Текст книги "Занимательная история мер измерений, или Какого роста дюймовочка"

Современные календари

Юлианский календарь был введен эдиктом Юлия Цезаря и основывался на современном ему римском календаре, который состоял из двенадцати месяцев и продолжался 355 дней. В каждом втором году римского календаря между VII и VI днями до мартовских календ (между 23 и 24 февраля) мог вставляться дополнительный месяц Мерцедоний. Решение о вставке дополнительного месяца принималось понтификом. В период смуты это происходило нерегулярно, кроме того, понтифик порой принимал решения по политическим мотивам, желая удлинить или укоротить правление тех или иных консулов (два консула избирались на год и правили от января до января следующего года).

В 46 году до н. э. Цезарь провел календарную реформу, чтобы восстановить синхронизацию календаря с временами года и избежать своеволия понтификов. Длины месяцев он изменил так, чтобы в сумме они составили 365 дней. Раз в четыре года после 23 февраля должен был быть вставлен дополнительный день. Календарь начал действовать с 1 января 45 года до н. э.

Чтобы восстановить соответствие календаря временам года, Цезарь вставил 67 дополнительных дней между ноябрем и декабрем, разделив их на два месяца (Intercalaris Prior и Intercalaris Posterior). Таким образом, 46 год до н. э. длился 445 дней.

Цезарь переименовал месяц квинтилис в свою честь, дав ему имя иулиус. Впоследствии несколько императоров называли месяцы своими именами, но, помимо июля, лишь август, названный в честь преемника Цезаря Октавиана Августа, остался до сих пор.

Римский календарь основывался на обратном счете от одного из трех дней месяца – календ (первый день месяца), нон (примерно четверть месяца) или ид (середина месяца). Дата отсчитывалась обратным счетом от ближайших календ, ид или нон. Такое обозначение дат долгое время сохранялось и в юлианском календаре.

И только со Средних веков начала распространяться система последовательного счета, в которой все числа месяца нумеруются от первого до последнего.

В юлианском календаре обычный год состоит из 365 дней и делится на 12 месяцев. Раз в 4 года объявляется високосный год, в который добавляется один день – 29 февраля. Таким образом, юлианский год имеет продолжительность в среднем 365,25 дней, что больше продолжительности тропического года (средняя продолжительность – 365 дней 5 часов 48 минут 45,19 секунды) на 11 минут и 15 секунд.

В 525 году папа Иоанн I поручил монаху Дионисию Малому составить новую пасхальную таблицу. Дионисий использовал таблицы александрийской церкви, в которых использовалась эра Диоклетиана, однако, не желая вести отсчет по годам правления «нечестивого гонителя», решил обозначить годы от «воплощения Христа». В его таблице 532 год ab inscriptione («от воплощения») следовал за 247 годом эры Диоклетиана. Эта пасхальная таблица, будучи одобрена папским престолом и войдя во всеобщее употребление, ввела в оборот и эру «от Рождества Христова».

В официальных актах эра от Р. X. встречается уже в капитулярии Карл Омана от 21 апреля 742 года. В папских актах она в ходу с Иоанна XIII (X век). Между тем, была допущена ошибка в начале летоисчисления из-за неправильного подсчета количества пасх, прошедших с распятия Христа. Из-за этой ошибки год рождения Христа приходится не на 1 год н. э., а лежит в промежутке от 12 до 4 года до н. э.

Однако, как уже было сказано, юлианский год не совпадал с реальным (он называется тропическим), и день весеннего равноденствия, в зависимости от которого определялась дата празднования христианской Пасхи, смещался на все более ранние даты. В момент введения юлианского календаря, он приходился на 21 марта как по принятой календарной системе, так и по факту. Но к XVI веку разница между тропическим и

юлианским календарем составила уже около десяти суток. В результате день весеннего равноденствия приходился уже не на 21, а на 11 марта.

