Трудно себе представить более простое и вместе с тем более сложное понятие, чем время.
А.Е. Ферсман
Современный мир – это мир высоких технологий, бесчисленного количества электронной техники и возможности быть на связи из любой точки мира. Люди следят за временем, дорожат им и стараются использовать его максимально эффективно для себя. И хотя время – категория договорная, измерители времени изобретены еще с давних времен. Первым измерителем дня стала тень, которую на землю отбрасывал отвесно поставленный прут. В процессе наблюдения было обнаружено, что длина тени, которая отбрасывается поутру, постепенно укорачивалась к обеду, достигая своего минимума, а затем снова удлинялась до заката солнца. На основании этого стали определять длину тени по тому, как ее отбрасывает тело наблюдателя в разные моменты дня, и измерять ее длиною ступни. Отношение между длиной отбрасываемой тени и длиной ступни остается у различных людей приблизительно одним и тем же, поскольку пропорционально увеличению роста человека увеличивается и длина ступни.
Вскоре после этого люди перешли на измеритель под названием «гномон». Гномон – древний астрономический инструмент в виде вертикального предмета (обелиск, колонна или шест), укрепленного на горизонтальной плоскости, который позволяет по наименьшей длине его тени в полдень определить угловую высоту Солнца. Чаще всего его устанавливали на площадях города. Длину тени гномона измеряли на земле посредством начерченных концентрических кругов. Заметим, что для точности измерения времени дня важное значение имеет высота гномона, так как чем он выше, тем длиннее отбрасываемая им тень. Следовательно, повышается точность измерения. Для удобства отсчёта на конце гномона было отверстие, которое было ярко видно в тени. Еще одним вариантом для достижения точности измерения стало нахождение биссектрисы утренней и вечерней тени одинаковой длины: на рассвете и закате скорость изменения длины тени выше и её направление устанавливается точнее.
Разновидности гномона
На следующем этапе было выявлено, что более показательным является направление тени для определения времени, чем ее длина. Так возникли солнечные часы, которые указывали время по передвигающейся с запада на восток тени. Первым изобретателем солнечных часов в официальной историографии ранее считали халдеянина Бероса, который жил около 600 г. до н.э. Однако существует и другая гипотеза, будто солнечные часы изобрели китайцы, которые знали такой прибор уже в 2679 г. до н.э.
До нас дошло эмоциональное высказывание римского поэта Плавта по поводу солнечных часов: «Да погубят боги того, кто первый придумал час и воздвигнул солнечные часы, мне, бедному, по кускам сокращающие день. Прежде желудок был моими солнечными часами, из всех часов самыми лучшими и самыми верными. Везде эти часы приглашали к еде, кроме того случая, когда нечего было есть; теперь же и то, что имеется не едят, если это не нравится солнцу».
Недостатком солнечных часов было то, что они могут служить только тогда, когда светит солнце, при облачном небе и ночью ими нельзя пользоваться. Поэтому, помимо солнечных часов, в древности также были в употреблении водяные и песочные часы. Водяные часы, называемые клепсидры, показывали время при помощи указателя, прикрепленного к какому-нибудь поплавку; с притоком воды указатель поднимался вверх, а когда вода вытекала, он спускался вниз. Простейшая клепсидра представляла собой сосуд (или несколько сосудов) со специальными отверстиями, предназначенными для исчисления времени по количеству вытекавшей воды. Однако у водяных часов был крупный недостаток: при низкой температуре их содержимое замерзало.
Разновидности клепсидры
У песочных часов этого недостатка не было, и обслуживание их было гораздо легче. Песочные часы работали по тому же принципу, что и клепсидра. Две стеклянные колбы соединены узким горлышком, так что песок (с относительно откалиброванным размером песчинок) проходит от верхней колбы к нижней. Стеклянные ёмкости заключены в обрамляющий каркас, позволяющий легко переворачивать песочные часы, для того чтобы начать новый отсчёт времени.
Разновидности песочных часов
Со временем песочные часы усовершенствовали и снабжали уже четырьмя сосудами: первый сосуд опустошался в течение четверти часа, второй — в течение получаса, третий — в течение трех четвертей часа, а последний — в течение целого часа. У этих песочных часов был циферблат, на котором, когда переворачивался последний сосуд — следовательно, по истечении каждого часа, — стрелка передвигалась на час вперед, так что не только можно было знать, когда истекал час, но также и то, который это был час.
Песочные часы были в большом употреблении еще в XVII веке, а в судоходстве – в XVIII веке.
