Текст книги "Величайшие рукотворные чудеса"

«Модель круглого неба» и первая обсерватория

Китайцы начали вести астрономические наблюдения в незапамятные времена. В I тысячелетии до н. э. они дали названия 28 созвездиям, изучали движение солнца, луны и пяти планет по отношению к неподвижным звездам. В II в. до н. э. в Китае были написаны две самые ранние известные нам книги по астрономии, впоследствии сведенные в одно сочинение. В нем было довольно точно описано расположение 120 неподвижных звезд. Первая таблица неподвижных звезд в Древней Греции была составлена лишь много позже. А первая научная обсерватория появилась в Пекине еще во времена династии Цинь, в III в. до н. э.

Подобно всем земледельческим народам, у китайцев очень рано возникла потребность в календаре: им нужно было знать, когда и к каким сельскохозяйственным работам следует приступать. Существуют календари лунные, солнечные и лунно-солнечные. Лунный календарь берет за основу счисления времени тот срок, за который Луна обращается вокруг Земли (примерно 29,5 суток). Лунный год состоит из 12 лунных месяцев: «полных» – по 30 дней и «пустых» – по 29 дней. Он продолжается 354 или 355 дней. Солнечный календарь берет за основу срок, за который Земля обращается вокруг Солнца (примерно 365,25 суток). Лунно-солнечный календарь – это сочетание двух предыдущих. Задача его – согласовать лунные и солнечные годы между собой. С этой целью в нем применяются вставочные месяцы.

Со II тысячелетия до н. эры и до XX в. китайцы пользовались лунно-солнечным календарем. Сначала, чтобы согласовать лунный и солнечный годы, они через каждые три года добавляли по одному месяцу, или каждые пять лет добавляли по два месяца. Но между лунным и солнечным годами все равно оставалась разница в несколько дней.

В VII–VI вв. до н. э. китайцы научились производить это согласование более точно. К каждым девятнадцати лунным годам теперь начали прибавлять семь дополнительных месяцев, получая таким образом период времени, приблизительно равный девятнадцати солнечным годам. В ту пору в Афинах, в Греции, где тоже пытались согласовать лунный год с солнечным, достигли гораздо меньшей точности в этом деле. Только в 433 г. до н. э. грек Метон создал календарь, в котором на каждые девятнадцать лет приходилось семь дополнительных месяцев.

Сначала китайцы определяли четыре времени года по появлению или исчезновению некоторых звезд на ночном небе. Позднее был изобретен гномон – вертикально установленный бамбуковый шест высотой около 13 м, отбрасывавший тень на землю. Пользуясь им, в VII в. до н. э. китайские ученые определили дни зимнего и летнего солнцестояния, весеннего и осеннего равноденствия. А в IV–III вв. до н. э. они уже довольно точно высчитали длительность солнечного года.

Позже китайские ученые усовершенствовали этот метод, построив в 1276 г. башню-обсерваторию для наблюдений за движением Солнца. Эту башню, где производились для измерения тени в период зимнего и летнего солнцестояния, китайские астрономы стали считать центром мира. Гномон вертикально помещался в нише по центру башни, а тень от него измерялась по 40-метровой горизонтальной каменной линейке. Дошедшая до наших дней башня-обсерватория была реконструирована во времена династии Мин (1368–1644).

Еще в III–II вв. до н. э. в Китае было твердо установлено деление года на 24 сезона. Оно было связано с солнечным годом. Китайские натуралисты внимательно изучали жизнь природы в течение года. Они подмечали и фиксировали, когда появляются, цветут и увядают разные растения, когда впадают в спячку и просыпаются животные, когда зной сменяется прохладой, когда идут дожди и замерзают реки. Их наблюдения отразились в названиях 24 времен года: «начало весны» (5—18 февраля), «дождевая вода» (19 февраля—4 марта), «пробуждение насекомых» (5—19 марта), «весеннее равноденствие» (20 марта—4 апреля), «чистота и ясность» (5—19 апреля), «хлебные дожди» (20 апреля– 4 мая), «начало лета» (5—20 мая), «наливающееся зерно» (21 мая—5 июня), «зерно в колосе» (6—20 июня) и т. д. Такое деление года на 24 сезона было исключительно удобно для земледельцев: они могли прекрасно ориентироваться в том, когда какие сельскохозяйственные работы нужно производить, и им не нужны были для этого какие-то специальные наблюдения за небом. Такое деление года на 24 сезона было принято только в Китае.

