Дерек Хауз - Гринвичское время и открытие долготы

• Название: Гринвичское время и открытие долготы
• Автор: Дерек Хауз
• Издательство: Мир
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1982

Английский ученый Дерек Хауз в популярной форме рассказывает о многовековой истории постижения человеком понятий астрономического времени и долготы, о поисках способов наиболее точного измерения этих величин и ведущей роли, которую сыграла в этих исследованиях всемирно известная Гринвичская обсерватория, давшая свое имя нулевому меридиану. Написанная живо и увлекательно, богато иллюстрированная, книга Д. Хауза предназначена для широких кругов читателей, интересующихся историей науки и техники.

---

Экономили буквально на всем. Чтобы сберечь деньги, новое здание возводили на фундаменте старого замка, в результате чего направление стен на 13,5° отклонилось от точного направления на север, которое Флемстид планировал с самого начала. Свинец, дерево и железо взяли из разрушенной Колдхарборской сторожки в Тауэре, кирпич доставили из форта Тилбури, два медных шара и два больших пушечных ядра (их предполагалось установить на башнях и столбах ворот) из артиллерийских складов; рангоутное дерево для большого телескопа прибыло из Военно-морского управления [20]. Строительные и другие материалы были оплачены деньгами, вырученными от продажи 690 бочек старого негодного пороха, хранившегося в Портсмуте и Тауэре. Причем Поликарпус Уортон, скупивший порох по цене 40 шиллингов за бочку, восстановил его пригодность и позднее перепродал этот порох артиллерийско-техническому управлению уже по цене 4 фунта за бочку [21], нажив при этом 520 фунтов 9 шиллингов 1 пенс и истратив только 20 фунтов 9 шиллингов 1 пенс.

К рождеству здание обсерватории было подведено под крышу. 29 мая 1676 г., в день рождения короля, Флемстид перенес часть своей аппаратуры из дворца королевы в Главный зал новой обсерватории, готовясь наблюдать 31 мая частное солнечное затмение, которое пожелал наблюдать и король из новой Королевской обсерватории. Однако король не появился, а вместо себя прислал лорда Брункера, президента Королевского общества, одного из членов комиссии, занимавшейся разбором предложений Сен-Пьера.

10 июля Флемстид с помощником окончательно перебрались в обсерваторию. 15 сентября в Гринвич прибыли Мур, сэр и леди Хоскинс и Роберт Гук; там они застали Флемстида и Галлея (в то время еще друживших), заканчивающих испытание новых инструментов. На следующий день, 16 сентября 1676 г., были проведены первые наблюдения с большим секстантом - Гринвичская обсерватория начала свою работу.

Главные часы

Теперь мы, наконец, подошли к собственно гринвичскому времени. Как мы уже говорили, для решения проблемы определения долготы методом лунных расстояний были необходимы точный каталог положений звезд и точные таблицы движения Луны. С целью их получения и была основана Гринвичская обсерватория. Кроме того, требовался точный инструмент, с помощью которого можно было бы измерять угловое расстояние между Луной и звездами или Солнцем, а также высоты этих небесных тел над горизонтом (вкратце мы расскажем об этом в следующей главе).

Но для решения этой задачи требовался еще один прибор. Любой астрономический метод определения разности долгот должен основываться на предположении о том, что Земля вращается вокруг своей оси практически с постоянной скоростью. Это естественно предполагалось Коперником при построении его системы мира, но так и не было доказано.

К счастью, вскоре после основания обсерватории был найден инструмент для доказательства этого предположения; таким инструментом явились маятниковые часы, изобретенные Гюйгенсом в 1657 г. В качестве первой задачи для новой обсерватории Мур и Флемстид предложили провести эксперимент, который позволил бы доказать постоянство скорости вращения Земли; при этом предполагалось использовать возможно более точные часы.

В связи с этим Мур заказал Томасу Томпиону (1638-1713), лучшему часовщику Лондона, двое часов для новой обсерватории. Эти так называемые Главные часы обладали некоторыми особенностями, делающими их самыми точными часами в мире:

1) они имели маятники длиной 13 фут (3,9 м), подвешенные выше часового механизма, которые колебались с периодом 2 с. Это устройство выгодно отличалось от обычного недавно сконструированного «королевского» маятника с периодом колебания 1 с, который имел длину 39 дюйм (около 110 см) и подвешивался ниже часового механизма;

2) часы имели покоящийся спусковой механизм (см. приложение III), принцип действия которого в какой-то степени основывался на идеях Ричарда Таунли, друга Мура и Флемстида;

3) очень тяжелые гири часов подвешивались таким образом, что часы требовалось заводить всего один раз в год [22].

