Домой Библиотека Проблема долготы: кому и зачем нужны хронометры?

Проблема долготы: кому и зачем нужны хронометры?

В ночь с 22 на 23 сентября 1707 года британская эскадра под командованием контр-адмирала Клаудси Шовелла, возвращавшаяся с театра военных действий Войны за испанское наследство, под всеми парусами села на рифы у островов Силли, к юго-западу от побережья Корнуэльского полуострова, всего за сутки до возвращения домой. Острова Силли – часть древнего Корнубийского батолита, гранитного массива от разломного извержения каменноугольно-пермской эпохи, поэтому глубина у их берегов падает очень резко, и к тому же они – первая суша на пути той ветви Гольфстрима, которая уходит в пролив Ла-Манш. Силли – очень опасная и коварная зона, где корабли гибли регулярно, но масштаб кораблекрушения 1707 года был исключительно велик.

Пять линейных кораблей и один брандер налетели на скалы Западных рифов Силли, едва видные над водой. Три корабля пошли ко дну, включая флагмана эскадры «Ассошиэйшен», который затонул со всей командой 800 человек за три минуты. На «Ассошиэйшен» утонул и сам адмирал Шовелл. Общий счет жертвам катастрофы составил от 1200 до 2000 человек. Возможно, жертв бы было меньше, если бы моряки умели плавать, но этот навык в XVIII веке был редким. Суеверные моряки считали, что уметь плавать – значит накликать кораблекрушение.

Впоследствии легенды возлагали ответственность за катастрофу на аристократическую спесь адмирала, который якобы велел вздернуть на рее матроса-уроженца этих мест, сообщившего ему об опасности, чтобы неповадно было ставить под сомнение авторитет начальства. Реальность была намного неприятнее: до последнего мгновения никто на эскадре не имел понятия, что корабли находятся не там, где предполагается. Адмирал Шовелл, прошедший все ступени флотской службы, заслуженный мореход со стажем 35 лет, и его штурманы неверно определили свою долготу из-за плохой погоды и были уверены, что они восточнее, в судоходной зоне Ла-Манша. Подвели и карты, на которых острова Силли находились на расстоянии около 15 километров от своего истинного положения, что стало известно несколько десятилетий спустя, уже в середине XVIII века.

Кораблекрушение эскадры Клодисли Шовелла в 1707 году. Гравюра неизвестного художника Национальный морской музей
Кораблекрушение эскадры Клодисли Шовелла в 1707 году. Гравюра неизвестного художника Национальный морской музей

К моменту катастрофы у Силли потребность в точных методах определения долготы сознавалась уже не первое столетие. Эпоха географических открытий остро демонстрировала отставание методов картографии от нужд практики. Испанские Габсбурги предлагали награды за решение «проблемы долготы» с 1567 года, Голландия – с 1600-го, а Французская академия наук получила такое задание при своем создании. Награды были очень щедрыми – в 1598 году Филипп III Испанский пообещал за успешный метод определения долготы 6000 дукатов единовременно, 2000 дукатов пожизненной ежегодной пенсии и 1000 дукатов на расходы. Дукат («монета дожей»), равный 3,5 г золота, был международным денежным эквивалентом, исходно из Венеции; Габсбурги чеканили свои дукаты того же веса. В этот период весь объем венецианской международной торговли оценивался примерно в два миллиона дукатов в год, а в 15 тысяч дукатов обходилась постройка боевой галеры.

В чем состояла «проблема долготы»? Определить широту корабля в открытом море с точностью до угловой минуты сложно, но не невозможно. Широта – это доля расстояния от экватора до полюса, и поэтому величина абсолютная. Угол между земной осью и положением судна можно определить и по солнцу, и по известным звездам с помощью астролябии или секстанта. Долгота отсчитывается от определенного меридиана и поэтому условна: все точки на земном шаре относительно небесной сферы равны, за ноль можно принять любой пункт. Вблизи от берега местоположение можно определить по видимым с корабля ориентирам – горам, рекам, башням, которые отмечались на картах для этой цели со времен составления первых портоланов. Птицы и растения могут также указывать на близость суши. Но в незнакомых водах, в открытом океане или при плохой погоде задача определения долготы становилась расчетной. Многие океанские маршруты из осторожности прокладывались не по прямой из порта в порт, а по берегу континента до широт, которые были заведомо свободны от опасных рифов и островов, и оттуда по географической параллели – к противоположному берегу. Каперы и пираты часто поджидали своих жертв именно на этих «судоходных» широтах (Dunn, Richard, Higgit, Rebeccah. Finding longitude. How ships, clocks and stars helped solve the longitude problem. Collins, 2014).

