Кіріспе

Ай теориясы Айдың қозғалысын түсіндіруге тырысады. Ай қозғалысында көптеген кішігірім өзгерістер (немесе бұзылулар) бар және оларды түсіндіруге көптеген әрекеттер жасалды. Ғасырлар бойы қиындықтар туындағаннан кейін, Ай қозғалысы қазір өте жоғары дәрежеде дәлдікпен үлгіленуі мүмкін (бағдарламаның қазіргі заманғы дамуы бөлімін қараңыз). Ай теориясы: жалпы теорияның негізін қамтиды; оның ішінде Ай қозғалысын талдау және оның қозғалысын болжау үшін формулалар мен алгоритмдер жасау үшін қолданылатын математикалық әдістер; сонымен қатар сандық формулалар, алгоритмдер және Айдың белгілі бір уақытқа орналасуын есептеу үшін пайдаланылатын геометриялық диаграммалар; көбінесе алгоритмдерге негізделген кестелердің көмегімен. Ай теориясының 2000 жылдан астам зерттеу тарихы бар. Оның қазіргі заманғы жетістіктері соңғы үш ғасыр бойы негізгі ғылыми және технологиялық мақсаттарда қолданылды және әлі де қолданылуда.

Гиппарх

Гиппархтың еңбектері көбінесе жоғалып кеткен және негізінен басқа авторлардың цитаталарынан белгілі, Ай эклиптикаға 5°-ға еңкейген шеңберде қозғалады деп болжады, ол ретроградтық бағытта айналады (яғни Күн мен Айдың жыл сайынғы және ай сайынғы жыл сайынғы қозғалыстарының бағытына қарама-қарсы) тұрақты жұлдыздарға қатысты) 18 жылда бір рет. Айналма айналма бағытпен қозғалады деп болжанатын эпициклді алып жүретін дефферент ретінде әрекет етті. Эпициклдің орталығы Айдың бойлық ұзындығының орташа өзгеруіне сәйкес келетін жылдамдықпен қозғалды, ал Айдың эпициклдің айналасындағы кезеңі аномалиялы ай болды. Бұл эпицикл кейіннен эллиптік теңсіздік, орталық теңдеуі ретінде танылған және оның көлемі шамамен 5° 1' орталығының теңдеуіне жуықталған. Бұл көрсеткіш қазіргі заманғы мәннен әлдеқайда аз, бірақ ол орталықтың теңдеуінің қазіргі заманғы коэффициенттері мен ескірудің айырмасына жақын: айырмашылық ежелгі өлшемдер тұтылу кезінде алынғандығымен түсіндіріледі, ал ескірудің әсері (осы жағдайларда орталықтың теңдеуінен шегеріледі) сол кезде белгісіз және назардан тыс қалды. Қосымша ақпарат алу үшін ЕВЕКЦИЯ деген жеке мақаланы қараңыз.

Птолемей

Птолемейдің "Алмагест" еңбегі мың жылдан астам уақыт бойы кеңінен танылып, ықпал етті. Ол Геометриялық Ай теориясын ұсынды, ол Гиппархтың теориясын жақсартуға мүмкіндік берді, ол Ай қозғалысының екінші теңсіздікін қамтамасыз етті, бұл құрылғыны пайдаланып, айқын апогей эпициклдің аздап пронеузисін тербетеді. Бұл екінші теңсіздік немесе екінші аномалия орталық теңдеуіне ғана емес, сонымен қатар (көп уақыттан кейін) евекция ретінде белгілі болған нәрсеге де қатысты. Бірақ бұл теория, оның логикалық қорытындысына сәйкес, Айдың қашықтығын (және айдың диаметрі) шамамен 2 есеге өзгертетінін көрсетеді, бұл шын мәнінде көрінбейді. (Айдың көрінетін бұрыштық диаметрі ай сайын өзгеріп отырады, бірақ 0,49° 0,55°-ға жуық өте тар диапазонда ғана.) Птолемей теориясының бұл ақауы XIV ғасырда Ибн әл-Шатирдің және XVI ғасырда Коперниктің ұсыныстарына әкелді.

