8. В измерении линейного пространства нет естественного эталона, который предлагал бы себя. Большинство обычных мер, по-видимому, взяты от какой-то части человеческого тела; как фут, локоть, сажень; но такие меры не могут обладать никакой точностью и изменяются по соглашению: так, в древние времена было много видов локтей; и в современной Европе существует большое количество различных эталонов фута, как рейнский фут, парижский фут, английский фут. Очень желательно, чтобы, если возможно, был принят какой-то постоянный эталон, основанный в природе; ибо конвенциональные меры теряются в ходе веков; и таким образом размеры, выраженные посредством них, становятся непонятными. Два различных естественных эталона были использованы в современное время: французы отнесли свои меры длины к полной окружности меридиана земли; квадрант этого меридиана состоит из десяти миллионов единиц или метров. Англичане зафиксировали свою линейную меру посредством ссылки на длину маятника, который использует точную секунду времени в своем малом колебании. Оба эти метода вызывают значительные трудности в приведении их в исполнение; и должны рассматриваться главным образом как средства восстановления эталона, если он когда-либо будет потерян. Для обычных целей принимается какой-то материальный эталон как авторитет для времени: например, эталон, который в Англии обладал законным авторитетом до 1835 года, хранился в здании парламента; и был потерян при пожаре, который уничтожил это здание. Эталон длины, к которому теперь обычно обращаются люди науки в Англии, — это тот, который находится во владении Астрономического общества Лондона.
9. Эталон длины будучи установлен, ухищрения для его приложения и для его подразделения наиболее точным образом почти те же, что и в случае мер дуг: как, например, использование визуальных лучей микроскопов вместо ножек циркулей и краев линеек; использование микрометров для малых измерений; и тому подобное. Многие различные способы избегания ошибки в таких измерениях были изобретены различными наблюдателями, в зависимости от природы случаев, с которыми им приходилось иметь дело.
4 On the precautions employed in astronomical instruments for the measure of space, see Sir J. Herschel’s Astronomy (in the Cabinet Cyclopædia,) Arts. 103–110.
10. (III.) Измерение времени. — Методы измерения времени не так очевидны, как методы измерения пространства; ибо мы не можем приложить одну часть времени к другой, чтобы проверить их равенство. Мы вынуждены начать с допущения какого-то изменения как меры времени. Так, движение солнца в небе, или длина и положение теней объектов были первыми способами измерения частей дня. Но какая уверенность была у людей, или какая уверенность могла у них быть, что движение солнца или тени было равномерным? У них не могло быть такой уверенности, пока они не приняли какую-то меру меньших времен; которые меньшие времена, составляя большие времена посредством повторения, они взяли как эталон равномерности; — например, песочные часы или клепсидра, которая служила той же цели у древних. Нет очевидной причины, почему последовательные периоды, измеренные опорожнением песочных часов, должны быть неравными; они имплицитно принимаются как равные; и посредством ссылки на них равномерность движения солнца может быть верифицирована. Но великим улучшением в измерении времени было использование маятника для этой цели Галилеем и применение этого устройства к часам Гюйгенсом в 1656 году. Ибо последовательные колебания маятника строго равны, а часы — это только поезд механизмов, используемых для цели подсчета этих колебаний. Посредством этого изобретения мера времени в астрономических наблюдениях стала такой же точной, как мера пространства.
11. Какова естественная единица времени? С самого начала греческими астрономами было допущено, что звездные дни, измеренные оборотом звезды от любого меридиана до того же меридиана снова, точно равны; и все улучшения в мере времени стремились подтвердить это допущение. Звездный день, следовательно, является естественным эталоном времени. Но солнечный день, определенный суточным оборотом солнца, хотя и не строго неизменный, как звездный день, подвергается едва ли какому-либо заметному изменению; и поскольку ход ежедневных событий регулируется солнцем, гораздо удобнее искать базис нашей единицы времени в его движениях. Соответственно, солнечный день (средний солнечный день) делится на 24 часа, а эти — на минуты и секунды; и это наша шкала времени. Такого времени звездный день имеет 23 часа 56 минут 4,09 секунды. И очевидно, что посредством такого утверждения длина часа зафиксирована по отношению к звездному дню. Эталон времени (и эталон пространства подобным образом) одинаково отвечает своей цели, независимо от того, совпадает ли он с каким-либо целым числом единиц.
