Kuidas iidsest varjutuse ennustamise kunstist sai täppisteadus | Ajakiri Quanta

Päikesevarjutusi tõlgendati suure osa ajaloost kui halba uudist suveräänile - kurjakuulutava märgina nende isiklikule või kogu maailma tervisele. Kuid need hirmud aitasid toita tuhandeid aastaid kestnud stipendiumi. See areng algas Mesopotaamias ajalooliste andmete perioodiliste mustrite jahtimisega. See on kulmineerunud ajastuga, mil me teame päikesesüsteemi kehade vastastikku sõltuvaid tulevasi liikumisi sajandeid ette, muutes kunagise kosmilise mastaabi ängi põhjustanud külma kellavärgiks.

Kui peaksite valima ühe pöördepunkti, võis see olla 22. aprilli 1715 hommik, mil Londoni kohal oli päikesevarjutus. Briti polümaat Edmond Halley, keda mäletati kõige paremini Halley komeedi nimekaimuna, oli seda ennustanud. Ta oli avaldanud lehe, mis sisaldas kaarti teedest, mille Kuu vari Inglismaale tõmbab. Sel aastal oli Inglismaal äsja kroonitud kuningas, kelle vastu oli juba tõusmas mäss; varjutuse ennustusega demüstifitseerides lootis Halley neutraliseerida selle jõu kui enne.

Samuti soovis ta värvata andmete kogujaid, kelle tähelepanekud võivad tulevikus veelgi paremaid varjutusennustusi viia. "Uudihimulikud soovitakse seda jälgida ja eriti täieliku pimeduse kestust," kuulutas ta, "... sest nii saab varju olukord ja mõõtmed kenasti kindlaks määratud; ja selle abil võime ennustada sarnaseid tulevikuilmusi suurema kindlusega, kui praegu võib oletada.

Ended, mis hoiavad rütmi

Aastakümneid varem oli iidsete tekstide innukas lugeja Halley taasavastanud ja populariseerinud abistava taevatsükli, mille abil mõelda varjutustele ja kuu asukohale taevas: 6,585 päeva ehk veidi rohkem kui 18 aastat. Ta nimetas seda tsüklit "saroks", mida tänapäeva ajaloolased peavad sumeri sümboli väärtõlkeks, mis algselt tähendas midagi sellist nagu "universum" või "suur number".

Umbes aastaks 600 e.m.a olid Mesopotaamias Assüüria ja Babüloonia preestrid-matemaatikud uurinud läbi savitahvlitele jäädvustatud minevikuvarjutuste kuupäevi, lootes välja töötada strateegiad, mille abil teha järeldusi, millal järgmine päikesevarjutus aset leiab. Varjutused tegid nendes kultuurides kuningatele muret ning peagi, kui leiutati sodiaagimärk ja isiklikud horoskoopid, puudutab vajadus jälgida päikese, kuu ja planeetide asukohti.

Esimesed lahendused olid rusikareeglid. Kuuvarjutused järgnesid sageli üksteisele näiteks kuue kuu pärast. Babüloonlased mõistsid ka, et teatud päikese- ja kuuvarjutused eraldas sageli sarnasest sündmusest see, mida Halley nimetas üheks Saroseks.

Selle tsükli tänapäevaseks mõistmiseks kujutage ette taevakehade geomeetriat päikesevarjutuse hetkel, kui kuu asub otse päikese ja Maa vahel ning kõik kolm keha moodustavad korraliku joone. Et see juhtuks, peab kuu olema noorkuu. See peab asuma ka kohas, kus tema enda kallutatud orbiit ümber Maa sukeldub läbi tasapinna, millel Maa marsib läbi oma orbiidi ümber päikese.

Kujutage nüüd ette, et liigute kella edasi, et leida aeg, mil samad tingimused korduvad. Peame sobitama mitu kattuvat, kuid ebavõrdset kuutsüklit. Esimene tsükkel: ühelt noorkuult teisele liikumiseks kulub umbes 29.5306 päeva. Teine tsükkel: Kuul kulub umbes 27.2122 päeva, et jõuda ühelt läbimiselt Maa orbiidi tasandit samale läbimisele järgmisel ringil. Kolmas tsükkel: kuna Kuu elliptiline orbiit tõmbab seda Maast lähemale ja kaugemale, võngub Kuu ka oma näivat suurust ja kiirust taevas Maa kohal. See tsükkel võtab aega umbes 27.5546 päeva.

Saros on seega lihtsalt tore ümmargune intervall, mille jooksul kõik need tsüklid korduvad terve arv kordi: 223 noorkuu läbimist on peaaegu täpselt võrdne 242 ringiga ekliptikast sisse ja välja, mis on omakorda peaaegu täpselt võrdne. 239 võnkumiseni Kuu näivas suuruses. Kui nägite päikese- või kuuvarjutust, oodake lihtsalt ühte Sarost ja samasugune taevakehade jäme geomeetriline paigutus kordub.

Kuu orbiit on tegelikult keerulisem kui ainult need parameetrid. Ja olenemata sellest, see skeem ei ütle teile, kus Maal on sellest tulenev päikesevarjutus nähtav.