Ибн әл-Шатир мен Коперник

Ай теориясының маңызды жетістіктерін араб астрономы Ибн әл-Шатир (13041375) жасады. Айға дейінгі қашықтық Птолемейдің Ай моделі талап еткендей қатты өзгермегенін байқағаннан кейін, ол Птолемейдің кранк механизмін екі эпициклдік модельмен алмастырған жаңа Ай моделін шығарды, бұл Айдың Жерден алыстауының есептелген ауқымын азайтты. Сол сияқты, 150 жылдан кейін қайта өркендеу дәуірінің астрономы Николай Коперниктің ойластырған Ай теориясының Айдың қашықтығына қатысты да осындай артықшылығы болды.

Тихо Браге, Йоханнес Кеплер және Еремия Хоррокс

Тихо Браге мен Йоханнес Кеплер Птолемейдің Ай теориясын жетілдірді, бірақ Айдың қашықтығы, айлық диаметрі мен параллакстың (негізінен айлық) өзгеруін нашар сипаттаудың негізгі кемшілігін жеңе алмады. Олардың еңбегі ай теориясына тағы үш маңызды жаңалық қосты. Бұрандалар мен Ай орбитасының жазықтығының еңісі ай сайын (Тайхоның айтуынша) немесе жартылай жылдық кезеңмен (Кеплердің айтуынша) либрацияланатын көрінеді. Айдың геологиялық ұзындығы екі рет ай сайын өзгеріп отырады, бұл арқылы Ай жаңа және толық ай кезінде күтілгеннен жылдам, ал тоқсанда күтілгеннен баяу қозғалады. Сондай-ақ, жыл сайынғы әсер бар, яғни Ай қозғалысы қаңтарда сәл баяулайды, ал шілдеде сәл жылдамдатылады: жыл сайынғы теңдеу. Брахе мен Кеплердің жетілдірілуін олардың тікелей ізбасарлары жақсарту ретінде таныды, бірақ олардың он жетінші ғасырдағы ізбасарлары мәселені одан әрі жақсарту үшін Ай қозғалысы үшін көптеген баламалы геометриялық конфигурацияларды сынады. Айдың апогейі мен эллипстік эксцентрицитетінің көлемі бойынша шамамен 6 айлық либрацияны қамтитын схеманы ұсынған Еремия Хоррокс елеулі табысқа жетті. Бұл схема Айдың қашықтығы, диаметрі мен параллакс өзгерістерін нақты сипаттауға мүмкіндік берді.

Ньютон

Ай теориясының алғашқы гравитациялық кезеңі Ньютонның еңбегімен басталды. Ол Айдың бұзылған қозғалысы мәселесін қазіргі заманғы терминдермен бірінші болып анықтады. Оның іргелі еңбегі, мысалы, Принципиада барлық нұсқаларда, соның ішінде 1687 жылы жарияланған алғашқы басылымда көрсетілген. Ньютонның өмірбаянын жазған Дэвид Брюстер Ай теориясының күрделілігі Ньютонның денсаулығына әсер еткенін мәлімдеді: "1692 жылы бұл мәселені зерттеу кезінде ол тамақ жеуден және ұйқыдан айырылды" және астроном Джон Мачинге "оның басы ешқашан ауырмады, бірақ ол бұл тақырыпты зерттеген кезде" деді. Брюстердің айтуынша, Эдмунд Галли Джон Кондуиттке өзінің талдауын аяқтауды сұрағанда Ньютон "әрқашан оны бас ауыртқаны, оны жиі оятып, енді ойламағанын" [орыгиналдағы баса назар] айтты.

