Рауль Ибаньес - Том 26. Мечта об идеальной карте. Картография и математика

• Название: Том 26. Мечта об идеальной карте. Картография и математика
• Автор: Рауль Ибаньес
• Издательство: ООО «Де Агостини»
• Жанр: Математика
• Год: 2014

Современный человек пользуется картами практически ежедневно: карты украшают стены школ, они помогают нам ориентироваться на местности, находить кратчайший путь из одного пункта в другой, изучать историю, географию, экономику и ряд других наук.

Карты — важный рабочий инструмент для некоторых специалистов: моряков, летчиков, машинистов, топографов и проч. Но много ли мы знаем о том, как создаются карты? Для чего существует такое количество разнообразных карт и насколько все они точны?

Прочитав эту книгу, вы узнаете множество новых и любопытных фактов о геометрии карт.

---

* * *

Как предполагал еще Гиппарх, для определения долготы можно было использовать некое астрономическое явление, которое позволило бы оценить разницу во времени между двумя точками. Предположим, что в Бильбао солнечное затмение наблюдалось в полдень, но моряк, находящийся на корабле в Атлантическом океане, для которого затмение произошло в то же самое время, наблюдал его спустя четыре часа после того, как для него наступил полдень. Следовательно, разница в долготе между Бильбао и кораблем составляет 60°, то есть долгота корабля примерно равна 63° западной долготы. Однако солнечные и лунные затмения происходят крайне редко (в среднем примерно четыре раза в год), следовательно, их нельзя постоянно использовать для определения долготы.

Можно было решить задачу о долготе, зная относительное положение разных небесных тел. Так, астроном Иоганнес Вернер (1468–1522) предложил составить карту положений звезд, чтобы предсказать, когда Луна будет находиться рядом с теми или иными небесными телами в разные годы. Этот метод очень помог бы мореплавателям, однако он был небезупречен: положения звезд были известны неточно, не существовало инструментов для измерения расстояний между звездами и Луной, а траектория движения спутника Земли была изучена не до конца, поэтому точно предсказать положение Луны на небе также было очень сложно.

Галилео Галилей (1564–1642) в качестве астрономических часов предложил использовать затмения лун Юпитера, которые наблюдались тысячу раз в год, и предсказать их было очень легко. Однако эта идея также была принята не слишком тепло. Кроме того, точные наблюдения Юпитера в те годы были проблематичны.

Ученые предлагали все новые и новые методы. Одни из них были безрассудными, другие — более серьезными, например предлагалось использовать компас и учитывать изменения земного магнетизма в разных точках нашей планеты. Позднее ученые вновь обратились к методу определения долготы по положению Луны и расстояниям от нее до звезд. Это стало возможным благодаря усовершенствованию навигационных измерительных инструментов, в частности квадрантов и секстантов, развитию астрономии и публикации подробного альманаха по данным наблюдений в новой Гринвичской королевской обсерватории. Кроме того, с помощью теории тяготения Ньютона была получена более точная информация о движении Луны.

Секстант — важный инструмент морской навигации. Он позволяет измерять углы между двумя звездами или двумя точками побережья, а также высоту звезд на небосводе.

Наиболее удачное решение задачи об определении долготы предложил английский часовщик Джон Гаррисон (1693–1776), который сконструировал морской хронометр высокой точности, позволявший, находясь в любой точке мира, вычислять время в порту отплытия и, соответственно, долготу. Мореплаватель в открытом море должен был всего лишь определить по солнцу, когда наступит полдень, посмотреть, какое время показывает хронометр (а он показывал время в порту отплытия), рассчитать разницу во времени между портом и кораблем, умножить число часов на 15° и получить разницу в долготе относительно порта отплытия. Такое механическое решение задачи о долготе не обрадовало ни ученых того времени, ни членов Комитета по долготе, учрежденного английским парламентом. Чиновники всячески оттягивали выплату часовщику Джону Гаррисону причитающейся ему премии, надеясь, что свое решение предложат астрономы. Однако в конечном итоге всем пришлось признать, что морские хронометры Гаррисона позволяли определить долготу с требуемой точностью.

В результате всего изложенного можно сказать, что любая точка земной сферы однозначно задается параллелью и меридианом, проходящими через нее, или, что аналогично, широтой и долготой, которые называются географическими координатами.

