Мечта об идеальной карте. Картография и математика
Шрифт:
В полдень, когда длина тени гномона наименьшая, он указывает направление «север — юг». В течение дня тень гномона описывает гиперболу, симметричную относительно направления «север — юг», за исключением 20 марта и 22 сентября, — в эти дни тень гномона движется по прямой, указывающей направление «запад — восток».
Если мы будем наблюдать за гномоном, расположенным на одном и том же месте, в течение года, то сможем также определить дни летнего и зимнего солнцестояния. Если в каждый день года мы будем отмечать конец тени в полдень, то увидим, что зимой, когда Солнце находится ниже всего над горизонтом, тени будут длиннее, чем в остальные времена года. День зимнего солнцестояния — это день, когда тень гномона будет самой длинной. День года, когда тень гномона будет самой короткой, — это день летнего солнцестояния.
Гномон также можно использовать для определения угловой высоты Солнца. Чтобы измерить
Гномон и его тень позволяют определить угловую высоту Солнца.
* * *
Путем несложных рассуждений можно прийти к выводу: если дуга меридиана имеет длину в 5000 стадиев и ей соответствует угол в 7,2°, то длина полной окружности, то есть 360°, будет равна
В полдень, в день летнего солнцестояния, лучи Солнца освещают Сиену вертикально, достигая дна самых глубоких колодцев. В этот же день и час лучи Солнца освещают Александрию под углом 7,2° относительно вертикали.
По-видимому, Эратосфен провел несколько измерений и в итоге получил окончательный результат в 252 тысячи стадиев. Его метод, который можно использовать и в наши дни, очень прост и эффективен. К сожалению, мы не можем точно перевести стадии в привычные нам метры: во времена Эратосфена не существовало единой системы мер, поэтому в точности неизвестно, какой была длина стадия, использованного ученым. Если мы рассмотрим египетский стадий, равный 157,5 м, то результат Эратосфена составит 39690 км. Эта цифра очень близка к 40030,2 км — именно столько составляет длина окружности Земли в сферической модели (полученной на основе эллипсоида WGS 84).
Хотя почти все оценки, которые привел Эратосфен, были слегка неточными, ошибки наблюдений и измерений компенсировали друг друга, и полученный результат был очень близок к реальному. Александрия и Сиена не располагаются в точности на одном меридиане, определить точное расстояние между ними в то время было невозможно, а гномон позволял лишь приближенно измерить угол между лучами Солнца и вертикалью.
Еще один важный результат, связанный с измерением земной окружности в древнем мире, принадлежит греческому философу-стоику Посидонию (ок. 130 года до н. э. — 30 год до н. э.), одному из великих географов своего времени. Его результаты также дошли до нас благодаря трудам различных классических авторов. Как и Эратосфен, Посидоний измерил дугу меридиана, на этот раз — между Родосом и Александрией. В своей обсерватории на Родосе философ обнаружил, что звезда Канопус, вторая по яркости на звездном небе, находится в точности над горизонтом, а при наблюдении из Александрии угловая высота этой звезды равна 1/48 земной окружности (см. следующую иллюстрацию). Согласно Клеомеду, Посидоний посчитал, что длина дуги меридиана между Родосом и Александрией равна 5 тысячам стадиев, таким образом, длина окружности Земли составляет 48·5000 = 240000 стадиев. Однако греческий географ и историк Страбон (63 год до н. э. — 24 год н. э.) приводит более позднюю оценку Посидония: 180 тысяч стадиев, то есть 28350 км (если использовать египетские стадии). Этот результат ученый получил, уточнив расстояние между Родосом и Александрией: оно составило 3750 стадиев. Таким образом, Земля стала меньше.
Схема измерений размеров Земли, проведенных Посидонием. Если при наблюдении из Родоса звезда Канопус находится точно над горизонтом, то для наблюдателя в Александрии она располагается на небосводе под углом к горизонту, равным углу между Родосом и Александрией.