Непрерывного летосчисления, начинавшегося с какой-нибудь знаменательной даты, китайцы не применяли. Они считали годы по «кругам» (циклам) или по царствованиям императоров. Китайский цикл – это период времени в 60 лет, в котором каждый год имеет свое определенное название. После окончания одного 60-летнего цикла начинается новый цикл. Согласно преданию, эту систему изобрел легендарный император Хуанди в 2637 г. до н. э. Современные ученые выяснили, что в действительности до I–II веков н. э. в Китае летосчисление велось по годам правления императоров. Понятия «неделя» китайцы прежде не знали, месяц они делили на три декады, а сутки – на 12 ч (по 120 мин в каждом).

Китайцы начали очень рано и исключительно точно фиксировать астрономические явления. Хроника «Весна и осень» (VI–V вв. до н. э.) уже зарегистрировала 37 солнечных затмений, причем 33 из них совершенно точно. В Китае раньше, чем в других странах, были отмечены появления комет и пятен на Солнце.

Самая ранняя запись о комете, которая теперь носит имя кометы Галлея, была сделана в Европе в 66 г. н. э. Между тем в Китае, видимо, еще в 611 г. до н. э. наблюдали, как эта комета вошла в область созвездия Большой Медведицы. А с 240 г. до н. э. и до 1682 г., когда комету наблюдал Галлей, китайские ученые сделали записи обо всех двадцати пяти случаях ее появления.

В Европе пятна на Солнце впервые были зарегистрированы в 807 г. Между тем задолго до того, как в Европе обнаружили солнечные пятна, китайцы успели отметить более ста раз это явление. Самым ранним упоминанием о таких наблюдениях считаются записи Гань Дэ, одного из трех первых известных астрономов Древнего Китая, жившего в IV в. до н. э. Его современники Ши Шэнь и У Сянь составили первый большой звездный каталог. Этот труд с полным основанием можно сравнить с работой древнегреческого астронома Гиппарха, но появился он на два века раньше.

Китайский астроном Чжан Хэн, живший в I–II вв. н. э., составил первую в Китае карту звездного неба. В те времена в ходу были три астрономические теории. Одна рассматривала небо как пустоту, в которой плавают Солнце, Луна и созвездия. Другая уподобляла Землю перевернутому блюду, а небо – крышке, к которой «прикреплены» Солнце, Луна и звезды. «Крышка» эта все время вращается, а вместе с ней – и небесные светила.

Наконец, третья теория – «круглого неба» – сравнивала Землю с яичным желтком, а небо – с вращающейся вокруг него яичной скорлупой, к которой прикреплены Солнце, Луна и созвездия. Чжан Хэн считал, что последняя теория ближе всего к истине, потому что больше других согласуется с законами движения Солнца, Луны и звезд.

Конечно, эта теория не была научной, но она помогла Чжан Хэну сделать ряд верных астрономических выводов. С точки зрения теории «круглого неба» Чжан Хэн объяснил, почему летом день бывает долгий, а ночь короткая, зимой же наоборот. Он знал, что Луна не излучает свет сама, а светится отраженным солнечным светом. Он правильно усмотрел причины лунных затмений в том, что земной шар заслоняет собой свет Солнца, падающий на лунную поверхность.

