Океаны и звезды

Все ранние цивилизации занимались составлением карт. Цели ставились разные – строительство, сбор налогов или подготовка к войне, однако землемер – одна из самых древних профессий, для которой были необходимы математические знания. Одна из статуй, датируемая приблизительно XXIII веком до нашей эры, изображает царя шумерского города‑государства Лагаш с планом храма Нингирсу, а также с линейкой и орудием для письма. Это – самый ранний известный пример того, когда для строительства чего бы то ни было используется масштаб. Были найдены карты известного тогда мира, изображенные на вавилонских глиняных табличках, египетском папирусе и китайском шелке. Римляне продолжили греческие традиции картографирования – их трактат о землемерном деле – Corpus agrimensorum – основывается на правилах измерений и рисовании карт в масштабе.

Делая карту небольшого участка, мы можем допустить, что поверхность земли плоская, но, когда мы стремимся изобразить большие территории, искривление поверхности земли становится значимым фактором. Когда люди поняли, что Земля имеет сферическую форму, точно не известно. Согласно некоторым легендам, населено было только одно полушарие. Эратосфен, с 240 года до нашей эры ставший главным библиотекарем Александрии, составил первую известную карту, основанную на научных принципах, с неравномерной сеткой параллелей и меридианов. На его современников карта не произвела особого впечатления, и лишь «География» Клавдия Птолемея, появившаяся приблизительно в 150 году, стала общепринятым стандартом в картографии. В этой работе утверждается, что Земля имеет сферическую форму, но населена она лишь частично, и ее окружность равна 180 000 стадиям. Более точное значение высчитал Эратосфен, считавший, что окружность Земли равна 250 000 стадиям (считается, что один стадий приблизительно равен 160 метрам). Самым значительным вкладом «Географии» можно считать создание основ для преобразования сферы в плоскую поверхность. Карта Птолемея была обновлена ал‑Хорезми (см. Главу 7), который полагался на знание Птолемеем стран Средиземноморья, но существенно уточнил ее в области Средней Азии.

Преобразование сферической Земли в плоскую карту всегда будет приводить к некоторым искажениям, и главная задача картографа – определение, какие факторы приводят к наибольшим искажениям, а какие – к наименьшим. Конформная проекция минимизирует искажение углов и форм объектов, в равновеликой проекции очень точны значения площадей, а в равнопромежуточной – расстояния. Как мы увидим в дальнейшем, к картам континентальных массивов и изображениям морей выдвигаются совершенно разные требования.

После того как в Европе с начала XIV века стали развиваться мореплавание и торговля, начали появляться портуланы (от итальянского слова «portolano», первоначально обозначавшего лоцию – письменные указания для мореплавателей). Они представляли собой сетку из прямых линий, или румбов, призванных помогать мореплавателям в планировании маршрутов вокруг Европы и по Средиземноморью. Главным образом портуланы делались в Венеции, Генуе и на Майорке. Эти «дедушки» нынешних лоций были удивительно точными, даже при том, что неясно, учитывалась ли в них какая‑либо проекция. До сих пор ведутся споры о том, насколько активно использовались компасы (китайское изобретение), а также об объемах астрономических знаний, необходимых для навигации. Но после открытия Америки и выхода первого печатного издания «Географии» Птолемея все было готово для появления более точной карты мира. «География» Птолемея повторно появилась в Европе уже в XV веке: она впервые была напечатана в Болонье в 1477 году. В период Ренессанса использовались различные виды проекций, порой просто по эстетическим причинам. В качестве примера можно привести популярную овальную карту мира, впервые использованную Франческо Росселли (1445–1513) в 1508 году. Эти проекции были основаны скорее на графических построениях, нежели на использовании тригонометрических формул.

