История географических карт

Перед отъездом Варэн и де Ге значительное время провели в обсерватории, где Кассини тщательно обучал их и где можно было проводить тренировочные наблюдения для отработки техники. В конце 1681 г. исследователи получили последние наставления и выехали в Руан. В их научное снаряжение входили квадрант размером два с половиной фута, маятниковые часы и девятнадцатифутовый телескоп. Из более мелких приборов имелись термометр, барометр и компас. Из Руана экспедиция двинулась в Дьеп, где ее больше чем на месяц задержала штормовая погода и противные ветры. Поскольку приходилось ждать, исследователи провели серию наблюдений по определению широты и долготы города. Наконец, в марте 1682 г. они прибыли на Горе, где к экспедиции присоединился месье де Гло – молодой человек, учившийся у Кассини и им рекомендованный. Де Гло привез с собой шестифутовый секстант, восемнадцатифутовый телескоп, небольшой зенитный сектор, астрономическое кольцо и еще одни маятниковые часы. Хотя главной целью экспедиции было определение долгот путем наблюдения затмений спутников Юпитера, ученым предписывалось в каждом пункте путешествия, и особенно во время океанского перехода, определять девиацию компаса и при каждой возможности снимать показания термометра и барометра. Из Горе экспедиция отправилась дальше через Гваделупу и Мартинику, и в течение следующего года провела множество наблюдений. Трое ученых вернулись в Париж в марте 1683 г.

Кассини составил для этой экспедиции письменную инструкцию. Этот документ дает ясную картину лучших исследовательских методов XVII в. и в то же время объясняет, каким образом наблюдение затмений спутников Юпитера помогало определять долготу на Земле. Цель была достаточно проста: найти разницу по среднему или местному времени между нулевым меридианом, например меридианом Ферро или Парижа, и заданным пунктом, например Гваделупой. Разница по времени эквивалентна разнице по долготе. Экспедиция везла с собой двое маятниковых часов, которые перед отъездом были тщательнейшим образом отрегулированы и настроены в обсерватории. Маятник одних часов был отрегулирован так, чтобы точно отслеживать среднее время, то есть 24 часа в сутки. Вторые часы были настроены так, чтобы отслеживать сидерическое или звездное время (23 часа 56 минут 4 секунды) [32] . Еще до экспедиции скорость хода обоих хронометров тщательно табулировали на протяжении длительного периода времени, чтобы наблюдатели могли заранее знать, чего ожидать, если температура, скажем, за 24 часа поднимется или опустится на 10 градусов. В этом случае ход следовало подрегулировать, чуть приподняв или опустив навеску на маятнике. После необходимой настройки положение навески на маятнике отмечали, а сами часы разбирали для перевозки.

32

Кассини предложил два метода настройки часов на среднее время. Первый предусматривал серию наблюдений Солнца (равновысотных) и коррекцию результатов при помощи таблиц уравнения времени. Второй – настройку одних часов на звездное время по двум последовательным кульминациям звезды и коррекцию вторых часов с их помощью.

Прибыв на место, где предполагалось проводить наблюдения, астрономы выбирали удобное открытое место и устанавливали инструменты. Они ставили навески маятников на отмеченные места и запускали часы, установив их на подходящее время суток. На следующем этапе следовало провести в месте наблюдений линию меридиана точно в направлении север—юг. Это обязательно делали несколькими способами, причем каждый метод позволял проверить точность остальных. Первый метод заключался в том, чтобы сделать серию равновысотных наблюдений Солнца. Этот процесс позволял заодно проверить точность установки часов среднего времени. Для этого высоту Солнца измеряли при помощи квадранта или секстанта примерно за три (или четыре) часа до видимого полудня. В то мгновение, когда с прибора считывали значение высоты, в журнал наблюдений записывали время наблюдения с точностью до часов, минут и секунд. Во второй половине дня проводили второе наблюдение – в тот момент, когда Солнце опускалось до точно такой же высоты, на какой оно находилось во время первого наблюдения. Опять в момент совпадения высоты засекали точное время. Разницу по времени между двумя наблюдениями делили пополам и добавляли ко времени утреннего наблюдения – получали час, минуту и секунду видимого полудня. Такую пару наблюдений проводили два дня подряд; разницу в минутах и секундах, полученную при наблюдениях в разные дни (а она всегда разная из-за склонения Солнца), делили пополам и добавляли к результату первого дня; получали интервал, который часы отмеряют за двадцать четыре часа. Другими словами, среднее время. При каждом наблюдении проводили очень простую проверку наступления видимого полудня, когда Солнце достигает меридиана, – опускали с закрепленного квадранта отвес и отмечали его тень на Земле. Наблюдения проводились ежедневно, так что наблюдатели всегда знали местное время.

