О времени, пространстве и других вещах. От египетских календарей до квантовой физики

Для начала отметим один бесспорный факт: для наблюдателя на Земле Земля не вращается. Если вы останетесь в одном месте с какого-то момента и до конца света, то всегда будете видеть только одну часть земной поверхности, и ничего больше. Поэтому относительно вас планета неподвижна. И действительно, мы знаем многие примеры из истории человечества, когда даже умнейшие ученые мужи настаивали на том, что действительность (что бы это слово ни означало) в точности соответствует тому, что мы видим. Поэтому Земля действительно не вращается. В 1633 году Галилео Галилей, заявивший обратное, оказался в весьма неприятных обстоятельствах.

Но давайте предположим, что наш наблюдатель разместился на одной из звезд, расположенной (простоты ради) в плоскости земного экватора, или, иначе, на небесном экваторе (см. главу 3). Далее предположим, что в распоряжении наблюдателя имеется некий прибор, дающий ему возможность изучать поверхность Земли в мельчайших деталях. Для него Земля будет вращаться, потому что постепенно перед его глазами пройдут все участки ее поверхности. Заметив для себя какой-нибудь ориентир (пусть это будем мы с вами, стоящие в какой-то точке экватора), он сможет увидеть, как мы исчезнем из поля зрения, а затем появимся снова. Теперь, используя обычный хронометр, он сможет определить период вращения Земли.

Мы можем продублировать его действия: когда для наблюдателя на звезде мы находимся в центре видимого для него участка земной поверхности, мы видим его звезду прямо над головой. Он засечет время, которое потребуется нам, чтобы вернуться в это же положение, а мы можем засечь время, за которое его звезда снова займет позицию над нашими головами. (Измерим это время в минутах. Минута равна 60 секундам, а секунда — ¹/_{31 556 925,9747} части тропического года.)

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.