Герхард Меркатор (1512–1594), которого называли «Птолемем нашего времени» создал первую проекцию специально для того, чтобы помочь мореплавателям. Меркатор учился в Лёвенском университете, где получил степень по философии, а затем продолжил образование, изучая математику, астрономию и картографию. Он также стал мастером‑гравером и специалистом по изготовлению оптических инструментов. С середины 1500‑х годов он составил множество карт, включая карты Фландрии и Палестины. В 1544 году Меркатор был арестован за ересь, но вскоре, благодаря активной защите университета, его освободили, после чего он переехал в Дуйсбург (ныне Германия), и в 1564 году стал придворным космографом герцога Вильгельма. Именно в Дуйсбурге в 1569 году он создал известную Меркаторову проекцию для карты мира. Ее новизна заключалась в том, что линии румбов изображены на карте в виде прямых, что значительно облегчало навигацию для мореплавателей. На сфере, если корабль отправился в путь под определенным румбом к меридиану (если это не точное движение на север, юг, восток или запад), его путь будет представлять собой кривую на сфере; фактически, если бы корабль мог плыть непрерывно, то его путь представлял бы собой спираль к одному из полюсов. Преобразование румбов в прямые линии значительно облегчало задачу мореплавателей. Другое преимущество этой системы заключается в том, что проекция Меркатора сохраняет углы, так что при смене курса, скажем, на 30°, новая линия румба будет располагаться под углом 30° к предыдущему курсу. С тех пор эта проекция стала самой популярной в картографии, хотя сильно искажала контуры на высоких широтах и некоторые хотели бы заменить ее равновеликой проекцией, вроде той, что не так давно была названа в честь Арно Петерса.

Математический анализ проекции Меркатора впервые провел английский математик и картограф Эдвард Райт (1561–1615) в книге «Некоторые ошибки в навигации» (1599). В том же году в «Книге путешествий» Ричарда Хаклута была опубликована карта мира Райта, основанная на проекции Меркатора. Когда ученые узнали больше о земной и небесной сферах, приобрели популярность двойные глобусы, – они чаще всего использовались для обучения, но были также символами нового знания: земной шар в таких моделях был заключен в шарнирно устроенную небесную сферу. В связи с увеличением точности астрономических наблюдений и с началом великих геодезических проектов во Франции, Великобритании и других европейских странах, возникла необходимость постоянного и регулярного обновления карт.

Но, чтобы создавать точные карты, нужно было безошибочно определить широту и долготу ключевых точек поверхности. Найти широту всегда было довольно просто – она соответствовала высоте небесного полюса. Днем использовалось положение Солнца с применением таблиц склонения, по которым можно было определить угловое расстояние Солнца от экватора в любой день года. Однако определить долготу было намного труднее. Теоретически все было ясно: считая нулевой меридиан основой для измерения времени, сдвиг на каждые 15° долготы от меридиана соответствовал отклонению местного времени от меридианного на один час. Местное время можно было установить астрономически или при помощи солнечных часов, но при этом надо было знать точное время на меридиане. Сначала предлагалось использовать Луну как своего рода ночные часы, отмеряющие время, когда она пересекает небо. Но Луна движется по небу крайне неравномерно, а морские плавания были настолько долгими, что такой метод можно было применять лишь тогда, когда у навигатора имелись таблицы движения Луны, расписанные на много лет вперед. Именно с этой целью в 1675 году была основана Гринвичская королевская обсерватория. Лишь в 1767 году королевский астроном Невил Маскелайн (1732–1811) издал свой «Навигационный альманах», в который входили таблицы угловых расстояний до Луны, измеренные через каждые 3 часа в течение всего года. К тому времени был уже почти готов морской хронометр Джона Харрисона и вскоре стал самым распространенным методом вычисления долготы во время похода в открытом море. Точные часы, установленные на борту судна, показывают время на меридиане, значит, необходимо определить местное время по Солнцу и звездам. Разница между этими двумя показателями и даст долготу судна.

