В 1714 году британский парламент принял билль, который вошел в историю как Акт о долготе. К тому времени корабли тонули тысячами, и причина почти всегда была одна: капитан не знал точных координат. Широту, расстояние до экватора, моряки умели определять со времен античности, для этого достаточно было измерить высоту солнца над горизонтом в полдень и свериться с таблицами склонения. Но долгота, расстояние к западу или востоку от нулевого меридиана, не поддавалась никаким прямым измерениям. Ее нельзя было увидеть на небе, нельзя было вычислить по звездам, нельзя было определить по компасу или лагу. Единственный способ узнать долготу заключался в том, чтобы знать точное время одновременно в двух точках: там, где корабль находится сейчас, и там, откуда он вышел. Земля поворачивается на пятнадцать градусов в час, и если в Гринвиче полдень, а на палубе солнце только всходит, разница во времени составляет четыре часа утра, а значит, корабль ушел на шестьдесят градусов к западу. Все вычисления сводились к одной простой операции, но для этого требовался хронометр, который показывал бы время порта приписки с идеальной точностью спустя месяц, два месяца или полгода плавания.
Почему хронометр не работал в море
Маятниковые часы, изобретенные Христианом Гюйгенсом в 1656 году, на суше показывали секунду в секунду, но на корабле маятник сходил с ума от качки. Его раскачивали не только пружины и гири, но и волны, при сильном крене он останавливался, а при бортовой качке его ход становился то быстрее, то медленнее. Моряки пытались вешать часы в центр корпуса, устанавливать их на кардановых подвесах, ставить на амортизаторы, но ничего не помогало, потому что качка убивала ритм.
Металлы расширяются от тепла и сжимаются от холода, и латунный маятник, отрегулированный при комнатной температуре, в тропиках начинал отставать на несколько секунд в сутки, а в северных широтах уходил вперед. За месяц плавания ошибка накапливалась до получаса, что давало погрешность в долготе более семи градусов, а это почти пятьсот морских миль. Корабль, который капитан считал идущим в открытом океане, на самом деле давно несся на рифы.
Механизмы требовали смазки, но на холоде масло густело и часы замедлялись, в жару масло становилось жидким, растекалось по осям и теряло вязкость, а в соленом воздухе оно окислялось, превращалось в липкую грязь и останавливало шестерни. Сталь ржавела за недели, пружины лопались, оси заклинивало, балансиры переставали дышать. Деревянный корпус корабля жил своей жизнью, он скрипел, вибрировал, дергался на каждом валу, и нежный часовой механизм, рассчитанный на покой гостиной или кабинета, в этих условиях рассыпался за первые сутки.
Исаак Ньютон, опрошенный парламентской комиссией в 1714 году, заявил коротко и не допускающим возражений тоном: часовое решение проблемы долготы невозможно, никакие часы никогда не выдержат океана. Единственный путь — астрономический, метод лунных расстояний, наблюдение положения Луны относительно звезд с последующими вычислениями по таблицам. Это сложно и требует высокой квалификации штурмана, но это хотя бы реалистично.
Цена незнания
Адмирал Клаудсли Шовелл был одним из самых опытных флотоводцев Британии, и в 1707 году он вел эскадру домой из Средиземного моря. Три недели стоял туман, и за все плавание не случилось ни одного солнечного дня, чтобы определить широту. Штурманы вели счисление пути на глазок по лагу, по течению и по собственной интуиции. Двадцать второго октября, решив, что находятся в открытых водах Ла-Манша, они повернули на север, и в тумане никто не заметил берега. Четыре линейных корабля выскочили на камни у островов Силли, и две тысячи человек утонули в ста метрах от спасательных шлюпок, которые нельзя было спустить из-за волн. Шовелла, выброшенного на берег, нашла местная женщина, которая добила раненого адмирала и забрала изумрудное кольцо. Через семь лет парламент назначил награду: двадцать тысяч фунтов, почти четыре миллиона по сегодняшнему курсу, тому, кто научит корабли определять долготу с точностью до полуградуса.
Человек, который не знал, что это невозможно
Джон Гаррисон родился в 1693 году в деревне Фолби графства Йоркшир. Его отец плотничал в соседнем поместье, мать вела хозяйство, детей было пятеро. В шесть лет мальчик заболел оспой и на несколько недель слег в постель, и кто-то из домашних дал ему карманные часы, чтобы он не скучал. Гаррисон не смотрел на стрелки и не пытался угадать время, он прижимал металлический корпус к уху и слушал часами и днями, разбирал механизм зубочисткой и собирал обратно, пытаясь понять, как шестерни передают друг другу движение. В шесть лет он пытался понять, как устроено время.
Он не получил никакого систематического образования, не знал латыни, высшей математики и физики. В двадцать лет он сделал свои первые напольные часы целиком из дуба и самшита, потому что металл стоил слишком дорого. Шестерни он вырезал ножом, оси обточил на самодельном станке, и эти часы до сих пор стоят в Лондонском музее науки и до сих пор идут.
Две идеи, обогнавшие время
Гаррисон не умел формулировать задачи академическим языком, не читал трудов Гюйгенса и не знал, что проблема температурного расширения считается нерешаемой. Он просто смотрел на маятник и думал, как его обмануть. Если металлы удлиняются при нагреве, надо сделать маятник из двух разных металлов, соединенных так, что расширение одного компенсируется расширением другого. Он придумал решетчатый маятник из чередующихся стержней стали и латуни, скрепленных таким образом, что общая длина оставалась неизменной при любой температуре, и никто до него этого не делал.