Еще в XIV веке Никифор Григора, ученый из Византии, сообщил об этом императору Андронику II и считал, что календарь надо пересмотреть. Однако император не стал ничего предпринимать, опасаясь протеста со стороны церкви. Впоследствии и другие византийские ученые говорили и писали об этой проблеме.

К XVI веку проблема стала настолько актуальной, что необходимость ее решения уже не вызывала сомнений. В результате папа Григорий XIII собрал комиссию, которой было поручено произвести все необходимые исследования и создать новую календарную систему. Полученные результаты были отображены в булле «Среди важнейших». Именно она стала документом, с которой началось принятие новой календарной системы.

В юлианском календаре високосными считаются все годы, которые делятся на 100 без остатка. В результате с каждым годом разница с тропическим календарем возрастает. Примерно через каждые полтора столетия она увеличивается на 1 день.

В григорианском календаре меньше високосных лет. Високосными считаются годы, которые без остатка делятся на 400, без остатка делятся на 4, но при этом без остатка не делятся на 100.

Таким образом, 1100 или 1700 годы в юлианском календаре считаются високосными, поскольку они делятся на 4 без остатка. В григорианском же календаре високосными считаются 1600 и 2000 годы.

Григорианский календарь тоже не идеален, но в нем лишний день набежит не за 150, а за 10 000 лет.

Первыми на новый календарь перешли католические государства. В этих странах григорианский календарь был официально принят либо в 1582 году, либо в скором времени после указа папы Григория XIII.

В ряде государств переход на новую календарную систему был сопряжен с народными волнениями. Наиболее серьезные из них имели место в Риге. Они продолжались целых пять лет – с 1584 по 1589 год.

Россия приняла григорианский календарь одной из последних. Новая система была официально введена на территории РСФСР 26 января 1918 года декретом Совнаркома. В соответствии с этим документом сразу после 31 января того года на территории государства наступило 14 февраля.

Позже, чем в России, григорианский календарь был введен в немногих странах, среди которых – Греция, Турция и Китай.

После официального принятия новой системы летоисчисления папа Григорий XIII отправил в Константинополь предложение о переходе на новый календарь. Однако оно было встречено отказом. Основной причиной было несоответствие календаря канонам празднования Пасхи. Однако в дальнейшем большинство православных церквей все же перешли на григорианский календарь.

На сегодняшний день только четыре православных церкви пользуются юлианским календарем: русская, сербская, грузинская и иерусалимская.

Во время Великой французской революции, 5 октября 1793 года, было введено десятичное время. Сутки от полуночи до полуночи делились на 10 десятичных часов, час на 100 десятичных минут, а минута на 100 десятичных секунд. Таким образом, полночь приходилась на 0:00:00, полдень – на 5:00:00 и т. п. В отличие от республиканского календаря, эта система измерения времени не получила достаточного распространения и была официально отменена в 1795 году.

В 1967 году Международный комитет мер и весов принял фиксированную секунду, без привязки к текущей продолжительности солнечных суток на Земле. Новая секунда стала равна 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения внешними полями.

История создания часов

До того как разработать системы подсчета времени, люди долгое время пользовались природными часами. Это были и растения, и животные, Чтобы понять их поведение, требовалось долгое время наблюдения. И эти сведения сохранились до сих пор.

Еще в глубокой древности люди заметили, что растения способны показывать время. Как и все живые организмы, они обладают «биологическими часами», которые регулируют их жизнь. У растений есть своеобразные механизмы определения времени. Они возникли как результат их развития при определенных условиях на протяжении многих поколений. Цветы реагируют на чередование суточных периодов.

Суточные биоритмы наиболее заметно проявляются у растений с яркими и крупными цветками. В течение суток цветки таких растений периодически раскрываются и закрываются. Эту закономерность люди заметили очень давно. Еще в Древней Греции и Риме на цветниках высаживали растения, цветки которых раскрывали и закрывали свои венчики в разное время суток. По таким «биологическим часам» определяли время, но, конечно, приблизительно, так как точность работы зависела от многих условий.