Метод счисления координат, который применялся всеми мореходами этого времени, был основан на замерах скорости движения корабля и времени его движения по определенному румбу компаса. Скорость определяли лагом – веревкой с узлами, которая кидалась за борт; наблюдатели считали число узлов, проплывавших мимо, и засекали время счетом или читая стандартную молитву «Отче наш» или «Богородица». Отсюда скорость «морская миля в час» получила название «узел». Морская миля сама по себе является мерой широты – это одна угловая минута меридиана. Полученный вектор откладывался из точки, откуда начиналось движение, с учетом бокового дрейфа от ветров и течений – так и получалась текущая координата. Этот метод имел большую погрешность, которая накапливалась тем больше, чем дольше корабль находился в открытом море. Точность 50 километров в трансокеанском путешествии для этого метода – уже большая удача, ошибки в 100–150 километров даже у опытных штурманов были нередки.

Текущую долготу можно вычислить точно, если знать местное время и текущее астрономическое время на нулевом меридиане (с 1960 года используется понятие «всемирное координированное время» – UTC). Текущее время фиксируется по солнцу в астрономический, или истинный, полдень (момент, когда солнце стоит наиболее высоко). Астрономический полдень сложно определить точно в момент, когда он происходит, и на практике он чаще определяется как середина отрезка времени между положениями солнца на одной и той же высоте в первой и второй половине дня. Так как в сутках 1440 минут, а в полной окружности – 21 600 угловых минут, то 1 угловая минута соответствует 4 секундам времени. Пересчитав разницу местного времени и времени на нулевом меридиане в градусы, можно получить сдвиг по долготе. Но как определить время на нулевом меридиане?

Никаких неподвижных по долготе ориентиров на небесной сфере нет, но есть периодические. Затмения Солнца и Луны – самые удобные ориентиры, но их редкость делает их неприменимыми в периодической навигации, по ним замеряли в основном долготу точек на суше. Так, например, проходило картографирование Испанского Нового Света: все местные колониальные администраторы заблаговременно получили из Мадрида одинаковые солнечные часы и указание замерить точное положение тени гномона в день затмения. Собранные координаты были переданы в Мадрид, где их обработали. Точность таких коллективных замеров была невысока, некоторые наблюдатели сделали ошибки в 2–5 градусов долготы.

Намного чаще можно наблюдать затмения спутников Юпитера. Галилей, открывший их и очень быстро понявший, что перед ним – естественные небесные часы, даже разработал для этой цели целатон – кронштейн для крепления телескопа к голове наблюдателя. Но все попытки увидеть их с борта корабля даже в ясную погоду успеха не имели. Зато этот метод был успешно использован на суше. Его применяли Джованни Кассини и Жан Пикар для картографирования Франции в 1670-х годах. В результате уточненной съемки территория Франции сократилась на новых картах настолько, что Королю-Солнце приписывается высказывание «Астрономы отняли у меня больше земель, чем все враги, вместе взятые».

Начиная с XVI века стали делаться попытки рассчитать или тщательно описать взаимное положение Луны, Солнца и ключевых навигационных звезд. Этот метод «лунных расстояний» предполагал определение угла между Луной и другими небесными телами в так называемые «морские сумерки» (перед рассветом и сразу после заката, когда одновременно видны и звезды, и горизонт). Но в начале XVIII века точность этого метода была еще слишком низкой, с ошибкой в 2–3 градуса долготы. Именно с попыткой улучшить расчет лунной орбиты, чтобы корректировать таблицы для навигаторов, связана постановка «проблемы трех тел» (Солнца, Земли и Луны), которая, как показали Г. Брунс и А. Пуанкаре в конце XIX века, не имеет аналитического решения в общем виде.

Наблюдения с помощью поперечного жезла, используемые для определения лунных расстояний и измерения высот
Наблюдения с помощью поперечного жезла, используемые для определения лунных расстояний и измерения высот

Наконец, всемирное время можно и просто посмотреть на часах, синхронизированных с ним. Но для этого часы должны не терять точности хода в условиях качки, изменений гравитационного и магнитного поля Земли, высокой влажности и скачков температуры. Даже на неподвижной суше эта задача была сложна, и лучшие умы XVII века прилагали значительные усилия к созданию качественных часов.

