Текст книги "Долгота"
Автор книги: Дава Собел
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 8 страниц)
3.
Меж шестерёнками Вселенной
Приснилось как-то: я в часах отцовских заперт,
Со мною Птолемей. Рубиновые звёзды
Вращаются на сферах, а блестящий
Примум мобиле придаёт им ход.
Зазубренные шестерни вгрызались
Одна в другую. И закрылась крышка.
Джон Чиарди. Отцовские часы
Даже лучшие навигаторы, такие как адмирал Шовелл и коммодор Ансон, не видя земли, буквально терялись в океане. Море не ответит на вопрос о долготе. Но может, ответят небеса? Может, есть способ узнать долготу по взаимному расположению светил?
Небо обращает день в ночь суточным ходом Солнца, отмеряет месяцы фазами Луны, отмечает смену времён года солнцестояниями и равноденствиями. Земля, которая вращается по орбите и вокруг своей оси, – шестерёнка в часовом механизме Вселенной; люди определяли время по её движению, сколько существует человечество.
Когда моряки поднимали глаза к небу, прося помощи в навигации, они видели сочетание компаса и часов. Созвездия, особенно Малая Медведица с Полярной звездой в рукоятке ковша, направляли путников ночью (конечно, если не было туч). Днём Солнце не только определяло стороны света, но и указывало время. Оранжевый диск вставал из океана на востоке, поднимался, становясь сперва жёлтым, затем – ослепительно белым, и в полдень зависал над головой, словно подброшенный вверх мяч, на мгновение между подъёмом и спуском – полуденный сигнальный шар, по которому мореходы каждый ясный день ставили песочные часы. Теперь им требовалось, чтобы какое-нибудь астрономическое событие сообщило время в другом месте. Если, скажем, предсказано, что полное лунное затмение будет в Мадриде в полночь, а на корабле, идущем в Вест-Индию, его наблюдали в одиннадцать часов ночи, значит, их время на час отстает от мадридского, и, следовательно, они отошли от долготы этого города на пятнадцать градусов к западу.
Впрочем, солнечные и лунные затмения слишком редки, чтобы стать серьёзной подмогой штурману. При большом везении по ним можно определить свою долготу раз в год. Морякам требовалось что-то происходящее каждый день.
Ещё в 1514 году немецкий астроном Иоганн Вернер нашёл способ вычислять координаты по движению Луны. Каждый час она проходит по небу расстояние, примерно равное видимому диаметру своего диска. Ночью она плывёт с этой величавой скоростью по полю неподвижных звёзд. Днём (а Луна примерно половину каждого месяца встаёт в светлое время суток) приближается к Солнцу или отдаляется от него.
Вернер предложил составить альманах, в котором будут отмечены звёзды на пути Луны и точное время, когда она их коснётся – в каждую лунную ночь, на месяцы и годы вперёд. Точно так же можно предсказать относительные позиции Солнца и Луны для светлого времени суток. Тогда астрономы смогут публиковать таблицы с расчётным временем встречи Луны и опорных звёзд для конкретного места – Берлина или, скажем, Нюрнберга, – от которого отсчитывается долгота. Штурман, вооружённый этими таблицами, сможет сравнить, когда Луна коснулась определённой звезды по корабельным часам и когда это, по утверждению астрономов, должно произойти на нулевом меридиане. Дальше ему останется лишь вычесть одно из другого и умножить результат на пятнадцать градусов.
У «метода лунных расстояний» было несколько существенных изъянов. Положение звёзд, на котором он строился, люди в то время знали не слишком хорошо.
Ни один астроном не мог точно предсказать, в какой точке неба будет Луна в определённый момент, потому что законы её движения только предстояло открыть. У моряков не было точного инструмента для измерения расстояния Луна – звезда с палубы качающегося корабля. Идея Вернера опередила своё время. Поиски космических часов продолжались.
В 1610 году, почти через сто лет после того, как Вернер сделал своё нескромное предложение, Галилео Галилей с балкона в Падуе увидел то, что, по его мнению, могло стать искомым механизмом. Одним из первых направив телескоп в небо, он обнаружил там богатства на любой вкус: горы на Луне, пятна на Солнце, фазы Венеры, кольцо Сатурна (принятое им за два близкорасположенных спутника) и семейку из четырёх лун, которые вращаются вокруг Юпитера, как планеты вокруг Солнца. Галилей назвал их медичейскими звёздами. Польстив своему флорентийскому покровителю, Козимо Медичи, учёный вскорости сообразил, что новооткрытые луны могут принести пользу не только ему, но и мореходам.
