поскольку Цезарь в 14 г. нашей эры передвинул их на другое место. Один обелиск привезли в Нью-Йорк в 1878 г., а другой оказался в Лондоне в 1880 г. Перевезенные в край, менее любимый Солнцем, они разрушаются очень быстро. Для спасения их следовало бы отвезти обратно в пустыню.

Если говорить о широте астрономических знаний, то вавилоняне превзошли египтян, хотя они уделяли основное внимание не Солнцу, а Луне. Месопотамия, теперешний Ирак, была колыбелью великой цивилизации, строившей укрепленные города уже 5000 лет тому назад. Там тоже были свои обсерватории — наблюдательные башни, называвшиеся зиккуратами. Вавилонская башня — один из самых известных примеров. Как уже было сказано, вавилонская астрономия ориентировалась на наблюдения Луны. Вавилоняне пользовались лунным календарем, а не солнечным, как мы. Писцы храмов вели подробные астрономические дневники. Они отмечали положения небесных тел при помощи клинообразных знаков на мягких глиняных табличках, которые потом обжигались. По счастливой случайности большинство из них сохранилось. Британский музей приобрел несколько корзин таких табличек в конце XIX века, купив их у багдадских торговцев. Много табличек было спасено от строителей, которые хотели использовать эти замечательные «кирпичики» в современных постройках. Астрономические записи: позволяли вавилонским священникам предсказывать поведение планет, Луны и Солнца. Они знали, что затмения возникают периодически; причем один из периодов составляет 135 месяцев, в течение которых существуют 23 интервала, когда вероятность наступления затмения особенно велика. Замечательный метонический цикл (названный в честь грека Метона из Афин, который позже изобрел календарь, основанный на этом цикле) длится 19 лет. Он также был известен в Вавилоне. Однако строители Стоунхенджа все-таки лучше разбирались в этой астрономической «игре».

На Американском континенте мы находим еще больше важных свидетельств поклонения Солнцу или, как мы эта сейчас бы назвали, занятий солнечной астрономией древними народами. Мезоамериканская астрономия до Колумба и до испанских завоеваний процветала на фоне культуры, богатой прекрасными зданиями, искусством и золотом. Испанцы уничтожили местную американскую культуру главным образом из-за своего невежества и небывалой жадности. В результате мировая культура понесла одну из своих величайших потерь. Наши сведения об астрономии древних американцев в основном опираются на свидетельства, оставшиеся от цивилизации майя: резные каменные плиты и манускрипты, называемые кодексами. Майя жили в Юкатане на Гватемальской возвышенности и в западной части Гондураса и Эль-Сальвадора. Их цивилизация достигла своего расцвета в период 200—900 лет н.э., когда европейская мысль задыхалась под гнетом раннего средневековья, последовавшего за крушением Римской империи. После 900 г.н.э. джунгли; и лес начали вторгаться в большие города, поэтому, когда в 1540 г.н.э. пришли испанцы, города были уже в состоянии сильного упадка.

В астрономии майя господствовали цифры, циклы и, самое главное, жгучее желание увековечить ход времени. Нигде мы не находим такой одержимости временем, как у майя, которые оставляли записи о его беге буквально повсюду; на лестницах, в коридорах, на плитах и стенах. Календарь майя был настолько развит и тщательно разработан, что он мог фиксировать даты событий за прошедшие сотни миллионов лет.

Знание затмений было превосходным. Это мы видим из так. называемого Дрезденского кодекса, одной из нескольких прекрасных книг иероглифов, переживших испанское завоевание.

В Дрезденском кодексе имеется таблица, предсказывающая затмения. По этой таблице можно безошибочно рассчитать 1034 последовательных затмения, которые произошли на Земле в период между 206 и 647 годами н.э. С небольшими изменениями мы могли бы также использовать эту таблицу для предсказания всех затмений вплоть до XXV века, а может быть, и более поздних. Майя представляли время, как координату, которая, выходя из бесконечности в прошлом, тянется вечно; вот почему их таблицы уходили так далеко в будущее.

В том же Дрезденском кодексе есть изображение солнечного божества — древнего бога с одним большим глазом. Ацтеки центральной Мексики обожествляли Солнце — Тонатиу — молодого краснолицего бога. По преданию, он был сотворен в древней столице ацтеков Теотиуакане в горах. Чтобы умилостивить бога, его надо было кормить сердцами храбрецов, что, вероятно, имело серьезные последствия, по крайней мере для некоторых жителей. Эти устрашающая жестокость и бесчеловечность, вызванные поклонением Солнцу, прекратились лишь тогда, когда Кортес уничтожил весь род ацтеков.