К началу XVIII века появились стационарные башенные часы с маятниками, ошибавшиеся примерно на 15 секунд в сутки. Их разработка стала возможной благодаря исследованиям Галилео Галилея, обнаружившего, что колебания маятника неизменны по времени (1601). В 1637 году почти слепой Галилей разработал первый спусковой механизм (устройство для качания маятника), и в 1640-х годах его сын пытался создать часы с маятником по наброскам отца, но безуспешно.

Первые работоспособные и для своего времени очень точные часы с маятником создал в 1656 году Христиан Гюйгенс, который, возможно, знал об экспериментах Галилея-младшего от отца, голландского политика, принимавшего участие в переговорах с Галилеем-младшим (Гиндикин С.Г. Математические и механические задачи в работах Гюйгенса о маятниковых часах. Природа, №12, 1979). Гюйгенс же впервые описал и обосновал изохронную кривую, по которой маятник будет двигаться с постоянной скоростью, и добавил в часы контроллер маятника на ее основе. Принципиальную схему и математическое обоснование для часов с маятником Гюйгенс дал в трактате 1673 года «Horologium Oscillatorium: sive de motu pendulorum ad horologia aptato demostrationes geometricae» (лат. «Маятниковые часы, или Геометрические демонстрации движения маятника для часовых нужд»). Через некоторое время в конструкции часов появляется анкерная вилка, цель которой – ограничивать колебания маятника малым углом, так как на больших углах свойство изохронности прямого маятника исчезает. Создание анкерной вилки ранее часто приписывалось Роберту Гуку или часовых дел мастеру Джорджу Грэму, сейчас приоритет отдают астроному и часовщику Ричарду Таунли, создавшему первые часы с анкером в 1676 году.

Христиан Гюйгенс
Христиан Гюйгенс

Одновременно произошел прорыв и в создании пружинных часов. Знаменитые исследования пружин Гука имели своей практической целью именно улучшить часовые механизмы. Пружина применяется в балансирах, контролирующих точность хода в часах без маятников; и считается, что первый балансир был изготовлен именно Гуком около 1657 года. В 1670-е годы Гюйгенс изготовил балансир современного типа со спиральной пружиной, давший возможность создавать карманные часы (Headrick, Michael. Origin and Evolution of the Anchor Clock Escapement. Control Systems magazine, Inst. of Electrical and Electronic Engineers. 22 (2), 2002).

В конце XVIII века изготовленные ранее механические часы стали массово снабжать маятниками. Маятник обеспечивал точность хода значительно выше, чем у пружинных часов, но мог работать только на ровной поверхности и в помещении. Для дальних путешествий маятник был не пригоден, так как на его длину влияют влажность и температура, а качка сбивает частоту его колебаний. Это стало ясно в первых же морских испытаниях 1660-х годов. И даже в идеальных условиях перемещение часов должно учитывать, что частота колебаний маятника постоянной длины по мере приближения к экватору падает – это явление обнаружил французский астроном Жан Рише, помощник Кассини, в 1673 году в Гайане.

Вот этот комплекс проблем и привел к тому, что в 1714 году парламент Британии принял закон о собственных наградах за открытие методов определения долготы. По рекомендации Исаака Ньютона и Эдмунда Галлея парламент назначил награду 10 тысяч фунтов за точность 1 градус, 15 тысяч фунтов за точность 40 угловых минут и 20 тысяч фунтов за точность 30 угловых минут. Для определения победителей парламент учредил Комиссию по определению долготы на море, или, как ее чаще сокращенно именуют, Комиссию долготы.

Первые годы деятельности британской программы были не особенно успешными. Размер первой премии произвел в обществе сенсацию, и основной состав претендентов на премию включал мошенников и прожектеров, некоторые из которых отличились и во время бума «Южных морей» 1720 года. Лишь немногие проекты исходили от опытных ученых, механиков и инженеров и продвигали понимание проблемы и решение задачи. Процедуру работы комиссии и порядок присуждения премии закон не оформил, и соискатели осаждали членов комиссии поодиночке по мере своих связей – кто лордов адмиралтейства, кто королевского астронома и первого главу Гринвичской обсерватории Джон Флэмстида, кто Ньютона. Члены комиссии либо прогоняли просителей, либо детально рецензировали их работы с рекомендациями по доработке и смене направления поисков, но в первые десятилетия наград не предложили никому и, по-видимому, даже не собирались на заседания.

