Небесные глобусы

Может показаться странным, но первые глобусы, придуманные и изготовленные людьми (даже и не людьми, о чем чуть ниже), были небесными глобусами.

Но подумав, перестаешь удивляться.

Действительно, если шарообразность земли для древних ученых была понятием умозрительным, то сферовидность неба очевидна - поднимаешь глаза в ночное небо и видишь, что это половинка сферы, опрокинутая над землей, наблюдаешь свод в течение ночи и видишь, как он вращается и явно составляет полную сферу. Так что конечно, небо - сфера, и ее можно представить в виде модели - шара-глобуса.

Глобус аргонавтов

Это открытие сферичности неба было сделано так давно, что корни изобретения прячутся в мифологических слоях. Потому что создание глобуса мифы приписывают даже не человеку, а кентавру Хирону. Другие мифы говорят, что придумал небесный глобус, но заказал изготовление Мусею. Мусей и изготовил первый вариант глобуса специально для похода аргонавтов, передал его Хирону, а тот поднес дар на корабль Арго и объяснил навигатору аргонавту Навплию как им пользоваться.

На этом первом глобусе (говорят некоторые комментаторы) еще не было созвездий, а только некоторые звезды Медведиц. (Диоген Лаэртский вообще говорит, что Мусей, сын Евмолпа ... первый построил шар, то есть был геометром, а не астрономом.) По завершении экспедиции Хирон нанес на этот шар созвездия, в которых отобразил приключения аргонавтов. Он также зарезервировал место для себя в виде созвездия Центавр, но его опередил кентавр Фол. Эту странную теорию придумал, между прочим, Исаак Ньютон, который считал, что греческие созвездия иллюстрируют поход аргонавтов. На самом деле, нет никаких указаний на такое развитие событий.

Тем не менее, вполне возможно, что самые первые небесные глобусы были действительно только моделями сферы без нанесенных изображений. Они использовались в мореплавании, хотя я плохо представляю, как подобные инструменты, тем более без нанесенных навигационных звезд, могут помочь корабелам.

Античные глобусы

Первый исторический, а не мифологический небесный глобус был сконструирован греками, вероятно, в VI до н.э.. Авторство приписывается Анаксимандру Милетскому или Фалесу Милетскому.

Фалес Милетский, нанес на свой глобус звезды каталога Евдокса Книдского. Глобус этот не сохранился, но некоторые исследователи считают, что он послужил прототипом фарнезскому Атласу - скульптуре, стоящей сейчас в Национальном археологическом музее в Неаполе. То есть, в музее стоит римская копия 70-х годов н.э. греческого оригинала II века до н.э., и это видимо, самая первая сохранившееся пусть и в копии, модель сферы неба.

Примерно к этому же времени III-I в. до н.э. относится оригинал Глобуса Кюгеля, копии, приобретеной Античной галереей Ж. Кюгеля (Париж) в 1996 году. Чуть моложе - 11-сантиметровый Майнцский глобус, похоже, оригинал (150-220 гг. н.э.).

К сожалению, это все, что осталось из небесных глобусов античного периода. Однако ясно, что небесные глобусы грекам были хорошо известны, использовались в навигационных, образовательных, а, возможно, и в декоративных целях.

Глобус Архимеда

Архимед, сиракузский ученый, инженер и конструктор III в. до н.э., своими изобретениями вошедший в легенды, спроектировал и изготовил небесный глобус, вызывавший изумление несколько веков, пока не был утерян.

К сожалению, мы не знаем детали устройства. Известно, что глобус представлял не просто небесную сферу (должен признаться, что на первый взгляд я не нашел в ней ничего особенного, - говорит Цицерон устами своего героя, - но только до тех пор, пока сфера не была "приведена в движение"). Он включал в себя механизм, позволявший управлять движением Солнца, Луны и пяти известных планет среди созвездий. По крайней мере, периоды обращения Солнца и Луны механически синхронизовывались; об особенностях движения планет (периоды, попятное движение), к сожалению, в сохранившихся источниках ничего не говорится. Ко всему прочему, Луна, судя по всему, меняла фазы.

Многие столетия глобус восхищал своим устройством:

Неба устав, законы богов, гармонию мира –
Все Сиракузский старик мудро на землю принес.
Воздух, скрытый внутри, различные движет светила
Точно по дивным путям, сделав творенье живым.
Ложный бежит зодиак, назначенный ход выполняя,
Лик поддельный Луны вновь каждый месяц идет.
Смелым искусством гордясь, свой мир приводя во вращенье,
Звездами вышних небес правит умом человек.