Ай қозғалысының Күннен болатын бұзылуы

Ньютон Жер мен Айдың Күнге қарай тартылуынан туындайтын салыстырмалы қозғалысына әсер ету әсерін бағалауды 1-кітапта 66-шы ұсыныста және 3-кітапта 25-ші ұсыныста анықтады. Бұл әдістің бастау нүктесі қозғалыс заңдарының VI корулериясы болып табылады. Бұл егер кейбір ірі денелердің сыртқы жылдамдату күштерінің басқа да денелерге бірдей және қатар әрекет етуі болса, онда бұл денелер бірдей әсер етеді, және бұл жағдайда олардың қозғалыстары (бір-біріне қатысты) мұндай сыртқы жылдамдату күштерінің болмағаны сияқты жалғасады. Тек сыртқы күштер (мысалы, 1-кітапта, Ұсыныста). 66 және 3-кітап, ереже. 25, Күнге қарай тартылатын гравитациялық күш) өлшемі немесе бағыты бойынша әртүрлі денелерге (мысалы, Жер мен Айға) әсер ететін әсерлері бойынша әртүрлі, сондықтан соңғы денелердің салыстырмалы қозғалысына әсері байқалады. (Ньютон Күн сияқты сыртқы күшті тартымды күштің әсерінен пайда болған жылдамдату күштері немесе жылдамдату гравитациясы туралы айтқан. Ол қолданған өлшем - күштің өзі деп атағаннан гөрі, күштің өзі шығаратын жылдамдық (қазіргі заманғы терминдер бойынша, масса бірлігіне күш) болды. Осылайша Ньютон Жерге қатысты Айдың қозғалысын бұзатын Күннің Айға деген тездететін тартылуы мен Жерге деген Күннің тартылуы арасындағы айырмашылық ғана деген қорытындыға келді. Нютон бұл талдауды жүргізу үшін күштердің векторлық ыдырауын қолданды. 1-кітапта 66-жоба мен 3-кітапта 25-жобада ол геометриялық конструкция арқылы Жердегі Күннің және Айдағы Күннің жалпы гравитациялық тартуынан басталып, Айдың Жерге қатысты қозғалысына әсер ететін әсерді білдіретін айырмашылықты көрсетті. Қорыта айтқанда, Нютон диаграммасындағы LS сызығы Айдың қазіргі P позициясында Айға әсер ететін тездетудің көлемі мен бағытын білдіреді (LS сызығы P нүктесінен өтпейді, бірақ мәтін бұл маңызды емес екенін көрсетеді, бұл масштаб факторларының нәтижесі және диаграмманың құрылуы). Мұнда Ньютонның "Principia" (1687 ж.) кітабының алғашқы латын тіліндегі басылымындағы (3-кітап, 25-ұсыным, 434-бет) диаграммасы көрсетілген. Мұнда ол Күн Жер Ай жүйесіндегі Айдың үдеуін бұзатын талдауды ұсынды. Q - Күнді, S - Жерді, P - Айды білдіреді. Бұл диаграмманың кейбір бөліктері қашықтықты, басқа бөліктері гравитациялық жылдамдықтарды (масса бірлігіне тартымды күштер) көрсетеді. Екі мағыналы, SQ Жерден Күнге дейінгі қашықтықты білдіреді, сонымен қатар Жерден Күнге дейінгі гравитациялық жылдамдықтың көлемі мен бағытын білдіреді. Диаграммадағы басқа қашықтықтар SQ қашықтығына пропорционалды. Басқа аттракциондар аттракционның SQ-мен пропорционалды. Күннің тартымды жерлері SQ (Жерде) және LQ (Айда). LQ өлшемі тартылады, сондықтан LQ: SQ тартымдылықтары арақашықтықтардың PQ: SQ қатынасының кері квадраты. (Ньютон KQ=SQ құрастырып, пропорцияларды оңай көреді.) Жердің Айға тартылуы PS бағыты бойынша әрекет етеді. (Бірақ PS сызығы тек қашықтық пен бағытты білдіреді, әлі күнге дейін күн мен жердің тартымдылығы арасындағы масштабтық фактор туралы ештеңе анықталмаған). Күннің тартылу LQ және Жердегі SQ шамаларын бір масштабта көрсеткеннен кейін, Ньютон LQ-ның LM және MQ компоненттеріне векторлық ыдырауын жасайды. Содан кейін ол Айдағы бұзылу жылдамдығын осыдан SQ айырмашылығы ретінде анықтайды. SQ және MQ бір-біріне параллель, сондықтан SQ-ны тікелей MQ-дан алып тастауға болады, бұл MS қалдырады. Нәтижесінде пайда болған айырмашылық, SQ-ті LQ-тен алып тастағаннан кейін, LM және MS векторларының қосындысы болып табылады: олар LS-тің тездетуін тездетеді. Кейін Ньютон LM+MS = LS бұзғыш жылдамдығының ортогональды компоненттерге бөлінген басқа шешімін анықтады: LE-ге параллель көлденең компонент және радиалдық компонент, тиімді ES. Ньютонның диаграммалық схемасы, оның уақытынан бастап, басқа және мүмкін визуалды түрде айқын жолдармен қайта ұсынылды. Мұнда Жерді айналып жатқан Айдың екі түрлі позициясы, P1 және P2 үшін Күннің әсерінен болатын кедергілі жылдамдық үшін LS1 және LS2 векторларын көрсететін векторлық презентация көрсетілген. Айдың P1 нүктесіндегі орны Ньютон диаграммасындағы P нүктесіндегіге өте жақын; сәйкес келетін LS1 тосқауыл көлемі мен бағыты бойынша Ньютонның LS-іне ұқсас. Басқа P2 позициясында Ай Күннен Жерге қарағанда алыстарақ, Айдағы Күннің LQ2 тартылуы Жердегі Күннің SQ=SQ2 тартылуына қарағанда әлсіз, содан кейін LS2 тотығулары Күннен көлбеу алыстайды. Ньютонның диаграммасындағы сияқты конструкциялар Айдың орбитасындағы көптеген түрлі орындары үшін қайталануы мүмкін. Әрбір позиция үшін нәтиже екінші д...