Вторые маятниковые часы настроить было гораздо проще. Все, что нужно было сделать, – это установить телескоп в плоскости меридиана, навести его на любую неподвижную звезду и точно засечь два последовательных прохождения звездой меридиана. Если маятник удалось настроить так, чтобы разница во времени между двумя последовательными прохождениями составляла 23 часа 56 минут 4 секунды, дело сделано. Широту места наблюдений определить тоже не составляло труда. При помощи квадранта и угла измеряли высоту Солнца в момент видимого полудня, справлялись по таблицам солнечного склонения и получали широту. Проверить полученный результат можно было ночью; для этого нужно было только измерить высоту Полярной звезды.

После установления линии меридиана и настройки часов среднего времени необходимо было пронаблюдать и засечь время затмений спутников Юпитера; затмения по меньшей мере двух из них происходят раз в два дня. Как указывал Кассини, это не всегда было просто сделать, так как не все затмения видны из любой точки, а плохая погода часто не дает проводить наблюдения. Тогдашние наблюдения требовали большой точности в работе. Проводить наблюдения Юпитера, по мнению Кассини, лучше всего в момент погружения или выхода первого спутника. Следует отмечать время шести фаз затмения: время погружения спутника 1) когда он находится от лимба Юпитера на расстоянии равном его собственному диаметру; 2) когда спутник едва касается Юпитера; 3) когда он впервые полностью скрывается за диском планеты; во время выхода спутника из тени – 4) момент, когда спутник только появляется; 5) когда он отделяется от диска планеты; 6) когда спутник отодвигается от Юпитера на расстояние равное его собственному диаметру. Чтобы наблюдать и хронометрировать эти фазы, требовалось два человека: один должен был наблюдать, другой – записывать результаты в часах, минутах и секундах. Если наблюдатель вынужден был работать один, Кассини рекомендовал проводить наблюдения методом «глаза и уха», который и до сих пор может служить отличной тренировкой для наблюдателя. В момент начала затмения наблюдатель начинает громко считать «двадцать один, двадцать два, двадцать три…» и считает не останавливаясь, пока не доберется до часов и не отметит время. Затем ему следует вычесть отсчитанные секунды из показаний часов и получить время наблюдения.

Кассини предупреждал, что выход спутника из-за Юпитера всегда требует весьма тщательных наблюдений, так как вы, пока ждете выхода, не видите ничего. В то мгновение, когда вы заметите слабый свет в том районе, где должен появиться спутник, вы начинаете считать, не отходя от телескопа, и считаете до тех пор, пока не убедитесь наверняка, что спутник выходит. Возможно, у вас будет несколько ложных стартов, прежде чем удастся на самом деле засечь момент выхода спутника. По мнению Кассини, еще одно интересное наблюдение – соединение двух спутников на встречных курсах. Считалось, что соединение наступает в тот момент, когда центры двух спутников находятся точно на перпендикулярной линии. Для всех важных наблюдений, требующих большой точности, Кассини рекомендовал проводить накануне генеральную репетицию в тот же час, чтобы, если инструменты не в порядке или объект наблюдений находится в неудобном положении, можно было заранее все настроить.

Юпитер и шесть положений его первого спутника. Астрономы XVII в. использовали его для определения разности долгот между двумя точками

В дополнение к наблюдениям по определению долготы все экспедиции Парижской обсерватории должны были отмечать любые изменения в работе маятниковых часов. При этом имелись в виду не обычные вариации, вызываемые изменениями температуры. Такие вариации можно было предсказать заранее, если провести испытания металлических стержней маятников и определить коэффициент их расширения при различных температурах. Экспедиции же должны были искать вариации хода часов, связанные с гравитационными факторами. Тому были две причины – практическая и теоретическая. Маятник был чрезвычайно важным устройством, так как определял ход самых точных часов того времени. И вообще, вопрос гравитации, главными исследователями и толкователями которого были Христиан Гюйгенс, Исаак Ньютон и Роберт Гук, вызывал в научном мире большое волнение. Идея использовать для изучения гравитации маятник принадлежала Гуку. Серия полевых экспериментов вполне могла подтвердить или опровергнуть теории Ньютона и Гюйгенса. Никто, однако, не догадывался, что результатом этих полевых экспериментов станет открытие того факта, что Земля – не идеальный шар, а сплющенный сфероид, то есть шар, сплющенный у полюсов.

