Текст книги "Гринвичское время и открытие долготы"

Автор книги: Дерек Хауз

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 15 страниц)

Дерек Хауз
Гринвичское время и открытие долготы

Предисловие редактора перевода

С незапамятных времен вся деятельность человека регулировалась естественной шкалой времени, задаваемой суточным вращением Земли вокруг своей оси, которое приводит к последовательному чередованию света и темноты – дня и ночи. По мере развития человеческого общества возникала потребность во все более точном измерении времени, и сегодня мы как о совершенно реальном говорим об измерениях времени с точностью до одной десятимиллиардной (!) доли секунды. Сейчас, в конце XX в., абсолютно немыслима жизнь без знания точного времени – этого требуют и наука, и вся практическая деятельность человека. Потребителями точного времени в наши дни являются железнодорожный транспорт, авиация, а также различные организации, занимающиеся картографическими съемками, астрономией, сейсмологической службой, космическими исследованиями, навигацией и многими другими вопросами.

Проблема определения времени оказала огромное влияние на многие стороны научной и культурной истории человечества. Не без основания можно считать, что начало научного мышления человека, побудившего его пытливо изучать тайны природы, было связано с измерением времени. Этот многотрудный, никогда не прекращавшийся процесс в конце концов привел к установлению того факта, что Земля вращается вокруг своей оси неравномерно и поэтому не может служить основой для точного измерения времени. По существу эта неравномерность не так велика и выражается главным образом в том, что период вращения Земли в июле-августе на тысячную долю секунды меньше суток, а в марте – на столько же больше. Однако весьма вероятны случайные флуктуации в скорости вращения Земли и постепенное, вековое ее замедление. Пока еще трудно судить обо всех возможных последствиях этого факта, но значение данного открытия, несомненно, весьма велико.

Наряду с измерением времени одной из первых задач, поставленных перед человеком жизнью еще в глубокой древности, была задача ориентировки на местности. Попытка решить эту проблему привела к развитию астрономии как науки. Зарождение практической астрономии в современном понимании ее целей следует относить к эпохе великих географических открытий (XVI-XVII вв.). Важнейшей научной задачей того времени было определение положений на суше и на море и составление карт открываемых и осваиваемых земель. Решение этой задачи не только обеспечивало нужды мореплавания, но и помогало закрепить новое научное представление о фигуре и размерах Земли, об очертаниях континентов и взаиморасположении геоморфологических образований.

Большая заслуга в осуществлении этих исследований принадлежит Гринвичской обсерватории. Основанная во второй половине XVII в., эта обсерватория была призвана в первую очередь обеспечить мореплавание необходимыми астрономическими данными (таблицами движения тел Солнечной системы и каталогами неподвижных звезд). В задачи обсерватории также входило совершенствование навигационных методов и определение координат пунктов на суше и на море.

Помимо проблем мореплавания толчком к развитию практической астрономии явилась научная дискуссия о форме и размерах Земли, начатая в конце XVII в. последователями Ньютона и Кассини и стимулировавшая проведение градусных измерений в разных частях Земли.

Как известно, разность долгот двух точек на земной поверхности равна разности значений местного времени в этих точках в один и тот же физический момент (который определялся по наблюдению какого-либо астрономического явления). Таким образом, задача определения долготы сводится к получению в некоторый момент разности значений местного времени в определяемом пункте и пункте, долгота которого известна. Для решения этой задачи необходимо производить определение местного времени в обоих пунктах (т.е. нужны часы-хранитель времени и астрономические наблюдения) и каким-либо образом передавать значение местного времени пункта с известной долготой в пункт с определяемой долготой (т. е. нужна какая-то связь между пунктами, часто весьма удаленными). Поэтому понятно, какое значение для науки имело изобретение часов-хранителя времени и прибора для измерения его интервалов. К. Маркс в «Капитале» указывает: «... ремесленный период ... оставил нам великие открытия: компас, порох, книгопечатание и автоматические часы». Значение часов, конечно, не ограничивалось нуждами науки. Маркс далее пишет: «Что было бы без часов в эпоху, когда решающее значение имеет стоимость товаров, а потому и рабочее время, необходимое для их производства?».