Человек заметил, что в зависимости от времени суток клев рыбы изменяется. Птицы пробуждаются в разное время суток и знаменуют свое пробуждение пением, поэтому они могут быть ориентирами во времени.

Биологические часы у растений возникли как результат развития в условиях чередования периодов суток: утра, полудня, вечера, вечерних сумерек, ночи.

Цикличность, возникшая у растений на протяжении бесчисленных поколений, прочно закрепилась в наследственности. Все жизненные процессы подчинены суточным ритмам.

Первыми от ночного сна пробуждаются желтые цветки козлобородника, немного погодя раскрываются голубые цветы дикого цикория. К пяти-шести часам утра, с появлением первых лучей солнца, открываются цветки дикого шиповника, мака и одуванчика, полевого вьюнка и красной полевой гвоздики. Как только солнце взошло над горизонтом и осветило землю, раскрывает белоснежные венчики кувшинка. После полудня яркий цветочный покров теряет свои краски. Те цветки, которые раскрылись первыми, первыми и закрываются. К трем-четырем часам дня многие цветы уже начинают «засыпать» или «готовиться ко сну». В пять часов вечера складывает свои лепестки кувшинка, а шиповник держит цветы открытыми вплоть до захода солнца.

Как только солнце опускается к горизонту и становится прохладнее, начинают оживать другие растения.

Такая периодичность цветения выработалась у растений постепенно и определяется не только солнечным ритмом, но и ритмом жизни насекомых, которые опыляют цветки. Когда насекомые находятся в состоянии покоя, цветки закрыты. Когда же насекомые начинают свой лет, отрываются и цветки. К вечеру многие из них закрываются, чтобы предохранить нежные органы от переохлаждения и попадания на них ночной росы или дождя.

Большинство растений цветет в дневное время, но есть среди них и такие, которые цветут только вечером или ночью.

Первые природные часы появились в Древнем Риме. Они представляли собой прямоугольную цветочную клумбу, куда высаживались растения, зачастую совсем не сочетающиеся по цвету или форме. Зато цветки закрывались и распускались в определенное время суток. Эта особенность помогает им защищать пыльцу от дождя и холода, а также открываться именно тогда, когда различные насекомые прилетают к цветкам.

В середине XVIII столетия идея древних римлян была доработана шведским ученым-ботаником Карлом Линнеем в Уппсале.

Этот выдающийся ученый написал научный трактат «Сон растений». Он всю свою жизнь посвятил систематизации растений. Много лет наблюдал за ними и обратил внимание на то, что растения можно сгруппировать по особому признаку – времени раскрытия и закрытия цветков.

В 1755 году Карл Линней посадил в своем саду цветы-часы. На круглой клумбе он расположил растения в соответствии со временем раскрытия цветков. На этой цветочной клумбе росли цикорий и шиповник, одуванчик и картофель, ноготки и многие другие цветы. Они росли по кругу, в каждом секторе свое растение. Растения в каждом последующем секторе распускались через час после предыдущего. Цветы в первом секторе распускались около 4 часов утра.

Карл Линней мог определить время, увидев, какие цветки раскрыты. Даже при пасмурной погоде можно было точно определить время.

Сад Линнея стал очень популярен. И с тех пор подобные клумбы стали высаживаться на городских улицах и приусадебных участках в качестве интересного украшения.

✓ Бодяк полевой раскрывает соцветия в 7–8 часов утра, закрывает в 14–15 часов.

✓ Вербена лекарственная. Ее цветок начинает раскрываться между 7–8 часами утра.

✓ Вьюнок полевой открывает цветки в 9—10 часов утра и лишь в 20 часов закрывает.

✓ Гвоздика полевая раскрывает лепестки в 5–6 часов утра.

✓ Кувшинка белая. Растение цветет с конца мая по август. В хорошую погоду ее цветки появляются на поверхности водоема в 5–6 часов утра. К 18 часам она закрывается и уходит под воду.