Halley ja edasi

Selleks ajaks, kui Halley Sarostest luges ja selle oma tarbeks elustas, oli veel palju sajandeid kestnud multikultuurne pingutus varjutuste probleemi veelgi täpsustanud, nagu kirjeldas matemaatikaajaloolane Clemency Montelle 2011. aasta raamatus. Varju taga ajamas. Babüloonlased läksid lõpuks mööda lihtsatest empiirilistest reeglitest, nagu "oota üks Saros", keerukamatele numbriskeemidele, mis arvutasid välja Kuu tulevased koordinaadid taevas. Vanad kreeklased ühendasid oma geomeetrilised ideed kosmose kohta Babüloonia stiilis arvuliste arvutustega. Sellele sünteesile tuginedes tõmbasid islamimaailma astronoomid, nagu al-Khwarizmi, 9. sajandi sõna "algoritm" nimekaim, sisse trigonomeetrilised funktsioonid ja kümnendarvud (Indiast), mille nad kritseldasid uuele paberikandjale ( Hiinast), et töötada välja veelgi arenenumad ennustusmeetodid, mis kajasid nüüd ka Euroopas.

Kuid Halley'l oli mängida veel midagi uuemat. Umbes samal ajal püüdis ta Sarose antiikajast välja, avaldas ta ka oma sõbra Isaac Newtoni ideid gravitatsiooni kohta, mida Newton seejärel Kuu orbiidi mõistmisel rakendas. Aastaks 1715, mil Londonile lähenes paljude sajandite esimene päikesevarjutus, oli Halley ennustav kaart iidsete ja kaasaegsete mõtteviiside segu.

Järgmine suur samm saabus 1824. aastal, kui saksa astronoom Friedrich Bessel laiendas gravitatsiooniseaduste abil Newtoni lähenemist varjutustest mõtlemisele. Ta nägi ette, et Kuu vari heitub kujuteldavale tasapinnale, mis kulgeb läbi Maa keskpunkti. Seejärel võiksite selle varju projitseerida maakera pinnale, et näha täpselt, kuhu ja millal vari tabab – protsess, mis lõpuks nõudis Maast kui mitte sfäärist, vaid tükilisest, konarlikust pöörlevast objektist mõtlemist. Pärast Besselit oli paljudel riikidel globaalne, imperiaalne haare, et need varjud taga ajada, ütles Deborah Kent, matemaatika ajaloolane St. Andrewsi ülikoolis. Seda tehes saaksid nad oma arvutusi veelgi täpsustada võitluses teadusliku pehme jõu ülemvõimu eest.

Järgmise sajandi jooksul aitasid päikesevarjutuse ekspeditsioonid lahendada teaduse ühe suurima saladuse: kas Merkuuri veider orbiit oli tingitud avastamata päikest kallistavast planeedist (mis muutuks ilmselt varjutuse ajal nähtavaks)? Või, nagu selgus, oli Newtoni gravitatsiooni mõistmisega probleeme? Need panused muutsid varjutuse ennustamise ja jälgimise veelgi olulisemaks, teadlasi saadeti kõikidesse Maa nurkadesse koos rangete juhistega, kus täpselt olla ja milliseid andmeid salvestada. Seejärel esitasid nad kuivad aruanded, mida lõi aeg-ajalt "aukartuspurse", ütles Kent. "Peaaegu igas neist on kaks lõiku rapsoodilist, viktoriaanlikku ja ülemäärast kirjeldust."

20. sajandil muutus probleem taas. Korralik varjutuste ennustamine pidi alati maadlema tõsiasjaga, et kuu ja kõik muu Päikesesüsteemis tirivad pidevalt üksteist. See ei olnud ainult kuulsalt lahendamatu "kolme keha probleem"; see on N- keha probleem. Kui NASA hakkas inimesi ja roboteid Päikesesüsteemi kehade suunas saatma, muutus vajadus teada, kus need kehad asuvad ja kus nad tulevikus asuvad – ja seda muutus lihtsamaks.

Apollo astronautide Kuule jäetud peeglite tõttu teame, kus Kuu asub Maa suhtes paari meetri täpsusega. Ryani park, kes juhib NASA Jet Propulsion Laboratory päikesesüsteemi dünaamika rühma. Ja kuna mitmed kosmoseaparaadid edastavad päikesesüsteemi ümber sumisedes kaugusandmeid, teame ka päikese asukohta suure täpsusega. Parki meeskond edastab Kuu ja Päikese asukoha andmed – lisaks sarnastele parameetritele planeetide ja sadade asteroidide kohta ning parandused selliste asjade kohta nagu päikesetuule surve ja mitte ainult Newtoni gravitatsiooniseadusi, vaid ka üldrelatiivsusteooria peenemaid näpunäiteid. arvuti mudel. Seejärel esitab mudel loendi kõige, sealhulgas Kuu ennustatud positsioonidest. Seejärel värskendab JPL-i meeskond perioodiliselt oma mudelit ja avaldab uusi loendeid.

Need positsioonid, mis on päikesevarjutuste ennustamise jaoks liiga suured, on mõeldud kosmosereiside jaoks piisavalt headeks. "Olen pisut üllatunud," ütles Park, kui kosmosemissioonide arendajad küsivad, kas nad peavad kulutama aega, et välja mõelda, kus täpselt Kuu asub ja kuidas see liigub. "Ma olen nagu, ei, ei, ei, ei, me lahendasime selle probleemi aastaid tagasi."