Солнечные часы
Несомненно, самым распространенным хронометрическим прибором были солнечные часы, основанные на кажущемся суточном, а иногда и годовом движении Солнца. Появились такие часы не раньше осознания человеком взаимосвязи между длиной и положением тени от тех или иных предметов и положением Солнца на небе. Но даже осознав это все, вряд ли кто-то сразу бросился строить часы; надо было еще понять, что такое время. Ведь и теперь еще бродят кое-где по Земле первобытные племена, прекрасно знающие, что такое тень, но обходящиеся тем не менее без часов. Нужды нет.
Известно, что в своем первоначальном виде такие часы имели форму обелиска, но точная дата их возникновения неизвестна. А кстати, их могли изобрести несколько раз в разных местах.
Традиционная история считает, что самым первым упомянул солнечные часы китаец Чиу-пи (около 1100 года до н. э.). В своей рукописи он сообщил, что с их помощью китайцы легко установили летнюю и зимнюю высоту Солнца и определили наклон эклиптики в 23°52 . Правда, неясно, как они это мерили, поскольку многие знания, необходимые для этого, в частности тригонометрия, появились значительно позже. Да и зачем они это сделали, тоже непонятно. Предположим, из-за врожденной китайской любознательности. Причем до недавнего времени китайцы считали свою страну Срединной империей, накрытой куполом неба, и никакого представления ни о шарообразности Земли, ни об эклиптике не имели.
Самые благоприятные климатические условия для измерения времени с помощью солнечных часов имеет Египет, поэтому более достоверным представляется мнение, что первые солнечные часы – гномон, вертикальный обелиск со шкалой, нанесенной на землю возле него, – появились именно здесь. Обелиски служили одновременно для почитания культа бога Солнца. Эти священные обелиски стояли, как правило, перед входами в храмы. Интересно, что традицию устанавливать солнечные часы у храмов можно проследить и в Европе вплоть до XIX века. А вот в России не всегда солнечно, поэтому у нас собирают верующих в храм боем колоколов.
До сих пор сохранился египетский обелиск высотой в 34 метра. Считается, что он в царствование Августа был перевезен из Египта в Рим и по указанию императора установлен на Марсовом поле, а руководил этой операцией математик Факундус Новус. Гномон поставили в центре специальной панели, на которой расчертили циферблат; часовые линии были выложены из бронзовых металлических частей. По словам Плиния Старшего, обелиск служил для определения времени года и долготы дня. Он простоял несколько веков, но в эпоху упадка Древнего Рима был сброшен и надолго забыт. В 1463 году его опять нашли, но только в 1792 году вновь установили на площади Монтечиторио в Риме, где он стоит и поныне.
В Египте помимо обелисков были созданы и другие конструкции солнечных часов. Например, состоящие из горизонтальной части – линейки с хронометрической шкалой длиной около 30 см, и перпендикулярного ей «плеча», отбрасывающего тень на шкалу. Еще тут были ступенчатые часы с двумя наклонными поверхностями, ориентированными по оси восток-запад и разделенными на ступени. При восходе Солнца тень падала на край верхней ступеньки одной из этих поверхностей, восточной, затем постепенно опускалась, а к полудню исчезала. После полудня тень снова появлялась в нижней части западной поверхности, откуда она поднималась до тех пор, пока при заходе Солнца не касалась грани верхней ступеньки. У таких часов время определялось длиной, а не направлением тени.
Измерение времени длиной тени кое-где сохранилось до позднего Средневековья. Врач и географ Паоло Тосканелли построил в 1468–1482 годах на костеле св. Марии де Фиоре во Флоренции гномон высотой 84,5 метра, с помощью которого удавалось измерять с полусекундной точностью местный полдень. С помощью этого гномона Тосканелли уточнил данные астрономических таблиц.
Были другие солнечные часы, со шкалой для определения времени по направлению отбрасываемой тени, хоть и появились они, наверное, позже. Для правильного показания времени верхняя линия шкалы была горизонтальной, и шкала составляла прямой угол с плоскостью местного меридиана. Поскольку компас еще не был известен, для правильной установки часов приходилось вести наблюдения за моментами солнцестояний или равноденствиями.
На древних солнечных часах деления наносили, исходя из практического опыта, потом – на основе теоретического расчета, правда неверного. Египтяне знали, что тень, отбрасываемая гномоном, различна в зависимости от времени года, но разница не учитывалась. Абсолютно точное время здешние гномоны показывали лишь дважды в год: в дни весеннего и осеннего равноденствия. Поэтому позже, чтобы улучшить результат, стали строить солнечные часы с особыми шкалами для разных месяцев.
При кажущейся простоте в ходе разработки теоретических основ науки о часах, гномоники, возникали и решались математические задачи о трисекции угла, о конических сечениях, о стереографической проекции и т. д. Решение этих задач на мусульманском Востоке привело к обоснованию и применению в практике формул прямолинейной и сферической тригонометрии. Создание солнечных, водяных, песочных часов способствовало развитию точной механики, а она, в свою очередь, была связующим звеном между приборостроением и опытной наукой.
