В 1644 г. из Гвинеи, расположенной на юге Западной Африки, в Англию отправилась эскадра из четырех кораблей. Помимо перевозки груза на моряков была возложена и чисто научная задача: во время плавания с возможно большей точностью определять координаты кораблей.

Достигнув острова Святого Фока, лежащего вблизи экватора (найдите этот остров на карте), командир эскадры приступил к проведению эксперимента. Первым делом он выставил по Солнцу новые, дотоле никому неизвестные часы, изготовленные по особому патенту.

Обогнув остров и пройдя курсом на запад 700 миль, эскадра вновь повернула к Африке, чему способствовал сильный юго-западный ветер. Через 250 миль такого курса с командиром эскадры с помощью сигнальных флажков связались капитаны трех других судов, настоятельно советуя изменить курс и направиться к острову Барбадос, расположенному восточнее Малых Антильских островов, для пополнения запасов пресной воды.

Совет капитанов несколько озадачил командира эскадры, и он пригласил их к себе на флагманский корабль, попросив взять с собой судовые журналы и расчеты по определению местоположения эскадры. На совещании выяснилось, что расчёты всех капитанов сильно расходятся между собой – до 100 миль и более.

После недолгих, но горячих споров командир эскадры, в большей степени доверяя новым часам и собственным выкладкам, принял единоличное решение: лечь курсом на ближайший из островов. На следующий день расчёты командира блестяще подтвердились: в точно определённое время эскадра достигла намеченной точки, и корабли бросили якоря у берегов острова дель Фуэго.

Командир эскадры составил подробный отчёт по прибытию в Англию обо всём, что произошло. То была, по существу, первая беспристрастная, независимая экспертиза новых морских часов, изобретённых голландским ученым Христианом Гюйгенсом.

Но в чём был секрет изобретения? Что обеспечило повышенную точность новым часам и позволило командиру эскадры с минимальной ошибкой определить свои координаты в дальнем морском плавании?

Прежде чем ответить на эти вопросы, сделаем небольшой исторический экскурс по проблеме исчисления времени.

Первые часы – солнечные – появились в Китае и Древнем Египте. Затем человечество обзавелось водяными и песочными часами. Механические часы – стенные с гиревым заводом и ручные с пружинным – были изобретены в средние века. В России часы с гиревым заводом были установлены на одной из башен Московского Кремля в ХV веке.

Общий недостаток первых механических часов – их низкая точность из-за сильной зависимости скорости хода от температуры воздуха, степени загустевания масла в опорах и других причин.

Например, такие часы днём в жаркую погоду шли заметно быстрее, чем ночью. Вместе с тем потребность человечества в существенном улучшении точности показания часов, в первую очередь, для целей мореплавания, ведения военных действий и астрономии, все более возрастала.

Для поощрения изобретателей в XVII веке были установлены даже высокие денежные премии (Так, в Англии – 20000 фунтов стерлингов) для тех, кто повысит точность механических часов.

И вот за решение данной проблемы после окончания Лейденского университета взялся молодой Христиан Гюйгенс.

Сила его таланта состояла в том, что в одном лице соединились глубокий теоретик и искусный изобретатель, что и помогло ему найти оригинальное решение, позволившее существенно повысить точность механических часов.

Сущность идеи Гюйгенса состояла в применении в часах в качестве устройства, обеспечивающего их равномерный ход, маятника. С этой идеей современный человек вполне свыкся. Но её рождение по своему воздействию на дальнейший ход технического прогресса неоценимо.

После получения в 1657 г. патента на своё изобретение Гюйгенс раскрыл устройство новых часов с маятником в опубликованной им брошюре. И вот тут-то на молодого учёного и свалились напасти: его обвинили чуть ли не в плагиате.

Поведаем кратко эту малоприятную, но весьма поучительную историю о том, каким необоснованным нападкам порой подвергается учёный, сделавший выдающееся открытие и вместо ожидаемой благодарности вынужденный отбиваться от порочащих его слухов и домыслов.

