Что такое суточное вращение земли

Суточное вращение Земли и его следствия. Урок 9

Почему Солнце встаёт на востоке, а садится на западе? В древности египтяне думали, что бог Солнца Ра пересекает небосвод на своей колеснице с востока на запад и причина такого передвижения светила именно в этом. Но теперь мы знаем, что на самом деле этот эффект даёт осевое, или суточное вращение Земли с запада на восток.

Идею вращения Земли вокруг своей оси впервые предложили либо учёные пифагорейской школы примерно в V в. до н. э., либо философ Гераклид Понтийский (IV век до н. э.). Вопрос о вращении Земли долгое время был спорным, да и сейчас многие моменты в этой области не имеют точных ответов:
• действительно ли внутреннее твёрдое ядро планеты вращается намного быстрее мантии и всей Земли в целом;
• правда ли, что раньше Земля двигалась намного быстрее: так, что её сутки были равны всего 15 часам;
• с одинаковой ли скоростью на протяжении совместного существования двух планет Луна удаляется от Земли и замедляет её движение и т. д.

Движение Солнца и внутренних планет по Гераклиду Понтийскому: традиционная интерпретация (вверху) и интерпретация ван дер Вардена (внизу).
Автор: Dmitri Klimushkin

Доводы в пользу неподвижности нашей планеты приводил Аристотель; его слова были настолько значимыми, что им верили долгие столетия. В статичности планеты был уверен и Птолемей, обобщивший и упорядочивший представления о том, что Земля – центр Вселенной.

Громче заговорили о том, что суточное вращение Земли существует со времени Николая Коперника, предложившего гелиоцентрическую систему мира, в которой Земля не была неподвижной, как в геоцентрической системе Птолемея. Согласно системе Коперника:

Однако неоспоримой истиной суточное вращение Земли стало только в XIX в., после проведения опыта с качающимся маятником Жаном Фуко (1851 г).

Какие типы вращения Земли существуют?

Земля отнюдь не неподвижна. Она медленно трансформирует свою форму, извергается вулканами и гейзерами, меняет местами пазлы материков. В Космических масштабах она совершает 4 типа движения и достигает при этом немыслимой (с точки зрения человека) скорости:

Суточное вращение Земли

Если смотреть на нашу планету с северного полюса эклиптики или с Полярной звезды, то она оборачивается против часовой стрелки с запада на восток, в том же направлении, что и вокруг Солнца. Мы помним, что Земля – почти шар, а это 360° (длина окружности) и что она совершает суточный оборот примерно за 24 часа. Если мы разделим 360 на 24, то получим 15° – это и есть угловая скорость Земли за 1 час и соответственно расстояние между соседними меридианами.

Но скорость, с который движется точка земной поверхности в единицу времени, не везде одинакова, она зависит от широты местности. На экваторе объекты Земли вращаются со скоростью 455 м/с, на широте в 65° скорость снижается до 195 м/с, а полюса и вовсе неподвижны. Получается, что скорость на одной параллели одинакова, а на одном меридиане нет, она уменьшается от экватора к полюсам. Выходит, что экватор движется быстрее всей остальной поверхности Земли, а полюса стоят на месте.

Суточное вращение Земли

Физические доказательства суточного вращения Земли

Главное неоспоримое математическое доказательство того, что суточное вращение Земли есть – это маятник Фуко. По закону физики тело сохраняет постоянной плоскость качания относительно Мирового пространства. Когда под маятник был помещён круг с делениями, обнаружилось, что положение пластин по отношению к Земле меняется, а маятник сохраняет плоскость качания, значит, вращается Земля.

Если тот же опыт провести на полюсе, то положение маятника по отношению к пластинам останется неизменным, однако наблюдающему за ним человеку будет казаться, что маятник смещает своё вращение. Почему? Потому что наблюдатель стоит не на полюсе, а рядом с ним, и движется вместе с остальной частью планеты.

Маятник Фуко в Парижском музее
Автор: Cdang

На экваторе смещение маятника незаметно. Чем выше широты, тем оно выраженнее, так как скорость вращения Земли к полюсам замедляется. На экваторе угловая скорость равна 15°/ч, в Санкт-Петербурге 13°/ч, в Москве 12,5°/ч, на точке географического полюса 0°/ч. В настоящее время математический маятник Фуко заменён физическим.

Второе доказательство того, что осевое вращение Земли существует – это отклонение к востоку всех падающих на Землю объектов. Причём чем дальше расположена от оси Земли точка, тем больше линейная скорость, с которой она перемещается с запада на восток. Поэтому тело, сброшенное с высокой башни, отклоняется на восток сильнее, чем с более низкого строения, ведь оно сохраняет свою первоначальную линейную скорость.