Чжан Хэн стал создателем очень важного астрономического прибора – небесной сферы, которую он назвал «моделью круглого неба». Точное устройство этой модели неизвестно, но описания ее сохранились. На медной сфере прибора были выгравированы небесный экватор, эклиптика, Южный и Северный полюсы, 24 сезона года, Солнце, Луна и созвездия. Остроумное устройство соединяло сферу с водяными часами. Сила равномерно капающей воды непрерывно вращала сферу, так что на ней можно было наблюдать движение Солнца, Луны и созвездий. Показания «модели круглого неба» полностью совпадали с движением небесных тел.

В VIII в. ученый буддийский монах И Син значительно усовершенствовал «модель круглого неба». Изобретатель применил системы зубчатых колес, приводивших в движение двух деревянных человечков, из которых один каждые четверть часа автоматически ударял в барабан, а другой через каждые два часа бил в колокол.

И Син первым в мире вычислил длину градуса долготы и длину меридиана. Он обнаружил, что положение звезд по отношению к эклиптике изменяется. Например, одна из звезд в древности отстояла на 0,5 на север от эклиптики, а во время И Сина – уже на 4,5. Это перемещение неподвижных звезд (прецессия) было открыто в Европе только в начале XVIII в. английским ученым Галлеем.

Китайские астрономы сделали еще много других поразительных открытий. Их успехи до сих пор вызывают восхищение ученых.

Китайский сейсмограф

Древние китайские хроники времен династии Хань (206 г. до н. э. – 220 г. н. э.) изобилуют сообщениями о землетрясениях, то и дело происходивших в разных районах Китая. Нередко после этих катастроф властям пострадавшей области приходилось отправлять к императорскому двору гонцов с просьбой о помощи. На то, чтобы добраться до столицы, им требовались дни, а иногда и недели. При этом у центрального правительства далеко не всегда имелись под рукой необходимые запасы, чтобы помочь пострадавшему населению. Нередко эта помощь настолько запаздывала, что уже была не нужна…

Около 132 г. н. э. выдающийся китайский математик и астроном Чжан Хэн изобрел первый в мире сейсмограф – прибор для регистрации землетрясений. В то время Чжан Хэн занимал при дворе должность великого астролога и по обязанности должен был регистрировать все землетрясения.

Устройство этого первого в мире сейсмографа до нас не дошло, однако в анналах династии Хань сохранилось довольно подробное его описание. Судя по нему, прибор имел овальную форму и напоминал сосуд для вина. На его поверхности были симметрично расположены восемь бронзовых драконов, повернутых головами в восьми направлениях: на север, на юг, на запад, на восток, на северо-запад, на северо-восток, на юго-запад и на юго-восток. Каждый дракон держал в пасти медный (или глиняный) шарик. Под драконами сидели восемь бронзовых лягушек с раскрытыми ртами.

Принцип действия прибора не вполне ясен. Как полагают современные исследователи, внутри прибора на поперечной перекладине висел массивный медный столбик. Предположим, что волна от землетрясения распространялась слева. В таком случае колебания земной коры чуть-чуть качнули бы прибор вправо, а вместе с прибором – и медный столбик. При этом нижняя часть столбика отклонилась бы влево. По системе стержней ее движение передалось бы рычагу, один конец которого представлял собою верхнюю часть головы дракона, обращенной в сторону центра землетрясения. В результате пасть дракона раскрылась бы и шарик со звоном упал бы прямо в рот сидевшей под ним лягушке. Особое приспособление автоматически помешало бы медному столбику снова откачнуться вправо. Услышав звон, наблюдатель, следивший за прибором, мог узнать, в каком направлении находится эпицентр землетрясения.

Прибор Чжан Хэна был установлен в Лояне – тогдашней столице Китая – и скоро завоевал всеобщее признание. Сейсмограф позволял, во-первых, зарегистрировать землетрясение, а во-вторых, определять направление, где оно произошло. И еще задолго до приезда гонцов из пострадавшего района власти могли начинать сбор необходимых запасов и мобилизацию рабочих для помощи пострадавшим. Трудно подсчитать, сколько жизней спас прибор Чжан Хэна.

Современные сейсмографы начали свое развитие только в 1848 г.