А произошло следующее. Брошюра Гюйгенса через год после её издания в Нидерландах попала во Флоренцию – на родину Галилея, который, как вспомнили его ученики, ещё в 1641 г., т.е. за 16 лет до Гюйгенса, пришёл к той же идее об использовании в часах маятника.

По преданию, подобная мысль осенила учёного, когда он во время мессы наблюдал качание люстры в Пизанском соборе. В 1642 г. Галилей умер, не реализовав своей идеи, но успев передать чертеж сыну Винченцо и наказ изготовить часы с маятником.

Но сын не успел выполнить последнюю волю отца, внезапно скончавшись в 1649г. Другие же ученики Галилея, не оценив в должной мере великую идею своего учителя, так и не приступили к её реализации. Одним словом, чертежи Галилея мертвым грузом осели в Италии.

Но когда брошюра Гюйгенса достигла Флоренции, то местные патриоты забеспокоились, а не заимствована ли идея часов с маятником голландским учёным у их гениального соотечественника. И вот против Гюйгенса выдвигается обвинение в возможном плагиате.

Полный абсурд и нелепость! Ибо, как мог Гюйгенс, никогда не встречавшийся с Галилеем, видеть чертёж, выполненный в единственном экземпляре и хранившийся во Флоренции.

В неприятной для него ситуации Гюйгенс повёл себя весьма достойно: он не стал отрицать первенства Галилея в изобретении часов с маятником, но доказал и полную самостоятельность своего изобретения.

Поэтому в историю техники маятниковые часы вошли под двойным именем: Галилея–Гюйгенса. Правда, не будем при этом забывать, что идею Галилея его ученики благополучно схоронили, а вот Гюйгенс сумел воплотить свою в жизнь.

Гюйгенс упорно, на протяжении всей жизни совершенствовал конструкцию своих маятниковых часов с целью повышения их точности и удобства эксплуатации.

И как учёный, и как великий изобретатель Гюйгенс был признан при жизни. Свидетельством такого признания было его избрание членом Парижской Академии наук и дружба с великими современниками – Лейбницем и Паскалем.

Совсем иначе, куда более трагично, сложилась жизнь другого изобретателя маятника – Галилео Галилея. Поэтому позволим себе более подробно остановиться на самом горестном событии в жизни учёного.

20 июня 1633г. Галилею – гражданину Флоренции, учёному, чье имя было известно не только в Италии, но и во всей Европе, – было предписано явиться в инквизиционный суд в Риме. На следующий день он исполнил это приказание, после чего был задержан и допрошен. (До сих пор доподлинно неизвестно велся ли допрос с пристрастием, т.е. с применением пыток, или нет).

22 июня Галилея препроводили в церковь «Санта Мария» и он предстал перед лицом кардиналов католической церкви и прелатов конгрегации – высшего суда инквизиции. Стоя на коленях, в одной рубашке перед своими судьями при большом стечении народа, в зловещей обстановке 70-летний старец выслушал суровый приговор кардиналов.

Приведём в переводе на русский язык выдержки из этого интереснейшего исторического документа.

Приговор кардиналов над Галилеем

«Мы [далее идёт перечисление фамилий семи судей], Божию милостью диаконы и кардиналы святой римской церкви, от апостольского престола наряженные генеральными инквизиторами против всякого еретического развращения, могущего появиться во вселенском христианском обществе.

Поелику ты Галилей…, имеющий 70 лет от роду, в 1615 году был обвинён в сем св. судилищем в том, что считаешь за истину и распространяешь в народе лжеучение, по которому Солнце находится в центре мира неподвижно, Земля же движется на оси суточным вращением; в том, что ты имел многих учеников, которым преподавал это самое учение…

Вследствие сего, сим святым судилищем (инквизицией), желающим оградить людей от вреда и соблазна, которые происходили от твоего поведения и угрожали чистоте Св. веры, по приказанию нашего господина и высокопреосвященнейших господ кардиналов сей верховной и всемирной инквизиции, была подвергнута обсуждению коперникова гипотеза о неподвижности Солнца и движении Земли, и учёные богословы постановили следующие два положения:

1) Что считать Солнце центром Вселенной и стоящим неподвижно – есть мнение нелепое, философски ложное и крайне еретическое, ибо ясно противоречит Св. писанию.