С изобретением в 1765 г. морского хронометра появилась возможность перевозки часов из одного места в другое без существенного нарушения их хода. Хронометр, поправка (показаний часов относительно местного времени) которого была определена в пункте с известной долготой, перевозили в пункт с измеряемой долготой; определив затем его поправку относительно местного времени, находили искомую разность долгот. Интересно отметить, что способ перевозки хронометров применялся и на суше – для определения долгот обсерваторий. В середине прошлого века с этой целью организовывались специальные «хронометрические экспедиции». Во время таких экспедиций для повышения точности результатов перевозились десятки хронометров. Этим способом, например, в 1843 г. были определены разности долгот между Пулковом, Альтоной и Гринвичем.

Изобретение проволочного телеграфа положило конец «хронометрическим экспедициям». Для определения разности долгот стали теперь использовать линии телеграфной связи. Сигнал, передаваемый из обсерватории с известной долготой, принимался в некоторый момент по местному времени в определяемом пункте. Зная момент подачи сигнала и показания часов в определяемом пункте в этом момент, можно было получить поправку часов относительно местного времени опорной обсерватории.

В настоящее время для определения долгот используются сигналы точного времени, передаваемые по радио.

Вообще говоря, проблема измерения времени и определения разностей долгот является составной частью одного из разделов астрономии – астрометрии. Цели их идентичны, приборы и методы – тоже, а для решения их задач необходимо точное знание координат звезд. В настоящее время все большее распространение в астрономии получают новые методы определения параметров вращения Земли: доплеровские и светодально-метрические наблюдения, проводимые специальными искусственными спутниками Земли, а также наблюдения квазаров с помощью радиоинтерферометров. Уже первые результаты этих исследований заставляют считать, что им принадлежит будущее.

Упомянем еще об одном обстоятельстве. Изменение со временем разностей долгот обсерваторий, расположенных на различных континентах, может служить удобным индикатором перемещения материков. Первые попытки получить сведения о дрейфе континентов из астрономических наблюдений были предприняты немецким геофизиком Вегенером. Рассмотрев долготные определения конца прошлого века, он пришел к выводу, что, например, долгота Гренландии действительно постепенно изменяется и эти изменения согласуются с его теорией дрейфа континентов. В дальнейшем оказалось, что долгота Гренландии, установленная в 1932 г. посредством приема радиосигналов, отличается от ее значения, определенного в 1870 г. по наблюдениям покрытий звезд Луной, на 5 с дуги (т.е. весьма сильно). Вероятнее всего, столь значительное различие объясняется ошибками старых наблюдений. (Как было остроумно замечено, если полностью доверять старым наблюдениям, то следовало бы считать, что большие сдвиги континентов имели место до изобретения телеграфа, средние сдвиги-до изобретения радио, а затем сдвиги прекратились!) Как бы то ни было, но если дрейф континентов действительно существует, то он, возможно, будет обнаружен из долготных определений.

Одним из важных аспектов установления наиточнейшей шкалы времени (имеющим к тому же и большое практическое значение) является введение поясного времени и единого для всех начального меридиана – общего нульпункта для отсчета долготы.

Пока средства сообщения между населенными пунктами были развиты слабо и точность измерения времени мала, разнобой в счете времени в разных местах оставался незаметным. Правда, с появлением железнодорожного транспорта в отдельных европейских государствах был принят единый для населения данной страны счет времени, однако в каждом государстве время считалось по-своему и никакой координации между странами в этом вопросе не существовало. Так продолжалось долгое время. Наконец, в 1884 г. на Международной конференции в Вашингтоне, в которой участвовали представители 26 государств, было принято предложение канадца Флеминга о введении поясного времени в 24 зонах протяженностью по одному часу. Там же было принято решение об установлении единого нулевого меридиана. Отдавая должное заслугам Гринвичской обсерватории, прежде всего научным достижениям таких ее астрономов, как Флемстид, Брадлей, Эри, в вопросах определения времени и долготы было решено принять за начальный меридиан Гринвича. Так, именно Гринвич дал свое имя нулевому меридиану – а не Париж, не Вашингтон, не великая пирамида Хеопса, как это предлагали некоторые участники конференции 1884г.

