Постепенно пришло понимание того, что Земля движется по своей орбите не столь равномерно, как это считалось в древности: другими словами, выяснилось, что это отнюдь не идеально вращающийся механизм, подвешенный в пространстве. Необходимо было рассчитать эти отклонения в движении Земли по своей орбите и на основе различных вычислений внести соответствующие поправки в расчет координат. Скоро выяснилось, что существующие «сбои» во вращении Земли вокруг Солнца вызывают также сбои между «абсолютным» и, так сказать, «солнечным» временем. Такого рода различия во времени достигают своего «положительного» максимума в 14′30» в феврале и «отрицательного» максимума в 16'30» в ноябре. Китайцы настолько точно вычисляли это время, что великий математик Лаплас по этому поводу писал так:

Подобной точности можно добиться только при одном условии — если для различного рода опытных измерений избрать самый долгий лунный месяц, протяженностью в 29,53059 суток. При таких условиях возможная погрешность у китайцев равнялась менее 1» в месяц.

Китайские обсерватории

Китайцы построили крупнейшую обсерваторию в Чжоу Гон сначала в Нанкине, а затем, когда столица была перенесена на север в 1421 г., — ее аналог в Пекине. Потом были построены еще 4 обсерватории, а затем еще 8. Чуть позже небольшие обсерватории стали строить по всему миру благодаря экспедициям Золотого флота Чжэн Хэ.

Мы знаем, какое оборудование находилось в будочках на усеченных площадках пирамидальных обсерваторий из «Хроники династии Юань (1276–1279)» (Нидлхэм, 1954 г., том 3, с. 369).

Далее следует перечисление основного оборудования:

Хунь-тьен-сян — звездный глобус, главный предмет в обсерватории.

Ян-и — полукруглый песчаный циферблат солнечных часов.

Као-пяо — массивный гномон, высотой 40 футов, подобный гномону в обсерватории Ян Чэн в Пекине.

Ли-юнь-и — теодолит.

Чэн-ли — инструмент, определяющий точные фазы солнечного и лунного затмений, а также их начало и конец.

Чин-фу — линзы для концентрации солнечных лучей. Цзи-юй-ши-и — устройство для наблюдения за лунными и солнечными затмениями.

Цин-куэй — звездный угломерный диск.

Тин-ши — инструмент, определяющий время.

Хоу-чи — инструмент для наблюдения за Полярной звездой. Чю-пяо-суан — отвес.

Чэнь-ги — инструмент для стабилизации механизма часов.

Как можно понять из этого списка, оборудование в обсерватории служило для опознания, определения местоположения той или иной звезды и ее места в разное время на небосклоне (все изменения отмечались на искусственном небесном своде). Для измерения длины тени использовался массивный гномон. Для определения фаз солнечного и лунного затмений — инструмент чэн-ли. Линза или набор линз для концентрации пучка солнечных лучей для концентрации теней назывались «чин-фу». Инструмент для наблюдения за лунными затмениями — «цзи-юй-ши-и». Устройство для наблюдения за Полярной звездой — «хоу-чи».

Функции некоторых инструментов нуждаются в отдельном объяснении. Китайцы давно знали: чем длиннее тень (другими словами, чем больше гномон), тем точнее можно измерить время. Однако, чем больше была тень от гномона, тем более расплывчатым и неопределенным становится ее силуэт. В период раннего правления династии Мин была изобретена камера-обскура: в комнате, где производились замеры тени, в потолке было просверлено маленькое отверстие, куда попадал солнечный лучик, что делало тень более контрастной. Контрастность еще более усиливалась, когда в указанное отверстие вставлялись одна или несколько линз. Все это позволяло производить измерения тени от гномона с погрешностью в 0,01 дюйма. Впрочем, все, о чем сказано выше, относится к светлому времени суток, когда светит солнце. Измерение времени в темноте было, несомненно, сложнее. Китайцы обычно использовали для этого разные конструкции водяных часов — клепсидры, которые подвергались калибровке в течение дневного времени с помощью гномона. Наиболее распространенным типом клепсидры были часы с компенсирующим механизмом, который работал одновременно и под воздействием атмосферного давления, и под тяжестью струившейся с высоты воды. Один такой компенсирующий механизм был обнаружен в трюме так называемой пандананской джонки. Устройство этих часов подробно описано в Китайской энциклопедии (Сы-и-куань), вышедшей в свет в 1478 г. В наши дни она хранится в Кембриджской библиотеке.