2) Что считать землю не центром Вселенной и не неподвижною – есть мнение нелепое, философски ложное и с богословской точки зрения также противное духу веры.

…В прошлом же 1632 году появилась книга, изданная во Флоренции, заглавие которой показывает что ты её автор… Из напечатания этой книги Св. конгрегация узнала, что ложное учение о движении Солнца с каждым днём всё более и более крепнет; по этому вышеназванная книга, по тщательном её рассмотрении, обнаружила, что ты явно преступил сделанное тебе внушение и продолжал защищать мнения проклятые и осужденные церковью. В сказанной книге ты разными способами ухищряешься представить вопрос не вполне решённым, а мнение Коперника весьма вероятным, но уже и это есть страшное заблуждение, так как ни коим образом не может быть вероятным то, что Св. церковь окончательно признала ложным и противным божественному писанию…..

Но дабы столь тяжкий и вредоносный грех твой и ослушание не осталось без всякой мзды, и ты впоследствии не сделался бы дерзновеннее, а напротив, послужил бы примером и предостережением для других, мы положили: запретить книгу под заглавием «Разговоры» Галилея, а тебя самого заключить в тюрьму Св. судилища на неопределенное время. Для спасительного же покаяния твоего предписываем, чтобы в продолжение трёх лет, однажды в неделю, ты прочитывал семь покаянных псалмов…

Так мы говорим, произносим, объявляем приговор, постановляем, присуждаем, властью нам данною, наилучшим образом и по крайнему нашему разумению.

Так присудили мы, нижеподписавшиеся кардиналы».

Попутно заметим, что суд над Галилеем свершался с благословения папы Урбана VIII. Чтобы лучше понять смысл приведенного приговора, касающегося осуждения Галилея и «ниспровержения» гелиоцентрической системы мира, обратимся к событиям, примерно, на 100 лет более ранним.

В 1512г. польский католический священник Коперник – искусный врач и знаток астрономии – был приглашен в Рим для участия в работе комиссии по реформе календаря.

Сначала Коперник пытался усовершенствовать геоцентрическую систему мира Птолемея, главным постулатом которой являлась гипотеза о Земле, как неподвижном центре мира, вокруг которого вращается Солнце и планеты.

В процессе долгой и кропотливой работы Коперник пришёл к выводу, что значительно более точные результаты при расчёте календаря даёт гелиоцентрическая система мира, согласно которой центром Вселенной является Солнце, вокруг которого вращается Земля и другие планеты.

Результаты своего титанического сорокалетнего труда Коперник изложил в сочинении «Об обращениях небесных тел», изданном в 1543 г. за несколько месяцев до своей кончины.

Несмотря на то, что римские прелаты легко создавали религиозное дело из научных открытий, они поначалу не придали особого значения теории Коперника и поэтому его книга долгое время находилась в свободном обращении, тем более, что она была посвящена папе Павлу III.

Познакомился с теорией Коперника и Галилей, став её твердым сторонником и открыто высказываясь в её защиту.

Гипотеза Коперника, подкрепленная открытиями Галилея, – Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот, – находила всё больше приверженцев в среде учёных, преподающих в университетах Европы, и даже среди духовенства. И тогда римская курия решила дать решительный бой сторонникам гелиоцентрической теории и уничтожить богопротивную, по их мнению, книгу Коперника, породившую ересь.

Галилея предупредили, чтобы он излагал учение Коперника как математическую теорию, а не как отражение физической реальности. В противном случае учёный может не избежать должной кары за сознательное распространение ереси.

Естественно возникает вопрос: почему католические богословы так опасались теории Коперника, какая была для них разница – Солнце вращается вокруг Земли или Земля вокруг Солнца, как это могло повредить религиозному восприятию мира? Могло, по их мнению, и даже весьма сильно!

Догмат католической церкви по данной проблеме сводился к следующему: человек является предметом попечений божества и по сему, обитая на Земле, должен стоять в центре мироздания. Поэтому Земля и только Земля, опекаемая Богом, а не какое-либо иное небесное тело, является центром Вселенной!