Майя, как и строители эпохи мегалита в Европе до них, наблюдали за движением бога-Солнца. Их двойная календарная система пользовалась двумя отдельными циклами в 260 и 365 дней. Поскольку Земля на самом деле совершает свой оборот вокруг Солнца за 365,25 дня, при использовании, годового периода в 365 дней за столетие происходит смещение времени года на 25 дней, а за 1508 лет это смещение составляет полный год. Поэтому избранная группа астросвященников следила за движением небесных тел для упорядочения календаря и приведения его в соответствие с временами года. При этом они не использовали високосных дней. В Яксактуне в Гватемале они соорудили Тройной храм на низком основании в точности к востоку от великой пирамиды майя. В трех критических точках восхода Солнца — в дни весеннего равноденствия, летнего и зимнего солнцестояния — солнечный диск поднимался над соответствующей крышей Тройного храма. В Чичен-Ица в Мексике, последнем великом городе майя, также существует обсерватория с 13-метровым куполом и с внутренней спиральной лестницей — нечто вроде обсерватории Маун-Паломер каменного века. Через три щели в цельной каменной кладке купола майя наблюдали заход Солнца и Луны в дни равноденствия.

Высоко в Перуанских Андах процветала культура инков. Инки, как и фараоны Египта, считали себя детьми Солнца. Поэтому поклонение Солнцу постоянно присутствовало в их ритуальной и повседневной жизни. В период расцвета империя инков простиралась на 1000 миль от Кито в Эквадоре до Чили. Мачу Пикчу (Machu Picchli) — заброшенный город инков был расположен на зеленых холмах на высоте 2400 м над уровнем моря, на краю дождливого амазонского леса. На территории храма находился каменный гномон, или теневая палка, по которой отсчитывали время суток и определяли времена года. Центр Вселенной, по космологии ацтеков, лежал около озера Титикака — легендарного места рождения Солнца.

Тур Хейердал своим путешествием на деревянном плоту из Чили к островам Южного моря хотел продемонстрировать связь между культурами Полинезии и Анд. Мог ли Кон-Тики — бог Солнца инков — быть связанным с Тики, солнечным божеством Полинезии? Хотя Хейердал показал, что такое путешествие можно было совершить, одно это не доказывает существования непосредственной передачи идей между Андами и архипелагом Южного моря.

В Японии, стране Восходящего Солнца, в середине XX столетия утвердился синтоизм — религия, основанная на поклонении Солнцу. Вытекающая из религиозных традиций, уходящих в глубь тысячелетий, эта вера утверждала, что богиня-Солнце была основателем японского государства, а император происходит от Солнца и поэтому императорская династия будет править Японией вечно.

Очевидно, что с ранних времен поклонение Солнцу было широко распространено среди многочисленных народов и культур. В наше время эта одержимость принимает менее религиозную форму: берега Средиземного моря, Калифорния, Флорида и Сидней кишат жаждущими загореть поклонниками. Не так давно, когда большинство людей жило в деревнях, богатые слои общества умышленно избегали Солнца, загар считался признаком деревенского жителя. Сейчас роли изменились, и коммерсант со своей призрачно-белой от сидения в конторе кожей тоскует по жгучим лучам и горячим пескам.

Возможно, хотя и нельзя утверждать определенно, уже 20 000 лет тому назад проводились систематические наблюдения Луны. Такой вывод можно сделать на основании меток и царапин на костях животных. Но несомненно к 3000 г. до н.э. знания о Луне и Солнце накопились независимо на американском континенте, на Ближнем Востоке и в Западной Европе. В Америке непрерывные наблюдения продолжались вплоть до испанского завоевания, а в Старом Свете они были прекращены гораздо раньше в результате новых переселений народов, появления новых философских и религиозных течений. Как повезло нам, что строители эпохи мегалита соорудили прочные памятники, из которых мы можем так много узнать об их верованиях. Нам сейчас трудно понять то значение, которое придавали небу обитатели древнего мира. Но когда в следующий раз вас застанет солнечный восход где-нибудь в спокойном месте на природе, не торопитесь. Помню великолепные рассветы в Австралии. С горы Сайдинг Спринг я мог видеть простирающиеся на много миль пастбища Нового Южного Уэльса. Вот звезды исчезли с посветлевшего неба. Сверху небо светло-серое, а ниже — розовое. Наконец, как будто из-под земли, медленно и неумолимо восходит сверкающее, пугающе огромное кроваво-красное Солнце. Нарушая утреннюю тишину, воздух наполняется какофонией звуков. Пронзительно кричат восхитительные попугаи, и тень ночи быстро продвигается вниз по равнинам, а восход идет на запад — к великим центральным пустыням континента. Природа научила наших предков боготворить Солнце. Они были ближе к Земле и небу, чем мы, но в наших сердцах и сейчас мы восхваляем восходящее Солнце.