12. Поскольку звездный день является таким образом эталоном наших мер времени, становится желательным постоянно и точно отсылать к нему инструменты, посредством которых измеряется время, чтобы мы могли обезопасить себя от ошибки. Для этой цели в астрономических обсерваториях постоянно делаются наблюдения прохождения звезд через меридиан; пассажный инструмент, с которым это делается, будучи настроенным со всем вообразимым вниманием к точности.
5 On the precautions employed in the measure of time by astronomers, see Herschel’s Astronomy, Art. 115–127.
13. Когда точные меры времени требуются в других, не астрономических наблюдениях, все еще используются те же инструменты, а именно часы и хронометры. В хронометрах регулирующая часть — это колеблющееся тело; не, как в часах, маятник, колеблющийся силой тяжести, а колесо, качающееся туда и сюда на своем центре, вследствие вибраций тонкой спирали упругой проволоки. Чтобы разделить время на еще меньшие части, чем эти вибрации, используются другие ухищрения; некоторые из которых будут упомянуты под следующим заголовком.
14. (IV.) Преобразование пространства и времени. — Пространство и время сходятся в том, что они являются протяженными количествами, которые составляются и измеряются повторением однородных частей. Если тело движется равномерно, будь то путем вращения или иначе, пространство, которое описывает любая точка, пропорционально времени его движения; и пространство и время могут каждое быть взято как мера другого. Следовательно, в таких случаях, беря пространство вместо времени или время вместо пространства, мы можем часто получить более удобные и точные меры, чем мы можем, измеряя прямо элемент, с которым мы имеем дело.
Наиболее заметный пример такого преобразования — измерение прямого восхождения звезд (то есть их углового расстояния от стандартного меридиана на небесной сфере) посредством времени, затраченного на их приход к меридиану места наблюдения. Поскольку, как мы уже заявили, видимая небесная сфера, несущая неподвижные звезды, вращается с совершенной равномерностью вокруг полюса; если мы наблюдаем звезды, когда они приходят в последовательности к фиксированному кругу, проходящему через полюса, интервалы времени между этими наблюдениями будут пропорциональны углам, которые меридианные круги, проходящие через эти звезды, образуют на полюсах, где они встречаются; и следовательно, если у нас есть средства измерения времени с большой точностью, мы можем, наблюдая времена прохождений последовательных звезд через какую-то видимую отметку в нашем собственном меридиане, определить угловые расстояния меридианных кругов всех звезд друг от друга.
6 A meridian is a circle passing through the poles about which the celestial sphere revolves. The meridian of any place on the earth is that meridian which is exactly over the place.
Соответственно, теперь, когда маятниковые часы предоставляют астрономам средства определения времени точно, измерение прямых восхождений небесных тел посредством часов и пассажного инструмента является частью регулярного дела обсерватории. Если звездные часы настроены так, что они отмечают начало своей шкалы времени, когда первая точка прямого восхождения находится на видимом меридиане нашей обсерватории, точка шкалы, на которую указывают часы, когда любая другая звезда находится в нашем меридиане, будет истинно представлять прямое восхождение звезды.
Таким образом, как движение звезд является нашей мерой времени, мы используем время, наоборот, как нашу меру мест звезд. Небесная машина и наши земные машины соответствуют друг другу в своих движениях; и звезда крадется молча и устойчиво через нашу меридианную линию, точно так же, как стрелка часов крадется мимо отметки часа. Мы можем судить о масштабе этого движения, рассматривая, что полная луна затрачивает около двух минут времени на проплывание через любую фиксированную линию, видимую на фоне неба, поперечную ее пути: и все небесные тела, несомые вращающейся сферой, путешествуют с той же скоростью.