Данный догмат опирался на два места из Священного писания: на слова Иисуса Навина «Стой Солнце и не движись Земля» и возглас Давида «Земля да не подвижется в века».

С признанием же теории Коперника–Галилея (Земля вращается вокруг Солнца) рушилось понимание божественного мироздания, что для иерархов католической церкви было непереносимо тяжело, оскорбительно и с чем они никак не могли согласиться. Отсюда и проистекает такое твердолобое отстаивание ими догмата – Солнце и все остальные планеты вращаются вокруг Земли.

Первую «победу» самонадеянные и невежественные богословы одержали в марте 1616г, когда конгрегация запрещённых книг при римском папе (по-современному, цензурный комитет) приняла следующий декрет: «Ложное пифагорийское учение о движении Земли и неподвижности Солнца, как философски нелепое и вполне еретическое объявляется противным Сященному писанию».

Три подписи стояли под этим декретом, но подписи самого папы Павла V под ним не было. Следствием декрета явилось запрещение книги Коперника через 73 года после её выхода в свет и изъятие из обращения до тех пор пока в ней не будут исправлены те места, где его учение (Солнце – центр Вселенной) выражено не в смысле гипотезы, а как несомненная истина. (Заметим, что это запрещение было отменено католической церковью только 266 лет спустя в 1882г).

Галилей, однако, не смирился с папским декретом, продолжая отстаивать справедливость научного открытия Коперника.

Вот что он писал по данной проблеме, оставаясь человеком религиозным и верным католической вере: «Священное писание всегда несомненно истинно и служит полнейшим авторитетом в вопросах веры, но его таинственная глубина, часто не проницаема для нашего слабого разума, и крайне заблуждаются те, кто ищет в нём объяснения физических явлений, которых там нет и которых без изучения природы нельзя понять».

Более того, Галилей продолжал развивать теорию Коперника и после долгих проволочек, преодолев рогатки папской цензуры, издал книгу «Разговоры о двух величайших мировых системах: Птоломеевой и Коперниковой» (Сокращенно «Разговоры»).

Гнев католических прелатов после выхода в свет этой книги не знал границ, следствием чего явился созыв инквизиционного суда, вынесшего приведенный выше приговор, из которого следовало:

1) Земля – неподвижный центр Вселенной и все, кто не согласны с этим, – еретики;

2) Галилей, распространявший еретическое учение Коперника, достоин наказания.

Однако одним приговором дело не ограничилось. Галилея прилюдно заставили отречься и от учения Коперника, и от его собственной книги.

Вот небольшая выдержка из этого отречения, переведённого на русский язык:

«Я, Галилело Галилей,….на семидесятом году моей жизни, лично предстоя перед судом, преклонив колени перед вами, высокие и достопочтенные господа кардиналы вселенской христианской республики и против еретического развращения всеобщие инквизиторы, имея перед очами Священное евангелие, которого касаюсь собственными руками, клянусь, что всегда веровал, теперь верую и, при помощи Божией, впредь буду верить во всё, что содержит, что проповедует и чему учит святая католическая и апостольская церковь… Я признан находящимся под сильным подозрением в ереси, т.е., что думаю и верю, будто Солнце есть центр Вселенной и неподвижно, Земля же – не центр и движется.

По сему, желая изгнать из мыслей ваших высокопочтенные господа кардиналы, равно как и из ума всякого истинного христианина, это подозрение, законно на меня возбуждённое, от чистого сердца и с непритворною верою отрекаюсь, проклинаю, начинаю ненавидеть вышеназванную ересь и заблуждение… Кроме того, клянусь и обещаю уважать и строго исполнять все наказания и исправления, которое наложило или наложит на меня сие Святое судилище…».

В буквальном смысле слова, полная и безоговорочная капитуляция великого учёного перед невежественными, самонадеянными и жестокими людьми.

Любому человеку горько и невыносимо тяжело отрекаться от своих убеждений. Но иного выхода у Галилея не было, ибо Римская инквизиция от своих чад требовала полной покорности. В противном случае Галилея ждала участь Джордано Бруно и других знаменитых учёных, подвергшихся истязаниям и сожжению на костре.

