Пинбол-эффект. От византийских мозаик до транзисторов и другие путешествия во времени - Джеймс Бёрк

В 1611 году Галилей приехал в Рим, чтобы продемонстрировать ордену иезуитов свои изыскания. Он был принят благосклонно, и вскоре Римский колледж (научная штаб-квартира ордена) стал центром астрономических исследований. Тем не менее идеи Галилея шли вразрез с церковной доктриной. По совету иезуитов Рим временно приостанавливает выход его новой книги «Диалог о двух системах мира» под тем предлогом, что церковные догматы нужно привести в соответствие с новыми открытиями. Однако Галилей был непреклонен и издал книгу, проигнорировав мнение церкви. За свое упрямство он поплатился пожизненным домашним заточением и запретом на публикации.

Парадоксально, но человеком, который усовершенствовал телескоп и увидел намного больше Галилея, был иезуит по имени Кристоф Шайнер, преподававший математику и иврит в университете Ингольштадта. Он также наблюдал пятна на Солнце и полагал, что это маленькие планеты. В отличие от телескопа Галилея, который был всего фут в длину, имел одну вогнутую и одну выпуклую линзу и довольно слабое увеличение (в окуляре помещалась половина диска Луны), прибор Шайнера был совершеннее. Шайнер использовал сильную выпуклую линзу в окуляре и более слабую на конце трубы. Фокусное расстояние телескопа составляло шестьдесят сантиметров, он давал четкое, хотя и перевернутое изображение. По мере увеличения фокусного расстояния усиливалось оптическое увеличение телескопа — практически до бесконечности. В результате появились приборы131 — 199 длиной до пятидесяти метров, подвешенные на блоках и канатах. Несмотря на то что такие махины колыхались от малейшего дуновения ветра, именно они в XVII веке позволили астрономам увидеть лýны132 — 84, 252 и кольца Сатурна, «каналы» на Марсе (их обнаружил Шайнер) и пояса Юпитера. Один французский астроном планировал даже построить телескоп длиной в триста метров, чтобы искать на поверхности Луны животных.

Новые телескопы сделали безопаснее морские путешествия. Астрономы (например, француз Кассини) зафиксировали точное положение спутников Юпитера в определенные часы и внесли уточнения в навигационные звездные таблицы. В путешествии такие таблицы служили для определения положения тел на небосводе в определенное время, которое затем сопоставляли с положением этих же светил в это же время в исходной точке. Разница в данных показывала, как далеко на запад или восток продвинулось судно. Для таких наблюдений была крайне важна точность — поскольку Земля оборачивается вокруг оси со скоростью пятнадцать морских миль в минуту, погрешность всего в одну угловую минуту означала ошибку величиной в эти самые пятнадцать миль. В условиях плохой видимости в море корабль мог запросто промахнуться мимо цели.

Еще больше осложнила дело экспедиция французов в район Кайенны в экваториальной области Южной Америки. Астрономы заметили, что там маятник их напольных часов колеблется с меньшей амплитудой, чем в родном Париже. Ученые сделали вывод, что вес маятника на экваторе меньше, а если это было действительно так, значит Земля — не является идеальной сферой, поскольку на идеальной сфере сила тяжести должна быть постоянной в любой точке. Изменившееся поведение маятника и его меньший вес они объясняли теорией, согласно которой поверхность планеты опиралась на колонны, сходящиеся к центру, в районе экватора эти колонны были менее плотными и создавали меньшее притяжение. А чем меньше плотность колонн, тем они выше. Это значило, что диаметр Земли на экваторе больше, чем на полюсах.

Сторонники традиционных представлений о правильной форме Земли не могли принять такой аргументации, и закипели споры. Ньютон и англичане придерживались теории, что Земля имеет форму сплюснутого у полюсов сфероида, французские же ученые не разделяли этого мнения. Вопрос имел не только академический интерес — если представления о Земле, как о правильной сфере, ошибочны, то ошибочны и карты, а следовательно, навигация по таким картам не точна и даже опасна. Масла в огонь подлил случай, когда по пути из Гибралтара из-за неточных карт в тумане у островов Силли разбились все корабли адмирала Клаудсли Шовелла133 — 283. Тогда погибли две тысячи человек, включая самого адмирала.