Ньютоннан кейінгі классикалық гравитациялық кезең

Ньютонның мұрагерлерінің негізгі мақсаты, XVIII ғасырдың ортасында Леонард Эйлер, Алексис Клерот және Жан д'Алемберттен бастап, XIX ғасырдың аяғы мен XX ғасырдың басында Эрнест Уильям Браунға дейін, Ньютон заңдары негізінде Айдың қозғалысын толығымен және әлдеқайда дәл түсіну болды, яғни қозғалыс заңдары және ғаламдық гравитация тартылу арқылы тартылатын денелер арасындағы қашықтықтардың квадраттарына кері пропорционалды. Олар, сондай-ақ, тартылыс күшінің кері квадраттық заңдылығын сынақтан өткізуді қалаған, ал 1740 жылдары бір уақыт бойы бұл Ньютонның теориялық және Ай апогейінің қозғалысындағы байқалатын жылдамдықтар арасындағы үлкен сәйкессіздік деп саналғандықтан, қатты күмән туды. Алайда Клэрут көп ұзамай (174950) кем дегенде сәйкессіздіктің негізгі себебі Ньютон заңдарына негізделген Ай теориясында емес, оны бағалау үшін өзі және басқалар арқа сүйеген шамадан тыс шамалауларда екенін көрсетті. Ньютоннан кейінгі теориядағы жетістіктердің көпшілігі алгебралық формада жасалды: олар шексіз сандар мен тригонометрияның көлемді және өте ауыр мөлшерлерін қамтыды. Сонымен қатар, осы кезеңнің теорияларын аяқтау үшін бақылау өлшемдеріне сілтеме жасау қажет болды.

Теориялардың нәтижелері

Ай теоретиктері гравитациялық проблеманы талдау үшін көптеген түрлі математикалық тәсілдерді қолданды (және ойлап тапты). Олардың нәтижелерінің бір-біріне жақын болғаны таңқаларлық емес. Ньютонның мұрагерлері Эйлер, Клэрро және д'Алемберттің арасындағы ең ерте гравитациялық талдаушылар кезінен бастап Айдың барлық негізгі бұзылыстарын бірнеше бұрыштық аргументтер мен коэффициенттер арқылы білдіруге болатыны танылды. Бұл: және Ай қозғалысының кестелері (1919).

Ортадағы теңдеу

Айдың ортадағы теңдеуі немесе эллиптік теңсіздік, кем дегенде, бабылдықтар мен Гиппархтан бастап ежелгі адамдарға шамамен белгілі болды. Жақындағы мәліметтер бойынша, бұл Кеплер заңының эллипстік орбитадағы тең аудандардың шамамен қолданылуына сәйкес келеді және Айдың Жерден қашықтығы азайып, перигейге қарай қозғалған кезде оның жылдамдығын арттырып, одан кейін Жерден қашықтығы ұлғайып, апогейге қарай қозғалған кезде оның баяулауын білдіреді. Айдың бойлық биіктігіне әсерін бірнеше терминдер арқылы шамалауға болады, олардың алғашқы үшеуі .

