Часы. От гномона до атомных часов - Станислав Михаль

Египетские гномоны были весьма неточными хронометрическими приборами. Они показывали время правильно лишь дважды в год — в дни весеннего и осеннего равноденствия. Позднее под влиянием греков египтяне стали строить солнечные часы с особыми шкалами для разных месяцев.

Первая встреча греков с солнечными часами произошла, по-видимому, на острове Додеканес, куда их занесли халдеи. Завоевание Вавилона Александром Великим способствовало слиянию халдейской и эллинской культур. И Анаксимандр Милетский, который будто бы установил в Греции первый гномон в конце V в. до н.э., черпал свои знания, по-видимому, в Египте, где он изучал астрономию. Указывают, что именно Анаксимандр построил в Спарте в 547 г. до н.э. первые солнечные часы. Однако первоначально эти часы были предназначены не для измерения времени суток, а для контроля и корректирования календарных данных.

Среди простого народа распространился обычай измерять время длиной тени от собственного тела. Знание времени имело для грека весьма важное значение, так как, помимо срока его трудовых обязанностей, время указывало на приближение желанного момента для подкрепления пищей и для отдыха. В книге «Де ре рустика», написанной примерно около 400 г., Палладий указывает, что длина тени измерялась также длиной человеческой стопы. Правильность этого утверждения Палладия подтверждают и таблички, вытесанные на античном храме V-VI вв. в Техсе в Нубии. Известный римский архитектор и зодчий Маркус Витрувий, работавший во времена правлений Цезаря и Августа, описывает в своем сочинении «Архитектура» не менее 13 видов солнечных часов. К ним относятся и не совсем обычные для северных областей Европы горизонтальные полые полусферические часы — так называемые гемисферы. Внутренняя поверхность полушария представляла небесную полусферу с линией экватора, двумя линиями солнцестояния и с двенадцатичасовой шкалой времени. Изобретение таких часов приписывают известному античному астроному Аристарху из Самеса, жившему в 320-250 гг. до н.э., который изготовил также солнечные часы с полукруглыми шкалами, разделенными на пять частей (часов) неодинаковой длины. В совершенствовании греческих солнечных часов большое участие принимал и известный математик, врач, основатель греческой астрономии Евдокс из Книдоса, живший в 408-356 гг. до н.э. Бывший ранее учеником Платона, он написал свое знаменитое сочинение о небесных явлениях, движениях звезд и атмосферных явлениях, склоняясь в этой работе к геоцентрической теории.

Острый конец гномона, служивший первоначально египтянам для четкого ограничения тени на шкале, греки позднее заменили небольшим круглым отверстием, так называемым солнечным оком, бросавшим на шкалу небольшую световую точку. Кроме указанных выше горизонтальных часов, греки имели еще и более совершенные вертикальные солнечные часы, так называемые гемоциклы, которые они располагали на общественных зданиях.

В Рим солнечные часы попали из Греции. Римский военачальник Папириус Курсор приказал в 93 г. до н.э. построить солнечные часы в храме Квиринал, а через 30 лет после этого консул Манлиус Валериус Мессала привез из Сицилии другие солнечные часы, которые затем установили на Римском форуме рядом с ораторской трибуной. Хотя эти часы были сконструированы для параллели, находившейся на 4° южнее, они все же служили в Риме почти 100 лет — до 164 г. до н.э., пока Квинтий Марцин Филиппус не построил рядом с ними другие солнечные часы, которые уже были приспособлены к географическому положению Рима. Около 250 г. до н.э., и позднее в Риме появились портативные солнечные часы в виде пластинок из бронзы или слоновой кости. При раскопках в 1755 г. там нашли портативные бронзовые солнечные часы римского происхождения, засыпанные в Портице при извержении Везувия в 79 г. На поверхности часов имелось семь горизонтальных и вертикальных кругов, а под ними — названия 12 месяцев. На правой стороне был стержень, выполнявший роль гномона.

Около 24 г. до н.э. Витрувий упомянул о дорожных солнечных часах. Правдивость его сообщения подтвердили раскопки, произведенные в 1894 г. у Форбаха, при которых были обнаружены такие часы в виде бронзовой пластинки диаметром 47 мм с пятимиллиметровым ободом и двумя отверстиями: одним — для подвески, а вторым — для прохождения солнечного луча.

