Гюйгенс Волновая теория света. В погоне за лучом - [35]
Пытаясь физически описать движение тел, Галилей столкнулся с проблемой измерения времени. Он должен был регистрировать расположение тел в каждый момент времени с достаточной точностью, чтобы затем адаптировать свои наблюдения к математическим моделям. Расстояние определялось довольно точно, но вот временная составляющая была более неуловимой. На палке можно сделать зарубки на одинаковом расстоянии друг от друга, но каким образом можно обозначить равные интервалы времени, которое мы не можем потрогать? Какие природные явления имели требуемую регулярность и могли служить точкой отсчета?
Возможно, неслучайно великие достижения древних в механике ограничивались областью статики и изучением ситуаций равновесия, в которых системы не меняются с течением времени. Историки науки долгое время пытались установить, какие часы мог использовать Галилей для формулировки первых законов о движении. Некоторые считают, что это были клепсидры, или водяные часы; другие — что поскольку ученый прекрасно играл на лютне, то для получения очень коротких и почти одинаковых промежутков времени он использовал музыку. Были и те, кто вообще ставил под сомнение тот факт, что ученый действительно проводил свои опыты, утверждая, что все открытия Галилея были плодом успешных умопостроений.
Чтобы найти любую точку Р на поверхности Земли, достаточно двух чисел. Первое получается, когда мы делим планету на несколько дисков, параллельных экватору. Каждый из них определяется при помощи угла — широты. После того как мы выбрали диск, остается установить, на какой точке его окружности находится Р. Для этого необходимо воспользоваться вторым углом, долготой. В случае с широтой естественной точкой отсчета для измерения углов служит экватор, а вот для долготы нужно назначить условную точку. Ею стал Гринвичский меридиан, который проходит от полюса к полюсу через английский городок Гринвич, рядом с Лондоном. На земном шаре с его множеством географических объектов и располагая хорошей картой потеряться довольно сложно. Во всяком случае на суше. А вот на пустой поверхности без каких-либо ориентиров, например на море, начинаются проблемы. Каким образом моряки могли понять, где они находятся, во время долгого опасного плавания?
У Земли есть естественные полюса — Северный и Южный — и экватор. Из-за ее движения для наблюдателей-землян небесные тела тоже кажутся движущимися и, таким образом, могут служить ориентирами. Измерив угол между горизонтом и Солнцем (днем) или Полярной звездой (ночью в Северном полушарии) либо Южным Крестом (ночью в Южном полушарии), можно определить широту. С долготой же надо действовать по-другому. Земля полностью оборачивается вокруг своей оси каждые 24 часа, то есть каждый час она поворачивается по часовой стрелке на 15° (24 · 15° = 360°). Мы можем начать наблюдение, когда Солнце стоит над Гринвичем (G). В этот момент там будет полдень, и для его жителей Солнце будет стоять в самой высокой точке горизонта. В каждый последующий час Гринвич будет отдаляться от этой точки на 15°. По мере вращения нашей планеты все ее точки пройдут через свой зенит (мы не будем учитывать эффект, вызванный наклоном оси). В точке А, расположенной на 15°, это произойдет через час после точки G; в точке В, на 30°, через два часа; в точке N, на 225°, через 15 часов. Таким образом, моряк, у которого есть часы, показывающие время Гринвича, сможет определить свое местонахождение. Когда Солнце достигнет самой высокой точки над линией горизонта (зенита), часы покажут разницу во времени с Гринвичем, а значит, и количество градусов, отделяющих его от этого меридиана, то есть долготу места.
В 1961 году студент Корнелльского университета Томас Сеттл в гостиной квартиры, в которой он снимал комнату, повторил опыты, описанные Галилеем в третьем дне его «Бесед». Он засек время, за которое бильярдный шар катился по наклонной плоскости, с помощью простых водяных часов, сделанных из сосуда и трубки. Собранные им данные не отклонялись и на десятую долю секунды от теоретических значений.
Но вернемся в XVII век. Развитие механики и астрономии требовало использования более точных часов. Эта проблема, имевшая важное значение для навигации, привлекла внимание и государственных деятелей, которые обычно не очень интересовались наукой. Чтобы мотивировать ученых, правители стали предлагать им щедрое вознаграждение. Корабли уже следовали по опасным торговым маршрутам, пересекали Атлантический океан, огибали Африку, чтобы попасть в Индию, но у моряков все еще не было надежной системы, с помощью которой они могли бы определить свое положение в открытом море. Суда часто терялись, их экипажи умирали от голода, цинги или гибли в кораблекрушениях. Практическим решением так называемой проблемы долготы должно было стать измерение времени посредством инструмента, который, как компас, сохранял бы свою точность, несмотря на все сложности, возникающие в пути.
Гюйгенс начал заниматься часами по той же причине, по которой до этого заинтересовался телескопами: он хотел сконструировать совершенное устройство. Для этого ученый рассмотрел задачу со всех сторон — с технической, физической и математической. Во время работы его любознательность неизбежно отвлекала его, так что Гюйгенс детально рассмотрел несколько сопутствующих вопросов. В этом проекте он применил результаты некоторых своих исследований, в частности исследование кругового движения.