15. В этом случае, до определенной степени, мы делаем наши меры астрономических углов более точными и удобными, подставляя время вместо пространства; но когда, в том же самом роде наблюдения, мы желаем перейти к большей степени точности, мы обнаруживаем, что лучше всего это делается подстановкой пространства вместо времени. При наблюдении прохождения звезды через меридиан, если у нас есть часы в пределах слышимости, мы можем считать удары маятника по шуму, который они производят, и сказать точно, в какую секунду времени происходит прохождение звезды через видимую нить; и таким образом мы измеряем прямое восхождение посредством времени. Но наше восприятие времени не позволяет нам разделить секунду на десять частей и произнести, происходит ли прохождение через три десятых, шесть десятых или семь десятых секунды после предыдущего удара часов. Это, однако, может быть сделано обычным способом наблюдения прохождения звезды. Наблюдатель, слушая удар своих часов, фиксирует свое внимание на звезде при каждом ударе, и особенно на том, который непосредственно перед, и том, который непосредственно после прохождения нити: и посредством этого средства он имеет эти две позиции и позицию нити настолько присутствующими в своей интуиции сразу, что он может судить, в какой пропорции нить ближе к одной позиции, чем к другой, и может таким образом разделить промежуточную секунду в ее должной пропорции. Так, если он наблюдает, что в начале секунды звезда находится на одной стороне нити, а в конце секунды — на другой стороне; и что два расстояния от нити относятся как два к трем, он знает, что прохождение произошло через две пятых (или четыре десятых) секунды после бывшего удара. Этим способом секунда времени в астрономических наблюдениях может, искусным наблюдателем, быть разделена на десять равных частей; хотя когда время наблюдается как время, десятая доля секунды, по-видимому, почти ускользает от наших чувств. Из вышеприведенного объяснения будет видно, что причина, почему подразделение возможно способом, таким образом описанным, такова: — что момент времени, таким образом подлежащий делению, настолько мал, что глаз и ум могут удержать, до конца этого момента, впечатление позиции, которое он получил в начале. Хотя две позиции звезды и промежуточная нить видны последовательно, они могут быть созерцаемы умом, как если бы они были видны одновременно: и таким образом именно малость этой части времени позволяет нам подразделять ее посредством пространства.
16. Существует другой случай, несколько иного рода, в котором время используется при измерении пространства; а именно, когда пространство, или эталон пространства, определяется длиной маятника, колеблющегося в данное время. Мы могли бы этим способом определить любое пространство временем, которое маятник такой длины затратил бы на колебание; и таким образом мы могли бы говорить, как было замечено теми, кто предложил это устройство, о пяти минутах ткани или веревке длиной в полчаса. Мы можем заметить, однако, что в этом случае пространство не пропорционально времени. И мы можем добавить, что хотя мы таким образом, по-видимому, избегаем произвольного эталона пространства (ибо, как мы видели, эталон мер времени является естественным), мы не делаем этого на самом деле: ибо мы допускаем неизменность силы тяжести, которая на самом деле варьируется (хотя очень незначительно) от места к месту.
17. (V.) Метод повторения в измерении. — Во многих случаях мы можем дать большую дополнительную точность нашим измерениям, повторно прибавляя к самому себе количество, которое мы желаем измерить. Так, если бы мы желали установить точную ширину нити, могло бы быть нелегко определить, была ли она одной девяностой, или одной девяносто пятой, или одной сотой частью дюйма; но если мы обнаруживаем, что девяносто шесть таких нитей, помещенных бок о бок, занимают точно дюйм, мы имеем точную меру ширины нити. Подобным образом, если двое часов идут почти с той же скоростью, мы можем не быть в состоянии различить избыток колебания одного из маятников над колебанием другого: но когда двое часов прошли час, одни из них могли выиграть десять секунд у других; таким образом показывая, что пропорция их времен колебания есть 3610 к 3600.
