Часы. От гномона до атомных часов - Станислав Михаль

Солнечные часы не утратили своего первоначального значения как надежные приборы для астрономических измерений и после изобретения и распространения механических шестеренчатых часов. Это объяснялось прежде всего большой точностью солнечных часов, с которой не могли сравниться механические часы до того, как для них стали применять маятниковый осциллятор. Однако и после этого солнечные часы оставались обязательной принадлежностью всех обсерваторий. Многие солнечные часы были построены в прошлые века в астрономических обсерваториях стран Востока, например в Индии, где Яи Синг II, князь Джайпура, основал в 1708-1710 гг. большую обсерваторию в Дилли с гномоном высотой 18 м. Вскоре после этого он приказал построить подобные часы в Бенаресе, Муттрже, Уйгаине и в Джайпуре.

Прочие способы измерения времени

Уже древние астрономы обладали большими знаниями в области движения звезд и умели использовать эти знания для измерения времени с помощью специальных астрономических приборов, называвшихся в то время звездными часами[6]. Одним из самых древних приборов для наблюдения за движением звезд была астролябия, впервые описанная греческим астрономом и математиком Птолемеем. В своем описании он говорит о двух кольцах, представляющих эклиптику и экватор, и о еще одном кольце с вращающейся световой осью. Однако в действительности астролябия Птолемея в конструктивном отношении не имеет ничего общего с теми астролябиями, которые появились позднее.

Астролябия относилась к весьма распространенным астрономическим приборам, которыми пользовались на суше и при плавании по морям. В средневековые бронзовые астролябии, имевшие основание в виде круглой плиты, разделенной на 360°, обычно вкладывались пакеты с астрономическими таблицами или картами земной поверхности, составленными для различных географических широт. Астролябию дополняла звездная карта со знаками зодиака. Астролябией измерялось положение Солнца, его высота над горизонтом, определялись направление восток — запад, длительность дня и ночи. Подобные данные можно было получить путем наблюдения за движением Луны или звезд. По замеренному с помощью астролябии положению звезды можно определить время, если точно известно положение места измерений. Открытие такого способа определения времени путем измерения высот звезд приписывается греку Гиппарху, жившему во II в. до н.э. От греков этот метод переняли арабы, которые своими астролябиями измеряли время с погрешностью лишь 1-2 мин. Измерение времени методом определения высот звезд применялось до середины XVII в. многими астрономами, в том числе и Тихо Браге, который с помощью этих приборов достиг точности измерения времени до нескольких секунд.

В первой половине XVI в. распространилось в Европе строительство «армилярных» сфер, состоящих из системы кругов. Эти круги изображали экватор, меридианы, тропики, высотные круги и эклиптику со знаками зодиака, мировой оси, траекторий и положений Солнца и Луны и т.п. Как правило, армилярные сферы имели лунные календари и схему расположения планет. Армилярная сфера служила для изображения положений созвездий и планет в определенный момент времени в различных координатных системах. Это было задачей так называемых демонстрационных армилярных сфер. Кроме того, изготовляли и наблюдательные армилярные сферы, предназначенные для измерения, однако они были весьма редкими и сохранилось их очень мало. (Представляется, что единственным изготовителем их был Тихо Браге.)

Все это стимулировало развитие солнечных часов и звездных часов, предназначенных для точного измерения времени в ночные часы. Для ночных измерений времени по положению звезд прибор направляли визиром на Полярную звезду и одновременно устанавливали вращающуюся линейку в положение, параллельное линии соединения нижних звезд Большой Медведицы. Одним из простейших видов звездных часов была, собственно говоря, уже описанная астролябия.

При измерении времени по положению звезд надо было очень точно и детально знать движения звезд в различные времена года. Эти данные содержались в звездных каталогах, картах и таблицах. Самым старым и самым долго употреблявшимся звездным каталогом был каталог Гиппарха, составленный в конце II в. до н.э., в котором имелись данные о движении 1022 звезд. В Европе долгое время пользовались так называемыми толедскими таблицами (Альфонса), которые поручил составить в 1252 г. испанский король Альфонс X. Попыткой уточнения данных этих таблиц были прусские планетарные таблицы, изданные в 1551 г. Эразмом Рейнгольдом. Однако наибольшей точности достиг звездный каталог, составленный Тихо Браге, содержавший лишь 997 звезд, но у него средняя погрешность не превышала одной дуговой минуты (тогда как у каталога Гиппарха эта погрешность достигала четырех минут).