Доказательством вращения Земли и его следствием является и форма самой планеты с присущим ей сжатием у полюсов. Оно возникает из-за взаимодействия сразу двух сил: центробежной и земного притяжения, равнодействующая которых направлена к экватору, поэтому в области экватора Земля выпукла, а у полюсов сжата.

Благодаря наличию двух неподвижных точек на Земле – полюсов, есть возможность строить градусную сеть на карте и глобусе.

Следствия осевого вращения Земли

Вследствие суточного вращения Земли появляются важные географические явления:

Суточное вращение Земли и сила Кориолиса

Все горизонтально перемещающиеся тела в географической оболочке Земли отклоняются относительно направления их движения. Но это отклонение относительно, потому что мы наблюдаем за ним с движущейся планеты. Ведь по закону инерции любое движущееся тело стремится сохранить скорость и направление движения относительно Мирового пространства.

Отклоняющее действие вращения Земли называют силой Кориолиса. Она впервые была рассчитана в XIX веке французским учёным в области механики Г. Кориолисом, поэтому и получила такое название.

Сила Кориолиса перпендикулярна движению Земли, она отклоняет все движущиеся объекты в Южном полушарии влево, а в Северном полушарии вправо. Величина её зависит от широты, от массы самого объекта и от его скорости. На экваторе сила Кориолиса всегда равна нулю, и вес предметов уменьшается, а с приближением к полюсам сила Кориолиса и масса предметов возрастают.

Интересно

Если килограммовую гирю перенести с полюса на экватор и здесь вновь взвесить на пружинных весах, то обнаружится нехватка веса в 5 г. Разница, конечно, невелика, но чем тяжелее вещь, тем эта нехватка крупнее. Паровоз, приехавший из Архангельска в Одессу, становится легче на 60 кг. А линейный корабль в 20 тысяч тонн, прибывший из Белого моря в Чёрное, теряет здесь в весе 80 тонн.

Сила Кориолиса влияет на:

Течения не повторяют точное направление господствующих ветров. Под действием силы Кориолиса они смещаются от направления преобладающих ветров под углом 30-35° вправо или влево, в зависимости от полушария. На это явление впервые обратил внимание известный норвежский исследователь Ф. Нансен во время дрейфа во льдах Арктики.

Доказать отклоняющую силу вращающейся Земли можно и на простом опыте с воронкой в ведре, раковине или ванной. Вливаемая плотной струёй вода будет закручиваться в Северном полушарии против часовой стрелки, в Южном – по часовой.

Направление господствующих ветров, отклоняющая сила Кориолиса
Автор: Kaidor

Суточное вращение Земли удобно для отсчёта времени

Время вращения Земли вокруг своей оси периодично и очень удобно для естественного отсчёта времени. Учёные выделяют звёздные и истинные солнечные сутки. Для удобства в практических целях используют среднюю продолжительность солнечных суток – 24 часа.

Сутки одновременно наступают на всём меридиане, на каждом меридиане среднее солнечное время отличается от соседнего на 1 час, время на меридиане называют местным. До XIX века все люди жили, не задумываясь о разнице во времени. Но потом появились поезда и железные дороги. Человек смог быстро перемещаться по Земле из одной точки в другую. Составить расписание поездов при разном отсчёте времени не получалось. Поэтому пришлось договориться об общей системе отсчёта времени.

Поясной отсчёт времени был принят в 1884 году. Всю поверхность планеты поделили на 24 пояса по 15° в каждом. Границы поясов провели по-разному – в океанах по меридианам, а на суше – с учётом территорий государств и их частей. Если бы пояса ограничили точно по меридианам и на суше, то Якутия оказалась бы сразу в нескольких часовых областях, что очень неудобно для многих отраслей деятельности жителей республики.

Всемирным временем стали считать время Гринвичского меридиана, там сутки начинаются, там I часовой пояс. Поясное время каждого следующего к востоку пояса на 1 час больше, каждого следующего к западу – на 1 час меньше.

Часовые пояса мира

Но где же они заканчиваются? Для разделения суток подошёл меридиан 180°, ведь он является продолжением окружности Гринвичского меридиана и расположен прямо напротив него. Линия перемены дат не всегда проходит точно по этому меридиану, например, она отклоняется к востоку в районе Чукотки, чтобы «захватить» Берингов пролив.

Когда пересекают линию перемены дат с востока на запад, то сутки отнимают (так потеряли сутки спутники Ф. Магеллана), а при возвращении обратно сутки прибавляют, но часовые стрелки при этом не переводят, время с обеих сторон от линии остаётся одинаковым.