Дальнейшее развитие методов измерения времени замечательно описал в своей книге «Время» президент французской Ассоциации ученых-писателей, известный математик и популяризатор, профессор Франсуа ле Лионнэ.
До сегодняшнего дня в Европе сохранились часы с разработанным еще в эпоху Возрождения автоматическим взводом. Например, в монастыре Клюни (Франция), подаренные в 1340 году Пьером де Шалю. Или часы Страсбургского собор 1352 года, претерпевшие целую историю изменений. Начиная с 1547 года, усовершенствованием механизма занялись математик Конрад Дазиподиус, механики Хабрехты и живописец Тобиас Штиммер. Часовщики убрали прежний хронометр и петуха, добавили астрономические функции. В 1789 году во время французской революции часы в соборе были повреждены. Почти полстолетия они не функционировали. Затем за их восстановление взялся часовых дел мастер Жан-Батист Швильге. В 1842 году он заменил нерабочий механизм и дополнительно установил на часах мини-планетарий с четырьмя циферблатами и церковный календарь. Высота всей конструкции увеличилась с 12 до 30 метров.
У короля Испанской империи, императора Священной Римской империи Карла V было множество часов. Но, по свидетельству Христиана де Пизана, как сказано в книге Лионнэ, он больше доверял проградуированной свече в своей часовне. Заметим, что свеча также служила измерителем времени. Правда, пользовались ей в основном во дворцах, богатых церквях и монастырях. Свечи делали точного размера с делениями, соответствующими не только часам, но даже половинам и четвертям часа. К примеру, у предка Карла V Карла Великого были свечи с 24 делениями, которые горели ровно сутки.
Карл V приказал соорудить в одной из башен Луврского дворца большие часы, звон которых был слышен всем парижанам. Это было творение немецкого ремесленника Генриха де Ви (или Генриха фон Виека), потратившего на их создание восемь лет. Восстановленные в 1848 году Лепотом, эти часы до сих пор украшают часовую башню Дворца правосудия в Париже.
Еще одним примером сохранившихся и действующих до настоящего времени древних французских часов являются астрономические часы в городе Руан во Франции, датированные 1389 годом. На три года их старше часы, установленные в соборе Солсбери в Англии.
Помимо этого, также сохранились отдельные части астрономических часов собора в Бурже. Они были созданы Жаном Фюзери – каноником собора Парижской богоматери. В 1415 году, в разгар Столетней войны, Фюзери давал астрологическую консультацию королю Англии в то самое время, когда последний готовился к отплытию во Францию. Это послужило основанием для преследования и осуждения Фюзери за сношение с врагом.
В XV веке появляются первые комнатные часы, которые вешали на стену или ставили на подставку. Это не были часы с маятником, так как последний не был еще изобретен. Они выглядели как разновидность башенных часов.
В XVI веке центр производства часов переносится из Италии в Германию, в город Нюрнберг.
И еще одно важное новшество приносит XVI век: груз на часах заменяется пружиной, что позволяет уменьшить размеры часов и облегчить их завод. К примеру, согласно упоминанию в книге Лионнэ, в 1523 году французский король Франциск I владел двумя часами без гирь, стоявшими в его комнате.
Таким образом, с XVI века было положено начало постепенному уменьшению размера часов, которое впоследствии привело к появлению часов наручных.
Другими часами, которые предшествовали появлению часов с регулирующим маятником, были «фолио». Они состояли из горизонтального балансира, который отклонялся то вправо, то влево. Поскольку колебания «фолио» не были ритмичны, рассматривать его как настоящий регулятор было бы преувеличением, он скорее играл роль замедлителя движения груза. Тем не менее, весьма возможно, что это пробудило Леонардо да Винчи прибегнуть к идее использования вертикального маятника для измерения времени. Высказал её он раньше Галилео Галилея и Христиана Гюйгенса.
Согласно преданию, Галилей, наблюдая колебания люстры под сводами Пизанского собора, в 1583 году открыл изохронность, то есть равномерность колебаний маятника. Он проверил это явление, сравнивая его с частотой естественного регулятора, которым служил его пульс; частота эта была приблизительной, но достаточно регулярной, чтобы руководствоваться ею в первых опытах.
