Рауль Ибаньес - Том 26. Мечта об идеальной карте. Картография и математика

• Название: Том 26. Мечта об идеальной карте. Картография и математика
• Автор: Рауль Ибаньес
• Издательство: ООО «Де Агостини»
• Жанр: Математика
• Год: 2014

Современный человек пользуется картами практически ежедневно: карты украшают стены школ, они помогают нам ориентироваться на местности, находить кратчайший путь из одного пункта в другой, изучать историю, географию, экономику и ряд других наук.

Карты — важный рабочий инструмент для некоторых специалистов: моряков, летчиков, машинистов, топографов и проч. Но много ли мы знаем о том, как создаются карты? Для чего существует такое количество разнообразных карт и насколько все они точны?

Прочитав эту книгу, вы узнаете множество новых и любопытных фактов о геометрии карт.

---

Платон, «Федон, или О бессмертии души» (IV в. до н. э.)

Перед тем как приступить к составлению или изучению карт планеты, на которой мы живем и которая поэтому представляет для нас наибольший интерес, следует изучить ее форму и размеры. Так мы научимся определять положение точек на ее поверхности и отметим некоторые геометрические особенности Земли, которые интересовали ученых начиная с глубокой древности. Уже Клавдий Птолемей в «Географии» писал: «…Первое, что следует изучить [для того, чтобы создать карту мира] — это форма, размер и положение Земли относительно ее окрестностей [неба] так, чтобы мы смогли говорить об известной ее части, сколь велика бы она ни была […]. Эти деяния принадлежат к числу благороднейших и прекраснейших умственных занятий — узнаванию посредством математики… [природы] Земли по ее изображению…»

Именно в этом состоит цель геодезии. Слово «геодезия» происходит от греческого «гео» («земля») и «даио» («делю»), оно означает «деление Земли». Геодезия — это наука, изучающая форму и размеры планеты, ее поле тяготения и траекторию движения. В геодезии нельзя обойтись без геометрии — само сходство этих слов говорит о важной связи между ними: «геометрия» происходит от греческого «гео» («земля») и «метриа» («измерять»), то есть означает «измерение Земли».

* * *

КЛАВДИЙ ПТОЛЕМЕЙ (ОК. 90-170 ГОДЫ)

О жизни этого астронома, математика и географа известно немногое. Мы знаем, что он был римским гражданином греческого или египетского происхождения, жил и работал в Александрии. Он был автором двух трактатов, оказавших огромное влияние на европейскую и мусульманскую науку: «Альмагеста» (от арабского «Великое построение») и «Географии». В «Альмагесте», в котором прослеживается влияние Гиппарха, Птолемей собрал и расширил знания греков об астрономии, а также описал соответствующие математические методы. В этом трактате он подробно изложил математическую теорию, описывающую движение Солнца, Луны и планет.

Его модель мира была геоцентрической и описывала движение сферических небесных тел с помощью эпициклов, сочетавших в себе несколько видов кругового движения. Кроме того, в «Альмагесте» приводился каталог звезд. Более популярным языком Птолемей изложил свои идеи в труде «Планетные гипотезы». Его «География» представляет собой сборник знаний о географии мира того времени. В трактате описаны способы создания карт мира («ойкумены») и римских провинций с помощью координатной сетки. Карты Птолемея (дошедшие до нас благодаря репродукциям XV века) обладали важным достоинством: они были созданы с применением геометрических проекций. Тем не менее эти карты были очень неточными, ведь в те годы знания о землях за пределами Римской империи и даже о некоторых римских провинциях были ошибочными. Кроме того, размеры Земли, вычисленные Птолемеем, были намного меньше реальных. В своих книгах «Аналемма» и «Планисфера» Птолемей объясняет соответственно ортографическую и стереографическую проекции. Также ему принадлежат трактаты «Гармоника» — о музыке, «Оптика» и «Четверокнижие», посвященные астрологии.

Восстановленный вариант одной из карт мира, приведенных в «Географии» Птолемея. Эта карта также дана в «Космографии» Йоханнеса Армсшейна и Николаса Германуса (1482).

* * *

Три первые главы этой книги посвящены изучению Земли, ее форм и размеров, географических координат и больших кругов.

Круглая или плоская?

Сегодня вопрос о том, какую форму имеет Земля, может показаться даже несколько оскорбительным: как все мы знаем, наша планета круглая, подобно мячу, и сплюснута у полюсов (то есть, говоря математическим языком, ее форма ближе к эллипсоиду). Также в школе нас учили: люди были убеждены в том, что земля плоская, пока Христофор Колумб не доказал современникам, что она имеет форму шара.

Спутниковые снимки Земли доказывают, что наша планета круглая, а не плоская.

В нашем сознании настолько укоренилась мысль о том, что Земля круглая, что мы и не думаем спорить с этим. Но каковы прямые доказательства того, что Земля на самом деле круглая? Одним из них могут служить многочисленные спутниковые снимки, на которых видно, что наша планета имеет форму шара. Но даже если отбросить маловероятную теорию заговора, согласно которой эти изображения — подделка, все же проверить подлинность спутниковых снимков мы не можем. Как писал древнегреческий философ Аристотель (384 год до н. э. — 322 год до н. э.) в своем трактате «О небе», нам нужны «явления, доступные ощущениям».