Галилей не был моряком, но, как всякий естествоиспытатель своего времени, знал о проблеме долготы. Весь следующий год он терпеливо наблюдал за лунами Юпитера, вычислял период их обращения, примечал, сколько раз каждый спутник исчезает в тени планеты-исполина. В танце медичейских светил Галилею открылось решение задачи о долготе. Затмения лун Юпитера происходят тысячу раз в год – настолько предсказуемо, что по ним можно сверять часы. Учёный на несколько месяцев вперёд рассчитал время исчезновения и появления каждого спутника и предался сладким мечтам о славе, уже воображая день, когда целые флоты будут прокладывать курс по его таблицам астрономических событий – так называемым эфемеридам.
Галилей написал о своём плане испанскому королю Филиппу III, обещавшему щедрый пенсион в дукатах за «открытие долготы». Увы, с 1598 года, когда была объявлена награда, прошло двадцать лет, и бедного Филиппа замучили письмами горе-изобретатели, якобы решившие проблему. Королевские советники отвергли предложение Галилея под предлогом, что моряки из-за качки не сумеют даже просто поймать спутники в зрительную трубу – и уж тем более не смогут находить их без труда, как это необходимо для нужд навигации. Стрелки юпитерианских часов невозможно увидеть днём, когда планета либо с другой стороны Земли, либо её затмевает Солнце. Ночные наблюдения можно проводить не круглый год, да и то лишь при ясном небе.
Галилея не остановили трудности. Он сконструировал навигационный шлем для нахождения долготы по спутникам Юпитера. Это устройство – целатон – видом напоминает бронзовый противогаз. В одном отверстии закреплена подзорная труба, другое представляет собой обычную дырку: через неё наблюдатель невооружённым глазом находит на небе Юпитер, после чего уже в подзорную трубу может разглядеть спутники.
Неутомимый экспериментатор, Галилей испытал устройство в Ливорнском порту и отрядил ученика провести наблюдения на корабле, но метод так и не приобрёл сторонников. Сам учёный соглашался, что даже на суше при малейшем движении головы Юпитер уплывает из поля зрения наблюдателя.
Тем не менее Галилей попытался продать своё изобретение правительству Тосканы и чиновникам в Нидерландах – и там и там были объявлены награды за метод нахождения долготы. Ни тех ни других денег он не получил; впрочем, голландцы премировали его золотой цепью.
Галилей вёл наблюдения за своими лунами (сейчас по справедливости носящими имя галилеевых) до старости – пока позволяло зрение. Он умер в 1642 году, но интерес к спутникам Юпитера пережил их открывателя. Метод Галилея стал общепринятым после 1650 года, но только на суше. Геодезисты и землемеры с его помощью перерисовали очертания мира. Именно в картографии способ нахождения долготы по спутникам Юпитера одержал первую большую победу. Старые карты преуменьшали расстояние до других материков и преувеличивали размеры отдельных стран. Теперь дистанции отмерялись по велению небесных сфер. Уверяют, будто Людовик XIV, увидев новые карты своих владений, основанные на точном определении долготы, посетовал, что геодезисты отняли у него больше земель, чем неприятель.
Картографы убедились в действенности Галилеева метода и теперь желали получить более совершенные таблицы с затмениями спутников Юпитера: чем точнее предсказать время этих событий, тем правильнее будут карты. Речь шла, ни много ни мало, о границах государств, так что правительства не скупились на жалованье учёным. В 1668 году Джованни Доменико Кассини, профессор астрономии в университете Болоньи, опубликовал самые точные для своего времени таблицы эфемерид, основанные на самых продолжительных и самых тщательных наблюдениях, – и его тут же пригласили в Париж, ко двору Короля-Солнце.
Людовик XIV, хоть и сетовал на картографов, уменьшивших размеры его владений, науки любил. В 1666 году он высочайше одобрил предложение своего премьер-министра Жана Кольбера создать Французскую Королевскую академию наук. Также по настоянию Кольбера он поручил выстроить в Париже обсерваторию, главной целью которой должно было стать решение задачи о долготе. Следом Кольбер принялся заманивать во Францию учёных. Он выписал Христиана Гюйгенса в качестве члена академии и Джованни Кассини в качестве директора обсерватории. (Гюйгенс позже вернулся в Голландию и несколько раз ездил в Англию в связи со своей работой над проблемой долготы, Кассини же осел во Франции навсегда. В 1673 году он получил французское гражданство и вошёл в историю французским астрономом; даже имя его во многих энциклопедиях пишут как «Жан Доминик».)