Задача выглядела настолько недостижимой, что «искатели долготы» стали предметом насмешек. Джонатан Свифт упомянул «долготу» наряду с «вечным двигателем» и «панацеей» в «Путешествиях Гулливера» (1730), а Уильям Хогарт изобразил в графической новелле «Путь повесы» (1732) безумца, рисующего на стене в Бедламе, знаменитом лондонском доме умалишенных, проекты изыскания долготы. Некоторые исследователи считают, что политик и сатирик Джон Арбетнот сочинил целую книгу «Изучение долготы» («The Longitude Examin'd», конец 1714), где якобы всерьез описал проект «вакуумного хронометра» от лица некоего «Джереми Такера» (Rogers, Pat. Longitude forged. How an eighteenth-century hoax has taken in Dava Sobel and other historians. The Times Literary Supplement. November 12, 2008). Интересно, что, даже если эта книга – сатира, она не только показывает глубокое знание механики и часового дела, но и впервые в истории создала термин «хронометр».

Самым известным «искателем долготы» раннего периода был тем не менее достаточно серьезный ученый – Уильям Уистон (1667–1752), младший современник, коллега и популяризатор Ньютона. Он сменил Ньютона в качестве главы Лукасовой кафедры в Кембридже, лишился ее из-за того, что начал открыто защищать религиозные взгляды, близкие к арианству (чего Ньютон, близкий к нему по взглядам, благоразумно не делал), и из-за этой же «ереси» его не приняли в Королевское общество. После изгнания из Кембриджа Уистон переключился на деятельность по популяризации науки, начав читать в Лондоне публичные лекции о новейших научных достижениях. Именно его доклад в начале 1714 года (в соавторстве с Хэмфри Диттоном) стал толчком к принятию закона о долготе.

Долготный безумец. Деталь картины Хогарта из серии «Карьера мота»
Долготный безумец. Деталь картины Хогарта из серии «Карьера мота»

Когда награда была объявлена, Уистон стал активно разрабатывать методы определения долготы. В своей деятельности для формирования массовой общественной поддержки он использовал доступные ему новые каналы массовой коммуникации, а именно давал объявления в газетах, развешивал афиши и выступал в кофейнях, в те времена бывшие дискуссионными клубами и общественными переговорными. Примерной аналогией для начала XXI века могут служить социальные сети и сетевые СМИ. Общественное влияние Уистона было так велико, что он удостоился персональной сатиры от Мартинуса Скриблеруса (коллективный сатирический проект А. Поупа, Дж. Свифта и Дж. Арбетнота; в русской литературе его близкий аналог – Козьма Прутков). Один из проектов Уистона описывал корабли, стоящие на якоре в открытом море в точках с известными координатами и регулярно стреляющие в воздух сигнальными ракетами, – именно этот проект и рисовал на стене безумец на картине Хогарта.

Уистон считал наиболее перспективным определение долготы по магнитному склонению (этот метод первым предложил, по-видимому, Эдмунд Галлей). На этой почве Уистон конфликтовал с Ньютоном, через которого он подавал свои проекты и который регулярно требовал от него заняться астрономическими изысканиями вместо магнитных (Эти и другие рецензии Ньютона на проекты по долготе см: Cambridge University Library, Department of Manuscripts and University Archives. MS Add.3972 Papers on Finding the Longitude at Sea). В результате Уистон составил одну из первых карт магнитных склонений (это была карта Южной Англии). В конечном итоге комиссия наградила Уистона поощрительной премией 500 фунтов за создание инструментов для измерения магнитного склонения (1741). Это была тупиковая ветвь исследований: как нам известно сейчас, после столетий наблюдений, магнитное поле Земли меняется очень динамично, и магнитное склонение не может указывать на координаты места.