Солнечные часы с передвижным по высоте «полюсом», компасом и шкалами с минутным делением были простым и надежным указателем солнечного времени, но страдали и некоторыми серьезными недостатками. Их работа была связана с солнечной погодой и с ограниченным периодом работы — между восходом и заходом Солнца. Нет сомнений, что это было одной из причин того, что уже древние культурные народы стали изыскивать иные пути измерения времени, не связанные с наблюдением небесных тел. Поэтому новые приборы для измерения времени принципиально отличались от солнечных часов. В то время как единица времени по солнечным часам выводилась из вращения Земли и ее движения вокруг Солнца, а для звездных — из видимого движения звезд, для хронометрических приборов (жидкостных, песочных, воздушных, огневых и др.) надо было создать искусственный эталон единицы времени, например, в виде интервала времени, необходимого для вытекания или сгорания определенного количества вещества в хронометрическом устройстве.

Подобно солнечным часам, и эта группа простейших часов прошла долгий путь развития, сопровождавшийся возникновением интересных принципов действия и конструктивных элементов. Некоторые из них, например зубчатые передачи, ролики, цепные подвески и гири, нашли применение в последующей эре хронометрии — эре механических часов. Это относится главным образом к водяным часам, которые после солнечных часов занимали второе место по количеству и были самыми важными в этой группе простейших часов.

В литературе часто говорится о водяных часах как о «клепсидрах». Это наименование происходит от сочетания двух греческих слов klepto — брать и udor — вода. Судя по греческому наименованию этих часов, можно было бы ошибочно считать, что именно Греция является колыбелью водяных часов. Однако дело обстоит вовсе не так. В значительно более примитивном виде водяные часы были известны уже египтянам и некоторым культурным народам Дальнего Востока. Греческое происхождение наименования водяных часов свидетельствует о том, что в Древней Греции они как бы «обжились», стали считаться сугубо греческим предметом и что именно греки сделали многое для усовершенствования этих часов.

Представляется, что простейшими водяными часами были китайские и индийские часы этого рода. Они имели форму полусферической чаши с небольшим отверстием в дне, через которое медленно вытекала вода. Эти водяные часы, способные измерять продолжительность интервалов времени между моментом помещения чаши на водную поверхность и ее погружением в воду, были, собственно говоря, аналогией одного типа песочных часов, о которых мы упомянем ниже. В Индии водяные часы под названием «яла-янтра» были известны по меньшей мере за 300 лет до нашей эры. Это были преимущественно часы «истечения» с небольшим отверстием в дне. Сначала при восходе Солнца заполняли эти часы водой, которая затем вытекала, так что до вечера процесс заполнения и истечения воды повторялся пять-шесть раз. Первыми, кто пользовался водяными часами, были египтяне, и у них сохранились, по всей вероятности, самые старые водяные часы в мире. Это были часы «истечения», относящиеся к эпохе владычества Аменхотепа III (1414-1375 гг. до н.э.), хранящиеся в музейных коллекциях в Каире. Они были обнаружены в 1940 г. в храме Аммона в восточных Фебах. На внутренней поверхности их алебастрового корпуса наколами обозначено 12 часовых шкал для измерения времени в соответствующих месяцах. Сосуд заполняли до самого верха водой, которая затем вытекала через небольшое придонное отверстие.

Египтянам были известны разновидности таких часов с поступлением и с вытеканием воды. Об этом сохранились довольно детальные сообщения в обнаруженных папирусах. В них имеются и данные о шкалах, выгравированных на корпусах таких часов. Основной единицей для шкал была мера в палец (палец равен 1/4 ладони или 1/28 локтя, т.е. 18,75 мм). Шкала обычно имела 12 пальцев. Отсюда можно сравнительно легко судить об общем размере таких часов. Египетские «приточные» водяные часы были несколько сложнее аналогичных часов восточного происхождения. Обычно они имели форму цилиндра с 12-часовой шкалой на внутренней поверхности. Часовой сосуд заполнялся водой, поступающей по каплям из специального сопла. Некоторые подобные часы имели поплавок, который после повышения уровня воды до определенной степени открывал выпускной кран. У большинства античных культур длина дневных и ночных часов изменялась в зависимости от сезонов года. Напомним, что вавилоняне делили день на 12 часов, и длина этих часов зависела от времени между восходом и заходом Солнца. Измерение часов неодинаковой длины с помощью часов «втечения» или «истечения» было довольно трудным делом. Эти часы должны были иметь много шкал или специальные устройства для регулирования поступления или истечения воды. Один из таких возможных способов несколько лет назад описал в своей книге «Histoire de l'astronomie moderne» («История современной астрономии») Бэйлли. Основой этого способа было использование конического корректирующего элемента, задвигаемого в полость конического конуса «часов истечения». Изменением положения корректировочного элемента изменяли уровень воды в полости, а этим — и скорости течения жидкости и понижения уровня жидкости на часовой шкале.