Зачем измеряли время?

Зачем измеряли время?

Время – мера случая. Расстояние между происшествиями. Кому и зачем понадобилось мерить путь от случая до случая?

Без еды человек живёт месяц, без воды – неделю, без времени – как придётся. Древние египтяне и шумеры, если и замечали время, никому об этом не рассказывали: глаголы в их языках времён не имели. Жители Африки, банту, если дело касается времени, напротив, любят  входить во все подробности. Прошедшее время делится у них на прошедшее сегодня, вчера, в минувшем сезоне, в прошлом году, в позапрошлом, а также привычно происходившее. От прошедшего не отстаёт будущее: намеренное, обязательное, поучительное, будущее сегодня, завтра, послезавтра, будущее когда-нибудь. Древние греки делили сутки на части, которые назывались «полный рынок», «зажигание огня», «первый сон». Такой точности им вполне хватало.

Лишь отдельные древние личности пристально следили за временем. Например, жрецы храма Амона-Ра. Днём и ночью они совершали обряды и возносили молитвы солнечному богу. А Солнце, как известно, любит точность. Каждое утро оно изволит вставать, а каждый вечер садиться. Молитвы и жертвы солнечный бог Амон-Ра хотел получать регулярно. Днём у жрецов проблем не возникало. День легко было разбить на равные части при помощи солнечных часов: тень от палки двигалась по расчерченному кругу. Сложности начинались ночью. Амон-Ра отправлялся в плавание по подземному Нилу, и солнечные часы не работали. Но и в тёмное время полагалось совершать обряды. Чтобы дело двигалось равномерно, жрецы придумали водяные часы, не зависящие от хода светила. Капли стекали из сосуда в сосуд, прибавляя равные доли воды через равные промежутки времени.

Эта вещь очень понравилась древнегреческому философу Платону, большому любителю точности.  При входе в его Академию, студенты могли прочитать: «Незнающий геометрии да не войдёт». Проблема заключалась в том, чтобы знающие геометрию собирались вовремя. Вот тут-то Платон и вспомнил о египетских водяных часах. На их основе он соорудил будильник. Вода стекала из кувшина в кувшин и к моменту всеобщей побудки вытесняла воздух,  давивший на клапан. Он открывался, и воздух поступал в отверстия. Раздавался звук флейты. Платон, отец европейской философии, стал ещё и дедушкой будильника.

Шло время, никем особо не измеряемое, и наступили средние века. Водяные, солнечные и песочные часы по-прежнему оставались забавой для немногих. Остальным было не до времени. Практической пользы оно не приносили. А 30 лет жизни, отводимые судьбой средневековому человеку, были слишком малым сроком, чтобы тратить его ещё и на подсчёты из любопытства. К 1000 году, однако, ситуация несколько изменилась. Вид даты не оставлял сомнений: грядёт конец света. К такому событию надо было подготовиться. Прилежное повторение молитв ничего не гарантировало, но шансы на спасение повышало. Молиться следовало периодически. Поэтому нет ничего удивительного в том, что первые механические часы появились в Европе в 999, за год до предполагаемого Страшного суда. Удивительным был их изобретатель, римский папа Сильвестр II, отвечавший за спасение душ по должности.  До того как стать папой звался он Гербертом из Ориллака. Сын безвестного французского крестьянина, Герберт поступил в Бенедектинский монастырь. В то время бенедектинцы отыскивали талантливых молодых людей и обучали их в надежде, что со временем те будут способствовать спасению душ. Выучив всё, что было возможно в местном монастыре, Герберт отправился изучать науки в Испанию. Там было их средоточие. Библиотека эмира в городе Кордова насчитывала 40 000 книг, а в самой обширной библиотеке христианского монастыря книг было не более 700. В Испании Герберт узнал об арабско-индийских  цифрах, облегчавших решение задач, о счётной доске абаке, об астрономических приборах и о том, как устраивать часы. Познания молодого монаха с тех пор впечатляли всех, с кем он ни встречался. Особенно поражала скорость, с которой Герберт считал в уме. Некоторые приписывали его умение союзу с дьяволом. Сам же Герберт объяснял, что это может любой: просто вместо неудобных для устного счёта римских цифр следует представлять себе те, которым он научился в Испании. В Реймскую школу, где он стал преподавать, шли учиться со всей Европы. Возвращаясь в свои монастыри, бывшие студенты Герберта заводили собственные школы и рассказывали там о чудесных простых цифрах, о счётной доске абаке и необычайном органе, построенном Гербертом. Звуки из него наряду с человеком извлекала вода. В 950 году император Священной Римской Империи Оттон III, учившийся в юности у Герберта, возвёл его на папский престол. Герберт принял имя Сильвестра II. А ещё его звали Учёным папой. Ему, самому учёному из римских пап, «отцу арифметики», приписывают создание первых в Европе механических часов. Движение в них задавалось гирей.