И только неисправимые лицемеры могли бросить упрёк великому учёному и мужественному человеку Галилео Галилею в том, что он вынужден был принять отречение и не стать мучеником. Да и какая была бы польза для потомков, если бы Галилей сгорел на костре?

После суда и отречения Галилей прожил ещё девять лет, оставаясь узником инквизиции. Место пребывания ему, однако, было определено не в тюрьме, а на его вилле Арчетри вблизи Флоренции, где он и умер 8 января 1642 года.

Так в уединении под неусыпным оком инквизиции закончилась жизнь величайшего физика, астронома и философа, заложившего основы современной механики.

Справедливости ради следует сказать, что в 1992г. римский папа Иоанн Павел II объявил решение суда инквизиции от 22 июня 1633г. ошибочным, полностью реабилитировал Галилея спустя почти 360 лет после его осуждения и публично принёс учёному посмертные извинения.

А теперь исследуем работу маятниковых часов (рис.1) или, точнее, колебания маятника, изобретателями которого по праву можно считать двух великих учёных – Гюйгенса и Галилея.

Без учёта трения оси во втулке и сопротивления воздуха такие колебания описываются дифференциальным уравнением:

(1)

где Θ - угол отклонения маятника от вертикали;
J - момент инерции относительно оси;
M - момент сил, действующих на маятник относительно оси, определяемый его длиной L и силой тяжести mg:

M = –mgLsinΘ,

(2)

где g – ускорение силы тяжести, m – масса маятника.

Из (1) с учётом (2) получим:

(3)

где собственная частота колебаний маятника.

 При массе маятника, сосредоточенной в точке (такой маятник называется математическим), момент инерции J=mL² и частота:

(4)

При малой амплитуде колебаний маятника Θ_М <<1 можно принять sinΘ = Θ и тогда уравнение (3) преобразуется к виду:

(5)

Период колебаний маятника:

(6)

Из (6) легко определить длину маятника при заданном периоде колебаний:

L=gT2/4π2.

(7)

Из (7) при Т=1с и g = 9,80665 м/с² получим для требуемой длины маятника: L = 0,248405 м.

Итак, колебания маятника в более точной, нелинейной модели, описываются нелинейным дифференциальным уравнением (3), решить которое можно только численным путём.

При малой амплитуде колебаний возможна замена нелинейного уравнения на линейное (5), решение которого определяется аналитическим путем.

Результаты расчёта по обоим вариантам представлены на рис.2, где по оси абсцисс отложено время в секундах, по оси ординат – угол качания в радианах, сплошная линия AX относится к нелинейной модели, пунктирная AY – линейной.

Из построенных на рис.2 графиков следует, что при небольшой амплитуде колебаний Θ_М = 0.1рад. (рис.2,а) периоды колебаний маятника при обеих моделях практически совпадают, а при увеличенном значении амплитуды Θ_М = 1 рад. (рис.3,б ) – расхождение существенно: уже на 6-ом периоде оно достигает величины, равной 0,5с колебаний. В линейной модели период колебаний занижен по сравнению с нелинейной.

а) при Θ_М =0.1

б) при Θ_М =1

Рис.2. AX, AY – углы качания в рад., t – время в секундах

 В заключение отметим, что после доведения до совершенства маятниковых часов Галилея-Гюйгенса, следующим крупным шагом в повышении точности исчисления времени стало применение кварцевых часов.

"Сердцем" последних является кварцевый резонатор, обладающий высокими эталонными свойствами.

На смену кварцевым пришли ещё более точные квантовые часы, основой которых является молекулярный стандарт частоты. Погрешность наиболее совершенных квантовых часов с использованием излучения лазера составляет не более 1 секунды за несколько тысяч лет.

Задание

Если у вас есть старинные настенные часы с маятником, то измерьте его длину и результат сверьте с расчётом по формуле (7). При этом неизбежно расхождение между ними, поскольку при расчёте предполагается, что вся масса маятника сосредоточена в одной точке и угол качания мал.

В.И. Каганов, доктор технических наук, профессор МИРЭА