Клавдиан,V в.

Возможно, глобус был пневматическим. С. Житомирский предлагал в 1981 году гипотетическую реконструкцию устройства глобуса, но попыток реализации не было. Глобус Архимеда часто называют глобусом-планетарием.

Архимед изготовил как минимум еще один глобус (более красивый и более известный в народе по Цицерону). Утверждения (историка картографии Л.Брауна?), что глобус представлял собой стеклянную небесную сферу, заключавшую внутри себя земную сферу, по всей видимости, вполне фантезийны.

Наконец, Архимед написал книгу "Об устройстве небесного глобуса". Книга, как и сами глобусы не сохранилась, и не известны даже цитаты или комментарии к ней.

Антикитерский механизм

Глобус-планетарий Архимеда был, безусловно, выдающимся инженерным творением, но вообще-то не стоит недооценивать технических умений греков. Скажем, найденный в начале XX века Антикитерский механизм, вполне может сравниться с "планетарием" и в плане теоретической сложности, и в области практической реализации. Но о нем не здесь.

Подробное описание изготовления небесного глобуса предлагает Птолемей. Оно включает конструктивную часть и астрономическую: способ нанесения звезд (с учетом яркости и цвета!) с использованием каталога. Примечательно, что Птолемеей предлагает пользоваться сидерическими координатами, отсчитываемыми от Сириуса, потому что глобус конструировался на века и не должен был зависеть от смещения равноденствий. Птолемей предостерегает от "украшательств", ни о каких изображениях речи нет, допустимы только главные соединительные линии.

Я привожу эту инструкцию полностью.

Глобус по Птолемею

Цвет фона глобуса мы сделаем довольно темным, чтобы он походил на цвет не дневного, но ночного неба, в котором появляются звезды. Взяв на нем две точки, расположенные точно на одном диаметре, мы, используя их в качестве полюсов, опишем большой круг, который всегда будет находиться в плоскости, проходящей через середины зодиакальных созвездий. Под прямыми углами к этому кругу и через его полюсы мы проводим другой круг и, начиная от одной из точек его сечения с первым, делим круг через середины зодиакальных созвездий на 360 частей, надписывая на нем числа градусов, насколько это окажется возможным. После этого сделаем из крепкого и хорошо сохраняющего свою форму материала два круга, которые образовывали бы на поверхностях квадранты и были бы везде хорошо обточены; пусть меньший из них касается сферы по всей своей вогнутой поверхности, а другой будет немного больше. Посередине выпуклой поверхности каждого круга вырежем [средние] линии, которые точно разделят пополам толщину этих кругов; используя эти линии как ориентиры, отрежем одну из половин каждого круга ; при помощи насечек, сделанных на [оставшейся] половине периметра, разделим полуокружность на 180 частей. Когда это будет сделано, наложим меньший круг так, чтобы поверхность упомянутого выреза всегда проходила через полюсы равноденственного и зодиакального кругов, а также и через точки солнцеворотов, и, просверлив его посередине по диаметру у концов выреза, приладим его при помощи шпеньков к взятым на сфере полюсам круга, проходящего через середины зодиакальных созвездий, так, чтобы он мог вращаться по всей сферической поверхности.

В качестве постоянного начала для созвездий неподвижных звезд (поскольку не будет хорошо, если мы возьмем точки равноденствий и солнцестояний на зодиаке глобуса, ибо расстояния наносимых звезд от них не остаются постоянными) мы выбираем самую яркую звезду, а именно расположенную во рту Пса, и на круге, проведенном перпендикулярно зодиаку через сечение, отмечаем в качестве начальной точки деление, соответствующее числу градусов широты [которое принято для этой звезды в каталоге] от средней линии зодиака по направлению к южному его полюсу. Мы отмечаем каждую из остальных неподвижных звезд в последовательности их записи, вращая вокруг полюсов зодиака круг с разделенным вырезом. Придвигая поверхность вырезанной его стороны к той точке круга, проходящего через середины зодиакальных созвездий, которая отстоит от отмеченного сечения Пса в начале отсчета на то число градусов, на какое рассматриваемая звезда отстоит по записанной в каталоге долготе от Пса, и, приходя к точке на вращающейся и разделенной стороне [широтного круга], отстоящей от средней линии зодиака на число градусов, соответствующее расстоянию звезды по направлению к северному или южному полюсу, мы отмечаем там место звезды, накладывая желтый или для некоторых звезд какой-нибудь другой выбранный цвет соразмерно и соответственно величине звезды.