Триста лет после Сильвестра Европе было не до часов. В 14 веке в Италии началось Возрождение. До рафаэлевых  мадонн было ещё столетие. Возрождение начиналось с любви к точности. Математики придумывали для купцов формулы, снижавшие риск встречи с пиратами, и творили науку бухгалтерии. Дебито – даю в долг, кредито – доверяю.  Из всех вершин Возрождения об этой мы вспоминаем чаще всего. Любовь к точности заставила вспомнить о времени.  На башнях итальянских городов появились часы. Как когда-то у Сильвестра, их двигали гиря и пружина.  Ухаживать за такими часами было куда как проще, чем за водяными, и вскоре каждый приличный город почитал необходимым возвести у себя башню с часами. У этих часов не было циферблатов, только бьющие колокола, которые созывали окрестных жителей на молитву. Английское слово часы, clock,  не случайно похоже на колокол. Часы и были нечем иным, как точным колоколом. Другого назначения они не имели. Часовые башни становились всё выше, города соревновались друг с другом в их изяществе, и кому-то пришла мысль сделать время не только слышимым, но и видимым: у башенных часов появились циферблаты. В день механические часы отклонялись от солнечного времени примерно на полчаса. За сутки сторож три раза «подводил» механическое чудо по образцу солнечных часов. И хотя минутную стрелку швейцарец Йост Бурги изобрёл в 1577 году, она долго ещё оставалась бесполезной игрушкой. Часовым мастерам пришлось повозиться больше века, прежде чем минутная стрелка стала действительно показывать минуты. Впрочем, горожан минуты не интересовали.

Помните как Алиса в стране чудес удивилась  часам Шляпника?

- Какие забавные часы! Показывают день месяца и не показывают, который час.

- А почему они должны? – отвечал он - А твои часы показывают, который год?

            Шляпник говорил с Алисой как истинный горожанин 16 века, которому нет дела до точного времени.

            Из этого правило было, однако, исключение. Точное время очень хотели бы знать астрономы. Но прибора, точнее собственного пульса, у них не было. До изобретения телескопа самыми точными считались астрономические наблюдения датского учёного Тихо Браге. Маэстро точности вынужден был ежедневно подправлять свои часы при помощи молотка.

И ещё через век часы всё ещё не могли служить образцом точности. Вот что случилось с другим датским астрономом, Оле Рёмером, в 1675 году.  Он наблюдал затмения спутников Юпитера и заметил странную вещь. Когда Земля и Юпитер сближались, спутники Юпитера выходили из тени планеты  раньше, чем когда Земля и Юпитер были друг от друга далеко. Максимальное время задержки составляло 22 минуты. Но ведь спутники всегда движутся с равной скоростью. Дело не в спутниках, решил Рёмер, а в лучах света, которые от них исходят. Когда спутники от Земли далеко, и свет от них идёт к нам дальше – на 22 минуты. Значит свету на преодоление дополнительного расстояния нужно время, у него есть скорость, и можно её посчитать. У Рёмера получилось 215 000 км/с. Это был выдающийся результат. Большинство учёных – современников Рёмера считали, что свет распространяется мгновенно, никакой скорости у него нет. Как показало время, прав был Рёмер. Оно же показало, что Рёмер занизил скорость света на  26%, - на самом деле она приближается к 300 000 км/с. Ошибка в расчёте произошла из-за ошибки со временем. Как теперь известно, спутники Юпитера запаздывают выйти из тени не на 22, а на 16 минут.