Черная линия — линия перемены даты, красные — границы часовых поясов
Автор: Jailbird

В России долгое время отсчёт времени был свой, только 1 июня 1919 года поясное время было введено в СССР. Территория России расположена в 11 часовых поясах – с II по XII, но 11 и 12 пояса объединены, поэтому на практике их 10. На Чукотке и Камчатке время отличается от московского на 9 часов.

Когда дети Чукотки ложатся спать, их московские одногодки ещё сидят на занятиях в школе. Новый год на Чукотке наступает раньше.

Продолжительность дня на разных широт ых 22 июня

В 1930 году в СССР был произведён перевод часов на час вперёд согласно постановлению – декрету, для более экономного использования электричества. Это время стали называть декретным, оно так и не было отменено. Поясное время в СССР стало больше всемирного на 1 час. Декретное время II часового пояса назвали московским.

Во многих странах ради экономии электроэнергии к лету переводят стрелки часов на час вперёд – на летнее время, а к зиме стрелки возвращают назад. Долгое время так было и в России, до 2011 года. В этом году был отменён переход на зимнее время в России. Теперь поясное время в стране стало больше мирового на 2 часа.

Карта мира, показывающая использование перехода на летнее время (DST) сейчас и в прошлом.
Синий — DST используется.
Оранжевый — DST больше не используется.
Красный — DST никогда не использовалось.

Осенью 2014 года по просьбе граждан в РФ вернули стрелки на зимнее время – на час назад, и сегодня большая часть регионов живёт по такой хронометрии. Но не все, некоторые из них снова перевели часы на час вперёд. Летнее время постоянно в:

Практика по работе с картой часовых поясов России

Для того, чтобы рассчитать разницу во времени между точками, расположенными в разных часовых поясах, нужно найти разность между номерами часовых поясов, в которых они находятся. Чтобы узнать, сколько времени в Магадане, когда в Москве 9 часов, нужно:

На основе содержания карты часовых зон России определите, который час в Иркутске, если в Москве 12 часов.

По карте находим часовой пояс Иркутска, он расположен в VI часовой зоне и видим там надпись +5. Значит по отношению к московскому времени в Иркутске больше на 5 часов. 12+5=17.

Как необходимо перевести стрелки часов, если вы перелетаете на самолёте из Владивостока в Москву?

Стрелки нужно переводить назад на 7 часов, так как мы будем двигаться с востока на запад, а Владивосток расположен в VIII часовой зоне, где время от московского отличается на 7 часов.

Расположите регионы России в той последовательности, в которой их жители встречают Новый год.

А) Ростовская область

Б) Новосибирская область

В) Магаданская область

Так как Земля вращается с запада на восток, сутки начинаются раньше в восточных регионах. Значит чем восточнее пункт, тем скорее там наступит то или иное событие. По карте находим все 3 региона и смотрим, какой из них лежит восточнее. Магаданская область находится в XI часовом поясе, Новосибирская ­­– в V, Ростовская область – самый западный из всех указанных регионов, он расположен во II часовой зоне. Значит ответ: ВБА.

Определите, когда по московскому времени должен совершить посадку самолёт в Краснодаре (II часовой пояс), вылетевший из Хабаровска (VIII часовой пояс) в 8 часов по местному времени, если расчётное время полёта составляет 9 часов.

Разница во времени между Хабаровском и Краснодаром составляет 7 часов (опять смотрим по карте часовых поясов). Когда в Хабаровске 8 часов, в Краснодаре 1 час. К краснодарскому времени прибавляем 9 часов полёта и получаем 10 часов.

Когда жителю Аляски нужно вылететь на Чукотку, чтобы оказаться там утром 8 июня? Ответ поясните.

Так как Чукотка и Аляска расположены в соседних часовых поясах, то разница во времени у них равна 1 часу, значит вылететь надо утром. Но между этими географическими объектами лежит меридиан 180° – линия перемены дат. Пересекая её с востока на запад, что и нужно будет сделать согласно этому заданию, мы должны отнять одни сутки. Значит вылететь нужно утром 9 июня.

В каких случаях возможно следующее: расстояние между пунктами 5 км, а различие во времени составляет:

А) Между островами Крузенштерна и Ратманова расстояние равно 5 км. Между этими островами проходит линия перемены дат, а значит разница в целые сутки.

Б) В странах, которые находятся за полосой сухопутной границы, время может отличаться летом на 2 часа (декретное и летнее время). И (или) некоторые субъекты живут не по своему поясному времени, а по московскому.

В) На 1 час может отличаться время населенных пунктов, расположенных в соседних часовых поясах.

