Η μέτρηση της ακτίνας της Γης, της Σελήνης και του Ήλιου από τον Ερατοσθένη
3ο μέρος

Άρθρο, Ιούνιος 2008

1o μέρος, 2o μέρος, 3o μέρος, 4o μέρος

Μέτρηση της ακτίνας της Σελήνης και της απόστασης της

Ο Ερατοσθένης μπορούσε πλέον να υπολογίσει το μέγεθος της Σελήνης και του Ήλιου καθώς και τις αποστάσεις τους από τη Γη. Το μεγαλύτερο μέρος των προκαταρκτικών εργασιών είχε γίνει από προγενέστερους φυσικούς φιλοσόφους, αλλά οι υπολογισμοί τους δεν ήταν πλήρεις μέχρι να βρεθεί το μέγεθος της Γης. Τώρα πλέον ο Ερατοσθένης διέθετε την τιμή που έλειπε δηλαδή τη διάμετρο της Γης περίπου 12.700 χιλιόμετρα.

Πώς θα μπορούσε κάποιος να μετρήσει την απόσταση από τη Γη ως το φεγγάρι; Ένας που θα ήξερε ευκλείδια γεωμετρία θα μετρούσε τη γωνία έως το φεγγάρι από δύο πόλεις που βρίσκονται σε μεγάλη απόσταση, την ίδια στιγμή, και να φτιάξει ένα όμοιο τρίγωνο. Όπως ακριβώς μέτρησε ο Θαλής την απόσταση ενός πλοίου μέσα στη θάλασσα. Δυστυχώς, η γωνία από δύο σημεία με διαφορά μερικών εκατοντάδων χιλιομέτρων ήταν πολύ μικρή για να υπολογιστεί με ακρίβεια, με τις υπάρχουσες τεχνικές εκείνης της εποχής. Έτσι, η μέθοδος αυτή δεν μπορούσε να δουλέψει.

Παρόλα αυτά, ο Ερατοσθένης βρήκε με έξυπνο τρόπο την απόσταση μέχρι τη Σελήνη, παρατηρώντας προσεκτικά μια σεληνιακή έκλειψη, που συμβαίνει όταν η Γη εμποδίζει τις ακτίνες του ήλιου να φτάσουν ως το φεγγάρι.

Για την καλύτερη οπτικοποίηση της σεληνιακής έκλειψης, φανταστείτε ότι κρατάτε ένα νόμισμα (διαμέτρου περίπου μια ίντσα ή 2,54 εκατοστά) σε απόσταση, όπου αυτό μόλις να μπλοκάρει τις ακτίνες του ήλιου από το μάτι σας (φυσικά δεν θα πρέπει να το δοκιμάσετε μπορεί να καταστρέψετε το μάτι σας!). Μπορείτε να το δοκιμάσετε με την πανσέληνο, η οποία τυχαίνει να έχει το ίδιο φαινόμενο μέγεθος στον ουρανό, με τον ήλιο. Αποδεικνύεται ότι η σωστή απόσταση για να το κρύψουμε είναι περίπου 274 εκατοστά. Εάν το νόμισμα είναι πιο μακριά από αυτή την απόσταση, δεν είναι αρκετά μεγάλο για να μπλοκάρει όλο το ηλιακό φως. Αν είναι πιο κοντά από 274 εκατοστά, θα μπλοκάρει εντελώς το ηλιακό φως από κάποια μικρή κυκλική περιοχή, η οποία σταδιακά αυξάνει σε μέγεθος κινούμενο προς την κατεύθυνση του νομίσματος. Έτσι το μέρος του χώρου, όπου το ηλιακό φως "μπλοκάρει" εντελώς είναι ένας κώνος, (όπως ένα χωνάκι παγωτού), με την άκρη του να είναι 274 εκατοστά πίσω από το νόμισμα (δηλαδή το μήκος όλου του κώνου είναι 274 εκατοστά). Φυσικά, υπάρχει μια πλήρως σκιασμένη περιοχή και μια παρασκιά αλλά δεν ασχολούμαστε με την παρασκιά.