Дорогу к точным часам проложил Галилей, любивший отвлекаться.  Отец Галилея, по профессии музыкант, хотел, чтобы сын стал врачом, и 17-летний Галилей, хотя и без большой охоты, приступил к изучению медицины. Однако сразу же начал отвлекаться. Математика и физика нравились ему значительно больше. Он занимался ими вопреки воле отца. Учился Галилей в Пизе и регулярно бывал в местном соборе. Однажды церковная служба показалась ему особенно скучной, и он отвлёкся. Под куполом мерно качалась тяжёлая медная люстра. Её «запустил», зажигая свечи, один из церковных служителей. Движение люстры показалось Галилею странным. Она качалась всё слабее, но дугу любой длины проходила за одно и то же время. Чтобы убедиться, что глаза его не обманывают, Галилей стал прикидывать – за какое. Сначала он сверял движение канделябра с ритмом церковной музыки, потом – с собственным пульсом. Выходило, что так оно и есть. Время колебания оставалось постоянным. До этого открытия люди знали только два  события, происходивших с ошеломляющей периодичностью: восход и заход солнца. Но ведь для точных часов это слишком редко. Теперь же открылось чудесное свойство маятника колебаться через одинаковые промежутки времени. Можно было приступать к созданию точных механических часов. Однако другие открытия всю жизнь отвлекали Галилея от часов. Времени на часы у него не так и не хватило.

Шёл 17 век, и вдруг оказалось, что точное время нужно не только астрономам.  Для моряков оно стало вопросом жизни и смерти, для государств – источником прибыли. Эпоха великих географических открытий была в самом разгаре. Корабли бороздили океаны. Но вот незадача. Моряки открывали новую землю, однако из-за неумения находить долготу не могли указать её точно на карте. Куда было плыть в следующий раз? Да что там новые земли! Проблемы с долготой приводили к тому, что безлунными ночами или в бурю суда налетали на уже известные рифы, только лишь оттого, что капитаны не могли вычислить долготы, и не понимали, куда движется корабль. С широтой всё обстояло просто – она вычислялась по наклону солнца над горизонтом, но что делать с долготой не знал никто. Правительства морских держав – Испании,  Франции, Голландии, Венецианской республики – сулили невиданные награды тому, кто сумеет указать надёжный способ определения долготы.

Ещё с древности было известно: долгота определяется разницей во времени. 15 градусов движения вдоль земной дуги на запад или на восток,  15 градусов долготы, сдвигают время на 1 час. Чтобы узнать долготу, нужно было знать разницу двух местных времён: того места, где находился корабль, и порта, откуда он начал свой путь. Померить местное время на борту корабля не составляло проблемы: солнце было всегда «под рукой». Но как узнать время в исходном порту?