С 1732 года в деле поиска методов определения долготы постепенно появился абсолютный лидер – Джон Гаррисон (1693–1776), лондонский часовых дел мастер. Гаррисон, механик-самоучка, уже в молодости разработал несколько прорывных инноваций. Он подобрал для часовых подшипников древесину бакаута (гваякового дерева). Бакаут имеет высокую твердость и износостойкость, не реагирует на сырость, при этом еще и выделяет естественную смазку, которая в отличие от часовой смазки XVIII века не меняет свойства в морском воздухе (в XIX–XX веках бакаут прекрасно зарекомендовал себя в подшипниках для гребных винтов). Благодаря подшипникам из бакаута часы Гаррисона идут до сих пор. Гаррисон также создал первый биметаллический маятник в виде параллельных штанг из стали и латуни. Коэффициент температурного расширения этих материалов различается, благодаря чему при повышении или понижении температуры общая длина не изменится. Биметаллический маятник мог перемещаться из умеренных широт в тропики, не меняя частоты колебаний кроме как вследствие изменения гравитационного поля. Гаррисон также разработал оригинальный спусковой «кузнечиковый» механизм (Михаль, Станислав. Часы. От гномона до атомных часов. Пер. с чешского Р.Е. Мельцера. М. 1983). Эти достижения в 1726 году принесли молодому часовщику покровительство Дж. Грэма, который передал ему свой опыт, дал денег на работу и представил его работы Комиссии долготы.

К 1735 году Гаррисон собрал свой первый морской хронометр, который назвал H1 (это современная номенклатура, предложенная реставратором Рупертом Гульдом в 1920-е годы). H1 был выставлен напоказ в мастерской Грэма, где его осматривали члены комиссии, Королевского общества и все желающие. Качество изготовления, сборки и хода были настолько очевидны и высоки, что в 1736 году Гаррисон и H1 пошли в контрольное плавание до Лиссабона на корабле «Центурион». Хотя H1 сперва забарахлил, Гаррисон быстро восстановил его работу, и на обратном пути из Лиссабона измерения Гаррисона позволили «Центуриону» не сесть на скалы у мыса Лизард (Корнуэлл, поблизости от островов Силли). После положительных отчетов капитана и навигаторов «Центуриона» Адмиралтейство потребовало созвать Комиссию долготы и вручить Гаррисону приз. Комиссия собралась впервые за много лет и выдала свой первый за все время работы приз – 250 фунтов с формулировкой «на дальнейшие работы» (Howse, Derek. Britain's Board of Longitude: the finances, 1714–1828. The Mariner's Mirror, Vol. 84, No. 4, November 1998).

C этого момента и до 1760 года Гаррисон стал, по сути, единственным получателем грантов комиссии, которая регулярно собиралась для осмотра его новых моделей и выдавала ему деньги на дальнейшие работы, начиная со второго гранта в 1741 году – по 500 фунтов единовременно (на том же заседании премию получил и Уильям Уистон). C тех пор Гаррисон работал исключительно над хронометрами и предъявлял комиссии претензии, что так загружен работой по грантам, что лишен возможности зарабатывать на жизнь и содержать семью (Confirmed minutes of the Board of Longitude. 4th of June, 1746. Cambridge University Library. RGO 14/5). Возможно, это было характерное для своей эпохи преувеличение, поскольку по итогам этой «слезницы» Гаррисон получил очередной грант 500 фунтов. Вероятно, Гаррисон пополнял свой бюджет, взимая плату за демонстрацию своих изобретений – известно, что Бенджамин Франклин, часто посещавший Лондон, заплатил 10 шиллингов и 6 пенсов (1 фунт = 20 шиллингов = 240 пенсов) за право посмотреть хронометры в мастерской Гаррисона и остался доволен потраченной суммой. Публичная слава Гаррисона была достаточно велика. В эпоху после Ньютона ученые пользовались вниманием и уважением общества, а распространению знаний очень способствовала периодическая печать, дополнявшаяся кофейнями, где сведения передавались из уст в уста, как в современных социальных сетях. В 1749 году Гаррисон стал лауреатом медали Копли, учрежденной Королевским обществом в 1731 году.

Джон Гаррисон
Джон Гаррисон

На полученные от комиссии гранты Гаррисон собрал еще три модели хронометров. H2 и H3 содержали новые инновационные решения. Наиболее важные из них – первые сборные подшипники с сепаратором и биметаллический пружинный балансир, компенсировавший скачки температуры. Принципиальная схема подшипника есть еще у Леонардо да Винчи, но до H3 их практическое применение неизвестно. Но прорыв был достигнут на четвертой модели, H4. H4 был изготовлен в форме не настольных часов, а карманной «луковицы», и из-за малого размера использовал не бакаутовые, а алмазные и рубиновые подшипники, но зато получил ремонтуар (механизм подзаводки) и биметаллический балансир по типу H3. H4 шли со скоростью пять колебаний в секунду – намного быстрее, чем любые часы XVIII века. Контролировать медленные колебания было значительно проще стремительных, но Гаррисон специально задумал задать часам частоту колебаний намного выше, чем частота колебаний судна, чтобы нейтрализовать вибрации корпуса и качку, и не ошибся.