Суточный ритм в географической оболочке

Для землян смена ночи и дня привычна. Вся их жизнь подчинена этому ритму. На других планетах светлое и тёмное время суток бывают не такими удобными. На Венере год длится меньше двух суток этой планеты, а Юпитер поворачивается вокруг своей оси всего за 5 земных часов, ни устать днём, ни отдохнуть ночью нам бы там не удалось.

Некоторые цветы распускаются ночью

Как известно, Земля имеет форму эллипсоида, и ось её вращения постоянно наклонена к плоскости орбиты под углом в 66° 33′ 22». Из-за этого солнечные лучи освещают разные участки земной поверхности неодинаково, поэтому и продолжительность дня и ночи везде разная. Она зависит от географической широты и времени года. Об этом мы подробнее поговорим во время следующего урока.

Смена дня и ночи создаёт суточный ритм в природе. В зависимости от суток меняются температуры воздуха и подстилающей земной поверхности, меняют направление прибрежные ветры – дневной и ночной бризы, изменяются испарение воды, влажность, давление. Например, таяние горных ледников происходит днём, дневная фаза фотосинтеза зависит от наличия солнечных лучей, многие растения раскрывают лепестки днём. Одни животные ведут активный дневной образ жизни, другие ночной. Жизнь человека тоже зависит от времени суток.

Ночной зверёк лори фото

Вам будет интересно

Вспомните! Как доказать, что Земля шарообразна? Как развивались знания о форме Земли в процессе её…

Почему бывает лето и зима? По какой причине они не на всей Земле сменяют друг…

С древних времён люди задавались вопросом: «Из чего состоит жизнь?». Философы Древней Греции и Индии…

Подумайте! Когда нужно начинать ориентироваться – до похода или тогда, когда уже заблудился? Какие способы…

2 комментария

Источник

Суточное вращение Земли

Суточное вращение Земли — вращение Земли вокруг своей оси с периодом в одни звёздные сутки, непосредственно наблюдаемым проявлением чего является суточное вращение небесной сферы. Вращение Земли происходит с запада на восток. При наблюдении с Полярной звезды или северного полюса эклиптики, вращение Земли происходит против часовой стрелки.

Содержание

Период вращения

Земля движется с запада на восток. Полный оборот делает приближённо за 23 часа 56 минут 4 секунды. Скорость вращения (на экваторе) — 465 м/с.

Физический смысл и экспериментальные подтверждения

Физический смысл вращения Земли вокруг оси

Поскольку любое движение является относительным, необходимо указывать конкретную систему отсчета, относительно которой изучается движение того или иного тела. Когда говорят, что Земля вращается вокруг воображаемой оси, имеется в виду, что она совершает вращательное движение относительно любой инерциальной системы отсчёта, причем период этого вращения равен звездным суткам — периоду полного оборота земли небесной сферы относительно небесной сферы (Земли).

Все экспериментальные доказательства вращения Земли вокруг оси сводятся к доказательству того, что система отсчета, связанная с Землей, является неинерциальной системой отсчета специального вида — системой отсчета, совершающей вращательное движение относительно инерциальных систем отсчёта.

В отличие от инерциального движения (то есть равномерного прямолинейного движения относительно инерциальных систем отсчета), для обнаружения неинерциального движения замкнутой лаборатории не обязательно производить наблюдения над внешними телами, — такое движение обнаруживается с помощью локальных экспериментов (то есть экспериментов, произведенных внутри этой лаборатории). В этом (именно в этом!) смысле слова неинерциальное движение, включая вращение Земли вокруг оси, может быть названо абсолютным.

Силы инерции

,

Центробежная сила, действующая на тело массы , по модулю равна

,

где — угловая скорость вращения и — расстояние от оси вращения. Вектор этой силы лежит в плоскости оси вращения и направлен перпендикулярно от неё. Величина силы Кориолиса, действующей на частицу, движущуюся со скоростью относительно данной вращающейся системы отсчета, определяется выражением

,

где — угол между векторами скорости частицы и угловой скорости системы отсчета. Вектор этой силы направлен перпендикулярно обоим векторам и вправо от скорости тела (определяется по правилу буравчика).

Эффекты центробежной силы

Зависимость ускорения свободного падения от географической широты. Эксперименты показывают, что ускорение свободного падения зависит от географической широты: чем ближе к полюсу, тем оно больше. Это объясняется действием центробежной силы. Во-первых, точки земной поверхности, расположенные на более высоких широтах, ближе к оси вращения и, следовательно, при приближении к полюсу расстояние от оси вращения уменьшается, доходя до нуля на полюсе. Во-вторых, с увеличением широты угол между вектором центробежной силы и плоскостью горизонта уменьшается, что приводит к уменьшению вертикальной компоненты центробежной силы.