Наша ближайшая звезда

И сейчас есть много мест, где «поклоняются» Солнцу, например Майами, Бонди Биг, Коста дель Соль. Но многие ли из поклонников Солнца понимают, почему Солнце генерирует ультрафиолетовые лучи, от которых темнеет наша кожа? Несколько миллионов лет уходит на то, чтобы энергия, освобождающаяся в центре Солнца, достигла его золотой поверхности, и всего восемь минут на то, чтобы она дошла до Земли. Солнечный свет, которым мы сейчас наслаждаемся, «создан» задолго до появления Homo Sapiens как отчетливо выраженного вида. Кто будет на Земле наслаждаться выделяющейся сейчас в центре Солнца энергией, когда она через миллион лет покинет Солнце?

Наше Солнце — это одна из звезд. Но, поскольку Солнце — ближайшая к нам звезда, оно представляет особый интерес для астрономов. Земля удалена от Солнца в среднем на 150 млн. км. Другая ближайшая из известных нам звезд — Проксима Центавра, очень слабая и находится на расстоянии 4 световых лет или 40×10¹² км от Земли. Следовательно, Солнце в 250 раз ближе к нам самой близкой звезды. Чтобы сделать наглядным это различие, приведем следующий пример. Вы, вероятно, держите эту книгу на расстоянии 30 см от глаз. Пусть другая самая ближайшая книга находится на расстоянии в 75 км. Что мы можем увидеть! Даже через мощный телескоп можно различить лишь размер и цвет книги, но о содержании ее мы ничего не узнаем. Может быть, мы сможем прочесть название книги, и тогда будем знать, роман ли это, или путеводитель, или словарь. Астрономы находятся почти в таком же положении. Солнце может быть изучено довольно детально; что же касается звезд, мы узнаем лишь цвет, размеры, вид и приблизительный химический состав.

Итак, наше Солнце — самая важная для нас звезда на небе именно потому, что она ближайшая к нам. В конечном счете Солнце — источник всей энергии на Земле, за исключением той, что вырабатывается на атомных электростанциях или выделяется при радиоактивном распаде элементов. Поэтому мы все интересуемся Солнцем; ведь оно дает свет и тепло, необходимые для жизни растений и животных.

Примерно 100 лет тому назад в 1871 г. Ричард Проктор так назвал свою книгу по солнечной физике: «Солнце: Властелин, Огонь, Свет и Жизнь планетной системы».

Однако интересы астрономов простираются гораздо дальше повседневной жизни: перед ними космическая лаборатория, в которой можно исследовать процессы, важные для Вселенной в целом. Солнце может рассказать нам о самой Вселенной, если мы раскроем тайны его рождения, жизни и неминуемой смерти. В настоящее время примерно пятая часть профессиональных астрономов всего мира, около 500 человек, заняты в основном солнечными исследованиями. Большое число любителей также специализируются в наблюдениях за Солнцем.

Звезды совсем не похожи на планеты. Звезда, подобная Солнцу,— это ярко светящийся шар горячего газа с огненным ядерным очагом. Звезды целиком состоят из газа, и поэтому их поверхность не имеет резких очертаний. А планеты состоят из горных пород или являются шарами холодного газа. Основной отличительной особенностью звезд является то, что они излучают энергию, когда-то захваченную ядрами атомов. У планет, наоборот, незначительные запасы внутренней энергии, и они в основном питаются энергией ближайших звезд. Звезда светит сама по себе, а планету мы можем увидеть при помощи оптических телескопов только потому, что она отражает солнечный свет. Мне кажется очень удивительным то, что законы физики требуют ядерных реакторов размером с Солнце для извлечения энергии из субмикроскопического мира протонов и нейтронов. Размеры солнечного реактора, необходимого для выделения огромной энергии атомных ядер, в 10²² больше размеров самих этих ядер.