В 1761 году, сразу после окончания морской угрозы со стороны Франции в ходе Семилетней войны, H4 ушел в контрольное плавание к Порт-Роялю на Ямайке с сыном Гаррисона Уильямом, также мастером-механиком, на корабле «Дептфорд», H3 остался в мастерской Гаррисона. Накопленная за 81 день ошибка составила около пяти секунд, что означало точность 1,25 минуты – примерно 1 морская миля для этих широт. На обратном пути Уильям точно предсказал появление Мадейры. Восторженный капитан «Дептфорда» пожелал получить такой хронометр, а Гаррисон, которому на тот момент было уже 67 лет, явился в комиссию с прошением выдать ему первую премию за исполнение требований закона 1714 года.

Комиссия отказалась выдавать приз, сославшись на то, что долгота Порт-Рояля может быть известна недостаточно точно, удача может быть случайной, а хронометр чересчур дорог, чтобы быть практичным, то есть пойти в серийное производство. Гаррисон получил награду 1500 фунтов и обещание получить еще 1000 фунтов, если повторное испытание подтвердит его правоту. Гаррисон пришел в ярость и начал публичную кампанию давления на комиссию. Нежелание комиссии платить было связано не только с жадностью и осторожностью, но и с надеждами на то, что альтернативный астрономический метод обеспечит решение задачи менее дорогим способом.

Пока Гаррисон работал над часами, инструменты наблюдения небесных объектов улучшались. В 1731 году профессор астрономии Оксфорда Джон Хэдли (1682–1744), вице-президент Королевского общества, представил на заседании общества квадрант Хэдли (впоследствии получивший название «октант») – инструмент, основанный на совмещении объекта в визоре и другого объекта в отражении в зеркале. Дуга 45 градусов (одна восьмая круга, отсюда название «октант») с использованием зеркал позволяла замерять углы в два раза больше, до 90 градусов. Октант фиксирует угол независимо от движения наблюдателя и сохраняет результат наблюдения и после его прекращения.

В морских испытаниях октанта Хэдли принимал участие Э. Галлей, занявший после Флэмстида пост главы Гринвичской обсерватории. Галлей почему-то не вспомнил, что аналогичный отражательный инструмент в письме к нему описывал около 1698 года Исаак Ньютон – эти документы были найдены в архивах Галлея много лет спустя, вместе с живым описанием, как высокая ученая комиссия на борту корабля боролась с морской болезнью вместо наблюдений.

Джон Хэдли c октантом в руках
Джон Хэдли c октантом в руках

Независимо от Хэдли подобный же инструмент создал американец Томас Годфри (1704–1749). Инструмент Хэдли впоследствии с небольшими модификациями превратился в «октант», из которых развились секстанты (со шкалой 60° и углом измерения 120°). Несмотря на все практическое значение инструмента, Хэдли и Годфри премии не получили, но зато улучшенные инструменты позволили найти альтернативу часам.

В 1750-е годы немецкий астроном Тобиас Майер (1723–1762), профессор Геттингенского университета, занимаясь картографией Германии, при помощи Леонарда Эйлера (1707–1783), в это время профессора Берлинского университета, создал особо точные таблицы положения Луны. Эйлер предложил теорию движения Луны, Майер составил на основе этой теории и наблюдений с использованием специального инструмента с кругом обзора 360° лунные таблицы. Узнав о призе, Майер сперва не решался подавать свои таблицы комиссии, думая, что иностранцу откажут сразу, но в конце концов прибег к протекции короля Англии и курфюрста Ганновера Георга II, и в итоге его таблицы попали в Лондон. В 1761 году будущий глава Гринвичской обсерватории Невилл Маскелайн (1732–1811), путешествовавший на остров Святой Елены для наблюдения прохождения Венеры перед солнечным диском, провел испытания метода «лунных дистанций» по таблицам Майера с октантом Хэдли и получил стабильный результат с точностью полтора градуса.