Заступив на пост директора новой обсерватории, Кассини отправил помощников в Данию, на развалины Ураниборга, «Небесного замка», выстроенного великим астрономом Тихо Браге. По наблюдениям спутников Юпитера в Париже и Ураниборге Кассини уточнил географические координаты обоих этих мест. Кроме того, он призвал польских и немецких коллег объединить силы для улучшения Галилеева метода.
В самый разгар этих работ ещё один иностранный сотрудник Парижской обсерватории – датчанин Оле Рёмер – сделал поразительное открытие: когда Земля в своём движении по орбите сближается с Юпитером, затмения его лун происходят с опережением графика. Рёмер совершенно правильно заключил, что дело в скорости света. Астрономы не лгут: затмения происходят строго периодично, однако время, когда их увидят на Земле, зависит от расстояния, которое должен преодолеть свет.
До тех пор думали, что свет распространяется мгновенно. Никому из прежних исследователей не удавалось измерить его скорость – как понял теперь Рёмер, из-за слишком малых расстояний. Галилей, например, пытался засечь, как быстро свет от зажжённого на одном холме факела доходит до другого холма. На какие бы далеко отстоящие холмы Галилей с помощником ни взбирались, результат оставался нулевым. Рёмер же невольно стал участником эксперимента, в котором земные астрономы наблюдали, как свет спутника выходит из тени другой планеты. На таких огромных расстояниях запаздывание сигнала было вполне ощутимым. В 1676 году Рёмер вычислил скорость света исходя из разницы между предсказанным и наблюдаемым временем затмения. (Он немного ошибся, так что у него получилось чуть меньше известных нам трёхсот тысяч километров в секунду.)
Тем временем в Англии королевская комиссия проверяла очередную безумную идею: возможность определять долготу корабля по наклонению магнитной стрелки. Карл II, король величайшей в мире морской державы, прекрасно понимал, как важно решить задачу о долготе, и всей душой надеялся, что ответ будет найден в его стране. Надо думать, Карл приободрился, услышав от своей фаворитки, француженки Луизы де Керуаль, обнадёживающую весть: один из её соотечественников отыскал метод определения долготы и недавно пересёк Ла-Манш, чтобы просить аудиенции у его величества. Король тут же согласился выслушать француза.
Господин де Сен-Пьер, как звали протеже Луизы де Керуаль, не одобрял модный во Франции способ нахождения долготы по лунам Юпитера. По его словам, он больше верил в путеводную мощь собственного спутника Земли. Сен-Пьер предлагал узнавать долготу по взаимному расположению Луны и некоторых избранных звёзд – примерно как Иоганн Вернер ста шестьюдесятью годами ранее. Мысль королю понравилась, и он поручил её проверку комиссии, включавшей Роберта Гука – разностороннейшего учёного, который одинаково уверенно чувствовал себя за телескопом и за микроскопом, и Кристофера Рена, архитектора собора Святого Павла.
Чтобы оценить метод Сен-Пьера, комиссия пригласила эксперта – двадцатисемилетнего астронома Джона Флемстида. Вердикт Флемстида гласил: метод правилен в теории, но трудноосуществим на практике. Хотя со дней Галилея астрономические приборы заметно улучшились, по-прежнему не существовало надёжных карт звёздного неба, и точную траекторию Луны никто предсказывать не умел.
Флемстид с юношеской отвагой предложил королю исправить ситуацию, а именно выстроить обсерваторию и нанять людей, которые проведут необходимые измерения. Король согласился. Он назначил Флемстида своим личным «астрономическим наблюдателем» (позже тот стал называться «королевским астрономом»). В документе, которым учреждалась Гринвичская обсерватория, его величество поручал Флемстиду «со всяческим прилежанием и тщательностью уточнить таблицы небесных перемещений и места неподвижных звёзд, дабы обрести взыскуемую долготу на море и усовершенствовать искусство кораблевождения».