Из Египта знания о солнечных часах стали распространяться по всему миру. И здесь можно привести два соображения: хронологическое и общеисторическое.
Во-первых, тот факт, что теоретическое обоснование для солнечных часов делали в мусульманских странах, говорит нам, что эта история происходила позже как минимум VII века, ибо раньше не было еще не только мусульманских стран, но и вообще мусульман.
Во-вторых, подобные научно-технические разработки могут вести только народы, имеющие для этого и подготовленных людей, и средства, и потребность в измерении времени. Достоверная история Византийской империи и отдельных ее территорий, в отличие от мифической истории Древнего Китая, показывает, что процесс научно-технического развития, при всех его зигзагах и завихрениях, имеет эволюционный и международный характер.
Византия среди всех стран достигла высокого уровня развития техники. Арабы учились у византийцев многому, в том числе и конструированию и изготовлению различных видов солнечных часов.
А в самой Византии были весьма распространены настенные вертикальные солнечные часы. Они имелись на стенах церквей и общественных зданий и были примерно такого же типа, как на стенах Башни ветров в Афинах и на стене византийской церкви, построенной на месте языческого храма Грация. На циферблате для обозначения часов впервые появляются числа.
Свидетельства о наличии в Константинополе часов как прибора времени историки находят в документах, отнесенных ими к VI веку, но, к сожалению, без какого-либо пояснения их устройства. На основании эпиграммы, относящейся ко времени царствования Юстина II (565–578), византиевед Рейске заключает, что уже в VI веке у византийских греков были часы с боем, по крайней мере, большие городские. Датировка такого сообщения требует дополнительной проверки и больших размышлений.
В «Уставе» Константина Багрянородного (911–959) упоминается профессия часовщика. Здесь же говорится о наличии в империи специальных людей, отбивавших часы церковных служб и молитв. Предполагается, что во дворце отбивание часов необходимо было не столько для молитв и церковных собраний, сколько для обозначения времени собраний воинов, открытия и закрытия дворца, смены стражи и других действий, совершающихся регулярно.
Однако учтем, что при господстве аграрного строя и ремесленной техники (будь то в Древнем мире или в Средние века) не было нужды делить время на мелкие отрезки и точно их измерять, как теперь. Люди определяли время по естественному движению Солнца, по длинным летним дням и коротким зимним, которые одинаково делили на 12 часов, а потому летние и зимние часы были разными.
Подчеркнем это особо: под влиянием изменяющегося наклона Солнца изменялась в течение года длина дневных и ночных часов. Согласовывать час, который показывают приборы с равномерной шкалой (водяные, огневые, песочные и механические часы) с длительностью часа солнечных часов – труднейшая проблема.
Более поздние солнечные часы получили криволинейные шкалы, что устранило этот недостаток. Такими часами со сложными шкалами, рассчитанными для квартальных или месячных интервалов, пользовались примерно до XV века. Также до конца XIV века в Центральной Европе были весьма распространены настенные вертикальные солнечные часы с горизонтальной теневой штангой, перенятой первоначально из Египта. Но в Египте, благодаря сравнительно малой удаленности от экватора, время определялось с приемлемой степенью точности, тогда как в Греции, Италии или Чехии эта точность была значительно хуже.
Новую эпоху в развитии солнечного часостроения открыло важное изобретение, сделанное в 1431 году. Принцип его заключался в установке теневой стрелки в направлении земной оси; такую стрелку назвали полуосью. Этим простым нововведением было достигнуто то, что теперь тень равномерно вращалась вокруг полуоси, поворачиваясь каждый час на 15°.
Разновидность экваториальных часов – аналемматические солнечные часы, стрелка которых направлена перпендикулярно плоскости часовой шкалы, но эта шкала лежит не в плоскости, параллельной экватору, а в горизонтальной плоскости, например непосредственно на земле.
Если бы нам понадобилось измерять этими часами время, то надо было бы вынести часовую шкалу на эллиптическую кривую и при этом одновременно изменять положение стрелки в меридиональной плоскости применительно к сезону года. Описание таких часов появилось в астрономических трудах XVI века, но детальными измерениями с помощью этих часов стал заниматься лишь в середине XVIII века астроном и директор Парижской обсерватории Джозеф Джером Лаланд.
Стало возможным ввести равномерное время для всего года, причем отрезки, соответствующие часам, были одинаковой длины независимо от изменяющейся высоты Солнца. Одним из первых упоминаний о часах с полуосью является рукопись Теодорика Руффи от 1447 года. Некоторые солнечные часы того времени имели одновременно гномон и полуось; они описаны в рукописи арабского астронома XV века Сибт-аль-Маридини; аналогичные часы построил примерно в то же время египетский астроном Ибн-аль-Магди.