Многовековую историю постижения человеком таких привычных ныне понятий, как время и долгота, и раскрывает перед читателем Дерек Хауз, руководитель отдела навигации и астрономии Британского Национального морского музея. Авторское повествование ведется в доступной для широкого круга читателей увлекательной форме, что ни в коей мере не снижает научной строгости книги. Автор знакомит читателя с различными методами определения времени и долготы, рассказывает об астрономических инструментах и устройствах для измерения и хранения времени – от первых несовершенных хронометров до современных сверхточных атомных эталонов времени – часах, более точных, чем Земля.

Однако следует заметить, что, увлекаясь описанием исторических подробностей и порой весьма преувеличивая роль отдельных личностей (часто – далеких от науки) в решении рассматриваемых в книге проблем, автор недостаточно четко показывает, что постановка и решение этих проблем прежде всего диктовались самой жизнью, развитием социально-экономических отношений в обществе. Д. Хауз строит свой рассказ преимущественно на английском материале. Гордясь исторической ролью Гринвичской обсерватории (и это вполне понятно), автор уделяет недостаточное внимание работам других обсерваторий в данном направлении. Для нас, естественно, особый интерес представляет научный вклад русской и советской астрономии.

Серьезные астрономические работы начались в России гораздо позже основания Гринвичской обсерватории, однако достигнутые русскими исследователями результаты получили широкое международное признание. Одним из основоположников современной астрометрии был Василий Струве – основатель Пулковской обсерватории. Задачи Пулковской обсерватории, основанной в 1839 г., четко и ясно сформулированы в ее уставе: «Цель учреждения Главной обсерватории состоит в производстве: а) постоянных и сколь можно совершеннейших наблюдений, клонящихся к преуспеванию астрономии, и б) соответствующих наблюдений, необходимых для географических предприятий в империи и для совершаемых ученых путешествий. Сверх того, в) она должна содействовать всеми мерами усовершенствованию практической астрономии, в приспособлениях ее к географии и мореходству и доставлять случай к практическим упражнениям в географическом определении мест». Глубокая разработка принципиальных идей астрометрической науки, повышенные требования к использованию инструментов, продуманность процессов наблюдения и обработки, положенные В. Струве в основу работы Пулковской обсерватории, привели к тому, что вскоре она заняла ведущее место в мировой астрометрии. Появившиеся в XIX в. пулковские каталоги положений звезд и работы по определению астрономических постоянных отличались высокой точностью. Достаточно сказать, что пулковские каталоги в несколько раз превзошли по точности гринвичские. Директор Гринвичской обсерватории Эри писал в 1847 г.: «Ни один астроном не может считать себя вполне усвоившим современную наблюдательную астрономию в ее наиболее разработанной форме, если он не познакомился с Пулковской обсерваторией во всех ее особенностях». И далее: «Я ничуть не сомневаюсь в том, что одно пулковское наблюдение стоит по меньшей мере двух, сделанных где бы то ни было в другом месте». Пулковская обсерватория заслуженно получила в то время название «астрономической столицы мира».