Ерекшелік

Евэкция (немесе оның шамамен) Птолемейге белгілі болды, бірақ оның аты мен оның себебін білу 17 ғасырдан басталады. Айдың географиялық ұзындығына әсер етуінің ерекше көрініс кезеңі шамамен 31,8 күнді құрайды. Бұл бірнеше жолмен бейнеленуі мүмкін, мысалы, перигей жағдайында шамамен 6 айлық либрацияның нәтижесі ретінде, Айдың орбиталық эксцентрициті мөлшерінде 6 айлық пульсациямен бірге. Оның негізгі термині -

Түрлілігі

Тихо Браге ашқан Вариация - бұл Айдың жаңа ай мен толған айға жақындаған кезде жылдамдығы, ал бірінші және соңғы тоқсанға жақындаған кезде баяулауы. Оның гравитациялық түсіндірмесін сандық бағалаумен алғаш рет Ньютон берді. Оның негізгі термині -

Жылдық теңдеу

Жылдық теңдеуді, сондай-ақ, Брахе ашқан, Ньютон сапалы түрде түсіндірді. Ай орбитасы шамалы кеңейіп, ұзақ мерзімді болады, Жер қаңтардың басында Күнге ең жақын перигелийде болған кезде, және Күннің қозу әсері күшті болады, содан кейін шамамен қысқарды және қысқа мерзімді кезеңде Күн шілде айының басында ең алыста болған кезде, оның қозу әсері әлсіз болады: осы әсерге байланысты негізгі терминнің қазіргі заманғы мәні .

Параллактикалық теңсіздік

Ньютон алғаш рет тапқан параллактикалық теңсіздік, Күннің шекті қашықтығы мен нөлдік емес параллакс нәтижесінде Брахе вариациясын аздап асимметриялық етеді. Оның әсері - Ай бірінші тоқсанда сәл артта қалып, соңғы тоқсанда сәл алға шығады. Оның негізгі термині -

Эклиптикаға дейін қысқарту

Эклиптикаға қысқарту Ай қозғалысын эклиптика жазықтығындағы бойлық бойынша көрсетудің геометриялық әсерін білдіреді, дегенмен оның қозғалысы шын мәнінде шамамен 5 градусқа еңкейген жазықтықта орын алады. Оның негізгі термині - 18-ші ғасырдың ортасындағы сарапшылар Айдың географиялық ұзындығындағы бұзылуларын 25-30 тригонометриялық терминдер арқылы білдірді. Алайда, он тоғызыншы және жиырмасыншы ғасырлардағы жұмыстар теорияның өте әртүрлі тұжырымдамаларына әкелді, сондықтан бұл терминдер енді қолданылмайды. Айдың орнын ХХ ғасырдың басында іздеген дәлдікпен көрсетуге қажетті терминдер саны 1400-ден астам болды; және лазерлік арақашықтық бақылауларына негізделген қазіргі заманғы сандық интеграциялардың дәлдігін эмуляциялау үшін қажетті терминдер саны он мыңдаған: дәлдік талаптары өскен сайын қажетті терминдер санының өсуіне шектеу жоқ.