Για να το καταλάβετε καλύτερα φανταστείτε πως είστε έξω στο διάστημα, σε κάποια απόσταση από τη Γη, εξετάζοντας τη γήινη σκιά που δημιουργείται από τον ήλιο. (η Γη παίζει το ρόλο του νομίσματος που εμποδίζει τις ακτίνες του Ήλιου). Προφανώς, η σκιά της Γης πρέπει να είναι κωνική, ακριβώς όπως συνέβαινε και με τον κώνο του νομίσματος προηγουμένως. Και πρέπει επίσης να είναι όμοια με τον κώνο του νομίσματος.

Τι   σημαίνει αυτό από μαθηματική σκοπιά; Ότι όλη η σκιά της Γης θα πρέπει να είναι 108 φορές τη διάμετρο της Γης! (το 108 είναι το πηλίκο του 274 με τη διάμετρο του νομίσματος 2.54). Αυτό συμβαίνει διότι η άκρη του μεγάλου κώνου είναι το πιο μακρινό σημείο όπου η Γη μπορεί να μπλοκάρει όλες τις ηλιακές ακτίνες, και ο λόγος της απόστασης της Σελήνης προς τη διάμετρο της Σελήνης είναι ίσος με τον λόγο των 274 εκατοστών (η απόσταση που κρύψαμε το φως) με τη διάμετρο του νομίσματος. Πολλαπλασιάζοντας 108 φορές τη διάμετρο της Γης βρίσκουμε την απόσταση μέχρι τη Σελήνη. Ο Ερατοσθένης έδειξε ότι η διάμετρος της Γης ήταν σχεδόν 12.700 χιλιόμετρα, άρα και το μήκος του κώνου  της σκιάς που δημιουργούσε η Γη ήταν περίπου (12.700*108=) 1.380.000 χιλιόμετρα!!!

 
Η Σελήνη εισέρχεται στην σκιά της Γης (στα δεξιά μας) σε μια έκλειψη. Αφού παρατήρησαν ότι EF=2.5 * ED κατάλαβαν με τη βοήθεια των ομοίων τριγώνων FAE και DCE ότι AE=2.5 * EC και από αυτό ότι AC=3.5 * EC. Γνωρίζοντας από πριν ότι το μήκος του κώνου AC είναι 108 * BC (όπου BC είναι η διάμετρος της Γης 12700 χλμ), συμπέραναν από τα όμοια τρίγωνα ότι AC είναι 3,5 φορές η EC ή ότι η απόσταση της Σελήνης είναι 395.000 χιλιόμετρα περίπου. Επίσης, η διάμετρος της Σελήνης ήταν (1/4 * 12.700) χιλιόμετρα, ή σχεδόν 3.200 χιλιόμετρα.

Τώρα, κατά τη διάρκεια μιας ολικής σεληνιακής έκλειψης η Σελήνη κινείται για κάποιο χρόνο μέσα στην σκοτεινή περιοχή του κώνου (πάνω σχήμα). Ακόμα και όταν το φεγγάρι είναι εντελώς μέσα στην σκιά, μπορεί ακόμη να το δούμε αμυδρά, επειδή κάποιο λιγοστό φως σκεδάζεται από τη γήινη ατμόσφαιρα. Παρατηρώντας το φεγγάρι προσεκτικά κατά την έκλειψη, και βλέποντας πώς πέφτει πάνω του η γήινη σκιά, αστρονόμοι σαν τον Αρίσταρχο διαπίστωσαν ότι η διάμετρος της κωνικής σκιάς της Γης ως την Σελήνη (δηλαδή η EF), ήταν περίπου 2,5 φορές η διάμετρος του φεγγαριού (ED).

Σημείωση: Ο Ερατοσθένης είχε βρει με ακρίβεια το μέγεθος της Γης (μια σφαίρα με διάμετρο περίπου 12.700 χιλιόμετρα) και ως εκ τούτου, ήξερε και το μέγεθος της γήινης κωνικής σκιάς (108 φορές το μήκος των 12.700 χιλιομέτρων). Ήξερε ότι όταν το φεγγάρι πέρναγε μέσα από τη σκιά, η διάμετρος της σκιάς στην θέση που ήταν η Σελήνη, ήταν δυόμισι φορές η διάμετρος της Σελήνης.