Карданов подвес

Этот механизм лежит в основе конструкции современных гироскопов, применяющихся в авиации и столь необходимых при вождении самолетов, в частности, при полете в режиме «автопилот». Свое название «карданов подвес», или универсальный шарнир, он получил по имени итальянского инженера и ученого Джироламо Кардано (1501–1576). Однако сам итальянец не был его изобретателем. Он даже не претендовал на авторство, а просто описал это устройство в своей получившей широкую известность книге «De subtilitate rerum» («Хитроумное устройство вещей», 1550 г.). В реальности универсальный шарнир был изобретен еще в II в. до н. э. – в Китае.

Те, кто когда-нибудь видел старинные крытые цыганские повозки, мог заметить на их стенках устройства, удерживающие лампы в вертикальном положении даже при самой сильной дорожной тряске. Соединенные между собой, эти медные кольца могли вращаться в любом направлении, однако закрепленная в центре лампа никогда не переворачивалась. В этом и заключается основная идея карданова подвеса: несколько колец, расположенных одно внутри другого, соединяются в двух противоположных точках, что дает им возможность вращаться относительно друг друга. Если в центре колец поместить груз, например лампу, то он будет сохранять вертикальное положение. Какие бы движения ни совершали кольца, лампа останется неподвижной, поскольку кольца гасят колебания.

Первое письменное упоминание об этом приспособлении встречается в «Оде к красавицам», которая датируется приблизительно 140 г. до н. э. Более чем три столетия спустя, около 189 г. н. э., механик Дин Хуань изобрел этот механизм вторично. В XV в. китайские мореплаватели уже использовали компасы, закрепленные на «кардановом подвесе». На показания таких приборов не влияла морская качка.

В Европе карданов подвес появился спустя 1000 лет после его изобретения. А еще через 800 лет известный ученый Роберт Гук и другие изобретатели стали использовать этот принцип не для стабилизации центрального элемента, а для приложения внешних сил. Этому изобретению дали название универсального шарнира. Именно оно легло в основу механизма силовой передачи современных автомобилей.

Механические часы и часовые башни

Когда в XVII столетии прибывшие из Европы миссионеры увидели при дворе китайского императора механические часы, они не могли сдержать своего изумления. Известно, что первые механические часы появились в Европе в 1310 г. Но, оказывается, китайцы изобрели их на шесть веков раньше!

Различные виды приборов для отсчета времени существовали у разных народов со времен глубокой древности. Вавилон считается родиной водяных часов – клепсидр. Вероятно, отсюда водяные часы попали в Китай. Именно китайцам принадлежит пальма первенства в изобретении механических часов.

Первые китайские часы представляли собой бамбуковый шест, отбрасывавший тень. Время на этих солнечных часах узнавали по длине тени. В эпоху династии Цинь (221–207 гг. до н. э.) китайские мастера создали собственную версию водяных часов – так называемые «протекающие сосуды». Они состояли из системы сосудов, в том числе сосуда с постоянным количеством воды, водоприемника и сосуда для отвода части воды.

Хитроумная система обеспечивала такую подачу воды в сосуд, что он был постоянно наполнен. В его задней стенке находилось отверстие, через которое излишек воды сливался в сосуд для отвода части воды. В результате из первого сосуда за известное время под одинаковым напором вытекала в водоприемник определенная мера воды. На крышке водоприемника стояла медная статуэтка человека. Человек держал перемещающийся вверх и вниз стержень, на котором были выгравированы деления времени. Нижний конец стержня устанавливался на поплавке, находящемся на поверхности воды. Постепенно водоприемник наполнялся. По положению, в котором находился стержень, поднимавшийся вверх, определялось время.