Часы были столь необычны, что, возможно, даже как-то повлияли на проектирование Реном Главного зала обсерватории - основной достопримечательности здания, которое сегодня зовется «Флемстидхауз» (дом Флемстида). Новые часы с их длинными маятниками и точными механизмами были размещены за стенными обшивками зала. На гравюре (см. рис. 11) видны циферблаты часов (грузы на концах маятников просматриваются через верхние маленькие окошечки), расположенные слева от двери. Высокие окна, предназначенные для дневных наблюдений при помощи телескопов с длинными трубами, придавали величественность этому залу.

Когда шесть лет спустя епископ Фелл решил переоборудовать новую башню Тома оксфордской церкви под обсерваторию, Рен пытался отговорить его, ссылаясь на то, что астрономические наблюдения лучше вести на уровне земли. «Мы действительно построили обсерваторию в Гринвиче для тех же целей, для коих вы хотите приспособить и вашу башню; наша обсерватория создана для наблюдений и немного для славы; мы имеем инструменты, которые я уже описывал [стенной квадрант на меридианной стене, длинный телескоп, подвешенный на мачте, секстант для определения угловых расстояний], в комнате находятся часы и связанные с ними инструменты» [23].

В письме к Ричарду Таунли 22 января 1676 г. Флемстид пишет: «Наш Главный зал высотой в 20 фут в состоянии вместить длинный маятник, подвешенный выше часов» [24]. 5 июня того же года он сообщает Таунли: «Завтра мы получим пару часов с маятниками в 13 фут длиной и паллетами, изготовленными частично по вашему образцу, с которыми, я надеюсь, мы сможем провести нужные эксперименты более точно, чем с часами, имеющими маятник с секундным периодом, которые, как я обнаружил, сильно спешат - иногда почти на четверть минуты в день, так как их колеса покрыты пылью» [25]. Циферблаты главных часов (сохранившихся до наших дней) имели следующую надпись: «Motus Annus (годовой механизм). По указанию сэра Джонса Мура механизм с величайшей тщательностью изготовлен Томасом Томпионом в 1676 г.» Прошло свыше двух месяцев, прежде чем часы удалось наладить. 24 сентября 1676 г. Флемстид сообщил: «3 ч пополудни. Оба механизма установлены вместе». На следующий день он писал: «Сент. 25.8.55.00 при помощи подвесной пружины маят[ника] установил мои [собственные часы Флемстида] в соответствии с ними» [26]. Один маятник был подвешен на пружине, другой - на опоре типа ножевого лезвия, очевидно, с экспериментальной целью. Это было началом применения среднего гринвичского времени.

Как и следовало ожидать, при использовании часов, сконструированных столь необычным образом, возникало множество сложностей. Механизмы часов были заключены в ниши, расположенные под стенными обшивками, поэтому они очень быстро пылились (а Томпион не захотел оставить ключ Флемстиду). Абсолютно отсутствовала какая-либо температурная компенсация изменения длины маятника. Пыль и мелкие металлические опилки, сквозняки, пронизывающие дом, сырость, холода, прикосновение рук, потребность в смазке - все это, как объяснял Флемстид, служило причинами плохого хода или остановки часов. Томпион же считал иначе и всячески ругал спусковой механизм, изготовленный Таунли.

10. Уравнение времени

Тем не менее Флемстид мог продолжать свои опыты, пытаясь понять, происходит ли вращение Земли «изохронно» или нет, то есть вращается она с постоянной скоростью или нет. Однако при этом возникала еще одна трудность, связанная с тем, что само Солнце не является идеальным хранителем времени. Поскольку ось Земли наклонена к плоскости ее орбиты, а движение нашей планеты происходит не точно по круговой орбите (это означает, что в период зимы в северном полушарии Солнце находится ближе к Земле, чем летом), продолжительность солнечных суток изменяется на протяжении года. Уклонение от среднего, т.е. разница между моментом времени, показываемым часами, и солнечным временем для любого дня, сегодня называют уравнением времени, а во времена Флемстида оно носило название уравнения естественных дней. Это уравнение было известно еще древним грекам, но только в XVII в. оно было точно оценено количественно [27]. Флемстид опубликовал новую более точную таблицу уравнения времени. Время, определяемое положением звезд, - звездное время - не отличалось подобными неравномерностями. Поэтому Флемстид стал измерять интервалы звездного времени; с помощью установленного на балконе телескопа он мог в течение всего года, днем и ночью, наблюдать прохождение яркого Сириуса. Промежуток времени между двумя последовательными прохождениями звезды дал Флемстиду продолжительность одних звездных суток. Путем простейших арифметических вычислений он мог вывести среднее солнечное время и тем самым проверить свои часы, которые шли по этому времени.