О времени, пространстве и других вещах. От египетских календарей до квантовой физики - [25]
Период оборота Земли относительно звезд составляет 1436 минут, причем не имеет никакого значения, какую звезду мы выбрали для наблюдений. Видимое с Земли перемещение звезд друг относительно друга незначительно, поэтому вполне можно считать, что созвездия движутся как единое целое.
Промежуток времени, равный 1436 минутам, называется звездным днем.
Давайте представим, что наблюдатель находится на Солнце. Глядя оттуда на Землю, он, безусловно, заметит, что она вращается, но период вращения покажется ему не таким, как наблюдателю со звезды. Наш солнечный наблюдатель будет находиться гораздо ближе к Земле, достаточно близко, чтобы движение Земли вокруг Солнца стало фактором, который следует принять во внимание. При единичном обороте Земли (по мнению звездного наблюдателя), она продвинулась бы на заметное расстояние через пространство, а солнечный наблюдатель обнаружил бы, что созерцает планету уже под другим углом.
Эти результаты можно интерпретировать по отношению к наблюдателю на Земле. Чтобы в точности воспроизвести действия солнечного наблюдателя, мы, находясь на Земле, можем измерить период времени, прошедший от момента одного прохождения Солнца прямо над головой до момента следующего (иными словами, от полудня до полудня). Поскольку Земля двигается вокруг Солнца, кажется, что Солнце движется на фоне звездного неба с запада на восток. После прохождения одного звездного дня выбранная звезда должна будет вернуться и занять положение прямо над нашими головами, но Солнце переместится в восточном направлении в точку, откуда ему потребуется двигаться 4 минуты, чтобы оказаться прямо над нашими головами. Таким образом, солнечный день имеет продолжительность 1440 минут, то есть на 4 минуты длиннее, чем звездный день.
Далее предположим, что мы поместили наблюдателя на Луну. Он находится еще ближе к Земле, и видимое движение Земли относительно звезд для него в 13 раз более очевидно, чем для наблюдателя с Солнца.
Рассматривая ту же ситуацию с Земли, мы должны измерить время между последовательными прохождениями Луны прямо над головой. Луна сместится в восточном направлении относительно своего звездного фона на расстояние в 13 раз большее, чем Солнце. После завершения звездного дня нам придется ждать еще 54 минуты, чтобы Луна снова оказалась над нашими головами. То есть земной лунный день имеет продолжительность 1490 минут.
Так же мы можем вычислить период вращения Земли для наблюдателя с Венеры, Юпитера, кометы Галлея, искусственного спутника и т. д. Но я проявлю милосердие и воздержусь от этого. Давайте подведем краткие итоги уже проделанной работы:
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 на 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