✓ Кислица обыкновенная. Ее листочки начинают распрямляться в 3–4 часа утра, а в 9—10 часов распускаются белые, реже розоватые цветки. В 18–19 часов они закрываются.

✓ Картофель. Растение цветет с конца июня по август. Примерно к 8 часам утра картофельное поле становится от раскрывшихся цветков белым или розовым (в зависимости от сорта). В 15–16 часов цветки закрываются.

✓ Лютик едкий раскрывает свои цветки в 7–8 часов утра, закрывает в 15–16 часов.

✓ Лен полевой. Цветет с июня по август. Цветки открываются в 6–7 часов, закрываются в 16–17 часов, в сырую и дождливую погоду не раскрываются.

✓ Календула (ноготки). Ноготки цветут долго, с начала июня по октябрь. Цветки раскрываются в 9 часов, закрываются в 15–16 часов.

✓ Кисличка рожковая. Цветки открываются в 9—10 часов, закрываются в 17–18 часов. Цветет кисличка в мае и часто осенью во второй раз.

✓ Мать-и-мачеха обыкновенная раскрывает цветы в 9—10 часов, а закрывает около 18 часов.

✓ Мак-самосейка цветет в июне – июле. Цветок живет два дня, затем опадает. Раскрывается в 5–6 часов утра, закрывается в 20–21 час.

✓ Одуванчик лекарственный. Корзинки одуванчика в сырую погоду совсем не раскрываются. В сухую открываются между 5–6 часами, а после 17 часов закрываются.

✓ Осот цветет с конца июня до октября. Осот огородный раскрывает свои корзинки в 5 часов, закрывает в 11–12 часов. Если он вовсе их не раскрывает, то на следующий день можно ожидать дождя.

✓ Смолка обыкновенная. Растение – хороший медонос. Цветет в мае – июне. Раскрываются цветки в 10–11 часов и закроются лишь в 21–22 часа.

✓ Табак душистый раскрывает цветы в 20–21 час.

✓ Торичник красный цветет с мая до сентября. Цветки раскрываются в 9—10 часов, закрываются в 14–15 часов.

✓ Фиалка ночная распускает цветы в 21–22 часа.

✓ Цикорий обыкновенный. Цветет в июне– июле. Нежные голубые краевые цветки («лепестки») цикория обыкновенного раскрываются рано утром, в 4–5 часов, и уже к 10 часам засыпают.

✓ Шиповник. Цветки повернуты к солнцу. Цветки шиповника раскрываются рано утром, в 4–5 часов. Цветок остается раскрытым до самого заката, закрывается в 19–20 часов.

✓ Ястребинка зонтичная цветет с конца июня до сентября. Корзинки раскрываются в 6 часов, закрываются в 17 часов.

✓ Ястребинка волосистая цветет в мае – июне, иногда до осени. Корзинки раскрываются между 6–7 часами, закрываются в 15–16 часов.

Все живые организмы подчиняются суточному ритму. Кроме того, их жизнь связана с сезонными, приливно-отливными и годовыми ритмами. У многих животных есть внутренние ритмы или биологические часы. Птицы пробуждаются в разное время суток и поэтому могут быть своего рода ориентирами во времени.

✓ Лесной жаворонок просыпается раньше всех и начинает свою песню. Он начинает петь в 1 час ночи. Живет в Западной Европе.

✓ Соловьи начинают петь в 2 часа ночи. Пение очень звучное. Живут в Евразии, а зимуют в Африке. Песня состоит из повторяющихся свистов и щелканий (колен). Колено песни может повторяться несколько раз. Число колен доходит до 12.

✓ Малиновка, или зорянка, начинает петь одной из первых птиц на заре. Ранним утром, в 2–3 часа, начинается ее «теньканье» и трескотня в лиственном, смешанном лесу и парках. Она селится чаще ближе к сырым местам. Малиновка одной из первых птиц возвращается в северные края.

✓ Жаворонок просыпается в 2–3 часа ночи.

✓ Горихвостка просыпается в 2–3 часа. Она водится в парках, садах. Ее пение напоминает громкую хриплую трель.

