Jak starożytna sztuka przewidywania zaćmień stała się nauką ścisłą | Magazyn Quanta

Zaćmienia słońca przez większą część historii były interpretowane jako zła wiadomość dla władcy – złowieszczy znak dla jego zdrowia osobistego lub królestwa. Ale te obawy pomogły w podsyceniu tysięcy lat nauki. Postęp ten rozpoczął się w Mezopotamii od poszukiwania okresowych wzorców w danych historycznych. Osiągnął punkt kulminacyjny w erze, w której znamy współzależne przyszłe ruchy ciał Układu Słonecznego setki lat wcześniej, przekształcając to, co niegdyś było przyczyną niepokoju na skalę kosmiczną, w zimny mechanizm.

Gdybyś miał wybrać jeden punkt zwrotny, mógłby to być poranek 22 kwietnia 1715 roku, kiedy nad Londynem zawisło zaćmienie słońca. Przepowiedział to brytyjski polityk Edmond Halley, najlepiej zapamiętany jako imiennik komety Halleya. Opublikował broszurę zawierającą mapę ścieżki, którą cień księżyca zakreśli nad Anglią. W tym roku Anglia miała świeżo koronowanego króla, wobec którego już szykował się bunt; demistyfikując zaćmienie za pomocą przepowiedni, Halley miał nadzieję zneutralizować jego moc jako omen.

Chciał także zrekrutować osoby zbierające dane, których obserwacje mogą prowadzić do jeszcze lepszych przewidywań zaćmień w przyszłości. „Ciekawcy powinni to obserwować, a zwłaszcza czas trwania Całkowitej Ciemności” – oznajmił – „…ponieważ w ten sposób sytuacja i wymiary Cienia zostaną ładnie określone; i dzięki temu możemy przewidzieć podobne zjawiska w przyszłości z większym stopniem pewności, niż można to sobie wyobrazić obecnie.

Omeny, które utrzymują rytm

Kilkadziesiąt lat wcześniej Halley, zagorzały czytelnik starożytnych tekstów, ponownie odkrył i spopularyzował cykl niebieski pomocny w myśleniu o zaćmieniach i pozycji Księżyca na niebie: 6,585 dni, czyli nieco ponad 18 lat. Nazwał ten cykl „Saros”, co współcześni historycy uważają za błędne tłumaczenie sumeryjskiego symbolu, który pierwotnie oznaczał coś w rodzaju „wszechświata” lub „wielkiej liczby”.

Około roku 600 p.n.e. w Mezopotamii asyryjscy i babilońscy kapłani-matematycy przeglądali daty poprzednich zaćmień zapisane na glinianych tabliczkach, mając nadzieję na opracowanie strategii pozwalających wywnioskować, kiedy może nastąpić następne zaćmienie. Zaćmienia niepokoiły królów w tych kulturach, a wkrótce, wraz z wynalezieniem zodiaku i horoskopów osobistych, potrzeba śledzenia pozycji słońca, księżyca i planet zaczęła dotyczyć wszystkich.

Pierwsze rozwiązania opierały się na praktycznych zasadach. Na przykład zaćmienia Księżyca często następowały po sobie po sześciu miesiącach. Babilończycy zdali sobie również sprawę, że określone zaćmienia Słońca i Księżyca często oddzielano od podobnego zdarzenia przez to, co Halley nazywał jednym Saros.

Aby zrozumieć ten cykl we współczesnych kategoriach, wyobraźmy sobie geometrię ciał niebieskich w momencie zaćmienia słońca, kiedy Księżyc leży bezpośrednio między Słońcem a Ziemią, a wszystkie trzy ciała tworzą gładką linię. Aby tak się stało, księżyc musi być w nowiu. Musi także znajdować się w punkcie, w którym jej nachylona orbita wokół Ziemi przechodzi przez płaszczyznę, w której Ziemia maszeruje po własnej orbicie wokół Słońca.

Teraz wyobraź sobie, że przesuwasz zegar do przodu, aby znaleźć czas, w którym te same warunki się powtórzą. Musimy pogodzić kilka nakładających się, ale nierównych cykli księżycowych. Cykl pierwszy: przejście od jednego nowiu do drugiego zajmuje około 29.5306 dni. Cykl drugi: Księżyc potrzebuje około 27.2122 dni, aby przejść od jednego przejścia przez płaszczyznę orbity Ziemi do tego samego przejścia podczas następnego obiegu. Cykl trzeci: Ponieważ eliptyczna orbita Księżyca przybliża go i oddala od Ziemi, Księżyc również oscyluje na niebie nad Ziemią swoim pozornym rozmiarem i prędkością, co trwa około 27.5546 dni.

Saros jest zatem po prostu ładnym, okrągłym interwałem, podczas którego wszystkie te cykle powtarzają się całą liczbę razy: 223 przejścia przez nów księżyca to prawie dokładnie równe 242 okrążeniom do i z ekliptyki, co z kolei jest prawie dokładnie równe do 239 oscylacji pozornej wielkości Księżyca. Jeśli widziałeś zaćmienie słońca lub księżyca, po prostu poczekaj jeden Saros, a powtórzy się ten sam przybliżony geometryczny układ ciał niebieskich.

Jednak orbita Księżyca jest w rzeczywistości bardziej skomplikowana niż tylko te parametry. I niezależnie od tego, schemat ten nie mówi, gdzie na Ziemi będzie widoczne powstałe zaćmienie.