Можно было подыскать какое-нибудь повторяющееся небесное явление, которое видно одновременно на борту корабля и в пункте, откуда он вышел. Например, затмения Луны. Если заранее знать, когда  произойдёт затмение, в момент его наступления люди на корабле получат надёжный сигнал о времени в порту. Английский король Карл II в собственном Гринвичском парке  открыл обсерваторию в надежде на то, что королевские астрономы сумеют составить таблицы с точным предсказанием лунных затмений. Примеру Карла последовал Людовик XIV во Франции. Король-солнце учредил Парижскую обсерваторию для составления лунных таблиц. Астрономы справились с задачей, но проблемы долготы не решили. Увы, затмения Луны имеют обыкновение происходить 2-4 раза в год.  А что было делать в промежутках? А если небо в долгожданную ночь затягивало облаками?  Всё тот же Галлей предложил смотреть не на Луну, а на спутники Юпитера. Он открыл их совсем недавно при помощи новейшего прибора – телескопа. Затмения случались с ними, куда как чаще, чем лунные, - 1-2 раза в течение ночи. Только и для спутников Юпитера погода исключений не делала и облака не раздвигала. Да и мощных телескопов на все корабли не хватало. Что же до искусных наблюдателей на каждом корабле, не говоря уже о предсказательных таблицах… В общем, сложностей с галеевым методом было больше, чем результатов.

Между тем, был ещё один способ узнать долготу. Задача заключалась в том, чтобы в нужный момент посреди моря установить, сколько сейчас времени в порту. Для этого портовое время нужно было «везти» с собой: какие-то часы на борту корабля должны были отсчитывать часы, минуты и секунды с того момента, как корабль отправился в плавание.  Часам следовало быть очень точными, так чтоб их ход не зависел от морской качки, сырости, холода или зноя. Такие часы, «помня» время в порту, могли избавить от астрономических наблюдений и позволить просто и надёжно определять долготу в любой момент.  Но таких часов не было, и мало кто верил, что их можно создать.

Среди этих немногих был голландский учёный Христиан Гюйгенс. Он первым воплотил идею Галилея и создал часы с маятником. Оказалось, что Галлей был не совсем прав. Качания маятника занимали равное время, только если они были небольшими. Гюйгенс научился «сдерживать» маятник, и в 1657 году появились на свет первые точные механические часы. А вскоре, экспериментируя с линзами, Гюйгенс изобрёл волшебный фонарь. Это устройство, «прадедушка» всех проекторов, позволяло многократно увеличивать картинки, нарисованные на стекле, и демонстрировать что-то вроде мультфильмов. Отец Гюйгенса, посланник при французском дворе, просил сына прислать ему волшебный фонарь для короля Людовика XIV. Изобретателю такое предложение не понравилось. Он полагал, что демонстрация «игрушки» уронит его репутацию серьёзного учёного в глазах короля.  Христиан на смел отказать отцу, но послал фонарь, предварительно вынув из него линзу, без которой тот не мог работать. Людовик остался без «мультфильмов». Зато репутация Гюйгенса не была поколеблена, и король пригласил его в основатели французской Академии наук. Ещё бы, ведь Гюйгенс изучал часы и мог решить проблему с долготой. Гюйгенс не переставал думать о точности, и всё время вносил усовершенствования в часовой механизм. Размышления о часах привели учёного к открытию важных физических законов. В 1670 году Гюйгенс завершил трактат о часах и посвятил его Людовику XIV. Теперь, приобретя точный ход, часы могли стать украшением гостиной и даже поместиться в кармане владельца. Однако точные и надёжные, большие или маленькие, часы по-прежнему оставались наземной игрушкой для знатных особ. Помещённые на корабль, они начинали спешить или отставать, а то и вовсе прекращали ход. При морской качке маятник раскачивался, как попало, сбивая весь механизм.

Всё больше людей предлагали решения, как справиться с долготой. И всякий раз их предложения не выдерживали проверки. Прославленные астрономы и великие математики, Галилей и Галей, Ньютон и Рен, предлагали свои способы. Все они смотрели на небо, и не нашли там ответа.

Между тем наступил 18 век. Проблема долготы вошла в поговорки. Когда хотели сказать «это невозможно», говорили «как найти долготу». О ней шутили чаще, чем о вечном двигателе. А морякам было не до шуток. В 1707 году английский флот после победы над французским возвращался из Средиземного моря. Дорога к британскому берегу лежала мимо островов Ушант и Силли. Про этот путь домой сложили песню:

 

                                                                 Мы будем шуметь и грозить океанам,

                                                                 Пока не наступит приветствия миг,

                                                                 И встретит нас берег английским туманом,

                                                                 От Ушанта до Силли - тридцать пять лиг.