Цифрлық компьютерлер және ай лазерлік қашықтығы

Екінші дүниежүзілік соғыстан бастап, әсіресе 1960 жылдан бастап Ай теориясы біршама басқаша дамыды. Бұл екі жолмен ынталандырылды: бір жағынан, автоматты цифрлық есептеуді қолдану арқылы, екінші жағынан, заманауи бақылау деректері типтері арқылы, айтарлықтай жоғары дәлдігі мен дәлдігімен. Уоллес Джон Эккерт, Эрнест Уильям Браунның студенті және IBM-де жұмыс істейтін адам, астрономиялық эфемерді есептеу үшін Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін дамыған тәжірибелік цифрлық компьютерлерді қолданды. Жобалардың бірі Браунның ай теориясын машинаға салып, өрнектерді тікелей бағалау болды. Тағы бір жоба мүлдем жаңа нәрсе болды: Күн мен төрт негізгі планетаның қозғалыс теңдеулерін сандық интеграциялау. Бұл тек электронды цифрлық компьютерлер пайда болғаннан кейін ғана мүмкін болды. Ақырында бұл реактивті қозғалтқыш зертханасының Ephemeris сериясын жасауға әкелді. Осы аралықта Браунның теориясы жақсы тұрақтылар мен Эфемерис уақытының енгізілуімен және осыған байланысты кейбір эмпирикалық түзетулерді алып тастау арқылы жақсартылды. Айдың орнын бақылаудың ең маңызды жетістігі - Айдың бетінде орналасқан Жерге байланысты лазерлер мен арнайы ретрорефлекторларды пайдалану арқылы алынған Айдың лазерлік қашықтығын өлшеу. Лазерлік сәуле импульсінің бір ретрорефлекторға және кері қарай ұшу уақыты осы уақытта Айдың қашықтығын өлшеуге мүмкіндік береді. Бүгінгі таңда жұмыс істеп тұрған бес ретрорефлектордың біріншісі 1969 жылдың шілдесінде Аполлон 11 ғарыш кемесімен Айға жеткізілді және оны Айдың бетінде Базз Олдрин орынға қойды. Қашықтықтың дәлдігі 2005 жылы құрылған Apache Point обсерваториясының Айлық лазерлік қашықтыққа жету операциясы арқылы одан әрі кеңейтілді.

Сандық интеграциялар, салыстырмалылық теориясы, су тасқыны, либрациялар

Ай теориясы осы заманауи өлшемдерді қолдану арқылы сандық жағынан жақсы дәлдікке дейін дамыған, классикалық теорияларға қарағанда көбірек қарастыруларға негізделген: Ол гравитациялық күштерді ғана емес (релятивистік түзетулермен), сонымен қатар көптеген тасқын және геофизикалық әсерлерді және айлық либрацияның кеңінен кеңейтілген теориясын ескереді. Көптеген басқа ғылыми салалар сияқты, бұл сала да үлкен командалар мен институттардың жұмысына негізделген. Бұл дамудың жетекші рөлдерінің бірі болып табылатын институт Калифорния технология институтының реактивті қозғалтқыш зертханасы (JPL) болды. Әсіресе, 1970 жылдардың басында классикалық ай теориясы мен эфемеридтерден ғылымның қазіргі жағдайына көшумен байланысты есімдер: Дж. Деррал Мулхоланд және Дж. Г. Уильямс, Күн жүйесінің (планеталық) эфемеридтерінің дамуы үшін Е. Майлз Стандиш. 1970 жылдан бастап JPL сандық интеграцияланған Даму Эфемеридтер сериясын (DExxx нөмірленген) шығарды, оған Ай Эфемеридтері (LExxx) қосылды. Планеталық және айлық эфемеридтер DE200/LE200 ресми Астрономиялық альманах эфемеридтерінде 1984-2002 жылдары қолданылған, ал DE405/LE405 эфемеридтері 2003 жылғы шығарылымнан бастап қолданылуда. Қазіргі эфемерис - DE440.

Талдаудың дамуы

Осы дамумен қатар, соңғы жылдары аналитикалық Ай теориясының жаңа класы да жасалды, атап айтқанда Жан Шапрон және Мишель Шапрон Тозедің "Эфемерида Лунаре Паризиан" (Бюро дес Лонгитуд). Компьютерлік алгебраны қолдану арқылы талдаудың дамуы бұдан бұрын қолмен жұмыс істейтін классикалық талдаушылар жасай алатыннан да әрі қарай жүргізілді. Сондай-ақ, осы жаңа аналитикалық теориялардың кейбіреулері (ELP сияқты) жоғарыда айтылғандай, JPL-де бұрын жасалған сандық эфемерлерге сәйкес келді. Соңғы кездері пайда болған осы талдау теорияларының негізгі мақсаты, өткен ғасырлардағы классикалық теориялардың мақсаттарына қарағанда, қазіргі күндерге арналған жақсартылған позициялық деректерді жасау емес, олардың мақсаттары қозғалыс, мысалы, ұзақ мерзімді қасиеттер сияқты қозғалыстың басқа да аспектілерін зерттеуді қамтиды, олар қазіргі заманғы сандық теориялардың өзінен оңай көрінбеуі мүмкін.