Я уже упоминал, что Солнце находится на расстоянии около 150 миллионов километров от Земли. Для определения расстояния до Солнца надо было хорошо разбираться в геометрии. Из астрономов прошлого только греки смогли найти разумный подход к решению этой задачи, так как они прекрасно знали то, что мы сейчас называем эвклидовой геометрией. Над входом в Афинскую академию было написано: «Кто не знает геометрии, пусть сюда не входит». Аристотель (384—322 гг. до н.э.) изучал труды Платона (427— 317 гг. до н.э.) в Академии, основанной в 387 г. до н.э. Труды Аристотеля оказывали огромное влияние на солнечные исследования в течение почти 2000 лет. Один из последователей Платона, Эвклид, живший в III веке до н.э, дал первое связное изложение геометрии прямых линий и идеальных кругов. Он показал, как при помощи логических рассуждений получить основные результаты на основании определенного набора аксиом.

Один из гигантов греческой астрономии Аристарх из Самоса (320—250 гг. до н.э.) сделал попытку использовать геометрию Эвклида для измерения расстояний, о которых до него имели весьма смутное представление. Так, например, Анаксагор (500—428 гг. до н.э.) учил, что Солнце представляет собой раскаленный камень диаметром 50 км. Метод Аристарха совершенно верен, но трудно применим на практике. Он доказал, что в тот момент, когда мы видим на небе точно половину Луны, угол между направлениями Солнце — Луна и Земля — Луна должен быть прямым. Тогда измерение угла между направлениями от Земли до Луны и до Солнца дает возможность определить все углы треугольника Солнце — Луна — Земля.

Аристарх измерил этот важный угол (Солнце — Земля — Луна) и получил величину, равную 87°. На основании этого он сделал вывод, что Солнце примерно в 20 раз дальше от Земли, чем Луна, и находится на расстоянии 6 млн. км. Но прежде чем отнестись пренебрежительно к Аристарху из-за такой большой ошибки, вспомните, что он был первым астрономом, который понял, что Земля вращается вокруг Солнца и что Луна светит за счет отраженного солнечного света. По крайней мере Аристарх показал, что размеры солнечной системы огромны по сравнению с земными масштабами. Солнце дало возможность понять, что Вселенная гораздо больше Земли, что являлось для того времени значительным достижением. Трудность этого наблюдения — одного из немногих реальных наблюдений, проведенных греческими учеными,— состоит в необходимости точно предсказать время, когда Луна будет находиться в своей половинной фазе.

Рис. ГЕЛИОЦЕНТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМЕ КОПЕРНИКА.

Расстояние очень сильно зависит от правильного нахождения угла, а так как угол в 87°, определенный Аристархом, далек от истинного значения, равного 89,85°, то его расчеты расстояния оказались совершенно неверными.

Прошло еще 2 тыс. лет, пока новый научный метод, возникший в XVI веке, начал использоваться для определения размеров солнечной системы. Все началось с Коперника (1473—1543), который в своей книге, опубликованной лишь в год его смерти, выдвинул смелые доводы в пользу того, что именно Солнце находится в центре солнечной системы и что оно не обращается вокруг Земли. В это время господствовало учение Аристотеля, ставшее преобладающим начиная с XIII века. Согласно философским воззрениям Аристотеля, Земля является центром Вселенной. Идеи Аристарха были преданы забвению. Вначале идеи Коперника снискали расположение католической церкви, они были признаны ошибочными только в 1616 г. Выводы Коперника стали составной частью идей, вызвавших интеллектуальное брожение, охватившее Европу в XVII веке.