Это явление было открыто в 1672 году, когда французский астроном Жан Рише, находясь в экспедиции в Африке, обнаружил, что у экватора маятниковые часы идут медленнее, чем в Париже. Ньютон вскоре объяснил это тем, что период колебаний маятника обратно пропорционален квадратному корню из ускорения свободного падения, которое уменьшается на экваторе из-за действия центробежной силы.

Сплюснутость Земли. Влияние центробежной силы приводит к сплюснутости Земли у полюсов. Это явление, предсказанное Гюйгенсом и Ньютоном в конце XVII века, было впервые обнаружено в конце 1730-х годов в результате обработки данных двух французских экспедиций, специально снаряженных для решения этой проблемы в Перу и Лапландию.

Эффекты силы Кориолиса: лабораторные эксперименты

Гироскоп — вращающееся тело со значительным моментом инерции сохраняет момент импульса, если нет сильных возмущений. Фуко, которому надоело объяснять, что происходит с маятником Фуко не на полюсе, разработал другую демонстрацию: подвешенный гироскоп сохранял ориентацию, а значит медленно поворачивался относительно наблюдателя. [6]

Эффект Этвёша. На низких широтах сила Кориолиса при движении по земной поверхности направлена в вертикальном направлении и её действие приводит к увеличению или уменьшению ускорения свободного падения, в зависимости от того, движется ли тело на запад или восток. Этот эффект назван эффектом Этвёша в честь венгерского физика Лоранда Этвёша, экспериментально обнаружившего его в начале XX века.

Опыты, использующие закон сохранения момента импульса. Некоторые эксперименты основаны на законе сохранения момента импульса: в инерциальной системе отсчёта величина момента импульса (равная произведению момента инерции на угловую скорость вращения) под действием внутренних сил не меняется. Если в некоторый начальный момент времени установка неподвижна относительно Земли, то скорость её вращения относительно инерциальной системы отсчета равна угловой скорости вращения Земли. Если изменить момент инерции системы, то должна измениться угловая скорость её вращения, то есть начнётся вращение относительно Земли. В неинерциальной системе отсчёта, связанной с Землёй, вращение возникает в результате действия силы Кориолиса. Эта идея была предложена французским учёным Луи Пуансо в 1851 г.

Эффекты силы Кориолиса: явления в окружающей природе

Ветры: пассаты, циклоны, антициклоны. С наличием силы Кориолиса, направленной в северном полушарии вправо и в южном влево, связаны также атмосферные явления: пассаты, циклоны и антициклоны. Явление пассатов вызывается неодинаковостью нагрева нижних слоёв земной атмосферы в приэкваториальной полосе и в средних широтах, приводящему к течению воздуха вдоль меридиана на юг или север в северном и южном полушариях, соответственно. Действие силы Кориолиса приводит к отклонению потоков воздуха: в северном полушарии — в сторону северо-востока (северо-восточный пассат), в южном полушарии — на юго-восток (юго-восточный пассат).

Циклоном называется атмосферный вихрь с пониженным давлением воздуха в центре. Массы воздуха, стремясь к центру циклона, под действием силы Кориолиса закручиваются против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой стрелке в южном. Аналогично, в антициклоне, где в центре имеется максимум давления, наличие силы Кориолиса приводит к вихревому движению по часовой стрелке в северном полушарии и против часовой стрелки в южном. В стационарном состоянии направление движения ветра в циклоне или антициклоне таково, что сила Кориолиса уравновешивает градиент давления между центром и периферией вихря (геострофический ветер).

Оптические эксперименты

В основе ряда опытов, демонстрирующих вращение Земли, используется эффект Саньяка: если кольцевой интерферометр совершает вращательное движение, то вследствие релятивистских эффектов [19] во встречных лучах появляется разность фаз

где — площадь проекции кольца на экваториальную плоскость (плоскость, перпендикулярную оси вращения), — скорость света, — угловая скорость вращения. Для демонстрации вращения Земли этот эффект был использован американским физиком Майкельсоном в серии экспериментов, поставленных в 1923—1925 гг. В современных экспериментах, использующих эффект Саньяка, вращение Земли необходимо учитывать для калибровки кольцевых интерферометров.