Первые механические часы изготовил И Син (683–727), буддийский монах и математик. Скорее это был астрономический инструмент, выполняющий роль часов. Вот как описывают их устройство современники:

«[Часы] имели вид небесной сферы с изображением фаз Луны, расположенных в строгой последовательности, небесного экватора и градусной сетки. Вода, наливавшаяся в укрепленные на колесе ковшики, приводила в движение сферу, совершавшую один полный оборот в сутки. Снаружи ее охватывали два обруча, на которых были укреплены изображения Солнца и Луны, вращавшиеся по круговым орбитам… Все сооружение было наполовину помещено в деревянный корпус, поверхность которого изображала горизонт. С помощью такого инструмента можно было точно определять время восхода и заката, периоды полнолуния и новолуния, а также величину прецессии. Кроме того, в часах были колокол и барабан – первый звонил каждый час, а второй отбивал четверти часа. Все это приводилось в движение с помощью скрытых внутри корпуса колес, шпинделей, крючков и колесных передач [иными словами, с помощью анкерного механизма]».

Подобно водяным часам, изобретение И Сина зависело от превратностей погоды. Так, чтобы на холоде вода в часах не замерзала, рядом с ними приходилось ставить несколько горящих факелов. Поэтому в следующих часах, созданных Чжан Сисюнем в 976 г., воду заменили ртутью. Их механизм был намного больше размером и значительно сложнее, а для его размещения пришлось выстроить целую башню. Вот как описывает это сооружение хроника того времени:

«…Башня из трех этажей, каждый высотой более 3 м, внутри которой размещен весь механизм. Округлая форма верхушки башни символизировала Небо, а прямоугольное основание – Землю. Механизм, состоящий из великого множества горизонтальных, вертикальных и наклонных колес, шпинделей и анкеров, располагался на нижнем этаже. Семь деревянных молоточков били в расположенные по обеим сторонам от них колокола – один большой справа и несколько малых слева, а также помещавшийся по центру барабан, – отбивая каждую четверть часа. За день и ночь [24 ч] механизм совершал один полный оборот, а семь планет тем временем перемещались, меняя свое положение по отношению к эклиптике. Кроме того, было еще двенадцать деревянных рычагов с дощечками, которые выскакивали каждый час и показывали время…»

В X в. было изобретено еще одно часовое устройство, приводившееся в действие силой воды. Оно автоматически отмечало протекшее время звоном бубенчиков, колокольным и барабанным боем. Все эти изобретения стали вехами на пути к созданию «Космической машины» – знаменитых китайских часов эпохи Средневековья, изобретенных Су Суном в 1092 г.

Подобно своим предшественникам, «Космическая машина» представляла собой часовую башню 10-метровой высоты. На ее верхушке стоял огромный бронзовый астрономический инструмент с механическим приводом – так называемая армиллярная сфера, служившая для наблюдения за положением звезд. Располагавшийся внутри башни небесный глобус поворачивался синхронно с этой сферой. Говорят, что результаты наблюдений с помощью сферы и демонстрационного глобуса полностью совпадали. Основным элементом механизма был анкер, вращающийся по часовой стрелке под действием воды или ртути, вытекавших из расположенного выше резервуара.

Вся передняя часть башни была оформлена в виде пятиэтажной пагоды. Через определенные промежутки времени на том или ином ее этаже открывались двери, и оттуда появлялись фигурки, бившие в колокола или гонги и державшие дощечки с обозначением времени. Все это приводилось в движение тем же самым огромным часовым механизмом, который одновременно вращал небесный глобус и армиллярную сферу.

Двумя веками позднее использованные в часах Су Суна принципы легли в основу первых механических часов в Европе.

Магнитный компас

Знаете ли вы, что вплоть до XVII столетия стрелки всех европейских компасов указывали не на север, а на юг? И это потому, что сама идея компаса была заимствована европейцами у китайцев, которые еще 1600 лет назад изобрели «повозки, указывающие на юг», а еще раньше – первый магнитный компас, стрелка которого опять-таки была ориентирована на южный магнитный полюс.

Сегодня невозможно точно сказать, когда в действительности появился первый магнитный компас. Китайцы знали магнит очень давно. Уже в III в. до н. э. им было известно, что магнит притягивает железо. Очень рано стало известно китайцам и свойство магнита указывать направление на север и на юг.