Κι αυτές οι πληροφορίες του ήταν αρκετές για να καταλάβει πόσο μακριά ήταν το φεγγάρι;

Λοιπόν, κατάλαβε ότι το φεγγάρι είναι πιο κοντά από 1.380.000 χιλιόμετρα (το γινόμενο 12.700*108), άλλως το φεγγάρι δεν θα διέρχονταν καθόλου από τη γήινη σκιά. Μήπως όμως η Σελήνη ήταν μεν στην απόσταση των 1.380.000 χιλιομέτρων (στην κορυφή του κώνου), αλλά ήταν πολύ πιο μικρή σαν σημείο; Ωστόσο, ένα τέτοιο μικρό φεγγάρι σαν σημείο, δεν θα μπορούσε ποτέ να προκαλέσει μια ηλιακή έκλειψη. Στην πραγματικότητα, οι Έλληνες γνώριζαν καλά ότι το φεγγάρι έχει το ίδιο φαινόμενο μέγεθος στον ουρανό με τον ήλιο. Κι αυτό είναι ένα κρίσιμο επιπλέον γεγονός που χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό της απόστασης της Σελήνης από τη Γη.

Εν συνεχεία, το γεγονός ότι η Σελήνη και ο Ήλιος έχουν το ίδιο φαινόμενο μέγεθος στον ουρανό αυτό σημαίνει ότι η γωνία ECD είναι η ίδια με τη γωνία EAF. Παρατηρήστε τώρα ότι το μήκος FE είναι η διάμετρος της γήινης σκιάς στην απόσταση που είναι η Σελήνη, όπως και το μήκος ED είναι η διάμετρος της Σελήνης. Είδαμε πριν ότι από παρατηρήσεις της σεληνιακής έκλειψης η αναλογία των FE να ED ήταν 2,5 προς 1, και γι αυτό από τα όμοια ισοσκελή τρίγωνα FAE και DCE, βλέπουμε ότι η ΑΕ είναι 2,5 φορές όσο η EC, ή ότι η AC είναι 3,5 φορές την EC. Από πριν είδαμε ότι το μήκος της κωνικής σκιάς AC είναι 1.380.000, επομένως η απόσταση της Σελήνης ΑΕ είναι 1.380.000:3.5 = 395.000 χιλιόμετρα περίπου!!!.  Η μεγαλύτερη πηγή σφαλμάτων είναι πιθανά η εκτίμηση της αναλογίας του μεγέθους της Σελήνης με το μήκος της σκιάς σε αυτό το σημείο 2.5.

Μέτρηση της ακτίνας του Ήλιου και της απόστασης του

Κατόπιν, χάρη σε μια υπόθεση του Αναξαγόρα από τις Κλαζομενές, και μιας ευφυούς συλλογιστικής του Αρίσταρχου από τη Σάμο, ο Ερατοσθένης μπόρεσε να υπολογίσει το μέγεθος του Ήλιου καθώς και την απόσταση του από εμάς.

Μπορούμε να υπολογίσουμε το μέγεθος του Ήλιου, εφόσον γνωρίζουμε την απόσταση του από τη Γη. Μια προσέγγιση είναι να χρησιμοποιήσουμε μια ολική έκλειψη Ηλίου και τη γνώση μας για τη διάμετρο και την απόσταση της Σελήνης από τη Γη. Μια ολική ηλιακή έκλειψη είναι ορατή μόνο από μικρό τμήμα της επιφάνειας της Γης οποιαδήποτε χρονική στιγμή, διότι ο Ήλιος και η Σελήνη εμφανίζουν σχεδόν το ίδιο μέγεθος έτσι όπως φαίνονται από τη Γη (αφού καλύπτει το ένα σώμα το άλλο θα έχουν και το ίδιο φαινόμενο μέγεθος). Αυτό το διάγραμμα (δεν είναι υπό κλίμακα) δείχνει ότι ο παρατηρητής, όταν βλέπει την έκλειψη από τη Γη, βρίσκεται στην κορυφή δύο όμοιων τριγώνων. Το πρώτο τρίγωνο εκτείνεται μέχρι τη Σελήνη και το δεύτερο μέχρι τον Ήλιο. Αφού γνωρίζουμε τις αποστάσεις της Σελήνης και του Ήλιου από τη Γη, καθώς και τη διάμετρο της Σελήνης, μπορούμε να υπολογίσουμε τη διάμετρο του Ήλιου.