Неравномерность вращения

Прецессия и нутация

Прецессия (позднелат. praecessio — движение впереди, от лат. praecedo — иду впереди, предшествую) — медленное движение вращающегося твёрдого тела, при котором его ось вращения описывает конус.
Прецессия Земли называется также предварением равноденствий, так как она вызывает медленное смещение точек весеннего и осеннего равноденствий, обусловленное движением плоскостей эклиптики и экватора (точки равноденствия определяются линией пересечения этих плоскостей). Упрощённо прецессию можно представить как медленное движение оси мира (прямой, параллельной средней оси вращения Земли) по круговому конусу, ось которого перпендикулярна к эклиптике, с периодом полного оборота 26 000 лет. [21]
Существует лунно-солнечная прецессия, а также прецессия от планет. [22]

Нутация (от лат. nūtāre лат. nutatio — колебание) — происходящее одновременно с прецессией движение вращающегося твёрдого тела, при котором изменяется угол между осью собственного вращения тела и осью, вокруг которой происходит прецессия; этот угол называется углом нутации (см. Углы Эйлера). В случае Земли нутационные колебания, открытые в 1737 Дж. Брадлеем, обусловлены изменениями притяжения, оказываемого Луной и Солнцем на т. н. экваториальный избыток массы вращающейся Земли (который является следствием сжатия Земли), и называются лунно-солнечной, или вынужденной нутацией. [23]
Существует также свободная нутация, то есть свободное движение географических полюсов по кривой, близкой к окружности, с периодом 1,2 года, обусловленное тем, что Земля как целое смещается в пространстве относительно оси вращения.

В целом, причиной прецессии и нутации Земли является её несферичность и несовпадение плоскостей экватора и эклиптики. В результате гравитационного притяжения Луной и Солнцем экваториального утолщения Земли возникает момент сил, стремящийся совместить плоскости экватора и эклиптики.

Изменение положения полюсов

Замедление вращения с течением времени

Происхождение вращения Земли

История идеи суточного вращения Земли

Античность

Одним из доводов Птолемея в пользу неподвижности Земли является вертикальность траекторий падающих тел, как и у Аристотеля. Далее, он отмечает, что при вращении Земли должны наблюдаться явления, которые на самом деле не происходят:

Из сочинения Птолемея следует, что сторонники гипотезы вращения Земли на эти доводы отвечали, что и воздух и все земные предметы совершают движение вместе с Землей. По всей видимости, роль воздуха в этом рассуждении принципиально важна, поскольку подразумевается, что именно его движение вместе с Землей скрывает вращение нашей планеты. Птолемей на это возражает, что

Средние века

Индия

Первым из средневековых авторов, высказавший предположение о вращении Земли вокруг оси, был великий индийский астроном и математик Ариабхата (кон. V — нач. VI вв.). Он формулирует её в нескольких местах своего трактата Ариабхатия, например:

Исламский Восток

Среди ученых XIII—XVI веков, связанных с Марагинской и Самаркандской обсерваториями, развернулась дискуссия о возможности эмпирического обоснования неподвижности Земли. Так, известный астроном Кутб ад-Дин аш-Ширази (XIII—XIV вв.) полагал, что неподвижность Земли может быть удостоверена экспериментом. С другой стороны, основатель Марагинской обсерватории Насир ад-Дин ат-Туси полагал, что если бы Земля вращалась, то это вращение разделял бы слой воздуха, прилегающий к её поверхности, и все движения вблизи поверхности Земли происходили бы точно также, как если бы Земля была неподвижной. Он это обосновывал с помощью наблюдений комет: согласно Аристотелю, кометы являются метеорологическим явлением в верхних слоях атмосферы; тем не менее, астрономические наблюдения показывают, что кометы принимают участие в суточном вращении небесной сферы. Следовательно, верхние слои воздуха увлекаются вращением небосвода, поэтому и нижние слои также могут увлекаться вращением Земли. Таким образом, эксперимент не может дать ответ на вопрос о том, вращается ли Земля. Однако он оставался сторонником неподвижности Земли, поскольку это соответствовало философии Аристотеля.

Большинство исламских ученых более позднего времени (ал-Урди, ал-Казвини, ан-Найсабури, ал-Джурджани, ал-Бирджанди и другие) были согласны с ат-Туси, что все физические явления на вращающейся и неподвижной Землей проистекали бы одинаково. Однако роль воздуха при этом уже не считалась принципиальной: не только воздух, но и все предметы переносятся вращающейся Землей. Следовательно, для обоснования неподвижности Земли необходимо привлекать учение Аристотеля.

Латинский Запад

Однако все эти ученые в конечном итоге отвергли вращение Земли, хотя и на разных основаниях. Так, Альберт Саксонский полагал, что эта гипотеза не способна объяснить наблюдаемые астрономические явления. С этим справедливо не согласились Буридан и Орем, по мнению которых небесные явления должны происходить одинаково независимо от того, что совершает вращение, Земля или Космос. Буридан смог найти только один существенный довод против вращения Земли: стрелы, пускаемые вертикально вверх, падают вниз по отвесной линии, хотя при вращении Земли они, по его мнению, должны были бы отставать от движения Земли и падать к западу от точки выстрела.

Но даже и этот довод был отвергнут Оремом. Если Земля вращается, то стрела летит вертикально вверх и одновременно с этим движется на восток, будучи захваченная воздухом, вращающимся вместе с Землей. Таким образом, стрела должна упасть на то же место, откуда она была выпущена. Хотя здесь снова упоминается об увлекающей роли воздуха, в действительности он не играет особой роли. Об этом говорит следующая аналогия:

Подобным образом, если бы воздух был закрыт в движущемся судне, то человеку, окруженному этим воздухом, показалось бы, что воздух не движется… Если бы человек находился в корабле, движущемся с большой скоростью на восток, не зная об этом движении, и если бы он вытянул руку по прямой линии вдоль мачты корабля, ему бы показалось, что его рука совершает прямолинейное движение; точно так же, согласно этой теории, нам представляется, что такая же вещь происходит со стрелой, когда мы пускаем её вертикально вверх или вертикально вниз. Внутри корабля, движущегося с большой скоростью на восток, могут иметь место все виды движения: продольное, поперечное, вниз, вверх, во всех направлениях — и они кажутся точно такими же, как тогда, когда корабль пребывает неподвижным. [44]

Далее Орем приводит формулировку, предвосхищающую принцип относительности:

Я заключаю, следовательно, что с помощью какого бы то ни было опыта невозможно продемонстрировать, что небеса имеют суточное движение и что Земля его не имеет. [45]

При опровержении доводов против гипотезы о вращении Земли он использовал также теорию импетуса.

Тем не менее, окончательный вердикт Орема о возможности вращения Земли был отрицательным. Основанием для такого вывода был текст Библии:

Однако до сих пор все поддерживают и я верю, что они [Небеса], а не Земля движется, ибо «Бог сотворил круг Земли, который не поколеблется», несмотря на все противоположные аргументы. [46]

О возможности суточного вращения Земли упоминали и средневековые европейские ученые и философы более позднего времени, однако никаких новых аргументов, не содержавшихся у Буридана и Орема, добавлено не было.

Таким образом, практически никто из средневековых ученых так и не принял гипотезу о вращении Земли. Однако в ходе её обсуждения учеными Востока и Запада было высказано множество глубоких мыслей, которые потом будут повторены учеными Нового времени.

Эпоха Возрождения и Новое время

В первой половине XVI века увидели свет несколько сочинений, утверждавших, что причиной суточного вращения небосвода является вращение Земли вокруг оси. Одним из них был трактат итальянца Челио Кальканьини «О том, что небо неподвижно, а Земля вращается, или о вечном движении Земли» (написан около 1525 г., издан в 1544 г.). Он не произвел большого впечатления на современников, поскольку к тому времени уже был опубликован фундаментальный труд польского астронома Николая Коперника «О вращениях небесных сфер» (1543 г.), где гипотеза суточного вращения Земли у него стала частью гелиоцентрической системы мира, как у Аристарха Самосского. Свои мысли Коперник ранее изложил в небольшом рукописном сочинении Малый Комментарий (не ранее 1515 г.). Два года ранее основного труда Коперника вышло сочинение немецкого астронома Георга Иоахима Ретика Первое повествование (1541 г.), где популярно изложена теория Коперника.

Гипотеза о вращении Земли и становление классической механики

По существу, в XVI—XVII вв. единственным аргументом в пользу осевого вращения Земли было то, что в этом случае отпадает надобность в приписывании звездной сфере огромных скоростей вращения, ведь ещё в античности уже было надежно установлено, что размер Вселенной значительно превышает размер Земли (этот аргумент содержался ещё у Буридана и Орема).

Вращается не только Земля с соединенной с ней водной стихией, но также и немалая часть воздуха и все, что каким-либо образом сродно с Землёй, или уже ближайший к Земле воздух пропитанный земной и водной материей, следует тем же самым законам природы, что и Земля, или имеет приобретенное движение, которое сообщается ему прилегающей Землей в постоянном вращении и без всякого сопротивления [49]

Таким образом, главную роль в ненаблюдаемости вращения Земли играет увлечение воздуха её вращением. Такого же мнения придерживались и большинство коперниканцев в XVI веке.

Однако уже у Диггеса и Бруно появились и другие соображения: все земные тела разделяют движение Земли, воздух не играет особой роли. Они это выразили с помощью аналогии с процессами на движущемся корабле: если человек, находящийся на мачте движущегося корабля, бросит вертикально вниз камень, он падет к основанию мачты, как бы быстро корабль ни двигался, лишь бы без качки. Воздух не играет особой роли в этих рассуждениях (необходимо добавить, что такого же рода рассуждения были уже и Орема, ал-Кушчи и других средневековых ученых). При опровержении доводов противников гипотезы о вращении Земли Бруно использовал также теорию импетуса.