На 1763 год было назначено контрольное плавание через Атлантику из Лондона в Бриджтаун на Барбадосе. В Барбадосе Маскелайн должен был рассчитать контрольную долготу по спутникам Юпитера с твердой земли. Проверялись одновременно H4, таблицы Майера и «морское кресло» Кристофера Ирвина на стабилизирующем трехосном подвесе для наблюдения спутников Юпитера. Кресло, которое его разработчик активно рекламировал через лондонскую прессу, оказалось бесполезным, а хронометр Гаррисона и «лунные таблицы» обеспечили точность до половины градуса. В финальном отчете точность хронометра H4 составила 9,8 морской мили (15 км), или 40 секунд долготы, метод «лунных дистанций» в исполнении Маскелайна и его ассистента Чарльза Грина – около полуградуса.

В 1765 году комиссия собралась на заседание, на котором постановила выдать вдове Майера за таблицы покойного мужа награду 5000 фунтов, Эйлеру – 300 фунтов, а Гаррисону – 10 тысяч фунтов за успех и еще 10 тысяч, когда будет выполнено условие «практичности», то есть стоимость хронометра будет снижена, а технология его изготовления описана так, чтобы другие часовщики могли его воспроизвести. Парламент, который утверждал решения комиссии, урезал вознаграждение за «лунные таблицы» до 3000 фунтов, а из награды Гаррисона вычел 2500 фунтов уже полученных грантов.

Гаррисон считал, что его лишили премии по интригам Маскелейна, который почти одновременно с заседанием комиссии стал новым королевским астрономом и главой Гринвичской обсерватории (это было совпадение, так как предыдущий королевский астроном скоропостижно умер). В этой должности Маскелейн стал членом комиссии и главой подкомиссии по госприемке технологии хронометров. Модели часов с чертежами и пояснениями Гаррисона были переданы в Гринвич, где их еще 10 месяцев тестировали Маскелейн и представители Адмиралтейства. По итогам тестов Маскелейн высказал сомнения, что хронометр дает стабильные результаты и может применяться в серийной версии без параллельного применения «лунных таблиц».

Сам Маскелейн в это время с командой астрономов Гринвича готовил к изданию первый «Альманах моряка» («Nautical Almanac»), содержавший сводные таблицы положений Солнца, Луны, планет и «навигационных звезд» для данной долготы и широты и соответствующие им значения времени на нулевом меридиане на каждый день года. Первое издание «Альманаха» вышло в 1767 году.

Первый хронометр, созданный в 1735 году
Первый хронометр, созданный в 1735 году

Гаррисон, который был уверен, что Маскелейн специально топит его изобретение, чтобы дать преимущество астрономическим методам, пошел искать справедливости к молодому королю Георгу III. Монарх, получивший хорошее научное образование, забрал хронометр H5 на испытания себе и лично заводил его ежедневно в течение полугода. По итогам этих испытаний Георг III предложил Гаррисону войти с петицией прямо в парламент, минуя Комиссию долготы, и потребовать свой первый приз, а если парламент откажет, то он, король, лично торжественно явится в парламент и с трона потребует того же. Парламент упирался еще несколько лет и в итоге в 1773 году выдал Гаррисону последнюю награду 8750 фунтов (за вычетом расходов и затрат на материалы).

Результатом деятельности Комиссии долготы стали:

– практичный и эффективный морской хронометр;
– надежный астрономический метод и инструментарий для него;
– качественный рывок в деле улучшения навигации;
– так никому и не выданный первый приз.

Комиссия долготы работала до 1828 года, совмещая функции грантовой организации и научного центра, и выдала еще ряд премий и грантов, включая награду 5000 фунтов полярному исследователю У. Парри, достигшему в начале XIX века 82,45° северной широты в полярной Канаде.

Обобщая этот краткий очерк, следует еще раз обратить внимание на то, что решение проблемы долготы не было достигнуто одним или даже несколькими прорывами, оно создавалось долго, тяжело, из большого количества шагов, каждый из которых был значительным достижением в своей области. Даже после того, как хронометр Гаррисона и метод Майера – Эйлера пошли из опытов в навигационную практику, методы навигации и картографии продолжали совершенствоваться.

Передовая роль науки Британии в решении задач навигации не только помогла ей завоевать и удержать статус «владычицы морей» (ранний националистический марш «Правь, Британия, морями» был сложен в 1740–1745 годах), но и утвердить Гринвич как нулевой меридиан, в первую очередь качеством морских альманахов Маскелейна и его последователей. Международная меридианная конференция 1884 года в Вашингтоне приняла Гринвичский меридиан за нулевой, что положило начало созданию системы всеобщего поясного времени. До этой даты разнобой в локальном времени разных стран и даже городов был таков, что это создавало серьезные проблемы, например для железнодорожных расписаний. Последней страной, которая перешла на координаты по Гринвичу, была Франция (1911), а унификация счета времени не завершена и по сей день, что хорошо знакомо и жителям России по меняющейся политике летнего времени.