Как влияет на колебания маятника при постоянной температуре изменение широты места наблюдений – если, конечно, влияет? Многие ученые считали, что никак, и эксперименты, казалось, это подтверждали. Члены академии доставили хронометры в Копенгаген и Гаагу, чтобы испытать их на разных широтах; в Лондоне тоже была проведена серия экспериментов. Все результаты оказались отрицательными: маятник определенной длины (39,1 дюйма) везде отбивал секунды, то есть делал 3600 колебаний в час. Было, однако, одно исключение. В 1672 г. под руководством Жана Рише состоялась экспедиция в Кайенну (4°56'05" с. ш.) для наблюдения противостояния Марса. В целом экспедиция была успешной, но Рише все время мучился с хронометром. Хотя длина маятника была тщательно отрегулирована в обсерватории перед отплытием, Рише обнаружил, что в Кайенне его часы стабильно отставали примерно на две с половиной секунды в сутки; чтобы заставить часы идти точно по среднему времени, ему пришлось укоротить маятник (поднять навеску) больше чем на «линию» (это примерно У₁₂ дюйма). Это очень обеспокоило Кассини, который сам был очень педантичным наблюдателем. «Есть подозрение, – писал он, – что это стало результатом какой-то ошибки в наблюдениях». Если бы он не был джентльменом, он сказал бы, что Рише был откровенно небрежен.

В следующем, 1673 г. Гюйгенс опубликовал свою классическую работу по колебаниям маятника, в которой впервые изложил разумную теорию центробежной силы – принципа, который Ньютон позже использовал в своем теоретическом исследовании Земли. Первая возможность убедиться в том, что Рише при наблюдении за поведением хронометра действительно проявил небрежность, появилась у Варэна и де Ге; они отплыли на Мартинику (14°48' с. ш.) и Гваделупу (между 15°47' и 16°30' с. ш.). Кассини предупредил ученых, что им следует с величайшей тщательностью проверять хронометры; они так и сделали. Но, к несчастью, их хронометры тоже вели себя не лучшим образом, и им тоже пришлось укорачивать маятники, чтобы заставить часы показывать среднее время. Кассини все еще сомневался, Исаак Ньютон – нет. В третьей книге своих «Начал натуральной философии» он сделал вывод, что такое изменение поведения маятника вблизи экватора может быть вызвано либо уменьшением гравитации из-за вздутия шара Земли по экватору, либо сильным противодействующим эффектом центробежной силы в этом районе.

Открытия, сделанные учеными Королевской академии наук, задали в научном мире высокий темп исследований и указали путь ко многим другим открытиям. Было доказано, что метод определения долготы при помощи затмений спутников Юпитера надежен и точен; тем не менее другие страны не готовы были принять его без борьбы [33] . В конце концов таблицы спутников Юпитера были включены в английский «Морской альманах» и оставались в нем много лет наряду с таблицами лунных расстояний и другими звездными данными, имеющими отношение к различным методам определения долготы. Однако все сходились во мнении, что Юпитер невозможно использовать для определения долготы в море, несмотря на Галилеевы заверения в обратном. Не только сам великий итальянец, но и многие другие изобретатели выдвигали остроумные и совершенно нереальные проекты устройств, которые должны были обеспечить устойчивость и неподвижность какой-то платформы на борту корабля, с которой можно было бы проводить астрономические наблюдения. Однако факт оставался фактом: море слишком бурно и непредсказуемо для астрономов и их хрупких приборов.

33

Дело сильно осложнило открытие, сделанное в 1675 г. Кассини и Рёмером: явления в системе Юпитера не были строго периодичными, спутники планеты то ускоряли свое движение, то замедляли, в зависимости от расстояния между Юпитером и Землей. Оле Рёмер справедливо решил, что причиной тому – конечная скорость света. Это было фундаментальное открытие – и беда для определения долгот: оказалось, что нужна еще и точная теория движения Земли!

Англия официально вступила в гонку «за долготу» в тот момент, когда Карл II приказал построить в Гринвич-парке на Эссексской равнине возле Темзы Королевскую обсерваторию для развития навигации и навигационной астрономии. Первое время дела шли не слишком быстро, но все же шли. Король был настроен решительно. Он хотел обеспечить своих моряков точными таблицами небесных тел и потому королевским указом от 4 марта 1675 г. назначил Джона Флемстида «астрономическим наблюдателем» с «соблазнительным» жалованьем в 100 фунтов стерлингов в год, из которых 10 фунтов уходило на налоги. Флемстид должен был пользоваться собственными инструментами, а чтобы не загордился, ему было дополнительно приказано наставлять в астрономии двух юношей из училища при Больнице Христа. Черная нужда заставила его взять и несколько частных учеников. Флемстид мучился плохим здоровьем и нервами, что обычно для государственных служащих, но зато он всегда мог опереться на Ньютона, Галлея, Гука и ученых Королевской академии, с которыми состоял в переписке [34] . Перфекционист до мозга костей, Флемстид не хотел публиковать свои результаты до тех пор, пока не убедится полностью в их точности. Он считал, что подобное научное прегрешение нельзя оправдать ничем. Тем самым он обрекал себя на постоянные недоразумения и несчастья.

34

Автор, по-видимому, иронизирует. Известно, что переписка между Флемстидом и Ньютоном носила весьма резкий характер.