Подводя итог, можно сказать, что китайцы, построившие обсерватории во многих странах мира, имели на них самые совершенные для своего времени устройства для измерения времени как в светлое, так и в темное время суток.

Солнечные и лунные затмения

Затмения Луны и Солнца происходят в тот момент, когда Солнце, Луна и Земля выстраиваются в одну линию.

При солнечном затмении тень от Лупы закрывает от Солнца лишь небольшой участок Земли. Там на короткое время становится темно, как ночью.

Это теневое пятно передвигается по ходу вращения Луны вокруг Земли. Таким образом, наблюдатели в разных местах видят солнечное затмение в разное время.

При лунном затмении Земля находится между Солнцем и Луной. Поскольку Земля во много раз больше Луны, тень от Земли полностью перекрывает Луну. Когда речь заходит об астрономии, разница между солнечным и лунным затмением очень велика. Дело в том, что лунное затмение наблюдатели могут видеть одновременно чуть ли не на половине земного шара, тогда как солнечное затмение в один и тот же момент можно наблюдать на очень ограниченном участке земной поверхности.

Ключом к определению географической долготы является именно тот факт, что (а) лунное затмение можно наблюдать одновременно и (б) на почти 50 % поверхности земного шара при продолжающемся вращении Земли. Это выглядит так, будто темное небо вращается в противоположном от Земли направлении.

В процессе лунного затмения наблюдаются 4 фазы (или «контакта»). Условно их можно обозначить следующим образом: U-1 — так называемый первый контакт, когда Луна начинает входить в зону затемнения; U-2 — второй контакт, когда Луна входит в зону полного затемнения (полностью закрывает часть Земли); U-3 — третий контакт, когда начинает появляться незатемненный край Луны; U-4 — четвертый контакт, когда Луна полностью выходит из тени и появляется на небосводе, так сказать, во всей своей красе. Все эти явления можно наблюдать от востока до запада под углом почти 180°, то есть практически на половине земного шара.

Как китайцы измеряли географическую долготу с помощью лунных затмений

Используя гномоны и водяные часы, китайцы имели возможность фиксировать ход времени час за часом, минута за минутой, днем и ночью. Кроме того, они умели предсказывать лунные затмения, которые происходят примерно каждые полгода в разных частях земли. Инструкция, даваемая перед отплытием навигаторам и астрономам, звучала примерно так: «Если вы бросили якорь у неизвестной земли или острова и если в этот момент происходит полное лунное затмение, вам следует дождаться начала третьей фазы (U-3), а потом ждать, когда Луна снова засияет на небе. Все это время, разумеется, вы должны посвятить наблюдению за небесным сводом. Как только появится первый лучик лунного света (U-3) и Луна начнет выходить из тьмы, наблюдатель на вновь открытых землях и астроном в Пекине должны делать одно и то же — смотреть в звездное небо, чтобы отметить, какая самая яркая звезда в этот миг пересекает местный меридиан». Местный меридиан — это воображаемая линия на небе, которая начинается на небесной сфере к северу от наблюдателя, проходит над его головой и заканчивается к югу от него. Разглядывая небо в этом направлении, наблюдатель отмечал известную ему звезду, которая пересекала в этот момент воображаемую линию меридиана. Эта яркая звезда и становилась своеобразным знаком, с помощью которого наблюдатель «маркировал» свой меридиан.