✓ Перепел начинает петь в 3 часа. Голос самца-перепела – ваваканье трижды, а затем «пить-пиль-пить». Самки «тю-рю-рюкают».

✓ Иволга начинает петь в 3 часа. Пение напоминает мелодичный свист, звук флейты. Песня иволги «фиу-лиу-ли» или «фитиу-лиу».

✓ Кукушка начинает свою песню в 3 часа. Самцы поют известную песню «ку-ку-ку», а затем переходит в глуховатый хохот. Самки более молчаливы. Ее трель «кли-кли-кли».

✓ Зяблик начинает петь в 4 часа утра. Песня начинается свистом, затем трель с росчерком. Песня длится 2–3 секунды. После паузы в 10 секунд она начинается снова.

✓ Овсянка начинает петь в 4 часа. Голос не очень громкий, мелодичный. Ее песня «зинь-зинь-зинь-зии-циик». Когда поет, садится на самую верхушку дерева.

✓ Щегол просыпается в 4 часа. Он исполняет 20 вариантов различных трелей.

✓ Скворец начинает петь в 4–5 часов утра.

✓ Петух кричит три раза. В прежние времена по петухам определяли время по утрам. В первый раз он кричит после полуночи, затем в 2 часа пополуночи, и в последний раз рано утром, примерно в начале пятого.

✓ Трясогузка просыпается в 5 утра.

✓ Крапивник начинает петь каждый день в 6 утра независимо от восхода солнца. Песня похожа на соловьиную. В песне звучные флейтовые тоны, несколько трелей с сухим треском.

✓ Воробей начинает петь в 6 часов утра. Пение – чириканье.

✓ Панамский тинаму заводит свою песню каждые три часа, как днем, так и ночью. Такой режим пения у него круглый год. Панамцы его называют трехчасовиком. У этой птицы существуют какие-то свои биологические ритмы.

Различают солнечные часы экваториальные, горизонтальные, вертикальные (если плоскость циферблата вертикальна и направлена с запада на восток). Строились также утренние или вечерние (плоскость вертикальна, с севера на юг), конические, шаровые, цилиндрические солнечные часы, в зависимости от фантазии творца.

Экваториальные солнечные часы состоят из кадрана (плоскость с часовыми делениями) и гномона. Часовые деления на кадран наносятся через равные угловые промежутки, как на циферблате обыкновенных часов, а гномон обычно представляет собой металлический стержень, устанавливаемый на кадране перпендикулярно его поверхности. Затем кадран ориентируется в горизонтальной плоскости так, чтобы прямая, соединяющая основание гномона и часовое деление, соответствующее полудню, была направлена параллельно полуденной линии в сторону юга – для Северного полушария, или в сторону севера – для Южного полушария, и наклоняется относительно плоскости горизонта, соответственно, в сторону севера или сторону юга на угол а = 90° – ср, где ср – географическая широта места установки солнечных часов. Кадран будет параллелен небесному экватору (отсюда – название этого типа солнечных часов), а поскольку небесная сфера в течение дня вращается равномерно, то и тень от гномона за любой час дня будет описывать равные углы.

Главный недостаток экваториальных солнечных часов – то, что они, в отличие от горизонтальных, будут работать только от дня весеннего равноденствия до дня осеннего равноденствия (в Северном полушарии весеннее равноденствие – в марте, осеннее – в сентябре, в Южном полушарии весеннее равноденствие – в сентябре, осеннее – в марте). В остальную часть года они работать не будут, поскольку Солнце будет находиться по другую сторону от плоскости небесного экватора, и вся верхняя поверхность кадрана будет в тени. Конечно, этот недостаток можно устранить, если сделать кадран в виде пластины, нанести часовые деления и на верхнюю, и на нижнюю поверхность, а гномон продолжить под пластину, но и тогда в дни, близкие к дню весеннего или осеннего равноденствия, солнечные часы не будут работать – Солнце будет светить на пластину не сверху и не снизу, а сбоку.