Создание проекции еще более усложнилось, когда стало ясно, что Земля не идеальная сфера, а сплющенный с полюсов сфероид – сфера, полюса которой немного уплощены. Рисунок Земли, сжатой у полюсов, который Ньютон опубликовал в своих «Началах», был в конечном счете подтвержден экспериментально. Если Земля сплющена на полюсах, то при перемещении от экватора к полюсу длина одного градуса широты должна увеличиться, точно так же, как благодаря гравитации должно увеличиться ускорение. Для того чтобы измерить оба явления, были организованы целые экспедиции. В 1735 году Парижская академия наук организовала экспедиции в Лапландию и Перу с целью измерить разницу в градусах долготы возле полюса и в районе экватора. Классический опыт Христиана Гюйгенса, в котором был использован простой маятник, показал, что период его колебаний зависит от величины гравитационного ускорения. Рассогласование было замечено еще в 1672 году, когда маятник, отбивающий время с точностью до секунды в Париже, пришлось укоротить, чтобы он показывал то же самое время в Кайенне. К сожалению, ошибки наблюдения обычно приводили к несопоставимым результатам. Некоторые даже считали, что Земля – вытянутый сфероид, то есть удлиненный, а не сглаженный на полюсах. В 1832 году американский математик Натаниэль Баудич (1773–1838) получил 52 измерения из самых разных точек земного шара – от Лапландии до мыса Доброй Надежды. К переводу труда французского математика, физика и астронома Пьера Симона Лапласа (1749–1827) «Небесная механика» он добавил свой анализ этих результатов и рассчитал степень сплющивания (эллиптичность) Земли, которая составила 1/297. Почти сто лет спустя это значение было принято практически во всем мире.

Отклонения от идеальной сферы потребовали поисков тригонометрических форм, выходящих за рамки плоскости и сферы, с помощью которых будет удобно обращаться со сфероидами. Сумма углов треугольника, расположенного на сфере, больше 180°, но превышение будет меняться в зависимости от места расположения треугольника на сфероиде. Французский математик Адриен Мари Лежандр (1752–1833) в 1799 году выполнил довольно изящную работу – связал стороны треугольника с разницей между суммой углов и 180°. Затем с помощью дифференциального и интегрального исчислений были определены новые проекции, формулы которых позволяли определить необходимые искажения. Немецкий физик и математик Иоганн Генрих Ламберт (1728–1777) опубликовал в 1772 году несколько различных проекций, одна из которых, конформная коническая проекция, используется до сих пор. В этом случае Земля проецируется на конус, который касается сферы в «стандартной параллели». Затем конус можно «развернуть», создавая плоскую карту.

Приборы, необходимые для навигации и геодезии, совершенствовались быстро. Астролябия, унаследованная от греков и усовершенствованная арабами, была своего рода аналоговой счетной машиной. Вращая диск, на котором были выгравированы проекция неба и орбиты различных небесных тел, можно было вычислить время восхода и захода. Каждая проекция подходила для фиксированной широты, так что в комплекте с астролябией шел набор дисков, каждый из них был предназначен для своей широты. Астролябия также могла использоваться для вычисления угла возвышения и азимутов небесных тел, вычисления времени и измерения астрономических расстояний. Использование угла возвышения и азимута в качестве стандартных измерений ввели арабы. Угол возвышения – это угол по отношению к горизонту, а азимут – угловое расстояние от меридиана. Солнечные часы были обычным инструментом определения времени, использующим изменения угла возвышения Солнца в течение дня или изменения его азимута. Большинство дисков надо было ориентировать с помощью компаса, но это было очень сложно, если принимать во внимание изменение скорости движения Солнца по небу. В XVII веке были созданы универсальные солнечные часы, которые могли использоваться на любой широте, хотя их все еще необходимо было настраивать. Затем морскую астролябию – довольно простой прибор – сменил квадрант. Постепенно квадранты, секстанты и тому подобные инструменты, используемые мореплавателями, астрономами и землемерами, становились все более и более точными, поскольку стали объединяться с оптическими инструментами и более точными шкалами.

Постоянно усиливавшаяся потребность в точности измерений на земле, в море и в небесах влекла за собой увеличение объема необходимых вычислений. Добавление новых формул означало удлинение вычислений. В результате начиная с XVII века к облегчению расчетов привело применение логарифмов. У штурманов имелись таблицы тригонометрических функций и логарифмов, позволявшие облегчить вычисления, хотя в таких таблицах было очень много ошибок, закравшихся в процессе печати. Изобретение логарифмической линейки если и не смогло увеличить точность вычислений, то по крайней мере сберегало время, и потому в XVIII веке она получила широкое распространение. К тому времени взгляд на мир сильно отличался от представлений Птолемея – теперь Земля была простой планетой, сплюснутым с полюсов сфероидом, вращавшимся вокруг Солнца по своей орбите. Во второй половине XX века мы наконец оторвались от поверхности Земли и увидели свою планету с высоты, и тогда искусственные спутники позволили исправить географические карты.