Астрономия как точная наука началась с применения устройства, известного как гномон, с помощью которого стало возможным измерять видимое движение солнца по небу. Епископ Евсевий Кесарийский в IV в. писал, что гномон изобрел Анаксимандр, но Геродот приписывал заслугу его создания вавилонянам. Это всего лишь стержень, вертикально установленный на освещаемой солнцем плоской площадке. С помощью гномона можно точно сказать, когда наступает полдень, – в этот момент солнце стоит на небе выше всего, поэтому гномон отбрасывает самую короткую тень. В любом месте земли к северу от тропиков в полдень солнце расположено точно на юге, и значит, тень от гномона указывает в этот момент точно на север. Зная это, легко разметить площадку по тени гномона, нанеся на нее направления на все стороны света, и она станет служить компасом. Также гномон может работать как календарь. Весной и летом солнце восходит немного севернее точки востока на горизонте, а осенью и зимой – южнее нее. Когда тень гномона на рассвете показывает точно на запад, солнце встает точно на востоке, и значит, сегодня день одного из двух равноденствий: или весеннего, когда зима сменяется весной, или осеннего, когда лето оканчивается и приходит осень. В день летнего солнцестояния тень гномона в полдень самая короткая, в день зимнего – соответственно, самая длинная. Солнечные часы похожи на гномон, но устроены иначе – их стержень параллелен оси Земли, а не вертикальной линии, и тень от стержня каждый день, в одно и то же время указывает в одном и том же направлении. Поэтому солнечные часы, собственно, и есть часы, но их нельзя использовать как календарь.

Гномон – прекрасный пример важной связи между наукой и техникой: техническое приспособление, придуманное с практической целью, которое дает возможность совершать научные открытия. С помощью гномона стал доступным точный подсчет дней в каждом из времен года – промежуток времени от одного равноденствия до солнцестояния и затем до следующего равноденствия. Так, Евктемон, живший в Афинах современник Сократа, открыл, что длительности времен года не совпадают в точности. Это оказалось неожиданным, если считать, что Солнце движется вокруг Земли (или Земля вокруг Солнца) по правильной окружности с Землей (или Солнцем) в центре с постоянной скоростью. Исходя из этого предположения, все времена года должны быть строго одинаковой длины. Веками астрономы пытались понять причину их фактического неравенства, но правильное объяснение этой и других аномалий появилось лишь в XVII в., когда Иоганн Кеплер понял, что Земля обращается вокруг Солнца по орбите, которая является не кругом, а эллипсом, и Солнце расположено не в его центре, а смещено в точку, которая называется фокусом. При этом движение Земли то ускоряется, то замедляется по мере приближения или удаления от Солнца.

Луна для земного наблюдателя тоже вращается вместе со звездным небом каждую ночь с востока на запад вокруг северного полюса мира и так же, как Солнце, медленно движется по зодиакальному кругу с запада на восток, но ее полный оборот по отношению к звездам, «на фоне» которых он происходит, занимает чуть больше 27 суток, а не год. Поскольку для наблюдателя Солнце движется по зодиаку в ту же сторону, что и Луна, но медленнее, проходит около 29,5 суток между моментами, когда Луна оказывается в том же положении по отношению к Солнцу (на самом деле 29 суток 12 часов 44 минуты и 3 секунды). Так как фазы Луны зависят от взаимного расположения Солнца и Луны, именно этот интервал в 29,5 суток и есть лунный месяц{74}, то есть время, проходящее от одного новолуния до другого. Давно было замечено, что лунные затмения происходят в фазе полнолуния и их цикл повторяется каждые 18 лет, когда видимый путь Луны на фоне звезд пересекается с путем Солнца{75}.

В некотором отношении Луна более удобна для календаря, чем Солнце. Наблюдая фазу Луны в какую-либо ночь, можно приблизительно сказать, сколько дней прошло с момента последнего новолуния, и это гораздо более точный способ, чем пытаться определять время года, просто глядя на солнце. Поэтому лунные календари были очень распространены в Древнем мире и до сих пор находят применение – например, таков исламский религиозный календарь. Но, само собой, для того, чтобы строить планы в сельском хозяйстве, мореходстве или военном деле, надо уметь предугадывать смену времен года, а она происходит под влиянием Солнца. К сожалению, в году не целое число лунных месяцев – год примерно на 11 суток длиннее, чем 12 полных лунных месяцев, и по этой причине дата любого солнцестояния или равноденствия не может оставаться одной и той же в календаре, основанном на смене фаз Луны.

Другая известная сложность заключается в том, что сам год занимает не целое число суток. Во времена Юлия Цезаря было принято считать каждый четвертый год високосным. Но это не решило проблему полностью, поскольку год длится не в точности 365 суток с четвертью, а на 11 минут дольше.

История помнит бессчетные попытки создать календарь, который учитывал бы все указанные сложности – их было так много, что нет смысла говорить здесь обо всех. Фундаментальный вклад в решение этого вопроса сделал в 432 г. до н. э. афинянин Метон, который, возможно, был коллегой Евктемона. Используя, вероятно, вавилонские астрономические хроники, Метон определил, что 19 лет точно соответствуют 235 лунным месяцам. Погрешность составляет лишь 2 часа. Поэтому можно создать календарь, но не на один год, а на 19 лет, в котором и время года, и фаза Луны окажутся точно определенными для каждого дня. Дни календаря будут повторяться каждые 19 лет. Но поскольку 19 лет почти точно равняются 235 лунным месяцам, этот промежуток на треть суток короче, чем ровно 6940 дней, и по этой причине Метон предписал каждые несколько 19-летних циклов выбрасывать один день из календаря.

Усилия астрономов согласовать солнечные и лунные календари хорошо иллюстрирует определение дня Пасхи. Никейский собор в 325 г. объявил, что Пасху следует праздновать каждый год в воскресенье после первого полнолуния, следующего за весенним равноденствием. В период правления императора Феодосия I Великого было установлено законом, что празднование Пасхи в неправильный день строго карается. К несчастью, точная дата наблюдения весеннего равноденствия не всегда одна и та же в различных точках земли{76}. Чтобы избежать ужасных последствий от того, что кто-то где-то отмечает Пасху не в тот день, возникла необходимость назначить какой-то из дней точным днем весеннего равноденствия, а также договориться, когда именно случается следующее за ним полнолуние. Римско-католическая церковь в позднеантичный период стала пользоваться для этого Метоновым циклом, в то время как монашеские ордена Ирландии приняли за основу более ранний иудейский 84-летний цикл. Вспыхнувшая в XVII в. борьба между миссионерами Рима и монахами Ирландии за контроль над английской церковью была в основном спровоцирована спором из-за точной даты Пасхи.