По-видимому, Галилей был первым человеком, который заметил, что время полного колебания подвешенного на веревочке груза практически не зависит от амплитуды колебания. Однако только после смерти Галилея это наблюдение нашло применение в часах с маятником. Но еще при жизни ученого свойства маятника использовались для создания одного из первых медицинских инструментов — пульсилогиума. Этот инструмент представлял собой груз на веревочке, связанной с горизонтальной планкой. Планка позволяла удлинять и укорачивать веревку. Изменяя длину веревки, врач приводил период колебания маятника в соответствие с пульсом пациента. В результате длина веревки служила вполне надежной мерой частоты сердцебиений163.
На основе открытия Галилея Христиан Гюйгенс создал первые точные часы с маятником. Он был лучшим математиком, чем Галилей, и смог в деталях разобраться в динамике поведения маятника. Благодаря математическим способностям Гюйгенса и ряду технических новшеств, созданные им в 1657 г. часы стали гигантским прорывом в часовом деле. До Гюйгенса самые точные часы отклонялись от реального времени как минимум на 15 минут в сутки, тогда как среднесуточный уход часов Гюйгенса не превышал 10 секунд164.
ШИРОТУ МЕСТОНАХОЖДЕНИЯ ОПРЕДЕЛИТЬ ДОСТАТОЧНО ПРОСТО ПО РАСПОЛОЖЕНИЮ СОЛНЦА В ЕГО ВЫСШЕЙ ТОЧКЕ (МЕСТНЫЙ ПОЛДЕНЬ). НО НИКТО НЕ ЗНАЛ СПОСОБА ТОЧНО ОПРЕДЕЛИТЬ ДОЛГОТУ ПО ПОЛОЖЕНИЮ СОЛНЦА, ЛУНЫ ИЛИ ЗВЕЗД. В ПЕРИОД, КОГДА ПОРТУГАЛИЯ, ИСПАНИЯ, ФРАНЦИЯ, АНГЛИЯ И ИТАЛИЯ СОПЕРНИЧАЛИ В ОСВОЕНИИ БОГАТСТВ НОВОГО СВЕТА, ЭТО БЫЛА ЧРЕЗВЫЧАЙНО СЕРЬЕЗНАЯ ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА.
10 секунд по отношению к 24 ч составляют примерно 0,01 %. Такая точность — невероятное достижение в истории часов: это были первые часы, созданные благодаря человеческому разуму и превосходящие по точности часы человеческого мозга. Как мы уже видели, лучший биологический хронометр — циркадные часы, регулирующие наш цикл сна и бодрствования, — имеют точность порядка 1 % (что составляет 15 мин в сутки). Это означает, что период циркадных часов колеблется от 23 ч и 45 мин до 24 ч и 15 мин165.
Однако часы Гюйгенса не решили одну из важнейших научных и технологических проблем в истории цивилизации — проблему долготы.
В конце XV и начале XVI в. европейские мореплаватели активно бороздили океаны в поисках новых торговых путей, островов и континентов и даже совершили кругосветное путешествие. Порой они терялись на необъятных просторах океана, поскольку не имели возможности определить свое местонахождение по отношению к оси восток — запад (долготу). Широту местонахождения определить достаточно просто по расположению Солнца в его высшей точке (местный полдень). Но никто не знал способа точно определить долготу по положению Солнца, Луны или звезд. В период, когда Португалия, Испания, Франция, Англия и Италия соперничали в освоении богатств Нового Света, это была чрезвычайно серьезная экономическая проблема.
В поисках земли моряки погибали от голода и цинги, капитаны сажали суда на мель, и огромные сокровища погружались в глубины океана. Во время одной такой катастрофы в 1707 г. британский адмирал сэр Клаудсли Шовелл послал свои суда на острова Силли в юго-западной части Британских островов. В этой экспедиции пропали четыре из пяти судов, на которых в общей сложности находилось около 2 тысяч моряков. Отчасти в результате этой трагедии королева Анна в 1714 г. учредила награду достоинством свыше миллиона долларов в современных деньгах за открытие точного метода расчета долготы в море.
Определить долготу — значит определить свое местоположение в пространстве. Возникает вопрос: какое отношение это имеет к часам? Дело в том, что в математике пространство (расстояние) — дитя времени и скорости (расстояние — это время, помноженное на скорость). Таким образом, любой движущийся с постоянной скоростью предмет можно использовать для расчета расстояний, нужно лишь знать, как долго он движется.
Многие процессы происходят с постоянной скоростью: движение луча света, вращение Земли. На основании почти постоянной скорости звука наш мозг определяет местоположение источника звука. Как мы уже обсуждали в предыдущих главах, мы понимаем, что говорящий находится слева или справа от нас, поскольку звук его голоса попадает в наше левое и правое ухо с разницей примерно в 0,6 мс. На основании этой задержки мозг может рассчитать, идет ли звук слева, справа или откуда-то посредине.
Земля вращается с постоянной скоростью, совершая оборот на 360° за каждые 24 ч. Таким образом, существует непосредственная связь между градусами долготы и временем. Зная, сколько времени прошло с того или иного момента, можно определить, на сколько градусов повернулась Земля: если вы читаете эту книгу вот уже целый час (1/24 часть суток), Земля за это время повернулась на 15° (360/24). Таким образом, если в полдень вы оказались посреди океана и знаете, что сейчас 16:00 по Гринвичу, следовательно, вы находитесь в точности в «4 часах от Гринвича», т. е. на 60° долготы. Проблема решена. Все, что вам требуется, это лишь точный морской хронометр.
Проблемой определения долготы занимались величайшие ученые XVII и XVIII вв., такие как Галилео Галилей, Блез Паскаль, Роберт Гук, Христиан Гюйгенс, Готфрид Лейбниц и Исаак Ньютон. Однако награда, в конце концов, досталась не ученому, а известному изобретателю-самоучке и гениальному часовщику Джону Гаррисону (1693–1776).
