日食予測という古代の技術はどのようにして正確な科学になったのか |クアンタマガジン

日食は歴史の大部分を通じて、主権者にとって悪い知らせ、つまり個人の健康や王国の健康にとって不吉な兆候であると解釈されてきました。しかし、それらの恐怖は、何千年にもわたる学問の原動力となりました。この進歩はメソポタミアで歴史データの周期的パターンを探すことから始まりました。それは、太陽系天体の相互依存的な将来の運動を何世紀も前に知る時代で最高潮に達し、かつては宇宙規模の不安の原因であったものを、冷たい時計仕掛けの問題に変えました。

ターニングポイントを 22 つ挙げるなら、それは 1715 年 XNUMX 月 XNUMX 日の朝、日食がロンドンに迫ったことかもしれません。ハレー彗星の同名としてよく知られているイギリスの博学者エドモンド・ハレーは、それを予言しました。彼は、月の影がイングランド上に描くであろう経路の地図を含む大判用紙を出版していた。その年、イングランドには戴冠したばかりの王がおり、すでに彼に対する反乱が勃発していた。ハレーは、日食を予言によって謎を解くことによって、前兆としての力を無力化することを望んでいた。

彼はまた、今後さらに優れた日食予測につながる可能性のある観測を行うデータ収集者を募集したいと考えていました。 「好奇心旺盛な人は、それ、特に完全な暗闇の期間を観察することを望んでいます」と彼は宣伝しました。「…それによって、影の状況と寸法がうまく決定されるでしょう。そしてその手段によって、私たちは、現在ふりをすることができるよりも高い確実性で、同様の出現を将来に予測できるようになるかもしれません。」

ビートを保つ前兆

数十年前、古代文書の熱心な読者であるハレーは、日食や空の月の位置について考えるのに役立つ天体の周期を再発見し、普及させていました。それは6,585日、つまり18年強でした。彼はこのサイクルを「サロス」と​​呼びましたが、現代の歴史家は、これはもともと「宇宙」や「大きな数」などを意味するシュメール語のシンボルの誤訳であると見ています。

メソポタミアの紀元前 600 年頃までに、アッシリアとバビロニアの司祭兼数学者は粘土板に記録された過去の日食の日付を徹底的に調べ、次の日食がいつ起こるかを推測するための戦略を開発しようとしていました。日食はこれらの文化の王たちを心配させましたが、すぐに黄道十二宮と個人の星占いの発明により、太陽、月、惑星の位置を監視する必要性がすべての人に懸念されるようになりました。

最初の解決策は経験則でした。たとえば、月食は 6 か月後に繰り返されることがよくありました。バビロニア人はまた、特定の日食や月食は、ハレーが「ワン・サロス」と​​呼んだものによって、同様の現象から切り離されることが多いことにも気づいていた。

このサイクルを現代の言葉で理解するには、月が太陽と地球の間に直接位置し、3 つの天体すべてがきれいな線を形成する日食の瞬間の天体の幾何学模様を想像してください。これが起こるためには、月が新月でなければなりません。また、地球の周りの傾いた軌道が、地球が太陽の周りの独自の軌道を進む平面を突き抜ける地点になければなりません。

次に、時計を進めて、同じ状況が再発する時刻を見つけることを想像してください。いくつかの重なり合っているが不均等な月の周期を調整する必要があります。サイクル 29.5306: ある新月から次の新月までには約 27.2122 日かかります。サイクル 27.5546: 月が地球の軌道面を通過してから、次の周回で同じ通過するまでに約 XNUMX 日かかります。サイクル XNUMX: 月の楕円軌道は月を地球に近づけたり遠ざけたりするため、月は地球上空で見かけの大きさと速度も振動します。このサイクルには約 XNUMX 日かかります。

したがって、サロスは、これらすべてのサイクルが整数回繰り返されるちょうど良い周期間隔です。新月を通過する 223 回は、黄道を内外に 242 周するのとほぼ正確に等しく、また、ほぼ正確に等しくなります。月の見かけの大きさの振動は 239 までです。日食または月食を見た場合は、サロスを XNUMX 回待つだけで、同じ天体の大まかな幾何学的配置が繰り返されます。

