Дерек Хауз - Гринвичское время и открытие долготы

Но все это пока оставалось лишь мечтой, которая осуществилась только через два столетия.

На эту же тему Канингэм написал трактат в форме диалога между «собеседниками» Филоникусом и Сподиусом, страница которого воспроизведена на рис. 4 [20].

Хотя теоретически, казалось, все было ясно, настоятельно требовалось практическое решение вопроса об определении долготы, причем не только в море, но и на суше; к этому побуждало развитие океанских путешествий, а также все возрастающая зависимость ряда стран от торговли с Вест-Индией.

В 1567 г. испанский король Филипп II назначил вознаграждение за решение проблемы определения долготы в открытом море. В конце столетия Мигель Сервантес и другие испанские писатели острили по поводу попыток некоторых «сумасшедших» определить местоположение в море - el punto fijo [21]. «Определение долготы», как и «квадратуру круга», стали отождествлять с чем-то в сущности неразрешимым; так, математик из «Новеллы о беседе собак» Сервантеса говорит:

Вот уже двадцать два года, как я стараюсь отыскать неподвижную точку [punto fijo]: то она у меня пропадает, то снова находится; стоит мне только поверить, что я ее нашел и что она от меня больше не уйдет, смотришь - опять я от нее так далеко, что просто диву даешься! Не лучше обстоит у меня дело и с квадратурой круга: одно время я был так близко к цели, что до сих пор мне кажется, будто решение лежит у меня в кармане... [22].

В 1598 г. Филипп III обещал вознаграждение - 6 тыс. дукатов в качестве постоянного взноса, 2 тыс. дукатов в виде пожизненной ренты и 1 тыс. дукатов для оказания помощи-любому, кто сможет «открыть долготу». Полностью этого приза не удостоился никто, но для поощрения возможных изобретателей были выплачены значительные суммы. Гулд упоминает о семи случаях вознаграждений за период 1607-1626 гг., большинство из которых было связано с работами по созданию компасов и по магнетизму [23]. Приблизительно в то же время Соединенные провинции Голландии назначили приз в 30 тыс. флоринов [24]. Вознаграждение обещали также Португалия и Венеция [25].

Очевидно, самой известной личностью среди причастных к испанскому призу был итальянский астроном Галилео Галилей (1564-1642). С помощью недавно изобретенного телескопа он сделал одно из своих первых блестящих открытий, а именно обнаружил у Юпитера четыре спутника, которые при наблюдениях с Земли с периодами от 1,75 до 17 сут появлялись и исчезали, скрываясь за Юпитером или попадая в тень планеты. Затмения и покрытия всегда происходили фактически в один и тот же момент для любого наблюдателя, в какой бы точке земной поверхности он ни находился. Галилей понял, что это явление можно использовать как самые совершенные небесные часы, которыми, если затмения будут заранее предвычислены, можно воспользоваться для определения долготы подобно тому, как в свое время Гиппарх предлагал использовать затмения нашего спутника, Луны. Метод Галилея обладал дополнительным преимуществом вследствие того, что затмения юпите-рианских спутников происходят много чаще: один-два раза за ночь.

Но этот метод обладал и недостатками: во-первых, для того чтобы им воспользоваться, был необходим телескоп, который, как считалось, применять в море затруднительно (позднее это стало возможным); во-вторых, сами затмения происходят не мгновенно. Однако Галилей, уверенный в том, что эта задача разрешима, занялся изучением движения юпитерианских спутников и составил таблицы, предсказывающие моменты затмений. В 1616 г. в надежде выиграть «долготный приз», он предложил свой метод Испании. На испанцев этот метод впечатления не произвел, и в 1632 г. после продолжительной переписки Галилей, по всей видимости, оставил мысль о его продаже Испании. В 1636 г. Галилей попытался предложить свой проект Голландии, отмечая, что он потратил двадцать четыре года на совершенствование своих таблиц. В отличие от Испании Соединенные провинции Голландии заинтересовались предложением Галилея, но переговоры шли с трудом. В это время Галилей находился фактически под домашним арестом в Арсетри вблизи Флоренции, пребывая под тайным надзором инквизиции, которая не позволила ему даже принять золотую цепь, подаренную правительством Голландии. Смерть Галилея, последовавшая в 1642 г., положила конец всем переговорам.