Тихо Браге (1546—1601), первый наблюдатель в современном смысле этого слова, начал проводить систематические наблюдения за движениями планет в прекрасно оборудованной обсерватории, расположенной на побережье Швеции. Иоганн Кеплер (1571—1630) некоторое время работал помощником Тихо, а после смерти последнего унаследовал все накопленные его учителем данные наблюдений. Кеплер, мистик и астролог, провел фантастически огромную работу по анализу и интерпретации наблюдений Тихо. После двух десятилетий упорного труда он пришел к установлению ряда новых закономерностей. Он обнаружил, что планеты обращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, нашел связь между размером орбиты и временем обращения планеты вокруг Солнца, определил характер изменения скорости движения планеты по ее траектории. Эта работа упрочила положение Солнца как неизменного владыки солнечной системы. Исаак Ньютон (1642—1727), блестящий английский математик, был тем человеком, который раскрыл причины такой поистине королевской власти Солнца.

Кеплер установил ряд законов. Ньютон показал, почему планеты, вращающиеся вокруг Солнца, подчиняются этим законам. Использовав развитую им новую область математики, а именно дифференциальное исчисление, Ньютон объединил силы Земли и неба в единый замечательный синтез: он открыл закон всемирного тяготения. Хорошо известен рассказ о том, как падение яблока привело Ньютона к установлению этого закона. Он показал, что сила, которая притягивает падающий предмет к Земле, удерживает Луну на ее орбите вокруг Земли. Развивая эту идею, он смог показать, что планеты удерживаются на своих орбитах силой притяжения со стороны Солнца. Эллиптическая форма орбит совершенно естественно вытекает из теории Ньютона.

Законы движения, сформулированные Ньютоном, заново дали возможность рассчитать расстояние от Солнца до Земли. Даже сейчас, в конце XX века, непосредственно измерить это расстояние достаточно трудно. Поэтому вместо непосредственного измерения расстояния от Солнца до Земли измеряется в какой-то определенный момент расстояние от Земли до другого тела, обращающегося вокруг Солнца. Такое измерение может быть произведено сравнительно легко. На основании законов Ньютона можно рассчитать все остальные расстояния, принимая расстояние от Земли до Солнца за астрономическую единицу. Для перевода этих расстояний в километры надо было измерить в километрах расстояние хотя бы до одной планеты.

Сначала астрономы пытались измерить расстояние до Марса, так как он находится ближе всех других планет к Земле. Способ измерения заключается в определении видимого положения планеты на небе из разных точек Земли. Если смотреть на нашу соседнюю планету из различных обсерваторий, то из-за паралакса ее положения на небе не будут точно совпадать. Для определения расстояния от Марса до Земли достаточно знать расстояние между двумя обсерваториями и разность угловых положений Марса на небе по их измерениям. Угол направления на Марс телескопов, расположенных на противоположных сторонах земного шара, будет отличаться на 0,75". Первое применение этого метода дало значение расстояния до Солнца, равное примерно 136 млн. км.

Капитан Джеймс Кук во время своего первого путешествия (1768—1771) заново открыл Новую Зеландию и нанес на карту восточную береговую линию Австралии. Кука в основном влекли поиски знаний. Он интересовался географией, этнографией, другими науками. В 1769 г., когда Кук находился на суше в бухте Ботани, Австралия, он провел очень важное наблюдение. Очень редко, всего лишь два раза в 100 лет, с Земли видно, как планета Венера пересекает видимый диск Солнца. Это явление называется прохождением Венеры. Оно происходит так редко потому, что Земля и Венера лежат на орбитах, плоскости которых наклонены друг к другу. Поэтому Земля, Венера и Солнце почти никогда не находятся на одной прямой. Кук наблюдал прохождение Венеры и определил его время, находясь далеко на юге. Вместе с данными северных обсерваторий наблюдения Кука оказались очень полезными для уточнения знаний о размерах солнечной системы.

В 1877 г. шотландский астроном сэр Давид Джилл (1843 — 1914) отправился со своей женой к уединенному острову Восхождения в Южной Атлантике. На острове был только морской гарнизон. Именно здесь провел Джилл целый ряд своих классических наблюдений за планетой Марс, необходимых для определения размеров солнечной системы и расстояния до Солнца. Он наблюдал Марс в момент, когда тот был наиболее близок к Земле за все столетие. Он регулярно наблюдал положение планеты относительно фоновых звезд ранним утром и вечером. При обработке наблюдений использовался тот факт, что вращение Земли смещает обсерваторию между наблюдениями на определенное известное расстояние. Джилл получил довольно точное значение расстояния до Солнца, равное 149 млн. км, в то время как большинство имевшихся оценок лежало в интервале от 144 до 152 млн. км. Джилл выбрал остров Восхождения случайно только из-за хорошей погоды и южного положения.