 

Погода была пасмурной, корабли шли в тумане. Вычисления показали, что  эскадра плывёт западнее Ушанта, и Англия совсем рядом. Это известие не обрадовало лишь одного моряка. Он явственно ощущал запах горящих водорослей. Их собирали и жгли обитатели Силли - значит, Ушант далеко позади, и чтоб не напороться на рифы Силли надо двигаться в другом направлении. Своими сомнениями моряк поделился с офицерами и за несоблюдение субординации был тут же вздёрнут на рее. А скоро ни у кого не оставалось сомнений в его правоте, но было поздно.  В разыгравшейся буре корабли несло на рифы. 4 из них пошли ко дну, погибли 2 тысячи моряков, включая победоносного адмирала. Такой катастрофы английский флот не испытывал никогда прежде. Беда случилась у самого британского берега. Причиной была неверно вычисленная долгота.

 Через 7 лет парламент принял «Акт о долготе». Он гласил, что за простой и  удобный способ определения долготы его автор получит награду. Если испытание метода во время плавания из Англии в Америку покажет отклонение от истинной долготы не больше 30 морских миль (56 км), приз составит 20 000 фунтов, равных 130 кг золота. Был образован Совет по долготе. В него вошли адмиралы и самые известные астрономы и математики. Совет должен был поощрять изобретателей и не пропустить момент, когда появится метод, достойный приза. Метод появился через 47 лет. Приз был вручён через 59. Изобретателя звали Джон Харрисон.

Он не был ни математиком, ни астрономом, да и в школу никогда не ходил. Впрочем, в деревне Бэрроу графства Линкольншир никакой школы не было. Зато в семье плотника Харрисона были невесть откуда взявшиеся карманные часы. Когда шестилетний Джон заболел, и целые дни проводил в постели, он получил в своё распоряжение эту бесполезную, но довольно занятную вещь. Он лежал и слушал, как они тикают, лежал и слушал. Потом сел и приоткрыл крышечку. Выбор профессии состоялся.

Работать он начал как плотник – все Харрисоны становились плотниками. И когда вместе с братом он изготовил первые часы, никто не мог упрекнуть его в отступлении от семейной традиции, потому что часы были полностью из дерева. И они нисколько не уступали часам из металла и даже кое в чём их превосходили. Металлические часы приходилось регулярно смазывать. Чуть что в смазке не так – прощай точность. Попытки часовщиков улучшить смазку особого успеха не имели. Джон Харрисон увлёкся задачей и решил её совсем по-другому: он изобрёл часы, которые не нуждались в смазке.

Над морским хронометром Джон начал работать через 16 лет после объявления приза. Ему было известно, что испытание хронометра будет проводиться во время шестинедельного плавания в Америку. Чтобы отклонение долготы составило не больше 30 миль, часы должны были «уйти» за этот период не больше, чем на 3 секунды в день. Когда первый проект был готов, он отправился в Лондон, к королевскому астроному Эдмунду Галлею. Знаменитый учёный, сам не сумевший решить вопроса о долготе, решил помочь Харрисону и познакомил его с лучшим лондонским часовщиком Джорджем Грэхэмом, который мог бы и сам попытаться выиграть приз. Но, видимо, было в проекте Харрисона и в душе Грэхема что-то такое, что заставило признанного мастера дать ссуду деревенскому самоучке на продолжение работы.