Впоследствии, рассказывая об этом событии, Флемстид писал, что король Карл «стремился к тому, чтобы его судовладельцы и моряки получили всю возможную помощь небес, а мореходство сделалось более безопасным».
Таким образом, Королевская обсерватория, как и Парижская до неё, была создана с вполне конкретной целью. Все далёкие звезды предстояло внести в каталог, чтобы проложить курс для моряков на поверхности земных океанов.
Член комиссии Рен спроектировал Королевскую обсерваторию. Как предписывалось королевским указом, он поставил её на самом высоком холме в Гринвичском парке. В том же здании предстояло жить Флемстиду и его помощнику. Строительством руководил член комиссии Роберт Гук. Оно началось в июле 1675-го и заняло почти год.
Весной 1676 года королевский астроном переехал в обсерваторию (называемую теперь Флемстид-Хаус, то есть «дом Флемстида»). К октябрю у него было уже достаточно инструментов, чтобы приступить к работе, которой он без остатка отдал следующие сорок пять лет. Его превосходный каталог звёзд был опубликован посмертно в 1725 году. К тому времени сэр Исаак Ньютон разрешил многие недоумения, связанные с орбитой Луны. Успехи астрономии обнадёживали: казалось, близко время, когда небеса ответят на вопрос о долготе.
Покуда астрономы смотрели на небо из высоких башен, механики и часовщики пытались решить ту же проблему по-своему. Им мечталось, что капитан будет определять долготу за столом у себя в каюте, просто сравнивая показания наручных часов и хронометра, идущего по времени порта.
4.
Время в бутылке
Без таинства причастия часам
не важно знать, когда осенний ветер
с небес сорвался, чтобы мостовые
устлать опавшей бурою листвою,
как миллионом леммингов.
Событие – такой крохотный кусочек пространства-времени, что его можно опустить в щелочку кошачьего глаза.
Диана Аккерман. Таинство причастия часам
Часы для времени – всё равно что мозг для разума. Часовой механизм каким-то образом содержит в себе время. И всё же нам никак не удается заключить его в бутылку, как джинна – в лампу. Сыплется ли оно песком или вращает шестерни, время ускользает у нас на глазах. Даже если разбивается колба, в которой пересыпались песчинки, или в пасмурный день становится невидимой тень от гномона солнечных часов, если в пружине кончается завод и замирают стрелки, время не останавливается. Часы в лучшем случае идут с ним в ногу. А поскольку оно задаёт собственный темп – биение пульса или смену приливов и отливов, – часы не указывают времени, как идти, а лишь указывают его в меру своего совершенства.
Некоторые оптимисты верили, что надёжные часы решат проблему долготы: моряки будут везти с собой время порта, как пресную воду или солонину в бочонках. Ещё в 1530 году голландский астроном Гемма Фризий писал: «В наше время появились искусно сделанные часы, которые, по малости размеров, не доставят путешественникам никаких затруднений. – Очевидно, он имел в виду затруднения, связанные с весом или ценой, а не со способностью показывать время. – И с их помощью можно находить долготу». Однако два условия, которые выдвигал Фризий: часы при отплытии надо ставить «с величайшей точностью» и не позволять им в дороге останавливаться, – были в ту пору совершенно невыполнимы. Часы начала шестнадцатого века не отличались точностью на суше и не могли сохранять постоянный ход в морскую качку или при смене температуры.
Неизвестно, знал ли англичанин Уильям Каннигем о словах Геммы Фризия, когда в 1559 году рекомендовал для определения долготы часы, «какие привозят из Фландрии» или продают в Лондоне «рядом с Темплом». Увы, такие часы за сутки уходили вперёд или отставали примерно на пятнадцать минут; для надёжного вычисления координат такой точности не хватало. (Умножая разницу в часах на пятнадцать градусов, можно определить долготу лишь приблизительно; нужно ещё разделить разницу в минутах и секундах на четыре, чтобы перевести результат в градусы и минуты долготы.) Никакого заметного прорыва в этой области не произошло и к 1622 году, когда английский навигатор Томас Бландевиль предложил определять долготу в трансконтинентальных плаваниях «посредством точных часов».
Галилей, который ещё девятнадцатилетним студентом медицины предложил измерять пульс по маятнику, под конец жизни разработал чертежи первых в мире маятниковых часов. Согласно Винченцо Вивиани, ученику и биографу великого учёного, в июне 1637 года тот изложил ему свою мысль о том, как присоединить маятник «к часовому механизму из зубчатых колёс, дабы помочь навигаторам в определении долготы».