Очертания каждого из созвездий мы сделаем возможно более простыми, соединяя только одними линиями служащие для их изображения звезды, причем эти линии не должны очень отличаться от цвета всей сферы, чтобы, с одной стороны, не была утеряна практическая цель обозначений звезд
по образуемым ими фигурам, а с другой — чтобы наложение пестрых цветов не уничтожило сходство изображения с действительностью; это позволяет нам, когда мы начнем изучать [звездное небо], легче запомнить, а потом сравнить относительные положения звезд, поэтому мы должны
привыкнуть к неприукрашенному изображению звезд также и на глобусе.

Поместим затем [на глобусе] и расположение круга Млечного Пути в соответствии с его положениями, очертаниями, сгущениями и разрывами, как они описаны выше. Затем мы прилаживаем больший из кругов, который всегда будет изображать меридиан, к объемлющему глобус меньшему и к полюсам, которые в дальнейшем будут совпадать с полюсами равноденственного круга. Эти точки должны быть отмечены по диаметру на большем меридианном круге опять на концах вырезанной и разделенной ею стороны, которая обозначает часть меридиана, находящуюся над поверхностью Земли; на меньшем же круге, проходящем через обе пары полюсов, они должны быть расположены по диаметру на концах дуг, отстоящих от полюсов зодиака на градусы наклону эклиптики, а именно 23;51; по вырезам на обеих сторонах круга должны быть вставлены маленькие шипы, соответствующие отверстиям для полюсов.

Затем вырезанную сторону меньшего из кругов, которая, конечно, должна быть всегда тождественной с меридианом, проходящим через точки солнцеворотов, мы будем каждый раз устанавливать на ту из точек деления зодиака, которая будет отстоять на столько градусов от начала Пса, на сколько Пес в рассматриваемое время отстоит от точки летнего солнцеворота;
так, для начала царствования Антонина — на 121/3 градусов в направлении, противоположном последовательности знаков зодиака. Меридиан мы сделаем перпендикулярным к находящемуся на основании горизонту так, чтобы он разделился пополам видимой поверхностью последнего. Он тоже
может вращаться в своей плоскости, и поэтому при помощи делений меридиана мы сможем поднимать над горизонтом северный полюс на дугу, соответствующую предполагаемому климату.

Не будет никакого вреда для нас, если не оказалось возможным отметить на сфере положения равноденственного круга и тропиков. Действительно, на разделенной стороне меридианного круга точка, находящаяся между полюсами равноденственного круга и отстоящая от каждого из них на
90 градусов четверти круга, будет эквивалентна точкам равноденственного круга, а точки, отстоящие от нее на 23;51 градуса в обе стороны, будут обладать свойствами точек каждого из тропиков, а именно северная — летнего тропика, а южная — зимнего. Таким образом, передвигая первым вращением с востока на запад каждую из исследуемых звезд к разделенной стороне меридианного круга, при помощи его делений мы сможем также определить расстояние их от тропиков или экватора, как если бы мы были в состоянии определить их при помощи круга, проходящего через полюсы равноденственного.

Птолемей, "Альмагест", VIII, 3

Средневековье

С падением Римской империи европейская наука пребывала в небрежении. О всяких небесных глобусах было забыто, астрономическое знание во многом утеряно. Центр научной культуры сместился на Ближний Восток.

Арабские ученые первоначально познакомились с наукой астрономией через контакты с индийскими коллегами. Индийская астрономия оставалась в этот момент доптолемеевской. Птолемеевский "Альмагест" начал переводиться на арабский в IX веке. В это же время исламские астрономы начали изготавливать небесные глобусы, пользуясь греческими источниками.

Сохранилось много глобусов арабского Востока. Они очень напоминают античные греческие, обычно литые медные с гравировкой созвездий, звезд и координатной сетки. Похоже, арабское усовершенствование - это усложнение конструкции монтировки.