С маслом была та же история. Гаррисон ненавидел смазку, потому что она густела, сохла, окислялась и притягивала пыль, и он рассуждал так: если трение неизбежно, надо сделать его настолько маленьким, чтобы оно не требовало масла вообще. Он придумал кузнечиковый спуск, в котором палеты из дерева почти не касались металлического балансира в момент покоя, а импульс передавался коротким ударом. В остальное время детали висели в воздухе, трение было сведено к абсолютному минимуму, и эти часы работали десятилетиями без единой капли масла.
В 1728 году до Гаррисона дошли слухи о парламентской премии. Ему было тридцать пять лет, он упаковал чертежи, погрузил деревянные модели и поехал в Лондон.
Девятнадцать лет тишины
Гаррисон пришел к королевскому астроному Эдмунду Галлею, и тот выслушал деревенского плотника, посмотрел на его деревянные шестерни и отправил к Джорджу Грэму, лучшему часовщику Англии, который делал часы для обсерваторий и аристократов. Грэм мог вежливо выпроводить провинциала за дверь, но вместо этого он дал Гаррисону деньги взаймы и сказал: строй свой морской хронометр.
Гаррисон вернулся в Барроу и пропал на девятнадцать лет. Девятнадцать лет он не появлялся в Лондоне, девятнадцать лет он строил хронометр, который должен был покорить океан. Соседи видели, как он сидит в мастерской ночами, и перешептывались, а священник удивлялся, что лучший звонарь церкви Святой Троицы забросил колокола.
В 1735 году Гаррисон привез в Лондон готовый прибор, который получил обозначение H1. Это был хронометр весом тридцать четыре килограмма, гигантский механизм с параллельными балансирами, соединенными пружинами, которые гасили качку. Внутри не было ни одной капли масла, потому что Гаррисон так и не научился доверять смазке, и все двигалось само, а трение умирало в геометрии.
Совет по долготе устроил испытания. H1 повезли на корабль вниз по Темзе, потом на реку Хамбер, потом в Лиссабон и обратно. За месяц плавания хронометр ушел вперед всего на пять секунд, что было фантастической точностью для того времени. Но Гаррисон, проверяя расчеты, увидел, что механизм можно улучшить. Он не стал требовать награду, попросил еще денег и начал строить H2.
Главный враг Гаррисона
Вторая модель была еще совершеннее, но в процессе работы Гаррисон понял, что совершил роковую ошибку. Его балансиры идеально гасили килевую качку, движение вперед-назад, но были бессильны против бортовой качки, когда корабль кренится с боку на бок и сила тяжести смещается. Даже гениальный механизм в таких условиях начинал врать.
Гаррисон остановил работу. Он не мог сдать несовершенный прибор, он не мог спать, не мог есть, не мог петь в церковном хоре. В 1741 году он начал H3, и эта работа отняла у него семнадцать лет.
Хронометр, который стал ответом
Только к концу 1750-х годов, уже глубоким стариком, Гаррисон понял, что шел не туда. Огромные сложные машины с противовесами и пружинами были тупиком. Ему вообще не нужно было гасить качку, ему нужно было сделать хронометр настолько быстрым и точным, чтобы вибрации корпуса просто не успевали сбивать ход.
Он бросил H3 и за два года создал H4. Это были не часы в привычном понимании, это был хронометр диаметром пятнадцать сантиметров, похожий на очень крупные карманные часы, инкрустированные серебром, с циферблатом белой эмали. Внутри билась новая частота: пять ударов в секунду, невесомый балансир на тонкой спирали, почти без трения, почти вне времени.
В 1761 году сорокашестилетний сын Гаррисона, Уильям, взял H4 и отправился на Ямайку. Когда корабль прибыл в порт, хронометр ошибся на пять секунд, и пересчет дал погрешность в долготе меньше одной мили. Через три года испытания повторили на Барбадос, и H4 ошибся на пятнадцать секунд за сорок семь дней. Гаррисон выполнил условие задачи.
Тридцать лет унижений
Совет по долготе отказался платить. Астрономы заявили, что одной удачи недостаточно, часовщики требовали раскрыть чертежи, чиновники находили все новые предлоги. Гаррисону выдали только половину награды, да и ту под условием: он отдаст H1, H2, H3 и H4 в государственную собственность и покажет механизм другим мастерам.
Гаррисон согласился. Ему было семьдесят два года, он хотел только одного: чтобы его оставили в покое. Но Совет продолжал требовать новых испытаний. Гаррисон пробовал судиться, писал прошения, обивал пороги, его выслушивали, сочувствовали, кивали и ничего не делали.
В 1772 году восьмидесятилетний Гаррисон обратился к королю. Георг Третий, который сам увлекался астрономией и часовыми механизмами, пришел в ярость. Он пригласил Гаррисона в Кью, лично провел испытания H4 в своей обсерватории и заявил, что парламент опозорил Англию. Под давлением короны Совет по долготе выплатил Гаррисону остаток награды в 1773 году. Ему было восемьдесят лет, до смерти оставалось три года.
Человек, который так и не вышел в море
Гаррисон никогда не видел океана. Всю жизнь он прожил в деревне Барроу-апон-Хамбер, в часе ходьбы от берега, но ни разу не сел на корабль. Он ненавидел качку, боялся воды и лечил морскую болезнь лавандовой настойкой. Человек, чей хронометр спас миллионы моряков, до самой смерти не мог заставить себя ступить на палубу.
Гаррисон умер в марте 1776 года на восемьдесят третьем году жизни. Его похоронили в церкви Святого Иоанна в Лондоне рядом с могилой жены. На надгробии выбили надпись: «Изобретатель морского хронометра». Капитан Кук взял копию H4 в свое второе плавание и вернулся с картами, точность которых поразила адмиралтейство. К девяностым годам восемнадцатого века британские корабли уже не выходили в океан без хронометров Гаррисона. Через поколение проблема долготы перестала быть проблемой.