5 лет ушло у Харрисона на создание первой модели. Множество пружин и балансиров уравновешивали часовые детали во время качки. Весил хронометр 40 кг. За сутки он «убегал» на 8 секунд. Это было хуже, чем нужно, но лучше, чем у других. Совет по долготе выделил Харрисону средства для дальнейшей работы. Через 6 лет второй хронометр был готов к испытаниям. Но началась война, и проводить испытания стало  нельзя – а вдруг бесценное сокровище попадёт в руки к испанцам? Дожидаясь окончания войны, Харрисон не сидел без дела. Он строил третий хронометр, лучше прежнего. Главным изобретением стали полоски из двух разных металлов, скреплённые вместе. Если такую пластину нагреть или охладить, один из металлов будет расширяться сильнее, чем другой. Но поскольку полоски скреплены на концах, та, что стала длиннее, вынуждена изогнуться. На море часам грозит перепад температур. Из-за нагрева и охлаждения части механизма меняют форму, и ход сбивается. Теперь, полоска из двух металлов стала выправлять детали, чувствительные к температуре, «в обратную сторону».

28 лет в проработал Харрисон над хронометром и достиг заданной точности. Но в 1758 году он переехал из деревни Бэрроу в Лондон и увидел, что местный часовой корифей Мадж создаёт изящные карманные часы, несколько менее точные, чем у него, но куда как более красивые. А только красивые вещи бывают совершенными. Да и места на корабле немного. Харрисон стал работать в другом направлении, и через 3 года был готов хронометр четвёртой модели. Он был похож на карманные часы и весил 1 кг. 68-летний мастер не решился отправиться в Америку, испытывать часы он доверил сыну. За всё плавание хронометр «ушёл» на 5 секунд, ошибка в определении долготы составила 1 милю, что было в 30 раз лучше результата, за который полагался приз. Однако вручить приз Харрисону никто не торопился. К тому моменту, когда он достиг результата, кое-чего сумели добиться и астрономы. Их лунный метод определения долготы был далеко не таким точным, зато гораздо более дешёвым. Морской хронометр Харрисона стоил трети корабля. В Комиссии по Долготе образовалось две партии: «астрономическая» и «часовая». В течение 9 лет «астрономы» тянули с выдачей приза. В конце концов, сын мастера обратился к королю. И Георг III взялся самолично испытывать хронометр. Не могло же королевское решение о точных часах быть неточным. 10 недель отслеживал монарх часовой ход, и убедился, что хронометр отклонялся на треть секунды в день, в то время как лучшие часы – на минуту. Харрисон получил приз, хотя и не весь. Ему шёл восемьдесят второй год.

А вскоре, в 1772 году, знаменитый капитан Кук отправился во вторую экспедицию, захватив с собой хронометр Харрисона. Он стремился зайти на юг планеты так далеко, как ещё никто не был. Помощник Кука как-то сказал, что капитан собирался найти ворота в ад, а затем проплыть через них. В этом деле хронометр Харрисона был совершенно необходим. За три года плавания часы ни разу не подвели. «Наш верный друг» и «безупречный проводник», - говорил он них Кук. На островах Таитянского архипелага на корабль Кука приходили туземцы. Один из них был озадачен тиканьем хронометра и, узнав, что тот показывает время, стал называть его маленьким солнышком. Благодаря хронометру Кук привёз из плавания необычайно точные карты Южного полушария. Часы перестали быть только игрушкой и начали работать.

            Но до всеобщего признания точного времени было еще далеко. Наступил 19 век. Большинство по-прежнему обходилось без часов. Крестьяне вставали с петухами, рабочие – по заводским гудкам, гимназистов будили няни. Люди состоятельные носили карманные часы. Специально для дам стали изготавливать наручные. Они служили украшеньями, наподобие браслетов и ожерелий.

            Судьба часов переменилась в недобрый час. В конце 19 века случилась Англо-бурская война, и вдруг оказалось, что с карманными часами воевать неудобно. Новое оружие требовало синхронизации атак. А лезть в карман в ходе боя было слишком долго. Тогда английские офицеры стали привязывать карманные часы на руку. После мировых войн 20 века наручные часы стали обычным делом. Каждый решал теперь сам, нужно ли ему маленькое солнышко.