Вращение Земли вокруг своей оси - фундаментальное явление, без которого невозможно представить современную науку и технику. Это движение определяет смену дня и ночи, времена года, направления ветров и океанических течений. Понимание осевого вращения позволяет использовать инерциальную навигацию, гироскопы, маятник Фуко. Давайте разберемся, что представляет собой это удивительное движение нашей планеты.
История представлений о вращении Земли вокруг оси
Идея вращения Земли вокруг своей оси впервые была высказана в Древней Греции представителями пифагорейской школы. Согласно реконструкциям, впервые это предположение озвучил пифагореец Гикет из Сиракуз в V веке до н.э. Его поддержал другой пифагореец Экфант. Однако о жизни этих ученых известно очень мало, и даже сам факт их существования иногда ставится под сомнение.
Более достоверно, что идею вращения Земли высказывал древнегреческий философ IV века до н.э. Гераклид Понтийский. Он считал, что каждая звезда представляет отдельный мир, а Вселенная бесконечна. Это хорошо согласуется с гипотезой вращения Земли, поскольку если звезды движутся по небосводу из-за вращения Земли, то нет необходимости помещать их на единую сферу.
В III веке до н.э. гениальный астроном Аристарх Самосский включил гипотезу суточного вращения Земли в первую гелиоцентрическую систему мира. Аристарха поддержал вавилонский астроном Селевк, также считавший Вселенную бесконечной.
Однако подавляющее большинство античных и средневековых ученых придерживались мнения о неподвижности Земли. Главным аргументом против вращения Земли считалась вертикальность траекторий падающих тел. Согласно Аристотелю, на вращающейся Земле тело, брошенное строго вертикально, не смогло бы упасть в ту же точку, а сместилось бы к западу, поскольку Земля ушла бы из-под него во время полета.
Тем не менее, идея вращения Земли периодически обсуждалась учеными Древнего мира и Средневековья. Ее сторонниками были индийский астроном Ариабхата (V-VI вв.), ряд мусульманских ученых Средней Азии. В Европе вопрос о движении Земли поднимали Жан Буридан и Николай Орем (XIV в.).
Я заключаю, следовательно, что с помощью какого бы то ни было опыта невозможно продемонстрировать, что небеса имеют суточное движение и что Земля его не имеет.
Николай Орем, XIV век
Тем не менее, ни один из средневековых мыслителей не принял окончательно гипотезу о вращении Земли из-за противоречия с текстом Библии и авторитетом Аристотеля.
Вращение Земли в системе Коперника
Переворот в представлениях о движении Земли произошел в XVI веке благодаря работам великого польского астронома Николая Коперника. В своем труде "О вращениях небесных сфер" (1543 г.) он поместил Землю в центр орбит планет и приписал ей суточное вращение вокруг оси, а также годовое движение вокруг Солнца.
Эта гелиоцентрическая система мира вызвала бурные споры среди ученых. Многие астрономы, такие как Томас Диггес, Михаэль Местлин, Христоф Ротман, поддержали идею вращения Земли, так как это устраняло необходимость приписывать огромные скорости далеким звездам.
В то же время появились и новые возражения против осевого вращения Земли. Так, Тихо Браге указывал, что если Земля вращается со скоростью 1600 км/ч на экваторе, то из-за огромных центробежных сил она должна была бы распасться. Оппоненты теории Коперника также отмечали, что при вращении Земли должно наблюдаться отклонение снарядов при стрельбе к востоку или западу относительно направления ствола.
Экспериментальное подтверждение вращения Земли
Решающие доказательства вращения Земли были получены в XVIII-XIX веках с помощью тщательно спланированных экспериментов и наблюдений.
В 1791 году Джованни Гульельмини в Италии продемонстрировал отклонение пули, выпущенной в горизонтальном направлении, к востоку относительно направления ствола. Это происходит из-за действия силы Кориолиса, возникающей во вращающейся системе отсчета, связанной с Землей.