Метод Посидония для оценки размеров Земли также был остроумным, простым и геометрически безупречным, однако философ
не учел преломление света в земной атмосфере, из-за которого при наблюдении небесных тел вблизи горизонта мы видим их выше, чем они располагаются на самом деле. Если бы лучи света не преломлялись, Канопус находился бы ближе к горизонту и, как следствие, реальная величина угла была бы меньше вычисленной Посидонием.Клавдий Птолемей, как и Страбон, и другие, считал результат Посидония корректным и привел его в своей «Географии». Таким образом, представление о малых размерах Земли было популярным среди географов и картографов до XV века. Именно поэтому итальянский математик и картограф Паоло Тосканелли (1397–1482), составивший мореходную карту Атлантического океана, считал, что можно проплыть из Европы в Азию, а Христофор Колумб верил, что существует неизвестный путь доставки специй в Европу через Атлантический океан.
Реконструкция карты Тосканелли, на которой изображены более или менее реалистичные очертания Американского континента.
Позднее для измерения меридианов Земли, а следовательно, для вычисления ее размеров использовалась триангуляция. Этот метод заключается в разделении местности на треугольники, максимально точном измерении углов триангуляции и длины одной из сторон исходного треугольника, называемого базовым, и последующем вычислении длин остальных сторон с помощью тригонометрии. Измерить длины сторон треугольников напрямую из-за неровностей рельефа довольно сложно, особенно если речь идет о больших расстояниях. Однако измерить с большой точностью углы вполне возможно.
Вверху — общая триангуляция Франции, проведенная в период с 1818 по 1845 год.
В истории об измерении размеров Земли с помощью метода триангуляции нам встретятся труды французского астронома Жана Пикара (1620–1682) (вычисленную им длину земного меридиана использовал Ньютон для подтверждения своего закона всемирного тяготения) и Жана-Доминика Кассини — первого директора Парижской обсерватории, который сделал ее ведущим мировым центром астрономии и картографии и попытался составить точную карту Франции. Вы также узнаете об экспедициях в Лапландию и Перу, организованных Парижской академией наук с целью определить, какова форма нашей планеты у полюсов — приплюснутая или вытянутая; об измерении меридиана между Дюнкерком и Барселоной, которое провели французские ученые Жан-Батист-Жозеф Деламбр (1749–1822) и Пьер Мешен (1744–1804), что привело к определению метра как единицы длины.
Карта побережий Франции (1682), составленная по результатам научных измерений (с помощью триангуляции), проведенных Пикаром, де Ла Гиром и Кассини. На этой карте вы можете видеть береговую линию Франции до измерений (более широкую) и после (более точную). Увидев эту разницу, Людовик XIV сказал Кассини: «Ваше путешествие стоило мне части моего королевства!»
* * *
МЕТР
Единицей длины в Международной системе единиц является метр, который сегодня определяется как расстояние, которое проходит свет в вакууме за 1/299 792458 секунды (примерно 3,34 наносекунды, то есть 3,34 миллиардных (10– 9) частей секунды).
В разное время метр определялся по-разному, однако началом его использования в качестве универсальной единицы длины мы обязаны Великой французской революции. В 1790 году для унификации единиц мер была создана Комиссия по мерам и весам. Было поставлено два условия: единицы измерения должны быть универсальными, то есть применяться повсеместно, и они не должны быть выбраны произвольно. В соответствии с этими условиями новая единица длины, метр, была определена как одна десятимиллионная часть расстояния от Северного полюса до экватора, измеренного вдоль меридиана. В самый разгар революционных потрясений было организовано две экспедиции для измерения длины парижского меридиана между Дюнкерком и Барселоной. Экспедицию, которая направилась в Дюнкерк, возглавил Деламбр, барселонскую экспедицию — Мешен. В ходе измерений с помощью триангуляции, которые длились 7 лет, ученые пережили всевозможные тяготы и многочисленные приключения. Этим событиям посвящен очень интересный роман Дэниса Гейджа «Измерение мира» («The Measure of the World»).