Равные угловые промежутки (t = 15°) между соседними часовыми делениями, как на циферблате обычных часов, и перпендикулярность гномона кадрану являются основными преимуществами экваториальных солнечных часов над горизонтальными и вертикальными.

Горизонтальные солнечные часы, так же, как и экваториальные, состоят из кадрана и гномона. Однако в данном случае кадран устанавливается параллельно плоскости горизонта. Чаще всего гномон представляет собой треугольник, перпендикулярный плоскости кадрана, а одна из его сторон наклонена к ней на угол, равный географической широте места установки часов. Линия пересечения гномона и кадрана направляется параллельно полуденной линии – линии, вдоль которой в данном месте направлена тень вертикального стержня в истинный полдень.

Сохранились горизонтальные солнечные часы в городе Перт, Австралия, с характерными для Южного полушария особенностями: тень в полдень – на юге, а Солнце – на севере; видимый путь Солнца по небосводу проходит справа налево, поэтому нумерация часов идет против часовой стрелки.

Вертикальные солнечные часы обычно размещают на стенах зданий и различных строений. Поэтому их кадран вертикален – перпендикулярен плоскости горизонта и может быть повернут в различные стороны. От стороны, в которую повернут кадран, зависит расположение на нем часовых делений. Симметричными относительно полуденного деления они будут лишь при кадране, обращенном строго на юг в Северном полушарии, или на север – в Южном полушарии, иными словами – при кадране, перпендикулярном полуденной линии. Для так направленного кадрана гномон должен лежать в плоскости небесного меридиана, иными словами – быть перпендикулярным как плоскости кадрана, так и плоскости горизонта, а одна из его сторон должна быть параллельной земной оси, откуда следует, что она должна составлять с плоскостью кадрана угол, равный 90° – φ, где φ – широта места установки.

В Московском планетарии установлены вертикальные солнечные часы, показывающие время и дату. Это редкая конструкция солнечных часов, в которых гномон, указывающий на Полярную звезду, нижним концом соединен с диоптром. Световое отверстие в виде Солнца с короной отбрасывает зайчик на вертикальный щит-циферблат, на поверхности которого нанесена система дат и часов. Плоскость часов ориентирована в направлении запад – восток.

Сверху вниз по стенду идет веер прямых линий, размеряющих часы и минуты, а по горизонтали – пучок гипербол, вдоль которых тень от Солнца скользит в разные месяцы на разной высоте. Солнечный зайчик одновременно указывает время суток и время года.

В день летнего солнцестояния, когда Солнце отдаляется максимально высоко от небесного экватора и достигает тропика Рака, зайчик ходит по нижней кромке координатной сетки. В дни весеннего и осеннего равноденствий солнечный круг пройдет по средней горизонтальной линии, по экватору. А зимой зайчик будет ходить по верхам.

Конические солнечные часы. В античной Греции такие часы были изобретены на основе теории конических сечений Аполлония. Суть этих часов в том, что ось вогнутого сегмента конуса находится параллельно земной оси. Конус направлен туда же, куда и горизонтальный гномон.

На основной, направленной на юг, стороне солнечных часов имелся циферблат, расположенный перпендикулярно конусной оси и параллельно экватору. Через разделенные на 12 равных частей дуги были проведены часовые линии.

Падающая тень пересекала эти дуги, и по точкам пересечения можно было узнать, который час. Несколько конических солнечных часов сейчас хранятся в Лувре.

Плоские солнечные часы появились в результате усовершенствования конических. Такие часы с вертикальным циферблатом устанавливали на башне, чтобы по ним можно было издалека видеть, который час. Так появились первые солнечные башенные часы. В Афинах на Башне Ветров находятся едва ли не самые древние вертикальные солнечные часы, сохранившиеся до наших дней. Вообще, эта башня сама по себе уникальна уже тем, что является первой метеорологической станцией. На крыше был расположен флюгер, в ней самой находились водяные часы, на фасаде первые солнечные башенные часы.