Другое важное открытие сделал в 1672 году Жан Рише, путешествуя по Африке. Он обнаружил, что маятниковые часы на экваторе идут медленнее, чем в Париже. Это объясняется тем, что на экваторе из-за центробежной силы уменьшается ускорение свободного падения, от которого зависит ход часов.
В 1851 году Леон Фуко осуществил знаменитый опыт с маятником, доказывающий вращение Земли. Плоскость качания маятника со временем поворачивалась из-за действия силы Кориолиса.
Таким образом, к XIX веку вращение Земли вокруг оси было окончательно доказано с помощью целой серии экспериментов, объяснимых только с учетом этого движения. Это позволило полностью ревизовать представления о механике и заложить основы современной науки.
Споры вокруг вращения Земли в XVI-XVII вв.
Несмотря на успехи сторонников гелиоцентрической системы мира, гипотеза о вращении Земли по-прежнему вызывала множество возражений в научном сообществе в XVI-XVII веках.
Одной из главных причин сопротивления было противоречие теории Коперника буквальному толкованию Библии. Например, в Книге Иисуса Навина говорится: "Стой, солнце, над Гаваоном!". Из этого делался вывод, что Солнце, а не Земля, должно совершать суточное движение.
Другой аргумент заключался в том, что огромные центробежные силы при скорости вращения Земли 1600 км/ч должны были бы разорвать ее на части. Галилей пытался опровергнуть этот довод вычислениями, показавший ничтожность центробежных сил, но содержал ошибки.
Наконец, критики указывали на отсутствие ожидаемых эффектов от вращения Земли, таких как отклонение падающих тел или пущенных снарядов. Это казалось необъяснимым, если Земля вращается под всеми объектами с огромной скоростью.
Объяснение эффектов вращающейся Земли
Сторонники вращения Земли предлагали различные объяснения, почему ожидаемые эффекты не наблюдаются в земных условиях.
Согласно Копернику, ключевую роль играет воздух, который увлекается вращением Земли и скрывает его проявления. Аналогичный довод приводили Джордано Бруно и Томас Диггес.
Однако уже в то время некоторые ученые понимали ограниченность этой аргументации. Так, Галилео Галилей указал, что отсутствие видимых эффектов вращения Земли объясняется принципом относительности: внутри равномерно движущейся системы отсчета все механические процессы протекают так же, как в покоящейся.
Движение Земли, корабля или любого другого тела вообще не сказывается на протекающих на них процессах, если это движение равномерное.
Галилео Галилей
Подтверждение эффектов вращения Земли
Хотя отсутствие видимых эффектов вращения Земли и имело объяснение, экспериментальное подтверждение этих эффектов имело принципиальное значение для окончательного доказательства гипотезы.
В XVII веке Борелли и Ньютон теоретически показали, что гироскоп должен менять ориентацию относительно Земли из-за ее вращения. Это удалось продемонстрировать экспериментально лишь в XIX веке.
Отклонение падающих тел к востоку от вертикали также впервые наблюдалось в XIX веке в опытах Рейха и Феско. А Ньютон еще в XVII веке предсказал это отклонение и предложил поставить такой эксперимент.
Так постепенно накапливалось все больше свидетельств реального проявления эффектов вращения Земли, что окончательно подтвердило эту гипотезу.
Признание вращения Земли наукой
К XIX веку гипотеза вращения Земли вокруг своей оси была признана подавляющим большинством ученых благодаря многочисленным экспериментальным и теоретическим свидетельствам.
Однако некоторое сопротивление по инерции сохранялось в консервативных научных и религиозных кругах. Так, еще в 1820 году профессор Кембриджа Сэмюэл Винс выступил с брошюрой, отрицающей вращение Земли.
Последней попыткой опровергнуть это движение стал эксперимент в 1871 году французского физика Амеде Брю, пытавшегося обнаружить отклонение снаряда от направления дула пушки. Однако его опыты лишь окончательно подтвердили реальность эффекта Кориолиса.
С тех пор вращение Земли вокруг оси считается научным фактом, подтвержденным множеством независимых экспериментальных и теоретических данных. Это открытие стало одним из величайших достижений человеческой мысли.