Советская астрометрия достойно продолжает дело, столь успешно начатое Пулковской обсерваторией. Высокоточные наблюдения систематически проводятся на первоклассных инструментах во многих обсерваториях Советского Союза. Свой полноценный вклад в науку и народное хозяйство вносит Государственная служба времени и частоты СССР, объединяющая деятельность по астрономическим наблюдениям, приему и передачам сигналов времени 21 обсерватории (10-советских и 11 – других социалистических стран). Устанавливаемая ею шкала точного времени публикуется в десятидневных бюллетенях «Всемирное время». Активное участие принимают советские астрономы и в деятельности Международного бюро времени: из 93 телескопов, по наблюдениям которых в 1981 г. выводились параметры вращения Земли, 26 принадлежали Советскому Союзу.

Поясное время было введено в России лишь после Великой Октябрьской социалистической революции. Правда, еще ранее на железных дорогах России использовалось единое – петербургское время, но в обыденной жизни в вопросах времени царила полная неразбериха-никакой упорядоченной системы счета времени не было. Революционные преобразования затронули и эту сторону жизни. 8 февраля 1919 г. В. И. Лениным был подписан декрет «О введении нового счета времени по международной системе часовых поясов». Вся территория страны была разделена на 11 зон – со 2-го по 12-й пояс. Это, безусловно, отвечало нуждам народного хозяйства и жизненным потребностям населения.

Итак, проблема времени представляет отнюдь не только чисто научный или производственный интерес, а является неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. К сожалению, наша отечественная научно-популярная литература на эту тему невелика, и мы надеемся, что перевод на русский язык книги Д. Хауза «Гринвичское время» привлечет внимание советского читателя. Обширная библиография, приведенная автором, в основном включает разного рода документы, газетные сообщения и специальные научные публикации, которые малодоступны нашему читателю. Поэтому в конце книги мы приводим небольшой список литературы на русском языке.

В. Нестеров

Вступление

Первые три столетия своего существования королевская Гринвичская обсерватория занималась главным образом определением времени и долготы для нужд навигации и топографии. Но в этот же период она решала и такие задачи, как определение положений звезд и использование вращения Земли для измерения времени. Каким же образом Гринвич занял столь особое положение – стал нулевой долготной отметкой и дал свое имя среднему гринвичскому времени? История говорит, что этим мы отчасти обязаны деятельности королевских астрономов, прежде всего Маскелайна и Эри. Но вся эта история полна разного рода случайностями, порою весьма занимательными. Об этом и повествует данная книга, причем гораздо интереснее и содержательнее, чем это делалось когда-либо ранее.

Недавний переезд обсерватории из Гринвича в Хёрстмонсо совпал со смещением ее научных интересов и исследований в область астрофизики; этот переезд преследовал также цель заручиться более надежной поддержкой университетских научных кругов. Однако эта обсерватория и сейчас по-прежнему пользуется уникальной репутацией как один из ведущих международных центров, где осуществляются глубокие научные исследования, связанные с определением времени и долготы. Обсерватория законно гордится тем, что она и сегодня продолжает оставаться источником радиосигналов среднего гринвичского времени.

Грэхем Смит, профессор,

член Королевского общества,

директор Гринвичской обсерватории

Предисловие автора

I. Конференция рекомендует принять единый нулевой меридиан для всех государств вместо множества начальных меридианов, существующих в настоящее время.

II. Конференция предлагает... применение меридиана, проходящего через ось пассажного инструмента обсерватории в Гринвиче ... в качестве начального меридиана.

..........................

V. Всемирные сутки – это средние солнечные сутки; они должны начинаться во всем мире в момент средней полуночи на нулевом меридиане, совпадая с началом гражданских суток и датой на этом меридиане [1].

Сегодня Гринвич хорошо известен людям всего земного шара, и это – результат процитированных выше резолюций, принятых 22 октября 1884г. на заключительном заседании Международной меридианной конференции в Вашингтоне, целью которой было «обсуждение и по возможности установление меридиана, который можно было бы считать нулевым при определении долгот и измерении времени во всем мире» [2].

