Дерек Хауз
Гринвичское время и открытие долготы
Предисловие редактора перевода
С незапамятных времен вся деятельность человека регулировалась естественной шкалой времени, задаваемой суточным вращением Земли вокруг своей оси, которое приводит к последовательному чередованию света и темноты - дня и ночи. По мере развития человеческого общества возникала потребность во все более точном измерении времени, и сегодня мы как о совершенно реальном говорим об измерениях времени с точностью до одной десятимиллиардной (!) доли секунды. Сейчас, в конце XX в., абсолютно немыслима жизнь без знания точного времени - этого требуют и наука, и вся практическая деятельность человека. Потребителями точного времени в наши дни являются железнодорожный транспорт, авиация, а также различные организации, занимающиеся картографическими съемками, астрономией, сейсмологической службой, космическими исследованиями, навигацией и многими другими вопросами.
Проблема определения времени оказала огромное влияние на многие стороны научной и культурной истории человечества. Не без основания можно считать, что начало научного мышления человека, побудившего его пытливо изучать тайны природы, было связано с измерением времени. Этот многотрудный, никогда не прекращавшийся процесс в конце концов привел к установлению того факта, что Земля вращается вокруг своей оси неравномерно и поэтому не может служить основой для точного измерения времени. По существу эта неравномерность не так велика и выражается главным образом в том, что период вращения Земли в июле-августе на тысячную долю секунды меньше суток, а в марте - на столько же больше. Однако весьма вероятны случайные флуктуации в скорости вращения Земли и постепенное, вековое ее замедление. Пока еще трудно судить обо всех возможных последствиях этого факта, но значение данного открытия, несомненно, весьма велико.
Наряду с измерением времени одной из первых задач, поставленных перед человеком жизнью еще в глубокой древности, была задача ориентировки на местности. Попытка решить эту проблему привела к развитию астрономии как науки. Зарождение практической астрономии в современном понимании ее целей следует относить к эпохе великих географических открытий (XVI-XVII вв.). Важнейшей научной задачей того времени было определение положений на суше и на море и составление карт открываемых и осваиваемых земель. Решение этой задачи не только обеспечивало нужды мореплавания, но и помогало закрепить новое научное представление о фигуре и размерах Земли, об очертаниях континентов и взаиморасположении геоморфологических образований.
Большая заслуга в осуществлении этих исследований принадлежит Гринвичской обсерватории. Основанная во второй половине XVII в., эта обсерватория была призвана в первую очередь обеспечить мореплавание необходимыми астрономическими данными (таблицами движения тел Солнечной системы и каталогами неподвижных звезд). В задачи обсерватории также входило совершенствование навигационных методов и определение координат пунктов на суше и на море.
Помимо проблем мореплавания толчком к развитию практической астрономии явилась научная дискуссия о форме и размерах Земли, начатая в конце XVII в. последователями Ньютона и Кассини и стимулировавшая проведение градусных измерений в разных частях Земли.
Как известно, разность долгот двух точек на земной поверхности равна разности значений местного времени в этих точках в один и тот же физический момент (который определялся по наблюдению какого-либо астрономического явления). Таким образом, задача определения долготы сводится к получению в некоторый момент разности значений местного времени в определяемом пункте и пункте, долгота которого известна. Для решения этой задачи необходимо производить определение местного времени в обоих пунктах (т.е. нужны часы-хранитель времени и астрономические наблюдения) и каким-либо образом передавать значение местного времени пункта с известной долготой в пункт с определяемой долготой (т. е. нужна какая-то связь между пунктами, часто весьма удаленными). Поэтому понятно, какое значение для науки имело изобретение часов-хранителя времени и прибора для измерения его интервалов. К. Маркс в «Капитале» указывает: «... ремесленный период ... оставил нам великие открытия: компас, порох, книгопечатание и автоматические часы». Значение часов, конечно, не ограничивалось нуждами науки. Маркс далее пишет: «Что было бы без часов в эпоху, когда решающее значение имеет стоимость товаров, а потому и рабочее время, необходимое для их производства?».
С изобретением в 1765 г. морского хронометра появилась возможность перевозки часов из одного места в другое без существенного нарушения их хода. Хронометр, поправка (показаний часов относительно местного времени) которого была определена в пункте с известной долготой, перевозили в пункт с измеряемой долготой; определив затем его поправку относительно местного времени, находили искомую разность долгот. Интересно отметить, что способ перевозки хронометров применялся и на суше - для определения долгот обсерваторий. В середине прошлого века с этой целью организовывались специальные «хронометрические экспедиции». Во время таких экспедиций для повышения точности результатов перевозились десятки хронометров. Этим способом, например, в 1843 г. были определены разности долгот между Пулковом, Альтоной и Гринвичем.
Изобретение проволочного телеграфа положило конец «хронометрическим экспедициям». Для определения разности долгот стали теперь использовать линии телеграфной связи. Сигнал, передаваемый из обсерватории с известной долготой, принимался в некоторый момент по местному времени в определяемом пункте. Зная момент подачи сигнала и показания часов в определяемом пункте в этом момент, можно было получить поправку часов относительно местного времени опорной обсерватории.
В настоящее время для определения долгот используются сигналы точного времени, передаваемые по радио.
Вообще говоря, проблема измерения времени и определения разностей долгот является составной частью одного из разделов астрономии - астрометрии. Цели их идентичны, приборы и методы - тоже, а для решения их задач необходимо точное знание координат звезд. В настоящее время все большее распространение в астрономии получают новые методы определения параметров вращения Земли: доплеровские и светодально-метрические наблюдения, проводимые специальными искусственными спутниками Земли, а также наблюдения квазаров с помощью радиоинтерферометров. Уже первые результаты этих исследований заставляют считать, что им принадлежит будущее.
Упомянем еще об одном обстоятельстве. Изменение со временем разностей долгот обсерваторий, расположенных на различных континентах, может служить удобным индикатором перемещения материков. Первые попытки получить сведения о дрейфе континентов из астрономических наблюдений были предприняты немецким геофизиком Вегенером. Рассмотрев долготные определения конца прошлого века, он пришел к выводу, что, например, долгота Гренландии действительно постепенно изменяется и эти изменения согласуются с его теорией дрейфа континентов. В дальнейшем оказалось, что долгота Гренландии, установленная в 1932 г. посредством приема радиосигналов, отличается от ее значения, определенного в 1870 г. по наблюдениям покрытий звезд Луной, на 5 с дуги (т.е. весьма сильно). Вероятнее всего, столь значительное различие объясняется ошибками старых наблюдений. (Как было остроумно замечено, если полностью доверять старым наблюдениям, то следовало бы считать, что большие сдвиги континентов имели место до изобретения телеграфа, средние сдвиги-до изобретения радио, а затем сдвиги прекратились!) Как бы то ни было, но если дрейф континентов действительно существует, то он, возможно, будет обнаружен из долготных определений.
Одним из важных аспектов установления наиточнейшей шкалы времени (имеющим к тому же и большое практическое значение) является введение поясного времени и единого для всех начального меридиана - общего нульпункта для отсчета долготы.