В 1931 г. благодаря очень близкому приближению к Земле астероида Эрот (25 млн. км) ученые смогли измерить расстояние до Солнца с точностью до 0,01 процента.

До сравнительно недавнего времени использование наблюдений планет было единственным средством определения расстояния от Солнца до Земли. Среднее значение этого расстояния настолько важно, что в современной астрономии ему дано определенное название: астрономическая единица. Однако в настоящее время используется для определения расстояния Солнце — Земля другой метод — радиолокационный. Он обладает феноменальной точностью — значение астрономической единицы определяется с ошибкой до нескольких километров!

Радиолокационный метод легко понять. Передатчик с Земли испускает импульсы радиоволн в сторону Венеры. Радиоволны частично отражаются от твердой поверхности планеты. Хотя возвращающийся сигнал очень слаб после прохождения пути в 100 млн. км от Земли к Венере и обратно, чувствительный радиотелескоп его обнаруживает. Обычно один и тот же телескоп используется в качестве передатчика и радиоприемника. По промежутку времени между передачей импульса и его приемом можно сразу же определить расстояние до планеты, так как радиоволны путешествуют со скоростью света, которая известна с точностью до 10^-12. С помощью радиолокационного метода расстояния в солнечной системе определяются с точностью до 10^-8. Это эквивалентно измерению расстояния между какими-то местами в Лондоне и Нью-Йорке с точностью до нескольких сантиметров. Однако в наши дни, когда космические корабли отправляются за пределы солнечной системы, такая точность жизненно необходима для успеха путешествий, которые могут длиться более 10 лет.

Видимый диаметр Солнца составляет около 32 дуговых минут (32'), немногим больше 0,5 градуса. Он несколько меняется при измерениях с Земли в разное время года. Это происходит потому, что Земля, двигаясь по эллиптической орбите, не всегда находится на одинаковом расстоянии от Солнца. Когда мы ближе всего к Солнцу (любопытно, что это происходит в январе, самом холодном месяце северного полушария), диаметр солнечного диска составляет 32,5', тогда как в июле, когда расстояние от нас до Солнца самое большое, его видимый диаметр равен 31,5'.

Данные об измерениях углового размера Солнца при различных расстояниях от него позволяют рассчитать истинный диаметр Солнца. Он равен приблизительно 1,4 млн. км, т.е. в 109 раз больше диаметра Земли. А объем Солнца больше объема Земли в 1,3 млн. раз.

Ньютоновский закон всемирного тяготения позволяет нам узнать массу Солнца. На Землю действует гравитационная сила, заставляющая ее обращаться по орбите вокруг Солнца. Скорость движения нашей планеты по орбите и ее расстояние до Солнца — это именно те две величины, которые определяют траекторию Земли. Масса Земли также входит в расчетную формулу, и поэтому измерения величин, связанных с движением Земли (скорости и расстояния), позволяют определить массу Солнца. Она примерно в 330 тыс. раз больше массы Земли и составляет 2×10²⁷ тонн (точнее, 1989×10³⁰ кг).

Если бы масса Солнца была в 2 раза больше этого значения, то, чтобы остаться на той же орбите, Земля должна была бы обращаться в 2 раза быстрее. И наоборот, при массе Солнца в 2 раза меньшей, скорость обращения Земли должна быть в 2 раза меньше.

Различие между массами Земли и Солнца можно продемонстрировать при помощи масштабной модели, в которой Земля весит 10 г, а Солнце — 3 т. Но в объеме различие еще больше. Это связано с тем, что Солнце состоит в среднем из менее плотного вещества, чем наша скалистая планета. Средняя плотность Земли равна 5,5 г/см³. Средняя плотность Солнца всего лишь 1,4 г/см³. Небольшая твердая Земля в среднем в 4 раза плотнее упакована, чем огромное огненное Солнце. Уже из этого можно догадаться, что Солнце состоит из газа, а не из твердого вещества, как Земля.

На Солнце сила тяжести в 28 раз больше, чем та, к которой мы привыкли на Земле. Это является следствием большей массы Солнца. Таким образом, вблизи Солнца средний человек весил бы больше 2 т. Чтобы улететь с Солнца, такому воображаемому человеку понадобилась бы очень мощная ракета, поскольку скорость, необходимая для преодоления силы притяжения Солнца, превышает 600 км/с. Мусор, выброшенный из такой ракеты, полетел бы в солнечную мусоросжигающую печь с потрясающей скоростью. За первую секунду свободного падения на Солнце тело прошло бы 150 м, а на Земле всего 5 м.