Британские хронометры также считались эталоном качества у моряков всех стран как минимум до середины XIX века. Но хотя счет долгот по хронометру и был быстрее и точнее счета по «лунным дистанциям», морские альманахи удерживали позиции весь XIX век. Хронометры были далеко не на всех кораблях еще в середине XIX века из-за своей дороговизны. К тому же моряки очень быстро разобрались, что хронометров на судне должно было быть не меньше трех, чтобы можно было обнаруживать и устранять ошибки в их показаниях. Если из трех хронометров два показывают одно и то же время, ясно и то, что ошибается третий, и то, на сколько он ошибается (это первый известный пример тройной модульной избыточности). Но даже и в этом случае показания хронометров сверялись с астрономическими данными. «…Почтенный Степан Ильич торопливо допивает свой третий стакан, докуривает вторую толстую папиросу и идет с секстаном наверх брать высоты солнца, чтобы определить долготу места» – так К. Станюкович описал работу флотского штурмана в начале 1860-х годов, притом что корабль был оснащен несколькими хронометрами.

К началу XX века хронометры достигли точности 0,1 секунды в день, сделать это позволили открытия в металлургии и материаловедении. В 1896 году Шарль Гийом создал железно-никелевые сплавы, с минимальными коэффициентами температурного расширения (инвар) и термоэластичности (элинвар), которые были подобраны так, чтобы в паре компенсировать друг друга. Так появился качественный материал для пружины и колесика балансира (в 1920 году Гийом получил за эти работы Нобелевскую премию по физике). Современные аналоги инвара и элинвара включают также бериллий.

С изобретением радио наземные радиостанции стали передавать свои координаты. К началу Первой мировой войны необходимость в методе лунной дистанции отпала, а хронометраж стал дополнительно контрольным методом. Одновременно был найден новый, более качественный гармонический осциллятор, нежели маятник или пружинный балансир. В 1880 году Пьер и Жак Кюри открыли пьезоэлектрические свойства кварца, а в 1921 году Уолтер Кади разработал первый кварцевый резонатор. Так появился технологический фундамент для создания кварцевых часов, которые изначально применялись как источники сигналов точного времени, а с 1960-х годов стали массовыми приборами. Морские хронометры стали вытесняться электронными часами.

С началом космической эры навигационное дело сделало следующий шаг. Интересно, что принципиальная схема спутниковой навигации в основе ничем не отличается от предложения Уистона размещать в море стационарные корабли, по сигналам которых мореплаватели будут определять свои координаты – это спутники, транслирующие свои координаты и всемирное время приемникам сигналов на Земле. Технологии XX века позволили осуществить на новом уровне планы XVIII века. C 1972 по 1990 год была создана орбитальная группировка навигационных спутников GPS, которая в 1992 году была открыта для гражданского использования. С 2011 года советско-российский ГЛОНАСС вышел на проектную мощность, и готовятся к запуску еще две системы, европейская (Galileo) и китайская («Бэйдоу»). Предельная точность этих систем исчисляется метрами. Спутники используются также в нескольких современных геодезических системах, крупнейшая из которых, французская DORIS, имеет сантиметровую точность. Смартфоны 2010-х годов стали включать в себя несложные навигационные системы с привязкой к спутникам с точностью от 8 до 32 метров и функцию автоматической синхронизации времени по сигналам сотовых операторов и интернет-ресурсам «атомного времени».

Тем не менее расчет координат «по Луне» лишь в XX веке стали исключать из программ подготовки мореходов, а морские альманахи издаются до сих пор. Это вполне уместная подстраховка. Если на судне откажет электрика, то моряк не должен лишиться средств навигации. Но и не умея обращаться с секстантом и альманахом, мореход (да и любой, кто дочитал эту статью) сможет определить свои координаты с точностью в доли градуса, используя ручные часы и тень от любого вертикального предмета. Технологический прогресс последних столетий сделал возможным носить на руке если не хронометр, то достаточно близкое его подобие.

Автор: Юрий Аммосов
Источник: Republic

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: