О времени, пространстве и других вещах. От египетских календарей до квантовой физики

звездный день — 1436 минут
солнечный день — 1440 минут
лунный день — 1490 минут
И сразу возникает вполне разумный вопрос: какой же из этих дней настоящий?
Ответ заключается в том, что вопрос вовсе не разумный, а скорее наоборот. Не существует настоящего дня, как и настоящего периода вращения. Есть только различные видимые периоды, продолжительность которых зависит от положения наблюдателя. Говоря более научным языком, продолжительность периода вращения Земли зависит от выбранной системы координат, причем все системы координат равнозначны.
  
Но если последнее утверждение справедливо, выходит, что мы остаемся нигде? Или ни с чем?
Вовсе нет! Системы координат действительно равнозначны, но не одинаково удобны и полезны. При одних вычислениях выбранная система координат может быть чрезвычайно полезной, но при других — нет, и придется выбирать другую. Мы вправе выбирать и пользоваться любой из них, представляющейся в данной ситуации наиболее удобной.
Например, я сказал, что солнечные сутки длятся 1440 минут, но па самом деле это не совсем так. Из-за того, что земная ось наклонена к плоскости ее орбиты и Земля иногда находится ближе к Солнцу, а иногда — дальше (так что она движется то быстрее по орбите, то медленнее), солнечные сутки периодически продолжаются несколько дольше или меньше 1440 минут. Если вы разметите все полдни в течение года, разделив их 1440 минутами, в некоторых случаях Солнце будет проходить над головой на 16 минут раньше своего расписания, а в других — на такое же время позже. К счастью, к концу года ошибки с разными знаками взаимно ликвидируют друг друга.
Поэтому период в 1440 минут не является истинной продолжительностью солнечных суток Это средняя продолжительность всех солнечных суток года, так называемые средние солнечные сутки. И во все полдни, кроме четырех дней в году, над нашими головами проходит не настоящее Солнце, а воображаемое небесное тело, названное средним Солнцем. Оно располагается в том месте, где находилось бы настоящее Солнце, если бы двигалось равномерно.
Лунные сутки еще более неравномерны, чем солнечные, однако звездные сутки — понятие практически постоянное. Определенная звезда проходит над головой каждые 1436 минут.
Если мы собираемся вести измерение времени представляется очевидным, что для этой цели лучше всего подходят звездные сутки, поскольку их длина наиболее постоянна. Если звездные сутки являются основой для проверки часов при прохождении звездой отметки на линзе телескопа, тогда сама Земля, вращаясь относительно звезд, служит в качестве эталонных часов и секунда может быть определена как 1/1436,09 звездных суток. (В действительности продолжительность года является величиной еще более постоянной, чем продолжительность звездных суток, поэтому секунда теперь официально определяется как часть тропического года.)
Солнечные сутки, хотя и грешат непостоянством, имеют одно серьезное преимущество. Они основаны на положении Солнца, которое определяет, какая часть земной поверхности освещается, а какая находится в тени. Иными словами, солнечные сутки равны сумме периодов светового дня и темного времени суток — ночи. Среднестатистический доисторический человек вряд ли обращал слишком пристальное внимание на положение звезд. Скорее всего, ему был безразличен тот факт, что одна из них в данный момент проходит прямо над его головой. Однако он не мог не заметить, что день сменяется ночью, и наверняка всегда определенно знал, день в данный момент на дворе или ночь, восход или заход, полдень или сумерки.
Этим определяется важность и полезность солнечных суток. Именно они явились первоначальной базой для измерения времени и разделены ровно на 24 часа, каждый из которых, в свою очередь, разделен на 60 минут (24 х 60 = 1440 — таково число минут в солнечных сутках). При этом звездные сутки длятся 23 часа 56 минут, а лунные — 24 часа 50 минут.
Ввиду исключительной важности и полезности солнечных суток человечество привыкло считать их истинными сутками и думать, что Земля в самом деле делает оборот за 24 часа. Здесь речь идет только о видимом движении относительно Солнца, которое является не более истинным или ложным, чем движение относительно любого другого объекта.
Понятие лунных суток также является весьма полезным. Если мы отрегулируем свои часы так, чтобы они теряли каждый час 2 минуты и 5 секунд, они станут идти на основе лунных суток. Тогда мы без труда обнаружим, что прилив (или отлив) наступает дважды в день в одно и то же время с перерывом в 12 часов (с незначительными отклонениями).
Но также важна система отсчета, связанная непосредственно с Землей, то есть предположение, что наша планета не вращается. Прицеливаясь, чтобы нанести удар по бильярдному шару, бросая бейсбольный мяч, планируя поездку по стране, мы никогда не принимаем во внимание вращение Земли. Мы предполагаем, что она спокойно стоит на месте.
Теперь давайте перейдем к Луне. Для наблюдателя с Земли, как я уже отметил ранее, она не вращается, поэтому се «земные сутки» продолжаются бесконечно долго. Тем не менее, мы можем показать, что Луна все-таки вращается, передвинув систему координат (без объяснений — пусть читатель помучается). Можно передвинуть координатную плоскость к Солнцу или звездам таким образом, чтобы наглядно продемонстрировать не только сам факт вращения Луны, но и то, что существует два периода вращения.
Относительно звезд период вращения Луны составляет 27 суток 7 часов 43 минуты 11,5 секунд, или 27,3217 суток (где сутки — это 24-часовые средние солнечные сутки). Это — звездный день Луны. Это также период (относительно звезд) ее оборота вокруг Земли, поэтому его почти всегда называют звездным месяцем.
За один звездный месяц Луна проходит примерно 1/13 часть своей орбиты вокруг Солнца, и для наблюдателя па Солнце точка обзора переместится на весьма значительный угол. Луна должна вращаться еще более двух суток, чтобы компенсировать его. Солнечный месяц имеет продолжительность 29 суток 12 часов 44 минуты 2,8 секунды, или 29,5306 суток.
Выбирая между этими двумя месяцами, человечество отдало явное предпочтение солнечному, потому что фазы Луны зависят от взаимного положения Луны и Солнца. Один солнечный месяц. или 29,5306 суток, проходит от новолуния до новолуния, или от полнолуния до полнолуния. В древности, когда фазами Луны отмечали смену времен года, именно солнечный месяц стал наиболее важной единицей измерения времени. Конечно, требовалось приложить немало усилий, чтобы определить точный день, когда следующая новая Луна появится в небе, — без этого было бы невозможно вести календарь (см. главу О. Заботу об этом доверяли касте священнослужителей. Кстати, само слово календарь произошло от латинского слова, значащего «провозглашать», потому что начало каждого месяца провозглашалось соответствующими церемониями. Собрание официальных лиц духовенства (как те, что в древности объявляли о начале нового месяца) называют синодом. Поэтому солнечный месяц называется синодическим месяцем.
Чем дальше планета от Солнца и чем быстрее она движется относительно звезд, тем меньше несовпадение между звездным днем и солнечным днем. Для всех планет, расположенных дальше Земли, этим несовпадением можно пренебречь.
Для двух планет, чьи орбиты проходят ближе к Солнцу, чем земная, это расхождение очень велико. Меркурий и Венера оборачиваются, вечно повернувшись одной стороной к Солнцу, и не имеют солнечного дня. Однако они вращаются относительно звезд, поэтому имеют звездный день, который равен периоду их обращения вокруг Солнца (снова относительно звезд).
  
Если спутники в Солнечной системе (см. главу 7) постоянно обращены одной стороной к основной планете, то их звездный день равен периоду оборота вокруг своей планеты.
Тогда я могу составить таблицу (ничего подобного мне раньше видеть не доводилось) с указанием звездных периодов обращения для каждого из 32 основных небесных тел Солнечной системы. Для наглядности я приведу периоды обращения в минутах и расположу их в таблице в порядке убывания. После каждого названия спутника я приведу в скобках название основной планеты и число, показывающее положение спутника, считая от планеты.