За последние 100 лет Солнце часто играло важную роль в исследованиях, представляющих значительный интерес для физиков. В начале XX столетия эффект, связанный с солнечной гравитацией, способствовал подтверждению общей теории относительности Эйнштейна. Эта знаменитая теория заменила геометрию прямых линий Эвклида и Ньютона геометрией искривленного пространства. Эйнштейн показал, что при учете эффекта гравитации прямая линия не есть самое короткое расстояние между двумя точками. В частности, луч света будет следовать по слегка изогнутой траектории, если он проходит недалеко от тела значительной массы. Различия между теориями Ньютона и Эйнштейна чрезвычайно малы на уровне нашей повседневной жизни на Земле. Когда вы осторожно ведете машину по шоссе, вы подсознательно пользуетесь законами движения Ньютона, потому что поправки, вытекающие из теории относительности, смехотворно малы. От теории Ньютона необходимо отказаться в тех случаях, когда пространственные или временные масштабы огромны, или скорости чрезвычайно велики, или процессы происходят с участием тел большой массы. Именно вследствие своей огромной силы гравитации, приведшей к возникновению измеримых эффектов, Солнце дало возможность произвести проверку общей теории относительности.

По расчетам Эйнштейна, произведенным в 1915 г., луч света, проходящий вблизи Солнца, должен отклоняться от прямой линии на 1,75". Впервые возможность проверить это предсказание возникла в 1919 г. во время полного солнечного затмения. Экспедиция по наблюдению затмения была организована Эддингтоном. Анализ фотографий, полученных во время затмения, показал, что луч света звезды, проходящий непосредственно вблизи края Солнца, отклонился на предсказанную Эйнштейном величину! Этот результат принес Эйнштейну всемирное признание.

Теория Эйнштейна помогла раскрыть еще одну загадку Солнца. Большая ось эллиптической орбиты Меркурия медленно, но неизменно поворачивается в пространстве. Удивительная ситуация: не только сама планета обращается вокруг Солнца, но и ее орбита. Из-за эффектов, связанных с общей теорией относительности, этот поворот имеет составляющую, равную 43" в столетие.

Таким образом, солнечные исследования помогли физикам-теоретикам найти подтверждение теории, которая в то время была наиболее сложной из когда-либо выдвигавшихся. И эта теория выдержала проверку временем. Общепринято, что она дает правильное описание отношений между материей, тяготением и структурой пространства и времени.

В настоящее время для более точной проверки общей теории относительности мы должны выйти за пределы солнечной системы, однако это нисколько не умаляет исторической важности классического наблюдения 1919 г.

Наблюдение Солнца и в дальнейшем будет вносить огромный вклад как в физику, так и в астрономию, поскольку на Солнце происходят такие явления, какие никогда нельзя будет воспроизвести в земной лаборатории. Проверка теории относительности — один из примеров. Приведем и другие.

Только в астрофизической лаборатории возможны те вариации температуры, какие имеют место внутри Солнца и в его атмосфере. Измерения излучаемой Солнцем энергии показывают, что температура на его поверхности достигает приблизительно 6000 К. При такой температуре все известные нам твердые вещества расплавятся. Другими словами, мы еще не можем построить космический корабль, который не превратился бы в облако газа задолго до того, как он достигнет солнечной поверхности. Любопытно, что прозрачные внешние слои Солнца обладают еще более высокой температурой — в несколько миллионов градусов. При проникновении в глубь Солнца температура и давление растут, пока в центральных областях температура не достигнет нескольких млн. градусов, а давление станет в миллионы раз выше, чем на поверхности Земли. Поскольку ни один прибор не может проникнуть непосредственно даже на поверхность Солнца, внутреннее строение Солнца может быть реально исследовано только при помощи математики и вычислительных машин.