Halley i nie tylko

Zanim Halley przeczytał o Saros i wskrzesił go na własny użytek, wielokulturowe wysiłki trwające wiele stuleci jeszcze bardziej udoskonaliły problem zaćmień, jak opisała historyk matematyki Clemency Montelle w książce z 2011 roku Gonić cienie. Babilończycy ostatecznie odeszli od prostych zasad empirycznych, takich jak „poczekaj jeden Saros”, na rzecz bardziej skomplikowanych schematów numerycznych, które obliczały przyszłe współrzędne Księżyca na niebie. Starożytni Grecy łączyli swoje własne geometryczne koncepcje kosmosu z obliczeniami numerycznymi w stylu babilońskim. Opierając się na tej syntezie, astronomowie świata islamu, tacy jak al-Khwarizmi, od którego w IX wieku pochodził imiennik słowa „algorytm”, wyciągnęli funkcje trygonometryczne i liczby dziesiętne (z Indii), które zapisali na nowym nośniku papieru ( z Chin) w celu opracowania jeszcze bardziej zaawansowanych metod predykcyjnych, które teraz odbiły się echem także w całej Europie.

Ale Halley miał do zabawy coś jeszcze nowszego. Mniej więcej w tym samym czasie, gdy wyłowił Saros ze starożytności, sfinansował także publikację pomysłów swojego przyjaciela Izaaka Newtona na temat grawitacji, które następnie Newton zastosował do zrozumienia orbity Księżyca. W roku 1715, kiedy do Londynu zbliżało się pierwsze od wielu stuleci zaćmienie słońca, mapa prognostyczna Halleya była mieszanką starożytnych i współczesnych sposobów myślenia.

Następny duży krok nastąpił w roku 1824, kiedy niemiecki astronom Friedrich Bessel rozszerzył newtonowskie podejście do myślenia o zaćmieniach, wykorzystując prawa grawitacji. Wyobraził sobie cień księżyca rzucony na wyimaginowaną płaszczyznę biegnącą przez środek Ziemi. Następnie można było rzutować ten cień z powrotem na powierzchnię globu, aby zobaczyć dokładnie, gdzie i kiedy cień uderzy, co ostatecznie wymagało myślenia o Ziemi nie jako o kuli, ale o nierównym, wyboistym, wirującym obiekcie. Po Besselu wiele narodów miało globalny, imperialny zasięg, aby ścigać te cienie, powiedział Deborah Kent, historyk matematyki na Uniwersytecie St. Andrews. W ten sposób mogliby jeszcze bardziej udoskonalić swoje obliczenia w walce o naukową dominację miękkiej siły.

W ciągu następnego stulecia wyprawy na zaćmienia pomogły rozwiązać jedną z największych tajemnic nauki: czy dziwna orbita Merkurego wynikała z nieodkrytej planety przytulającej się do Słońca (która prawdopodobnie stałaby się widoczna podczas zaćmienia)? A może, jak się okazało, był jakiś problem z rozumieniem grawitacji przez Newtona? Stawka ta sprawiła, że ​​przewidywanie i obserwacja zaćmień stała się jeszcze ważniejsza, ponieważ naukowcy zostali wysłani do wszystkich zakątków Ziemi ze ścisłymi instrukcjami dotyczącymi tego, gdzie dokładnie się znajdować i jakie dane należy zarejestrować. Następnie złożyli suche raporty, przerywane okazjonalnymi „wybuchami podziwu” – powiedział Kent. „Prawie w każdym z nich znajdują się dwa akapity rapsodycznego, wiktoriańskiego, przesadnego opisu”.

W XX wieku problem ponownie się zmienił. Prawidłowe przewidywanie zaćmień zawsze musiało wiązać się z faktem, że Księżyc i wszystko inne w Układzie Słonecznym nieustannie się przyciągają. Nie był to tylko słynny nierozwiązywalny „problem trzech ciał”; to jest N-problem z ciałem. Kiedy NASA zaczęła wysyłać ludzi i roboty w stronę ciał Układu Słonecznego, potrzeba wiedzy, gdzie te ciała się znajdują i gdzie będą w przyszłości, nabrała nowego znaczenia – i łatwiej było to rozgryźć.

Dzięki zwierciadłom pozostawionym na Księżycu przez astronautów programu Apollo wiemy, gdzie Księżyc znajduje się względem Ziemi z dokładnością do kilku metrów – twierdzi. Ryan Park, który kieruje grupą Solar System Dynamics w Jet Propulsion Laboratory NASA. A dzięki temu, że wiele statków kosmicznych przesyła dane dotyczące odległości, gdy krążą po Układzie Słonecznym, znamy również położenie Słońca z dużą dokładnością. Zespół Parka wprowadza dane dotyczące pozycji Księżyca i Słońca – wraz z podobnymi parametrami dla planet i setek asteroid oraz poprawkami dotyczącymi takich czynników, jak ciśnienie wiatru słonecznego, a nie tylko prawa grawitacji Newtona, ale subtelniejsze zmiany ogólnej teorii względności – w modelu komputera. Następnie model generuje listę przewidywanych pozycji wszystkiego, łącznie z Księżycem. Następnie okresowo zespół JPL aktualizuje swój model i publikuje nowe listy.

Pozycje te, stanowiące przesadę w przypadku przewidywania zaćmień, mają wystarczyć do podróży kosmicznych. „Jestem trochę zaskoczony” – powiedział Park, gdy twórcy misji kosmicznych pytają, czy będą musieli spędzać czas na ustaleniu, gdzie dokładnie będzie Księżyc i jak się porusza. „Ja na to: nie, nie, nie, nie, rozwiązaliśmy ten problem wiele lat temu”.