Многие народы, населявшие Землю еще примерно 2300 лет назад — египтяне, вавилоняне, китайцы и даже греки, — считали, что Земля совершенно плоская.

Первые описания формы Земли в Древней Греции принадлежат Гомеру (IX век до н. э.), собравшему воедино знания о географии и космологии своего времени. Греки считали, что Земля — это плоский диск, висящий в воздухе, на котором располагается известная в то время суша, окруженная великим океаном, и его воды переливаются через края Земли. Это представление о мире разделяли последователи ионийской школы философии, в частности Анаксимандр (ок. 610 года до н. э. — ок. 546 года до н. э.), ученик Фалеса Милетского, который был автором первой известной нам карты мира.

Реконструкция карты Гекатея, созданной на основе карты Анаксимандра. Это древнейшее из дошедших до нас изображений ойкумены — мира, известного древним.

* * *

ЗЕМЛЯ В КОСМОЛОГИЧЕСКИХ МИФАХ

Все древние народы (вавилоняне, египтяне, китайцы, греки, американские индейцы и другие) в своих мифах о происхождении мира представляли Землю более или менее плоской. По их верованиям, Земля покоилась в океане, висела в воздухе или находилась на спине огромного мифологического существа.

Для вавилонян Земля была плоским диском, который плавал на поверхности океана и был покрыт небесным сводом — металлической полусферой, на которой располагались звезды. Над небесным сводом находились высшие воды, которые иногда просачивались сквозь него, и тогда на Земле шел дождь. В африканских мифах Земля покоилась на змее, плавающей в океане.

Индусы считали, что Землю поддерживают четыре слона, стоящие на огромной черепахе, которая также плавает в океане. Египтяне и китайцы считали, что земля имеет прямоугольную форму и плавает в воде, а небесный свод покоится на двух горных цепях или четырех горах, находящихся в углах мира.

В мифах индейцев майя и других американских культурах мир изображался в виде плоского прямоугольного листа, над которым находилось небо, образованное тринадцатью наложенными друг на друга горизонтальными плоскостями. На вершине этой пирамидальной структуры восседало главное божество. Под землей находился подземный мир, состоявший из девяти горизонтальных слоев, расположенных в форме перевернутой пирамиды. Вертикально расположенные плоские миры, параллельные друг другу, описываются и в буддийской космологии.

* * *

Древнегреческому математику и философу Пифагору (ок. 570 года до н. э. — ок. 500 года до н. э.), пусть и не безоговорочно, приписывают авторство гипотезы о шарообразной форме Земли. Неизвестно, на чем была основана его гипотеза: на физических наблюдениях или философских рассуждениях (философы считали шар самой совершенной из фигур, следовательно, наша планета, населенная людьми и сотворенная богами, должна была иметь форму шара). Платон в своем диалоге «Федон, или О бессмертии души» также упоминает, что земля имеет форму шара. Но раньше всех эту гипотезу излагает Аристотель в трактате «О небе», приводя при этом некоторые физические и логические аргументы в ее пользу. Он же первым заговорил о радиусе Земли: «Все математики, которые пытаются вычислить размер окружности Земли, говорят, что он равен 400000 стадиев».

Впрочем, размеры земного шара мы обсудим в следующей главе.

Прямые доказательства сферической формы Земли

Так как приведенные Аристотелем аргументы в пользу того, что Земля имеет форму шара, верны и сегодня, мы можем с их помощью ответить на вопрос, заданный в начале главы: каковы же прямые доказательства того, что Земля круглая? Посмотрев на небо, мы, подобно древним грекам, обнаружим первое доказательство этому: небесные тела — Солнце, Луна и планеты — имеют круглую форму. Тень, которую отбрасывает Земля на Луну во время лунного затмения, также круглая.

Лунные затмения предоставляют еще одно доказательство, пусть и не столь очевидное: они наблюдаются во всех частях Земли в один и тот же день, но в разное время. Чем дальше на восток находится наблюдатель, тем позже он увидит затмение. Так, максимальная фаза полного лунного затмения, произошедшего ночью с 20 на 21 февраля 2008 года, наблюдалась в 3 часа 26 минут по мировому времени (то есть по времени Гринвичского меридиана). Следовательно, полное лунное затмение в Испании, Франции, Алжире и Ливии наблюдалось 21 февраля в 4:26, в Англии, Мавритании и Сенегале — в 3:26, в Гренландии, на Атлантическом побережье Бразилии и в Аргентине — в 0:26, на Атлантическом побережье США, в Колумбии и Эквадоре — в 22:46 днем раньше, а в Мексике и центральной части США — в 21:26. Если бы Земля была плоской, лунные затмения наблюдались бы во всех ее частях в одно и то же время, ведь в этом случае время во всех ее частях было бы одинаковым. Это связано с тем, что время на Земле определяется в зависимости от положения солнца на небе. Полдень, то есть период, когда Солнце находится выше всего над горизонтом, в разных частях Земли наступает в разное время, так как Земля круглая, но если бы наша планета была плоской, полдень везде наступал бы одновременно.