Исследуя колебания маятника как механизма, позволяющего регулировать ход часов, Галилей внес новый вклад в развитие искусства измерения времени, а также в историю определения долготы. Первое упоминание об использовании гиревых часов в астрономии относится к 1484 г., когда Бернард Уолтер, ученик Региомонтана, применил такие часы для измерения промежутка времени между моментами восходов планеты Меркурий и Солнца [26]. Часы были неотъемлемой частью астрономического инструментария, которым пользовался знаменитый датский астроном Тихо Браге (1546 1601); составленный им каталог 777 звезд, расширенный до 1005 звезд и опубликованный современником Галилея Иоганном Кеплером (1571-1630) в его Рудольфовых таблицах в 1627 г. [27], оставался самым совершенным вплоть до основания в 1675 г. Королевской обсерватории. Тихо Браге приобрел и испытал в период 1577-1581 гг. четыре экземпляра часов, после чего пришел к заключению, что из-за дефектов часового механизма эти часы непригодны для решения большинства астрономических задач.

В 1637 г. Галилей первым обратил внимание на то, что длина маятника может служить элементом, регулирующим ход часов, однако ему так и не удалось практически усовершенствовать часовой механизм. Под действием силы тяжести маятник совершает естественное, регулярное движение. Это явление, называемое изохронностью, означает, что колебания маятника происходят с равными помежутками времени, почти не зависящими от угла отклонения маятника и веса его груза. Период колебания маятника, однако, связан с его длиной и поэтому легко регулируется.

Галилей произвел соответствующие расчеты для самых простых маятниковых часов со спусковым механизмом (см. приложение III), поддерживающим непрерывное движение маятника. Тем не менее, насколько нам известно, реальные часы по этим расчетам так никогда и не были изготовлены. Честь изобретения маятниковых часов - но не открытия изохронности маятника-принадлежит голландскому математику, астроному и часовых дел мастеру Христиану Гюйгенсу (1629-1695). Изобретение в 1657 г. маятниковых часов и балансной часовой пружины - в 1670-х гг., в разработке которой Гюйгенс также принимал участие, следует рассматривать как основные этапы в развитии науки измерения времени.

Прежде чем более подробно говорить о работах Гюйгенса и его хранителях времени, вспомним теоретические разработки тех лет, связанные с определением долготы. В 1634 г. Жан Батист Морин, доктор медицины и профессор математики Королевского колледжа в Париже, заявил, что он открыл секрет долготы. Для изучения этого открытия кардинал Ришелье учредил комиссию в составе адмирала и пяти ученых. Астролог, свято верящий в систему мира Птолемея, согласно которой Земля является центром Вселенной, Морин не доверял часам и поэтому писал, что не знает, достигнет ли дьявол успеха в изготовлении долготного хранителя времени, но пытаться это сделать человеку - просто безумие [28]. Сам же Морин предлагал применить для определения долготы описанный выше метод лунных расстояний, однако с учетом очень важного явления-лунного параллакса. С точки зрения геометрии метод Морина был верен, но, как решила комиссия, он не поможет определить долготу, так как таблицы положений звезд и Луны настолько несовершенны, что не позволят применить его на практике. Тогда Морин, рассчитывая на вознаграждение, обратился к Голландии, и тоже безуспешно. Все же в конце концов преемник Ришелье кардинал Мазарини в 1645 г. назначил Морину пенсию в размере 2 тыс. ливров.

После изобретения в 1657 г. маятниковых часов Гюйгенс обратился к проблеме измерения долготы, будучи уверен, что именно с помощью часов-морского хранителя времени, который сможет хранить время в течение многих месяцев в любых климатических условиях, несмотря на движение корабля, - вскоре представится возможность определить долготу. Поэтому в последующие годы он усердно занимался изготовлением разнообразных морских хранителей времени, которые в период 1662-1687 гг. испытывались - морских путешествиях. В 1668 г. один из хронометров Гюйгенса, выдержав два шторма и морское сражение, позволил определить разность долгот между Тулоном и Критом; полученный результат, 20° 30', отличался от истинного значения, 19° 13', всего на 100 км (если ошибку выразить в единицах длины) [29]. Ход первых хронометров Гюйгенса, регулируемых маятником (если хронометры подвергались качке), был очень беспорядочен. Поэтому в 1674 г. Гюйгенс отказался от маятника и предложил в качестве регулятора хода морского хронометра использовать баланс и балансную пружину. Это был смелый шаг, но, как мы увидим, должно было пройти еще сто лет, прежде чем появилась возможность изготовить по-настоящему удовлетворительный морской хронометр.