Все древние солнечные часы были основаны на простом принципе гномона, у которого длина и направление отбрасываемой тени зависели не только от положения Солнца в данный момент на небосводе, но и от времени года. При римском способе деления дня и ночи на 12 часов весной и летом удлиняли дневные часы, а осенью и зимой их укорачивали. Античные солнечные часы вследствие своего несовершенства указывали такое время, главной чертой которого было то, что под влиянием изменяющегося наклона Солнца изменялась в течение года длина дневных и ночных часов.

Более поздние античные и многие средневековые солнечные часы имели криволинейные шкалы, устраняющие этот недостаток. Такими часами с более сложными и более точными шкалами времени, вычисленными для квартальных или месячных интервалов, пользовались примерно до XV в. Еще в конце XIV в. в Центральной Европе были весьма распространены настенные вертикальные солнечные часы с горизонтальной теневой штангой, перенятой первоначально из Египта, где благодаря сравнительно малой удаленности от экватора время указывалось с приемлемой степенью точности, тогда как в Греции или Италии эта точность была значительно хуже.

Измерение времени длиной тени кое-где сохранилось до позднего средневековья. Известный путешественник Марко Поло упоминает в одном месте описания своего путешествия на Восток в 1298 г., что: «... определяли часы дня по длине тени, отбрасываемой стоящей мужской фигурой». В ту пору были отдельные попытки построения гигантских солнечных часов. Врач и географ Паоло Тосканелли построил в 1468-1482 гг. на костеле св. Марии де Фиоре во Флоренции гномон высотой 84,5 м, с помощью которого удавалось измерять с полусекундной точностью местный полдень. С помощью этого гномона Тосканелли удалось уточнить данные астрономических таблиц.

Новую эпоху в развитии солнечных часов открыло важное изобретение, датирующееся 1431 г. Принцип его заключался в установке теневой стрелки в направлении земной оси. Этим простым нововведением, которому предшествовали длительные обсуждения, было достигнуто то, что тень стрелки, называемой «полуосью», после этого нововведения равномерно вращалась вокруг «полуоси», поворачиваясь каждый час на 15°. Это дало возможность ввести равномерное время, которым можно было пользоваться в течение всего года, причем отрезки, соответствующие часам, были одинаковой длины независимо от изменяющейся высоты Солнца. Одним из первых упоминаний о часах с «полуосью» является рукопись Теодорика Руффи от 1447 г. Некоторые солнечные часы того времени имели одновременно гномон и «полуось». Такие часы описаны в рукописи арабского астронома XV в. Сибт-аль-Маридини. Аналогичные часы построил примерно в то же время египетский астроном Ибн-аль-Магди.

Прогресс, которым ознаменовалась наука в эпоху Возрождения, отразился и на конструкциях солнечных часов. Сравнительно быстро, примерно за 130 лет, прежние несовершенные хронометрические приборы превратились в весьма точные для своего времени приборы, которыми можно было измерять время в любом месте земного шара. Это достижение связано с именами известных европейских астрономов и математиков, ему способствовали дальнейшие совершенствования и других приборов, что позволило, например, сочетать солнечные часы с компасом, используемым для их правильной установки.

Сами по себе солнечные часы без компаса указывали правильное время лишь тогда, когда они были построены с учетом географической широты места измерения, календарной даты и угла наклона Солнца во время измерения времени. Все это отошло с введением экваториальных часов с компасом. Для правильного наклона «полуоси» относительно горизонтальной плоскости достаточно было знать географическую широту места измерения. Например, для Праги, лежащей на географической широте φ = 50°05′19″ (данные, относящиеся к бывшей обсерватории в Клементине), «полуось» составляет с горизонтальной плоскостью именно такой угол. Для вертикальных часов, к которым относится большинство настенных солнечных часов, необходимо отклонить «полуось» от стены на дополнительный угол φ = 90° — 50°05′19″ = 39°54′41″.

Следующим обязательным условием для правильного отсчета времени в экваториальных часах была точная установка солнечных часов относительно плоскости местного меридиана: «полуось», наклоненная в направлении земной оси, должна была лежать в плоскости меридиана. Однако определить направление север — юг без подходящего пособия было довольно трудно, а потому до введения компаса измерение времени солнечными часами было связано с рядом сложностей.