Легенда гласит, что мистическое озарение о возможности отмерять время с помощью маятника посетило Галилея в церкви. Юноша зачарованно наблюдал за качаниями люстры, и тут служка остановил огромный светильник, чтобы зажечь фитили в лампадах. Отпущенная люстра закачалась сильнее прежнего. Галилей следил за её движениями, засекая время по собственному пульсу. Вернувшись домой и продолжив опыты, он установил, что период колебания маятника зависит от длины подвеса.
Галилей мечтал воплотить своё наблюдение в прибор для измерения времени, но дальше разработок дело не ушло. Его сын, Винченцо, смастерил часы по отцовским чертежам, а позже та же конструкция была использована в часах одной из флорентийских церквей. И всё-таки честь создать первые работающие маятниковые часы выпала духовному наследнику Галилея, Христиану Гюйгенсу, сыну голландского дипломата, отдавшему жизнь науке.
В сферу его разнообразных интересов входила, помимо прочего, астрономия. Гюйгенс установил, что увиденные Галилеем луны Сатурна на самом деле представляют собой кольцо – факт, ошеломивший его современников. Он же открыл самый большой из спутников Сатурна, который назвал Титаном, и разглядел тёмные пятна на поверхности Марса. Однако Гюйгенс не собирался проводить за телескопом всю жизнь – его занимало множество других задач. По слухам, он даже укорял своего начальника по Парижской обсерватории, Кассини, за рабскую преданность ежесуточным наблюдениям.
Гюйгенс клялся, что пришёл к идее применить маятник независимо от Галилея. Он и впрямь проявил лучшее понимание физики колебаний – и необходимости сохранять их периодичность, – когда в 1656 году собрал свои первые маятниковые часы. Двумя годами позже он опубликовал трактат, в котором изложил их принципы и объявил своё изобретение пригодным инструментом для установления долготы на море.
К 1660 году Гюйгенс создал два корабельных прибора для измерения долготы и нашёл капитанов, готовых их испытать. Во время третьей такой проверки, в 1664 году, Гюйгенсовы часы спутешествовали к островам Зелёного Мыса у западного побережья Африки и на обоих этапах плавания – туда и обратно – показали вполне приличную точность в определении долготы.
Теперь Гюйгенс по праву считался признанным специалистом в этой области. В 1665 году он опубликовал ещё одну книгу, «Краткое руководство для использования часов в целях определения долготы». Увы, в следующих плаваниях обнаружились некоторые изъяны конструкции. Часы надёжно работали только в хорошую погоду. Штормовая качка мешала равномерным колебаниям маятника.
Чтобы обойти это затруднение, Гюйгенс изобрёл пружинные часы с балансиром, заменившим маятник в роли регулятора. Механизм был запатентован во Франции в 1675 году. И вновь Гюйгенсу пришлось отбиваться от обвинения в плагиате – на сей раз со стороны вспыльчивого скандалиста Роберта Гука.
Гук к тому времени успел увековечить своё имя во многих областях науки. Как биолог, изучая под микроскопом насекомых, птичьи перья и рыбью чешую, он обнаружил мельчайшие ячейки, из которых состоит всё живое, и дал им название «клетки». Как землемер и архитектор Гук помогал восстанавливать Лондон после Великого пожара 1666 года. Как физик он приложил руку к созданию теории всемирного тяготения и паровой машины, изучал свойства света и причины землетрясений. Помимо прочего, Гук вывел закон, описывающий поведение пружины, и придумал пружинный часовой механизм. Как только Гюйгенс сообщил о своём изобретении, начала раскручиваться тугая спираль конфликта: Гук объявил, что голландец украл идею у него.
Спор Гука и Гюйгенса из-за английского патента на систему баланс-спираль бурно обсуждался на нескольких заседаниях Королевского общества, но постепенно он исчез из повестки дня, так и не разрешившись.
Впрочем, ни Гук, ни Гюйгенс так и не создали настоящего морского хронометра. То, что два таких исполина потерпели поражение независимо друг от друга, значительно ослабило веру в возможность измерять долготу с помощью часов. Астрономы, всё ещё собирающие данные для метода лунных расстояний, поспешили объявить бесперспективным сам подход. Ответ, утверждали они, придёт с небес – от часового механизма Вселенной, а не от обычных часов.