В Европу небесный глобус (вместе с арабскими цифрами) вернулся в 960-х гг. заботами Герберта Орильякского, будущего "папы-чернокнижника" Сильвестра II, а тогда простого монаха при епископе Ато. (Возможно, сначала это была армиллярная сфера, генетически близкое, но более "научное-ориентированное" устройство, о котором чуть ниже.)

Европа

Вообще-то говоря, будущий папа Сильвестр II не покидал Европы. С исламской наукой (и чуть ли не с чернокнижием) он познакомился в Кордове, вполне себе на территории Европы. Но в X веке там располагался Кордовский халифат, и это была натуральная мусульманская территория. Так что, говоря о возвращение глобуса Европу, я имею виду не географическое понятие, а культурное пространство, христианскую Европу.

От глобусов к атласам


Фрагмент развертки глобуса Планциуса
по каталогу Тихо Браге, 1613
(самая древняя развертка, обнаруженная мной)

Появление книгопечатания упростило создание небесных глобусов. Если раньше глобус делался в виде литого металлического шара, медного или бронзового, на котором гравировались созвездия и звезды, и это все было сложно, трудоемко и дорогостояще, то теперь его можно было делать деревянным и наклеивать на него специально отпечатанные листы-карты. Другой вариант: изготавливался мастер-глобус, на который накладывались листы и снимался отпечаток; потом эти листы-отпечатки служили материалом для изготовления копий глобуса.

Листы для глобуса представляли собой "арбузные дольки" неба от полюса до полюса. Их обычно было 12 штук по числу знаков зодиака и они представляли по существу развертку глобуса. Такие развертки можно часто обнаружить на сайтах исторических карт.

Оставался один шаг до атласа: нужно только правильно сшить развертку на плоскости, чтобы получить плоскую карту.

Три источника

Помимо развертки глобуса к появлению звездных атласов причастны еще два изобразительных приема из практики средневековых авторов. Во-первых, это планисферы - изображения северной и южной полусфер неба с полюсом в центре в виде двух кругов. Один из первых примеров: "Звездная карта" Апиана. Во-вторых, иллюстрации к каталогу "Альмагеста", на которых изображались одиночные созвездия в виде соответствующей фигуры с нанесенными звездами. Наверное, первый пример - «Книга неподвижных звёзд» ас_Суфи, X век, (Стоит обратить внимание, что "Явления" Арата иллюстрировались и раньше, но это были только лишь веселые картинки, не имевшие отношения к реальной форме созвездий.)

Первый атлас современного типа - "Уранометрия" Байера (1603).

От глобуса к астролябии

Другое направление, по которому эволюционировали небесные глобусы, было более научным. Небесный глобус превратился сначала в армиллярную сферу, а потом в астролябию.

Армиллярная сфера

Реконструкция армиллярной сферы по Птолемею

Первый шаг был короткий и был предопределен. Действительно, все уже было готово. Глобус, чтобы стать глобусом, а не просто шаром с картинками, должен быть насажен на ось и вращаться. Ось задает экватор. На небесный глобус нужно нанести эклиптику - годовой путь солнца среди созвездий, зодиакальный круг и, как следствие, полюса эклиптики. Естественно вложить небесный шар в круг горизонта, провести круги высоты и ось зенит-надир. Все эти "круги" задают сетки небесных координат. Теперь оставляем эти металлические или деревянные конструкции, убираем сам небесный шар - и мы получаем армиллярную сферу: модель небосвода с главными небесными кругами и точками.

Армиллярные сферы применял для наблюдений уже Эратосфен на рубеже III-II вв. до н.э., но похоже, изобретены они были раньше.

В дальнейшем прибор существенно усовершенствовался.

У Птолемея в "Альмагесте" (V, 1) содержится описание конструкции армиллярной сферы (он, правда, называет ее астролябией). Описание, прямо скажем, непростое для понимания.

