Гномон представляет собой прямой шест, вертикально установленный на горизонтальной площадке, открытой для солнечных лучей. В течение дня длина тени, отбрасываемой гномоном, меняется, и, если она минимальна, значит, наступил полдень. На широте Греции или Месопотамии полуденная тень гномона указывает на север, что позволяет точно разметить шкалу компаса на земле вокруг гномона. Наблюдая изо дня в день за полуденной тенью, можно отметить те дни, когда ее длина минимальна и максимальна. Так определяются точки летнего и зимнего солнцестояния. По длине полуденной тени в точке летнего солнцестояния рассчитывается географическая широта. Весной и летом тень на закате указывает немного южнее направления на восток, а осенью и зимой — немного севернее; когда тень на закате направлена строго на восток, это означает, что наступило весеннее или осеннее равноденствие[4].
Используя гномон в качестве календаря, афинский астроном Евктемон примерно в 430 г. до н. э. совершил открытие, беспокоившее астрономов на протяжении 2000 лет: продолжительность четырех времен года, начало и конец которых в точности определяются точками солнцестояния и равноденствия, немного отличается. Этот факт исключает вероятность того, что Солнце обращается вокруг Земли (или Земля вокруг Солнца) по кругу, в центре которого расположена Земля, с постоянной скоростью, поскольку в таком случае равноденствия и солнцестояния были бы равномерно распределены во времени. Это открытие стало одной из причин, по которой Гиппарх Никейский, величайший астроном Древнего мира, примерно в 150 г. до н. э. счел необходимым ввести идею эпициклов, согласно которой Солнце (и планеты) движутся по круговым орбитам, центры которых тоже движутся по окружностям вокруг Земли. Тремя веками позже Клавдий Птолемей подхватил и развил эту идею.
Даже Коперник, убежденный в том, что орбиты представляют собой окружности, сохранил верность идее эпициклов. И только в начале XVII в. Иоганн Кеплер наконец нашел объяснение явлению, для описания которого Гиппарх и Птолемей использовали эпициклы. Орбита Земли относительно Солнца представляет собой не окружность, а эллипс; Солнце находится не в центре эллипса, а в точке, называемой фокусом эллипса; скорость движения Земли по орбите не постоянна, она увеличивается по мере приближения к Солнцу и уменьшается с удалением от него.
У тех методов использования наблюдений за Солнцем, о которых я рассказал выше, есть свои ограничения. Определять время суток или направление по Солнцу можно, конечно, только в течение светового дня, а до появления гномона по годовому движению Солнца о времени года можно было судить довольно смутно. С самых древних времен этот недостаток восполняли звезды. Еще Гомер знал, что ночью компасом служат звезды. В поэме «Одиссея» Калипсо дает Одиссею указания, как отправиться от ее острова на восток к Итаке: нужно держать Медведицу по левую руку. Медведица — это, конечно, созвездие Большой Медведицы, расположенное около Северного полюса небосклона и на широте Средиземноморья никогда не скрывающееся за горизонтом (или, как у Гомера, «…лишь одна непричастна к купанью в волнах Океана»[5]). Направляя корабль так, чтобы север оставался слева, Одиссей плыл бы на восток, в сторону своего дома[6].
К звездам обращались и как к календарю. По всей видимости, древние египтяне довольно рано научились предсказывать разлив Нила, наблюдая за восходом звезды Сириус. Примерно за 700 лет до н. э. древнегреческий поэт Гесиод в поэме «Труды и дни» советовал земледельцам браться за плуг, сверяясь с положением звездного скопления Плеяды на небе, а именно в тот день года, когда Плеяды появляются из-за горизонта прямо перед рассветом.
Наблюдения позволили многим древним цивилизациям заметить, что существует пять «звезд» (греки назвали их планетами), которые в течение года перемещаются по небу на фоне всех других звезд, при этом их путь повторяет видимый путь Солнца по зодиакальному поясу, но иногда они начинают двигаться вспять. Над задачей описания этого движения астрономы бились тысячелетиями, и в результате многовековых усилий появился труд Исаака Ньютона, который ознаменовал рождение современной физики.
Астрономия была полезна и важна не только потому, что концентрировала свое внимание на Солнце, звездах и планетах и таким образом способствовала совершению научных открытий. Практическое применение также имело важное значение для развития науки, ведь когда научная теория используется не просто для размышлений, а действительно применяется в жизни, это дает огромные преимущества. Если бы Калипсо посоветовала Одиссею держать по левую руку Луну, он бы плавал кругами и не смог вернуться домой. И наоборот, аристотелевская теория движения небесных тел пережила Средние века только потому, что она никогда не применялась на практике, иначе ее несостоятельность была бы обнаружена. Астрономы пытались применить планетарную систему Аристотеля (ее основы были заложены учеником Платона Евдоксом Книдским и его последователем Каллиппом Кизикским), согласно которой Солнце, Луна и планеты двигались по взаимосвязанным прозрачным сферам, в центре которых находится Земля, — теорию, согласующуюся (в отличие от теории эпициклов) с аристотелевской физикой.
И выяснилось, что эта теория не работает. Например, с ее помощью нельзя объяснить изменение во времени яркости планет — изменение, которое Птолемей совершенно правильно связал с тем, что расстояние между планетами и Землей непостоянно. Благодаря авторитету философии Аристотеля многие философы и физики (но лишь немногие практикующие астрономы) оставались верны его теории Солнечной системы на протяжении всей Античности и Средних веков, однако во времена Галилея всерьез ее уже никто не воспринимал. В своей работе «Диалог о двух главнейших системах мира» Галилео обсуждал системы Птолемея и Коперника, но не Аристотеля.
Существовала и еще одна причина, по которой практическая польза астрономии была важна для развития науки: благодаря ей научные исследования получали государственную поддержку. Первым отличным примером был Александрийский мусейон, основанный греческими царями Египта на заре эпохи эллинизма около 300 лет до н. э. Он не был музеем в современном смысле, то есть местом, куда можно прийти, чтобы поглазеть на древности и картины. Александрийский музей был исследовательским учреждением, посвященным музам, в том числе музе астрономии Урании. Цари Египта поддерживали исследовательские работы по созданию катапульт и других артиллерийских орудий, а также летающих снарядов, проводившиеся в Александрии, предположительно в Музее, но вместе с тем Музей финансировал работу Аристарха Самосского, определившего размеры Солнца и Луны и расстояния до них, и работу Эратосфена Киренского, измерившего длину большой окружности поверхности Земли. Музей стал первым в ряду исследовательских центров с государственной поддержкой, среди которых можно назвать Дом мудрости, основанный примерно в 830 г. халифом ал-Мамуном в Багдаде, и обсерваторию Тихо Браге Ураниборг на острове, пожалованном ученому датским королем Фредериком II в 1576 г. Традиция государственной поддержки научных исследований продолжается и в наши дни. Например, лаборатория ядерных исследований CERN и Фермилаб или