Хронометр Джона Гаррисона Н5. С помощью хронометра Н4, сконструированного этим английским часовщиком, удалось решить задачу об определении долготы. Н4 выглядел как карманные часы большого размера и имел примерно 13 см в диаметре. Его эффективность была доказана во время путешествия корабля «Дептфорд» на Ямайку. По прибытии в Порт-Ройал два месяца спустя хронометр Н4 отстал всего на 5 секунд. Обратный путь выдался невероятно трудным, и общее расхождение за все время путешествия возросло до 1 минуты 54 секунд. Несмотря на это ошибка при вычислении долготы по-прежнему была меньше, чем требовал Декрет по долготе. Джон Гэррисон все-таки получил причитавшиеся ему 20 тысяч фунтов премии, хотя и спустя много лет.

* * *

ГИБЕЛЬ «ТИТАНИКА»

Каждый из нас видел хотя бы один художественный или документальный фильм, посвященный гибели «Титаника». Возможно, именно поэтому мы хорошо знаем историю этого роскошного корабля, который был создан с использованием новейших технологий своего времени. «Титаник» был гордостью владельцев, ему было суждено стать флагманом трансатлантических путешествий начала XX века. Тем не менее ночью 14 апреля 1912 года корабль столкнулся с айсбергом и затонул. Спасти уцелевших пассажиров удалось благодаря тому, что были известны географические координаты места крушения. С «Титаника» по радио был отправлен сигнал SOS: «Столкнулись с айсбергом. Тонем. «Титаник». 41°16′ северной широты, 50°14′ западной долготы. Срочно пришлите помощь». Корабль «Карпатия», находившийся ближе всего к месту катастрофы, получил сообщение и быстро направился в точку с указанными географическими координатами. «Карпатия» прибыла вовремя, удалось спасти более 700 человек (большинство из них составляли женщины и дети), находившихся в шлюпках.

* * *

Большие круги, геодезические линии сферы

Расстояние между двумя точками произвольной поверхности можно определить как длину кратчайшей из кривых, соединяющих эти две точки (именно так поступают геометры). По сути этим расстоянием будет длина кратчайшего пути между двумя рассматриваемыми точками, при условии что такой путь вообще существует. В геометрии кривые, указывающие кратчайший путь на поверхности, называются геодезическими линиями. Впрочем, это понятие несколько шире и включает кривые, определяющие «локальный» кратчайший путь. Что это означает? Это означает, что мы можем выбрать две точки поверхности, соединенные геодезической линией, так, что она не укажет наименьшее расстояние между ними. Однако если мы выберем две произвольные промежуточные точки геодезической линии, близкие друг к другу, то кратчайшим путем между ними всегда будет соединяющая их часть геодезической линии, как показано на рисунке.

Геодезические линии указывают кратчайшее расстояние между соседними точками, однако в общем случае это не так. Например, часть меридиана, соединяющего Лондон и город Гао в Мали и проходящего через Северный полюс, Атлантический океан и Южный полюс, — это геодезическая линия, но она не соответствует кратчайшему пути из Лондона в Гао. Однако эта геодезическая линия соответствует кратчайшему пути между близлежащими точками, например между Гао и городом Аккра в Гане или между Лондоном и Северным полюсом.

Как всем хорошо известно, геодезическими линиями плоскости являются прямые. Тем не менее минимальное расстояние между точками на сфере указывают большие круги — кривые, получаемые сечением сферы плоскостями, проходящими через ее центр. Примерами больших кругов сферы являются меридианы. Единственная параллель, которая является большим кругом, — это экватор.

На иллюстрации показаны большие круги Земли.

Проведем эксперимент. Допустим, что мы хотим провести прямую, проходящую через две точки плоской поверхности. Для этого мы можем соединить эти точки простой веревкой и сильно натянуть ее. Веревка примет форму прямой, соединяющей две точки. Теперь рассмотрим земной шар. Чтобы определить кратчайший путь между двумя точками земного шара, например между Барселоной и Аделаидой, соединим указанные точки веревкой и натянем ее. Мы получим кривую наименьшей длины, соединяющую два указанных города (то есть геодезическую линию), которая будет частью большого круга, проходящего через эти города, как показано на иллюстрации.

Натянутая веревка соответствует кратчайшему пути между двумя точками.

На интуитивном уровне можно сформулировать следующее доказательство. Допустим, даны две точки на сфере, и мы хотим найти кривую, которая определяет кратчайший путь между ними. Кажется логичным предположить, что мы можем ограничиться рассмотрением окружностей сферы, которые проходят через эти точки и образуются сечением сферы плоскостями, проходящими через две данные точки. Кроме того, в силу свойств симметрии, четко видно, что дуга окружности, полученной сечением сферы плоскостью, проходящей через центр сферы, соответствует кратчайшему пути между точками, что показано на предыдущем рисунке. В итоге большие круги являются геодезическими линиями сферы, или кривыми, указывающими наименьшее расстояние.