"Чудо — всякое явление, кое мы не умеем объяснить по известным законам природы". Так определяет слово "чудо" толковый словарь В. Даля. Можно быть уверенным, что ни сам Ктезибий и никто из его современников понятия не имели о тех законах природы или законах механики, которые управляли движениями этого автомата. Ктезибий творил обыкновенное техническое "чудо", для этого ему служили его руки, его талант и уроки, полученные им от его учителей.
Автоматы, отсчитывающие время, по утверждению К. Маркса, были первыми автоматами, созданными для практических целей. Поэтому для нас они представляют особый интерес. А Герон в своих трудах описывает и другие автоматы, также использовавшиеся в практических целях, но совсем другого характера, в частности первый известный нам торговый аппарат — устройство, автоматически отпускавшее за деньги "святую воду" в египетских храмах.
Во все времена приверженцы всех религий больше или меньше верили в чудеса, которыми полны священные книги и изустные учения. Они верили в чудеса и жаждали чуда. Неудовлетворенный спрос обычно рождает разочарования. Это опасно потому, что за разочарованием может последовать неверие. Поэтому спрос должен был быть удовлетворен. Этой цели служили многие "рукотворные" чудеса, и в том числе описанный Героном торговый автомат.
Время с собой
Механические часы тоже автомат-долгожитель. Он изготовляется и совершенствуется добрую тысячу лет.
Этот длительный процесс оказал огромное влияние на развитие точных наук и на становление самых различных технологий. В связи с совершенствованием механизмов часов и созданием новых принципов их устройства было сделано множество научных открытий и технических изобретений.
Точное время нужно было, конечно, не только для того, чтобы точно являться на свидания и званые ужины. Определение местонахождения корабля в открытом море требует знания точного времени, которое можно хранить на корабле только при помощи достаточно точных часов. Знания точного времени требуют астрономические наблюдения, измерения скоростей движения экипажей, людей и животных, физические, механические, химические опыты, выполнявшиеся учеными, неисчислимое множество технологических процессов, сама жизнь человеческого общества. Точное время "добывали" изобретатели, механики, инженеры и ученые. Иногда все эти специальности совмещались и выступали в одном лице. Достаточно назвать хотя бы двух из числа таких лиц, чтобы понять, какое место всегда занимала проблема точного времени.
Первое упоминание о механических часах относится к VI веку нашей эры. Первые более или менее достоверные сведения о построенных часах приходят к нам из IX и X веков. До XVI века у часов была только одна часовая стрелка; в сутки они "врали" не меньше чем на пятнадцать минут, в качестве источника энергии в них использовался опускающийся груз. А затем темп усовершенствования часов сильно ускорился.
Великий итальянский физик Г. Галилей в одном лице совмещал первооткрывателя, ученого, изобретателя и инженера. На основании дошедших до него сведений из Голландии об изобретенной там зрительной трубе он в 1609 году построил подобную трубу, дававшую трехкратное усиление. Казалось бы, в этом особенное лишь то, что он выступал здесь в качестве инженера.
Но он первым в мире догадался направить эту трубу на ночное небо. То, что он увидел, представляло собой не одно, а целый спектр великих открытий. Он открыл ни много ни мало — новую неожиданную картину мира, увидел удаленность звезд, вращение Солнца, пятна на нем и многое другое, из чего складывается современная астрономия. Он догадался, что, увеличивая оптические возможности телескопа, человек будет видеть в ночном небе все больше и больше. Г. Галилей расширил нашу вселенную и изменил о ней все представления своих современников, став великим открывателем в ту ночь, когда взглянул в свой телескоп на небо.
Г. Галилей тоже нуждался в точном времени и изобрел (хотя и не построил) маятниковые часы, в которых колебания маятника и счет их числа производились автоматически. В этом изобретении, как в капле воды, проявляется удивительное слияние инженерного таланта с талантом ученого.
Г. Галилей — выдающийся ученый-механик. Его работы по формированию основных принципов механики имеют основополагающее значение для современной науки. Вместе с тем полученные им глубокие результаты он иллюстрировал на наглядных примерах решения практических задач. В качестве одного из таких примеров он рассмотрел задачу о качании маятника. И получил с первого взгляда явно неправдоподобный результат. Его выкладки показывали, что время одного полного качания, если можно так выразиться, время одного "тик-так", остается одним и тем же при различных размахах маятника, при условии, что они из очень большие. Догадаться об этом чисто интуитивно, путем прямого изобретательства, просто невозможно! Было невозможно во времена Г. Галилея, так же как в наше время невозможно просто взять и догадаться, чему равна, например, первая космическая скорость.
Работа Г. Галилея по исследованию движения маятника, положившая основу всей современной теории колебаний, — работа выдающегося ученого. А дальше?
А дальше на первый план выступает искусство выдающегося инженера и изобретателя. Вот как можно представить себе ход его мысли.
Если время качания практически не зависит от величины размаха маятника, то, значит, каждое его качание отсчитывает один и тот же промежуток времени, каждое качание — точная единица времени, даже если размахи маятника не совсем одинаковы. И значит, считая число качаний, мы можем точно измерять время!
Все, что нужно было знать, чтобы изобрести маятниковые часы, Г. Галилей уже знал как ученый-механик. Оставалось "только" их изобрести! И если, следуя за рассуждениями и выкладками Г. Галилея, можно понять, как он обнаружил изохронность маятника (то есть постоянство времени его качания), то как он изобрел новый принцип действия часов, каков этот галилеевский "механизм" процесса изобретательства, понять нельзя и сегодня. По той простой причине, что сегодня, как и во времена Герона и Г. Галилея, изобретательство в значительной мере остается особым продуктом человеческого творчества, некоторой разновидностью искусства, требующей особого таланта, дарования. Маятниковые часы не мог бы изобрести ни один "просто ученый" и ни один "просто изобретатель". Г. Галилей совмещал обе эти "специальности", он мог изобрести часы, и он их изобрел!
И еще одно имя нельзя не вспомнить в связи с историей автоматов, отсчитывающих время. Это имя выдающегося голландского механика, физика и математика Христофора Гюйгенса, которому исполнилось 13 лет в год смерти Г. Галилея.
При всех положительных качествах маятниковых часов им свойствен тот существенный недостаток, что они очень чувствительны к изменениям положения, к всяческим сотрясениям и движениям их корпуса.
И вот X. Гюйгенс, на протяжении ряда лет занимавшийся усовершенствованием часов, предложил использовать в качестве источника периодических движений не маятник, а систему "баланс-спираль".
Представьте себе небольшое кольцо со спицами и втулкой, сидящее на свободно поворачивающейся оси, — это баланс. А спираль — спиральная пружинка, внутренний конец которой закреплен неподвижно, а наружный соединен с кольцом. Баланс и спираль образуют такую же колеблющуюся систему, как и маятник, обладающую тем же свойством изохронности. Но центр тяжести баланса в отличие от центра тяжести маятника совпадает с осью его качания. При этом на точность отсчета времени не влияют ни толчки, ни тряска, совершенно недопустимые для маятниковых часов. Теперь время можно было "носить с собой".