Оставался только один способ разрешить спор (а заодно и проблему с картами) — требовалось установить, какому расстоянию соответствует градус на экваторе и градус на дальнем севере. В 1736 году французский ученый ла Кондамин отравился в Перу, а годом позже группа во главе с Мопертюи отбыла в Лапландию. Методика Мопертюи состояла в следующем: высчитав с максимальной точностью местоположение по звездам в первом пункте в определенное время суток, он двигался на север до тех пор, пока положение одной из звезд в это время суток не менялось на градус, и замерял пройденное расстояние.

Задача только кажется простой, на практике же процесс был сопряжен с массой трудностей, и прежде всего была необходима высочайшая точность измерений. Перед экспедицией он отправился в Лондон (технологическую Мекку того времени) и приобрел трехметровый телескоп с высокоточным микрометровым винтом и тончайшей визирной сеткой из серебряных нитей. Чтобы компенсировать перепады температур во время путешествия, телескоп был установлен на пружинное основание. Еще Мопертюи обзавелся маятниковыми часами самой последней модели.

С помощью этого инструментария Мопертюи установил, что один градус в Лапландии длиннее одного градуса во Франции, а вернувшаяся в 1738 году перуанская экспедиция поведала, что на экваторе градус и того короче. Англичане оказались правы. Пришло время чертить новые карты.

У англичан был еще один повод для радости: приборы, которые сослужили в Лапландии такую хорошую службу, изготовил выдающийся мастер Джордж Грэм. Славу ему принесло усовершенствование спускового механизма маятниковых часов. Часы приводились в движение весом груза, который подвешивался на шнур или цепь. Груз медленно опускался и вращал ходовую шестерню, которую с равными промежутками времени стопорил анкерный механизм. Он представлял собой выгнутую вверх металлическую дугу с двумя зубцами (они называются палетами) с каждой стороны шестерни. К этой дуге и крепился маятник. С каждым колебанием маятника одна из палет по очереди входила в зацепление с шестерней, а вторая отклонялась. В тот момент цикла маятника, когда зубчатое колесо шестерни было свободно, оно проворачивалось под действием груза. Когда маятник отклонялся в обратную сторону, в зацепление входила вторая палета, а первая высвобождалась.

Для поборников точности измерений большую проблему представлял тот факт, что маятник мог иногда колебаться неравномерно. Когда это случалось, анкерный спусковой механизм давал сбои, что приводило к отставанию часов. Это было совершенно неприемлемо для астрономических наблюдений, где даже незначительная погрешность во времени означала ошибку в расчетах.

Этот недостаток анкерного механизма Грэм и устранил. Все, что он сделал, — добился того, чтобы во время неравномерных колебаний маятника палеты не задерживали равномерного хода шестерни. Нововведение называлось «ход с покоем». Суть его была в форме палет. Когда шестерня проворачивалась, ее зубец упирался в плоскую поверхность палеты и колесо фиксировалось. При очередном колебании маятника вторая, изогнутая, поверхность с другой стороны палеты подталкивала зубец шестерни. Таким образом шестерня надежно фиксировалась. Стрелки часов двигались равномерно с постоянной скоростью, что делало их намного более точным механизмом и весьма помогло Мопертюи в его работе.

Усовершенствованный часовой механизм повлиял на отношение к точному времени во всех сферах жизни, которое в том числе сказалось на управлении городским хозяйством и органах власти в быстрорастущих промышленных городах XIX века. В новых зданиях ратуш и муниципалитетов часто устраивались башни с часами. Это породило новую проблему. В механизме скапливался помет летучих мышей, смазка, сдобренная пылью и грязью, на стрелках часов собирался снег и намерзала наледь. Все это мешало исправной работе шестерен, палет и маятника и, естественно, сказывалось на точности хода.

Проблема приобрела государственную важность во время строительства часовой башни британского парламента. Сама башня еще не была завершена, а часовой механизм уже объявили самым совершенным и точным в Британии (и, естественно, во всем мире). Механизм доработал юрист Эдмунд Беккет Денисон (позже получивший титул лорда Гримшоу). Он избавился от жесткого скрепления маятника и палет. В конструкции Денисона маятник в своем возвратно-поступательном движении поочередно толкал два рычага с независимо поворачивающейся палетой на каждом. Когда рычаг отклонялся, палета высвобождала один из трех зубцов пусковой шестерни, шестерня под весом груза проворачивалась до тех пор, пока другой ее зубец не упирался во вторую палету. При движении маятника в обратном направлении таким же образом отклонялась и вторая палета. Механизм действовал безотказно, поскольку, когда маятник отклонялся от рычага, палета под действием силы тяжести возвращалась в исходное положение, где стопорила шестерню на следующем цикле.