В одной из древних китайских книг, относящейся в III в. до н. э., у китайцев уже в то время существовал магнитный компас. Он напоминал суповую ложку с длинной ручкой, по-видимому, вырезанную из куска магнитного железняка. Эта ручка указывала на южный магнитный полюс. Своей выпуклой частью «ложка» касалась гладкой середины медной или деревянной подставки, на которой делениями обозначались стороны света. Действовал такой компас очень просто: «ложку» крутили за свободно торчащую ручку и ждали, когда она остановится. Направление, которое занимала ручка, и было южным.

В XI в. китайские ученые обнаружили, что сталь и железо после трения о магнит приобретают магнитные свойства. Один из компасов того времени имел вид плоской рыбки, сделанной из намагниченной стали. Рыбка плавала на поверхности воды и указывала головой на юг. В дальнейшем эта рыбка претерпела ряд изменений и в итоге превратилась в компасную стрелку.

Несколько компасов описаны в трактате «Раздумья об озере снов» китайского астронома Шэнь Ко (1086 г.). «Магнитная игла, помещенная на краю чашки или даже на ногте, может свободно двигаться и в конце концов укажет на юг, но этот способ не слишком надежен, – писал Шэнь Ко. – Показания магнитной иглы, проткнутой через несколько кусочков камыша, которые плавают на поверхности воды, тоже могут оказаться неточными, когда поверхность воды придет в волнение. Гораздо точнее будут показания иглы, прикрепленной воском к шелковинке и подвешенной в безветренном месте».

В своей книге Шэнь Ко отмечает, что магнитная игла не совсем точно указывает на юг, а чуть-чуть отклоняется к востоку: «Фокусники натирают кончик иглы магнитом и она, указывая на юг, чуть отклоняется к востоку, вместо того, чтобы показывать точно на юг». Это явление мы называем сегодня магнитным склонением. Оно вызвано тем, что ориентация магнитного поля Земли не совпадает с направлением север-юг и магнитные полюсы не совпадают с географическими полюсами: так, северный магнитный полюс планеты отстоит от географического на 1900 м. Угол, на который магнитная стрелка компаса отклоняется от направления географического меридиана, называется углом склонения. О существовании склонения магнитного поля в Китае знали еще в VIII столетии. В более поздних китайских сочинениях указывалось, что угол магнитного склонения не превышает 5 и что он различен в разных точках Китая. В Европе угол магнитного склонения был открыт только в 1492 г. Колумбом, то есть на 400 лет позже, чем в Китае.

Уже во времена династии Хань (206 г. до н. э. – 220 г. н. э.) китайцы знали о том, что одинаковые магнитные полюсы взаимно отталкиваются, а разные притягиваются друг к другу. В Х– XIII вв. китайцы обнаружили, что магнит притягивает только железо и никель. На Западе это явление было открыто в начале XVII в. английским ученым Джильбертом.

Видимо, уже около 1100 г. китайцы стали применять магнитный компас в мореходстве. Китайский посол, прибывший в первой четверти XII в. морем в Корею, рассказывал, что на носу и на корме его корабля имелось по компасу, иглы которых плавали на поверхности воды. По ним держали курс в условиях плохой видимости. Приблизительно в конце XII в. через посредничество арабов в Западную Европу попал китайский компас, игла которого плавала на поверхности воды.

Изобретение компаса сыграло огромную роль в развитии китайского мореходства. Но компас оказался великим благом и для всего человечества. Без него никогда бы не наступила эпоха далеких морских путешествий и Великих географических открытий, Колумб не поплыл бы в Америку, не окрепли бы мировые культурные и хозяйственные связи. В наши дни многие считают, что именно европейская культура и ее продолжение на Американском континенте создали современную науку и технику. Однако это не более чем заблуждение. В реальности едва ли не половина важнейших изобретений, на которых зиждется современная цивилизация, пришла из Китая.