Эта книга повествует об истории возникновения гринвичского времени, которым триста лет назад пользовались лишь те несколько сотен человек, кто жил и работал в Гринвиче, но – что особенно важно отметить – среди них были два астронома из только что основанной Королевской обсерватории, расположенной в Гринвичском парке. Книга рассказывает о том, как два столетия назад гринвичское время стали применять моряки всех стран, пользуясь британским «Морским альманахом», ежегодная публикация данных которого основывалась на гринвичском меридиане; о том, как спустя еще одно столетие с расширением международных связей появилось стремление координировать ход времени на всем земном шаре – так возникла принятая в настоящее время система поясного времени, задаваемая гринвичским меридианом; о том, что сегодня среднее гринвичское время стало всемирным временем, применяемым как в быту, так и в науке, и почему именно гринвичское время (а, скажем, не парижское) было выбрано в качестве всемирного времени.

Необходимость в таком всемирном времени и временной шкале, пригодной для всего мира, возникла совсем недавно. С древнейших времен человек регулировал свою повседневную деятельность по Солнцу: по его восходу, кульминации (полудню, или середине дня) и заходу. Действительно, у многих древних цивилизаций сутки делились на 12 «дневных» часов (от восхода до захода Солнца) и на 12 «ночных» часов (от захода до восхода Солнца), и эти часы имели разную продолжительность. А так как летние дни длиннее зимних, то не только продолжительность дневных часов отличалась от продолжительности ночных часов (исключая дни равноденствия в марте и в сентябре), но и сами эти часы изменяли свою «длину» в зависимости от сезона. Путешественники отмечали также, что продолжительность этих часов изменяется в соответствии с тем, насколько близко или далеко они находятся от экватора.

Такая система «неравных часов», основанная на местном восходе и заходе Солнца, несмотря на все ее противоречия, была вполне удовлетворительна (исключая северные районы, где разница между продолжительностью дня и ночи могла быть очень большой) для многих повседневных бытовых и деловых целей. Вплоть до XV в. она применялась на практике в некоторых районах Италии. Однако греческие астрономы поделили сутки на 24 ч равной продолжительности, и их последователи в других государствах продолжили эту традицию.

Тем не менее, какая бы система часов ни применялась, время, измеряемое обычным человеком, было местным временем, т.е. временем, которое показывали солнечные часы в том месте, где они находились. Для этого человека было не важно, что в пунктах, расположенных к западу или востоку от него, солнечное время на самом деле было другим. Так, вследствие вращения Земли, когда в Лондоне наступал полдень, в Плимуте было 11 ч 44 мин, а в Норидже уже 12 ч 05 мин, или, говоря другими словами, в Лондоне полдень (когда Солнце находилось в зените) наступал на 16 мин раньше, чем в Плимуте, и на 5 мин позже, чем в Норидже. Но какое это имело значение в те времена, когда максимальная скорость передвижения человека зависела от лошади?! Во всяком случае, только в последние несколько столетий и то это относится в основном к городам – время измеряли с более или менее приемлемой точностью.

Возможно, обычный человек и не нуждался в более точном времени, однако для географов, составителей карт, астрономов, мореплавателей такая необходимость существовала. Им нужно было измерять время не для своих личных нужд, а, например, с целью определить разницу между долготами в определенных пунктах. Как это сделать – теоретически было ясно. Скажем, вы хотите найти разность между долготами Лондона и Плимута: если вы измерите точное время в Лондоне, допустим в полдень, и таким же образом определите его в тот же самый момент в Плимуте, получив, скажем, 11 ч 44 мин, то разница в 16 мин даст вам разницу в долготе между меридианами Лондона и Плимута, при этом известно, что 16 мин времени соответствует 4° (градусы дуги). И так как полдень в Плимуте наступает позднее, чем полдень в Лондоне, Плимут должен находиться западнее Лондона на 4°. (Более подробно проблемы определения долготы освещаются в приложении I.)