Изохронность колебаний маятника данной длины означает, что при отклонении маятника от положения равновесия время одного полного колебания не зависит от первоначального отклонения; маятник проходит меньшую дугу окружности за то же время, что и большую. Этот постоянный промежуток времени, зависящий лишь от свойств данного маятника, называется «периодом». В свою очередь, нидерландский механик и изобретатель Гюйгенс, заметил, что это равенство периодов качания маятников применимо только к небольшим колебаниям. Однако главное то, что приблизительная изохронность небольших колебаний маятника достаточна, чтобы применить его для более точного регулирования часов, чем прежде. Галилей пришел к этой идее только в 1641 году, почти через 60 лет после открытия в Пизе, за год до своей смерти. На основе высказанного Галилеем принципа уже его сын сконструировал прибор. По сути, это были первые в истории часы по измерению времени с вертикальным маятником. К несчастью, механизм этот пропал. Однако остался его чертеж, по которому Бокийон в XIX веке воссоздал часы, вероятно, весьма схожие с часами Галилея.
Христиан Гюйгенс, появившийся вслед за Галилеем, принадлежит к плеяде ученых-энциклопедистов. Серией знаменательных теоретических открытий, которые без особых усилий преобразовываются в практические изобретения, Гюйгенс положил конец примитивному часовому производству и открыл эру научного отсчета времени.
Суть его работ состоит в глубоком анализе механических колебаний, поисков и получения предельной изохронности. Открытие циклоидального маятника и изобретение спиральной пружины являются венцом открытий Гюйгенса. Возобновив изучение маятника, каким его оставили Галилей и его школа, Гюйгенс показал, что колебания с большой амплитудой вовсе не изохронны, а колебания с малой амплитудой являются таковыми лишь приблизительно. Он описал, что изохронность теоретически и строго является подлинной лишь для маятника, который описывает циклоиду, а не следует по круговой орбите.
Циклоида – это кривая, с которой человек встречается в повседневной жизни, не осознавая этого, поскольку такую форму имеют в основном незаметные траектории, а из простых предметов, пожалуй, только некоторые арки мостов.
Это путь, пробегаемый точкой на окружности колеса, когда это колесо движется, вращаясь без скольжения по прямолинейному отрезку пути. Вообразим себе, например, велосипедное колесо, у которого вентиль для накачивания воздуха находится вблизи земли в момент, когда колесо приходит в движение. Когда колесо совершит полный оборот, вентиль, описав в воздухе кривую, снова окажется вблизи земли. Несмотря на некоторое сходство с дугой окружности, которой она и была обязана своим первоначальным наименованием, эта траектория в действительности является дугой циклоиды, обладающей замечательными свойствами. Ее называют «Прекрасной Еленой геометрии». Естественно, циклоидальный маятник нельзя создать подобно обычному маятнику, подвесив на нитке или стержне свободно колеблющийся груз. Действительно, различные «радиусы» циклоиды не равны: длина стержня или нити должна меняться. Можно, например, представить себе шарик, катящийся по циклоидальному желобу, расположенному в вертикальной плоскости. Однако из-за трения шарика при движении здесь не получится маятника. Именно Гюйгенс нашел математическое и практическое решение этой проблемы. Так, груз подвешен к нити, но последняя не может свободно колебаться. Она окружена двумя циклоидами и касается их в большей или меньшей степени, в зависимости от того, насколько она удалена от вертикали. Путь, проходимый грузом, также имеет форму циклоиды, и желаемый эффект может быть получен без трения.
Первые часы Гюйгенса с циклоидальным маятником датируются декабрем 1656 года. Они были представлены изобретателем Генеральным штатам Голландии. Почти в то же время, 16 июня 1657 года, Гюйгенс прочел свой знаменитый «Мемуар о часах с маятником».
Циклоидальный маятник Гюйгенса разрешал проблему изохронности для стоячих часов больших размеров. Затем Гюйгенс нашел решение и для различного вида небольших часов и карманных часов. В 1675 году он изобрел спиральную регулирующую пружину, пульсации которой изохронны, а небольшие размеры позволяют заменить маятники башенных часов. Так появились современные часы. Маленькое сравнение лучше всяких эпитетов покажет, каково значение трудов Гюйгенса в области измерения времени. До его появления лучшие наручные и башенные часы спешили или опаздывали в среднем не менее, чем на час в сутки. После Гюйгенса неточность снизилась до нескольких минут, а потом и секунд в сутки. Благодаря его открытиям у дворян и богатых буржуа более не было необходимости каждый день переводить часы на час назад, сверяя их с солнечными, как это делали ранее их отцы. Тем самым период популярности и востребованности солнечных и водяных часов подходил к концу.