Другой популярный аргумент против вращения Земли заключался в том, что скорость вращения Земли должна быть настолько велика, что Земля испытывала бы колоссальные центробежные силы, которые разорвали бы её на части, а все находящиеся на её поверхности лёгкие предметы разлетелись бы во все стороны Космоса. Коперник не смог дать на это удовлетворительного ответа, отделавшись замечанием, что этот аргумент ещё более приложим ко Вселенной, «движение которой должно быть во столько раз быстрее, во сколько раз небо больше Земли», и что поскольку вращение Земли происходит «по природе», центробежная сила не угрожает Земле и земным предметам. Галилей, произведя вычисление центробежной силы, заключил, что она бесконечно мала по сравнению с силой тяжести на земной поверхности, так что она практически не сказывается на движении земных тел. Однако его вычисления содержали ошибку, которую устранил только Христиан Гюйгенс (1673 г.), окончательно доказав, что центробежная сила действительно слишком мала, чтобы способствовать распаду Земли или отбрасыванию с её поверхности незакрепленных предметов. Он же предсказал, что из-за действия центробежной силы Земля должна быть сплющена у полюсов.

Гипотеза о вращении Земли и новая космология

Сторонниками бесконечности Вселенной в XVI веке были также Томас Диггес, Джордано Бруно, Франческо Патрици — все они поддерживали гипотезу о вращении Земли вокруг оси (а первые двое — также вокруг Солнца). Кристоф Ротман и Галилео Галилей полагали звезды расположенными на разных расстояниях от Земли, хотя явно не высказывались по поводу бесконечности Вселенной. С другой стороны, Иоганн Кеплер отрицал бесконечность Вселенной, хотя и был сторонником вращения Земли.

Религиозный контекст споров о вращении Земли

Ряд возражений против вращения Земли был связан с её противоречиями тексту Священного Писания. Эти возражения были двух видов. Во-первых, некоторые места в Библии приводились в подтверждение того, что суточное движение совершает именно Солнце, например:

Поскольку команда остановиться была дана Солнцу, а не Земле, отсюда делался вывод, что суточное движение совершает именно Солнце. Другие отрывки приводились в поддержку неподвижности Земли, например:

Эти отрывки считались противоречащими как мнению о вращении Земли вокруг оси, так и обращению вокруг Солнца.

Такого рода ответы давались в основном на возражения, касавшиеся суточного движения Солнца. Во-вторых, отмечалось, что некоторые отрывки Библии должны быть трактованы аллегорически (см. статью Библейский аллегоризм). Так, Галилей отмечал, что если Св. Писание целиком понимать буквально, то окажется, что у Бога есть руки, он подвержен эмоциям типа гнева и т. п. В целом, главной мыслью защитников учения о движении Земли было то, что наука и религия имеют разные цели: наука рассматривает явления материального мира, руководствуясь доводами разума, целью религии является моральное усовершенствование человека, его спасение. Галилей в этой связи цитировал кардинала Баронио, что Библия учит тому, как взойти на небеса, а не тому, как устроены небеса.

Эти доводы были сочтены католической церковью неубедительными, и в 1616 г. учение о вращении Земли было запрещено, а в 1631 г. Галилей был осужден судом инквизиции за его защиту. Однако за пределами Италии этот запрет не оказал существенного влияния на развитие науки и способствовал главным образом падению авторитета самой католической церкви.

Необходимо добавить, что религиозные доводы против движения Земли приводили не только церковные деятели, но и ученые (например, Тихо Браге [62] ). С другой стороны, католический монах Паоло Фоскарини написал небольшое сочинение «Письмо о воззрениях пифагорейцев и Коперника на подвижность Земли и неподвижность Солнца и о новой пифагорейской системе мироздания» (1615 г.), где высказывал соображения, близкие к галилеевским, а испанский богослов Диего де Цунига даже использовал теорию Коперника для толкования некоторых мест Священного Писания (хотя впоследствии он изменил свое мнение). Таким образом, конфликт между богословием и учением о движении Земли был не столько конфликтом между наукой и религией как таковыми, сколько конфликтом между старыми (к началу XVII века уже устаревшими) и новыми методологическими принципами, полагаемыми в основу науки.

Значение гипотезы о вращении Земли для развития науки

Осмысление научных проблем, поднимаемых теорией вращающейся Земли, способствовало открытию законов классической механики и созданию новой космологии, в основе которой лежит представление о безграничности Вселенной. Обсуждавшиеся в ходе этого процесса противоречия между этой теорией и буквалистским прочтением Библии способствовали размежеванию естествознания и религии.

Источник