Изготовление армиллярной сферы по Птолемею

Возьмем два точно обточенных кольца, поверхности которых квадратны в сечениях [рис. 5-А]. Пусть они будут иметь подходящую величину и повсюду будут равны и подобны друг другу. Соединим их по диаметру так, чтобы их поверхности были взаимно перпендикулярны; одно из них мы будем рассматривать как круг, проходящий через середины знаков зодиака [1], а другой [2] — как полуденный [круг], проходящий через полюсы зодиакального [круга] и равноденственного. На этом круге при помощи стороны вписанного квадрата устанавливаем точки, изображающие полюсы круга через середины знаков зодиака, и, вставив в них цилиндрики [е— е], выходящие с внешней и внутренней поверхностей, прикрепляем к внешним еще один круг [5], который везде своей вогнутой поверхностью точно касается выпуклой поверхности двух соединенных кругов и может вращаться по долготе вокруг упомянутых полюсов круга через середины знаков. К внутренним же цилиндрикам мы подобным же образом прикрепляем другой круг [б], который везде выпуклой своей поверхностью точно касается вогнутой поверхности обоих первых кругов и также может вращаться по долготе вокруг тех же полюсов, что и внешний круг. Этот внутренний круг, а также тот, который обозначает проходящий через середины знаков, делим на обычные 360 градусов окружности и, насколько это возможно, также на более мелкие подразделения. Под внутренним кругом из этих двух мы точно прилаживаем еще один тонкий малый круг [7], имеющий два диаметрально противоположных отверстия [Ъ—Ь], так, чтобы он мог вращаться в плоскости внутреннего круга по направлению к тому или другому из упомянутых полюсов и позволял производить наблюдения широты. Сделав все это описанным образом, на круге, который мы предполагаем проходящим через оба полюса, откладываем от каждого из полюсов круга через середины знаков зодиака дугу, равную определенной выше величине между полюсами круга через середины знаков зодиака и равноденственного. Получающиеся концы этих дуг, тоже диаметрально противоположные друг другу, прикрепляем [цилиндриками d — d] к описанному в начале этого сочинения полуденному кругу [3, 4] 353 для наблюдений дуг полуденного круга между тропиками таким образом, чтобы при установке его в том же положении, что и упомянутое ранее, т.е. перпендикулярно плоскости горизонта, под соответствующим данному климату поднятием полюса и, кроме того, параллельно плоскости естественного меридиана, внутренний круг [7, 2 и др.] мог совершать вращения вокруг полюсов равноденственного круга от восхода к западу в соответствии с первым движением мира.


Армиллярная сфера использовалась античными астрономами, но была не слишком удобна в использовании. Она была громоздка (армиллярная сфера Птолемея была почти полметра в диаметре), тяжела, неудобна в ночных наблюдениях и давала низкую точность. Значительным прогрессом стала астролябия. Та самая, которая, по словам Остапа Бендера, сама меряет, было бы что мерить. Сама она не меряет, но пользоваться ей значительно удобнее.

Астролябия

Идея астролябии в проекции небесной сферы на плоскость: все круги армиллярной сферы специальными математическими методами переводятся в плоскость. Конструкция получается компактной, астроном наблюдает не с неудобной громоздкой сферой, а с плоским круглым диском, к которому, кстати говоря, легко инсталлировать визирную конструкцию.

Греческая наука была математизирована, а греческая математика - геометризована; неудивительно, что открытия законов проекции не пришлось ждать долго. Они были сформулированы великим геометром Аполлонием Пергским в III веке до н.э., и скоро применены на практике в астрономии.

Конструкция астролябии

По существу астролябия представляет собой двумерный аналог небесной сферы с возможностью моделировать на ней небесные явления. Она состоит из планшета с оцифрованным лимбом, подвешиваемого вертикально. В планшет вкладывается тимпан, круглый металлический диск, на котором выгравлена стереографическая проекция небесной сферы. Это главная часть прибора; правильно разметить проекцию и точно воспроизвести её в металле очень важно. Тимпан обычно рассчитывается для конкретного места, точнее, для выбранной географической широты. В свою очередь, на тимпан накладывается паук - подвижная круглая решётка, на которой отмечены главные звезды и эклиптика.

В развитии и совершенствовании астролябии преуспели арабы в средние века. Они придумывали новые конструкции прибора, использовали разные стереографические проекции для разных задач и довели астролябию до совершенства. В арабских зиджахисламских астрономических трактатах астролябиям обычно уделялось почетное место.

Дальнейшее развитие астролябии

Аналогом астролябии служит сейчас подвижная карта звездного неба, в советские времена прилагавшаяся к учебнику астрономии.

Астролябии дали начало специализированным астрометрическим инструментам. Сначала они породили квадранты (в которых для практического удобства моделируется только четверть круга), а потом секстанты (астрономические и навигационные). Их современным прямым потомком можно считать мередианный круг. И дальним родственником - космический телескоп Хаббл.