ただし、月の軌道は実際にはこれらのパラメータよりも複雑です。それにもかかわらず、この計画では、結果として生じる日食が地球上のどこで見えるかはわかりません。

ハレーとその先へ

ハレーがサロスについて読み、それを自分用に蘇生させた頃には、数学史家クレメンシー・モンテルが 2011 年の著書で説明しているように、さらに何世紀にもわたる多文化の努力により、日食の問題はさらに洗練されていました。 影を追う。バビロニア人は最終的に、「サロスは待ってください」のような単純な経験則を超えて、空における月の将来の座標を計算する、より複雑な数値計画に移行しました。古代ギリシャ人は、宇宙に関する独自の幾何学的な考え方をバビロニア風の数値計算と融合させました。その合成を基礎にして、「アルゴリズム」という言葉の 9 世紀の同名人物であるアル・フワリズミなどのイスラム世界の天文学者は、(インドから) 三角関数と十進数を取り出し、新しい媒体である紙に走り書きしました (中国から）さらに高度な予測方法を開発するために、それは今やヨーロッパ中にも反響を呼びました。

しかし、ハレーにはさらに新しい遊びがあった。彼はサロスを古代から釣り出したのと同じ頃、友人のアイザック・ニュートンの重力に関する考えの出版にも資金を提供し、ニュートンはそれを月の軌道の理解に応用した。 1715 年までに、何世紀にもわたって最初の日食がロンドンに近づいていたとき、ハレーの予測地図は古代と現代の考え方を組み合わせたものでした。

次の大きな一歩は 1824 年に起こり、ドイツの天文学者フリードリヒ ベッセルが、重力の法則を使用して日食について考えるニュートン的アプローチを拡張しました。彼は、月の影が地球の中心を通る架空の平面に投影されることを想像しました。次に、その影を地球の表面に投影して、影がいつどこに当たるかを正確に確認できます。そのプロセスでは、最終的には地球を球体ではなく、ゴツゴツとしたでこぼこした回転する物体として考える必要がありました。ベッセル事件の後、多くの国はそれらの影を追跡するための世界的かつ帝国的な影響力を持った、と述べた。 デボラ・ケント、セント・アンドリュース大学の数学史家。そうすることで、科学的なソフトパワーの覇権をめぐる戦いで計算をさらに洗練させることができた。

次の世紀にわたって、日食の調査は科学における最大の謎の 1 つを解決するのに役立ちました。それは、水星の奇妙な軌道は未発見の太陽を抱く惑星 (おそらく日食中に見えるようになる) によるものでしょうか?それとも、結局のところ、ニュートンの重力の理解に何か問題があったのでしょうか？これらの賭けにより、日食の予測と観測はさらに重要になり、科学者たちは地球の隅々に派遣され、正確にどこにいてどのデータを記録するかについての厳格な指示を受けました。その後、彼らは時折「畏怖の念を爆発させる」ことによって中断された無味乾燥な報告書を提出した、とケント氏は語った。 「ほぼすべての作品に、狂想曲的でビクトリア朝的で大げさな説明が 2 段落ほど含まれています。」

20世紀に入ると、問題は再び変化しました。日食を適切に予測するには、月と太陽系の他のすべてのものが常に互いに引っ張り合っているという事実と常に格闘する必要がありました。これは、解決不可能として有名な「三体問題」だけではありませんでした。それは N-身体の問題。 NASA が太陽系天体に向けて人やロボットを打ち上げ始めたとき、これらの天体がどこにあるのか、そして将来どこにあるのかを知る必要性が新たな緊急性を帯び、それを把握することがより簡単になりました。

アポロ宇宙飛行士が月面に残した鏡のおかげで、地球に対する月の位置が数メートル以内でわかるようになっています。 ライアンパーク氏は、NASA のジェット推進研究所で太陽系ダイナミクス グループを率いています。また、複数の宇宙船が太陽系の周りを飛び回りながら測距データを送信しているため、私たちは太陽の位置も高精度に知ることができます。パーク氏のチームは、月と太陽の位置データを、惑星や数百の小惑星の同様のパラメーター、太陽風からの圧力、ニュートンの重力の法則だけでなく一般相対性理論の微妙な微調整などの補正とともに、コンピューターのモデル。次に、モデルは月を含むあらゆるものの予測位置のリストを大量に作成します。そして、JPL チームは定期的にモデルを更新し、新しいリストを公開します。

これらの位置は、日食を予測するというタスクには過剰ですが、宇宙旅行には十分であるはずです。宇宙ミッションの開発者らが、月が正確にどこにあり、どのように動くのかを解明するのに時間を費やす必要があるのか​​と尋ねると、パーク氏は「少し驚いている」と語った。 「いやいや、何年も前に問題は解決したよ、って感じです。」