Το πόσο μακριά είναι ο Ήλιος ήταν μια ακόμα δύσκολη ερώτηση για τους Έλληνες αστρονόμους. Βρήκαν όμως μια πολύ έξυπνη μέθοδο να μετρήσουν την απόσταση του ήλιου, αλλά αποδείχθηκε όχι και τόσο ακριβής δεδομένου ότι δεν μπορούσαν να μετρήσουν με σημαντική ακρίβεια την γωνία α στο παρακάτω σχήμα. Ακόμα, έμαθαν από αυτήν την προσέγγιση ότι ο ήλιος ήταν πολύ πιο πέρα από το φεγγάρι, και συνεπώς, δεδομένου ότι έχει το ίδιο φαινόμενο μέγεθος, πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτερος και από το φεγγάρι και από τη Γη.

Η ιδέα τους για τη μέτρηση της απόστασης του ήλιου ήταν πολύ απλή σε γενικές γραμμές. Ήξεραν, φυσικά, ότι το φεγγάρι αντανακλούσε το φως του ήλιου και δεν είχε δικό του. Επομένως, σκέφτηκαν, την ημέρα που το φεγγάρι είναι το μισό του πλήρους φεγγαριού, η γραμμή από το φεγγάρι έως τον ήλιο πρέπει να είναι ακριβώς κάθετη στη γραμμή από το φεγγάρι έως τον παρατηρητή (δείτε το παρακάτω σχήμα). Έτσι, εάν ένας παρατηρητής στη γη, στην παρατήρηση ενός μισού φεγγαριού στο φως της ημέρας, μετρά προσεκτικά τη γωνία μεταξύ της κατεύθυνσης του φεγγαριού και της κατεύθυνσης του ήλιου, δηλαδή η γωνία α στο παρακάτω σχήμα, πρέπει να είναι σε θέση να κατασκευάσει ένα μακρύ-μακρύ λεπτό τρίγωνο, με τη βάση να είναι η γραμμή Γη-Σελήνης, που έχει μια γωνία 90 βαθμών από τη μία πλευρά και την α στην άλλη, και να βρει έτσι το λόγο της απόστασης του ήλιου προς την απόσταση του φεγγαριού.

Το πρόβλημα σε αυτήν την προσέγγιση είναι ότι η γωνία α αποδεικνύεται στην πραγματικότητα πως ισούται με την εξής διαφορά: 90 μοίρες μείον το 1/6 της μιας μοίρας, πάρα πολύ μικρή φυσικά για να μετρηθεί ακριβώς. Η πρώτη προσπάθεια έγινε από τον Αρίσταρχο, ο οποίος υπολόγισε τη γωνία αυτή λανθασμένα 3 μοίρες. Αυτή η γωνία θα έδινε μια απόσταση ως τον ήλιο μόνο 8 εκατομμύρια χιλιόμετρα. Εντούτοις, έστω και αν ο Αρίσταρχος έβγαλε τόσο μικρή την απόσταση Γης - Ήλιου έδειξε ότι ο ήλιος ήταν πολύ μεγαλύτερος από τη Γη. Και μάλλον αυτό ήταν που έκανε τον Αρίσταρχο να προτείνει ότι ο ήλιος, κι όχι η Γη, ήταν στο κέντρο του Κόσμου. Αργότερα έγιναν νέες καλύτερες μετρήσεις από άλλους Έλληνες, που βρήκαν την απόσταση του Ήλιου από τη Γη να είναι η μισή της σωστής  απόστασης, 150 εκατομμύρια χιλιόμετρα.

1o μέρος, 2o μέρος, 3o μέρος, 4o μέρος