Прогресс, которым ознаменовалась наука в эпоху Возрождения, отразился и на конструкции солнечных часов. Сравнительно быстро, примерно за 130 лет, прежние несовершенные часы превратились в весьма точные для своего времени хронометрические приборы, которыми можно было измерять время в любом месте Земного шара. Для правильной установки часов стали использовать компас.
Один из первых создателей солнечных часов с корректирующим компасом – астроном и математик Региомонтан, настоящее имя которого Йоганнес Мюллер (1436–1476), известный также как Жоан де Монте Регио, работавший в середине XV века в Нюрнберге. Он был также автором первого специального труда о солнечных часах.
Сочетание солнечных часов с компасом привело к тому, что их стало возможным использовать повсеместно, и появились портативные, карманные или дорожные модели часов. Солнечные часы в виде полого полушария со стрелкой, отбрасывающей тень на внутреннюю полость, начали строить с 1445 года, хотя официальная история науки и относит их изобретение к античности.
Солнечные портативные часы
Интересны кольцевые солнечные часы, один из вариантов дорожных, – они одновременно служили и в качестве декоративной подвески. Главной их частью было латунное кольцо диаметром в несколько сантиметров, сопряженное с другим подвижным кольцом, снабженным отверстием для солнечного луча. На внешней поверхности главного кольца гравировали начальные буквы месяцев, а против них, на внутренней поверхности, находилась часовая шкала. Перед измерением надо было повернуть меньшее колечко так, чтобы отверстие для луча лежало у наименования нужного месяца. Для измерения времени часы выставляли так, чтобы солнечный луч проходил через отверстие и указывал час на шкале.
Первое описание таких часов, в виде перстня с печатью, содержится в книге врача Боне, изданной в Париже в 1500 году.
Одной из самых популярных разновидностей дорожных солнечных часов были так называемые пластинчатые часы. Первые экземпляры появились в Европе в 1451–1463 годах. Обычно они состояли из двух, а иногда из трех одинаковых по величине четырехгранных прямоугольных пластинок, соединенных подвесками, причем в нижней пластинке обязательно должен был находиться компас.
Имеется описание деревянных восьмигранных палок с металлическим острием длиной 160 см и с вырезанными часовыми шкалами. Это – дорожные солнечные часы (ашадах), которыми пользовались в Средние века индийские паломники. В ручке такой палки просверливали обычно четыре сквозные отверстия, в которые над шкалой для соответствующего месяца вдвигался стержень длиной около 15 см так, чтобы его острие при вертикальном положении палки отбрасывало тень на шкалу. На палке должно было быть 12 шкал. Поскольку для дней, удаленных от солнцестояния на одинаковое время, действовали одинаковые условия, то достаточно было иметь 8 шкал. Наименование ашадах эти часы получили по тому сезону (июнь – июль), в котором совершались паломничества.
Солнечные часы-посох для паломников
С начала XVI века теорию солнечных часов начали преподавать в университетах Виттенберга, Тюбингена, Ингольдштадта, в Праге и в Штирском Градце как составную часть математики.
Примерно в это же время появились оконные солнечные часы. Они были вертикальными, их циферблатом была поверхность окна храма или ратуши. Циферблат обычно состоял из мозаичной филенки, залитой свинцом. Стрелка отбрасывала тень на циферблат, устроенный так, чтобы конец тени указывал не только часы, но и положение Солнца в зодиаке. Прозрачная шкала позволяла наблюдать время, не выходя из здания.
Были и зеркальные солнечные часы, которые отражали солнечный луч зеркалом на циферблат, расположенный на стене дома. Первым такие часы описал Й. Б. Бенедиктус в книге, изданной в Турине в 1574 году. По некоторым сведениям, конструированием зеркальных часов занимался будто бы и Николай Коперник, чему можно поверить, ибо до сих пор сохранился циферблат зеркальных часов на замке в Ольштыне предположительно его работы.
С точностью солнечных часов не могли сравниться механические до того, как в них стали применять маятниковый осциллятор. Но и после его появления солнечные часы сохраняли свою популярность. Наибольшего расцвета их производство достигло в XVI и XVII веках; их созданием занимались передовые европейские математики и астрономы. К тому же они очень долго оставались обязательной принадлежностью всех обсерваторий. Еще и в XVIII веке их строили в астрономических обсерваториях стран Востока, например в Индии. Яи Синг II, князь Джайпура, основав в 1708–1710 годах большую обсерваторию в Дилли, поставил там гномон высотой 18 метров. Вскоре после этого он приказал построить подобные часы в Бенаресе, Муттрже, Уйгаине и в Джайпуре.
Но люди изыскивали и примитивные способы измерения времени с помощью Солнца; иногда единственным пособием для этого была человеческая рука. Первые сообщения о таких «часах» относятся к началу XVI века. Левую руку поворачивали ладонью вверх и ее направленный вверх большой палец выполнял роль теневой стрелки. В зависимости от длины этой тени в сравнении с остальными пальцами руки можно было примерно определить время. Этот простой способ измерения времени во Франции, Южной Германии и некоторых других местах был хорошо известен даже в XIX веке.