Какие же основные факты о Солнце мы хотим узнать? Поскольку Солнце как источник энергии влияет на все растущее и двигающееся на Земле, важно узнать как можно больше о природе той центральной энергостанции, которая питает Солнце. Также необходимо выяснить, постоянна ли излучаемая Солнцем энергия. Любое изменение ее величины могло бы сильно повлиять на климат и погоду на Земле. Не это ли является причиной климатических изменений, особенно таких, как наступление ледниковых периодов? Человек особенно зависим от колебаний солнечного излучения. Существование земных энергетических ресурсов, которые наша технология позволяет использовать, в большой степени затушевало тот факт, что Солнце является единственным надежным и безопасным для окружающей среды источником энергии. Залежи каменного угля не слишком велики, а ядерная энергия слишком опасна, чтобы использовать ее в крупных масштабах. По-видимому, запасы дешевой энергии в конце концов будут исчерпаны. Будем надеяться, что это произойдет еще не скоро, однако энергетическая проблема непременно встанет в будущем.

При космических путешествиях поведение Солнца особенно важно. Земная атмосфера является прекрасной защитой от опасных форм солнечной радиации. Другими словами, мы эволюционировали от низших млекопитающих (и их предшественников) в условиях, когда опасная радиация отсутствовала. Если бы эволюция происходила при наличии сильного потока ультрафиолетового излучения на поверхности Земли, у нас появилась бы очень толстая кожа! Астронавты — обычные люди, и поэтому космический корабль для безопасности команды должен обладать достаточной защитой от высокоэнергичной солнечной радиации. Когда астронавты должны покинуть космический корабль — для того, чтобы исследовать Луну или выполнить монтаж оборудования,— астрономы на Земле особенно тщательно наблюдают за Солнцем. Они следят за внезапными взрывами, выбрасывающими в космическое пространство смертельно опасное излучение, которое задерживается защитным покрытием космического корабля или нашей атмосферой, но проникает через обычный скафандр. Более глубокое понимание физики Солнца и солнечного излучения существенно необходимо для успешных полетов человека в космос, а также для прогноза погоды и моделирования климата. Астрономы, подобно другим ученым, хотят узнать как можно больше. Но получение знаний ради самих знаний эгоистично, особенно если оно требует затраты общественных средств. Просто сидеть за телескопом и собирать информацию является бессмысленным занятием. Нужно, чтобы наблюдатель, пусть даже подсознательно, хотел помочь решению реальных задач. Здесь мы подходим к подлинной дилемме современного исследователя: для того чтобы суметь выполнить исследование, убедить ответственный комитет выделить общественные фонды, нужно найти такую небольшую задачу, которая может быть решена быстро. Современная научная работа обычно состоит из огромного ряда кажущихся незначительных исследований. Солнечная физика в этом отношении не является исключением. Но мы надеемся, что в конечном результате наша возможность открыть важные закономерности увеличится.

Многие проблемы еще остались нерешенными. Например, мы хотим выяснить более детально, как работает основной механизм генерации солнечной энергии. Это важно для понимания не только Солнца, но и звезд. Теоретические исследования могут дать ответ, в частности, на вопрос, долго ли сможет Солнце оставаться таким же, как сейчас. Изучение Солнца может также пролить свет на состав Вселенной.

Связь между Землей и Солнцем определяется не только влиянием Солнца на климат. Непрерывно проносится мимо Земли испускаемый Солнцем поток атомных частиц, называемый солнечным ветром. Этот поток, содержащий электрически заряженные частицы, вызывает, в частности, появление в полярных зонах Земли необыкновенно красивых полярных сияний. Исследование солнечного ветра очень важно для радиосвязи, так как электрически заряженные частицы солнечного ветра взаимодействуют со слоями нашей атмосферы, ответственными за отражение радиоволн. Изменение Солнцем структуры атмосферного слоя Земли может привести к исчезновению радиосвязи на длинных трассах. Наконец, изучение Солнца может пролить свет на ряд вопросов, испокон веку интересовавших мыслящих людей. Откуда взялась солнечная система? Когда она образовалась, из какого вещества она состоит? Теория и наблюдения совместными усилиями дают оценки возраста Солнца. Солнечное излучение содержит также важную информацию о химическом составе внешних слоев Солнца. В этих областях основные химические элементы все еще содержатся в такой же пропорции, как и вещество, из которого были образованы Солнце и молодые планеты. Химический состав этих планет резко изменился со времени их образования, особенно ближайших к Солнцу, планет потерявших большую часть легких элементов, когда-то в них содержавшихся. Как и из каких веществ образовалась Земля? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны перенести наше внимание от нашего земного «дома» к центру солнечной системы.