Но теорию и практику в этом вопросе разделяла большая пропасть. Как одновременно измерить местное время в удаленных друг от друга пунктах? Конечно, возможны другие методы определения разности долгот, например при помощи непосредственного измерения расстояний на земной поверхности или измерения магнитного поля Земли, однако наибольший успех сулил астрономический метод – путем измерения разности времен. Эта идея была высказана еще греческим астрономом Гиппархом около 180 г. до н.э., но точное определение долготы удалось осуществить лишь в 1650-х гг. – на суше и 1770-х гг. – в открытом море.

Начало истории введения гринвичского времени, таким образом, связано с попытками найти практический метод определения долготы, особенноуз море, так как именно там вследствие движения корабля и протяженности маршрутов возникали наибольшие трудности. Было очевидно, что введение единого времени – это не отвлеченная научная проблема, а практическая необходимость.

Благодарности

Значительная часть материала для этой книги была собрана в процессе подготовки экспозиции в недавно открытой Галерее времени в старой Королевской обсерватории.

Я приношу глубокую благодарность моим коллегам по Национальному морскому музею, в частности директору музея Безилу Гринхилу и его помощнику Дэвиду Уотерсу за поддержку моей работы и предоставленную мне возможность ознакомиться с многими музейными экспонатами, а также Сьюзен Гастон, д-ру Дж. Беннету, Алану Стимсону, Ричарду Гуду, Роджеру Стивенсону и другим нынешним и бывшим сотрудникам управления навигации и астрономии; я признателен также Брайану Тримейну за его помощь в изготовлении большого числа фотографий. Особенно я обязан Стивенсону, написавшему приложение III, и его жене Мери, преобразившей мои каракули в безупречный машинописный текст.

Я не мог бы написать эту книгу без содействия и поддержки сотрудников Гринвичской обсерватории в Хёрстмонсо, руководимой сначала Аланом Хантером, а затем проф. Ф. Грэхемом Смитом, любезно согласившимся написать вступительную статью к моей книге. Я чрезвычайно признателен Хемфри М. Смиту, бывшему руководителю Отдела времени, т. е. самому «мистеру GMT» (Greenwich Middle Time – среднее гринвичское время. – Прим. перев), помощь и опыт которого существенно облегчили мою задачу, – он и его коллеги по Хёрстмонсо, д-р Дональд Садлер, Филип Лори, д-р Джордж Уилкинс, Лесли Моррисон и д-р Джон Пилкингтон (написавший приложение IV), прочли технические разделы рукописи. Дэвид Колверт предоставил в мое распоряжение многие нужные фотографии. Я благодарен также О'Харе и Эндрю Мюррею.

К сожалению, я могу упомянуть здесь лишь очень немногих из тех, кто помогал мне в работе, среди них: проф. Эрик Форбс из Эдинбурга, Джон Норт из Гронингена и Бересфорд Хатчинсон из Британского музея, которые читали отдельные разделы моей рукописи; проф. Симмонс из Лестера, Сеймур Чэпин из Лос-Анджелеса, Августе Салинас из Сантьяго (Чили); Оуэн Джинджерич из Гарварда; полковник Хэмфри Килл и капитан Эдвард Мэй из Лондона; Рита Стентон из Мидлсекса и Джон Кембридж из Эссекса; Сюзанна Дебарба, Анна Стойко, д-р Гино и М. Морандо из Парижской обсерватории; д-ра Чарльз Коттер из Кардифа и Барбара Хайнс из Аберистуита; Норман Робинсон и его сотрудники из Британского научного общества; Энид Лэйк из Британского астрономического общества, капитан Эндрю Дэвид из Гидрографического управления; г-жа Макнамара из архива Главного почтового управления. Я благодарен маркизу Бюте и его архивариусу мисс Арме за разрешение воспользоваться архивами Джеймса Стюарта Маккензи, а также Парижской Академии наук за предоставленные в мое распоряжение фотокопии.

И наконец, я хочу воздать должное терпению моей жены и семьи, которое позволило мне написать эту книгу.

Национальный морской музей,

Гринвич, сентябрь 1979

Дерек Хауз