В последнем из этих примеров мы имеем принцип повторения, истинно иллюстрированный, потому что (как справедливо заметил сэр Дж. Гершель) тогда есть «соположение единиц без ошибки», — «одно колебание начинается точно там, где последнее заканчивается, никакая часть времени не теряется или не выигрывается в добавлении единиц, таким образом подсчитанных». В пространстве это соположение единиц без ошибки не может быть строго выполнено, поскольку единицы должны быть добавлены вместе посредством материального контакта (как в вышеуказанном случае нитей) или каким-то эквивалентным образом. Тем не менее, принцип повторения был применен к угловому измерению с значительным успехом в повторяющем круге Борда. В этом инструменте угол между двумя объектами, которые мы должны наблюдать, повторяется вдоль градуированного лимба круга поворотом телескопа от одного объекта к другому, попеременно закрепленного на круге (своим зажимом) и свободного от него (отжимом). Этим способом ошибки градуировки могут (теоретически) быть полностью устранены: ибо если угол, повторенный девять раз, окажется дважды обошедшим круг, он должен быть точно восемьюдесятью градусами: и там, где повторение не дает точного числа окружностей, оно все же может быть сделано подразделяющим ошибку до любой требуемой степени.
7 Disc. Nat. Phil. art. 121.
18. Связан с принципом повторения метод совпадений или интерференций. Если у нас есть две шкалы, на одной из которых дюйм разделен на 10, а на другой на 11 равных частей; и если, эти шкалы будучи помещены бок о бок, окажется, что начало последней шкалы находится между 2-м и 3-м делением первой, может быть не очевидно, какая дробь, добавленная к 2, определяет место начала второй шкалы, как измеренное на первой. Но если окажется также, что 3-е деление второй шкалы совпадает с определенным делением первой (5-м), то несомненно, что 2 и три десятых есть точное место начала второй шкалы, измеренное на первой шкале. 3-е деление 11-й шкалы совпадет (или интерферирует) с делением 10-й шкалы, когда начало или ноль 11 делений находится на три десятых деления за предыдущей линией 10-й шкалы; как будет ясно при небольшом размышлении. И если у нас есть две шкалы равных единиц, в которых каждая единица разделена на почти, но не совсем, то же число равных частей (как 10 и 11, 19 и 20, 29 и 30), и одна скользит по другой, всегда будет случаться, что какая-то одна или другая из линий деления совпадет, или очень почти совпадет; и таким образом точное положение начала одной единицы, измеренное на другой шкале, определяется. Скользящая шкала, таким образом разделенная для цели подразделения единиц той, по которой она скользит, называется верньером, от имени его изобретателя.
19. Тот же принцип совпадения или интерференции применяется к точному измерению длины времени, занятого колебанием маятника. Если отдельный маятник, такой длины, чтобы качаться чуть меньше секунды, помещен перед секундным маятником часов, и если два маятника начинают двигаться вместе, первый будет выигрывать у последнего, и через некоторое время их движения будут совершенно диссонирующими. Но если мы продолжим наблюдать, мы обнаружим их, через некоторое время, снова соглашающимися точно; а именно, когда отдельный маятник выиграл одно полное колебание (туда и обратно) у маятника часов и снова совпадает с ним в своем движении. Если это случится через 5 минут, мы знаем, что времена колебания двух маятников находятся в пропорции 300 к 302, и следовательно, отдельный маятник колеблется в 150/151 секунды. Точность, которая может быть получена в мере колебания посредством этого средства, велика; ибо часы могут быть сравнены (наблюдением прохождений звезд или иначе) с естественным эталоном времени, звездным днем. И момент совпадения двух маятников может, посредством надлежащих расположений, быть очень точно определен.
Мы до сих пор говорили о методах измерения времени и пространства, но другие элементы также могут быть очень точно измерены посредством различных средств.
20. (VI.) Измерение веса. — Вес, подобно пространству и времени, есть количество, составляемое добавлением частей, и может быть измерен подобными методами. Принцип повторения применим к измерению веса; ибо если два тела одновременно положены в ту же чашу весов, и если они уравновешивают гири в другой чаше, их веса точно добавлены.
Могут быть трудности практического мастерства в приведении в исполнение математических условий совершенных весов; например, в обеспечении точного равенства эффективных плеч коромысла во всех положениях. Эти трудности обходятся методом двойного взвешивания; согласно которому стандартные веса и тело, которое должно быть взвешено, последовательно кладутся в ту же чашу и уравновешиваются третьим телом в противоположной чаше. Посредством этого средства различные длины плеч коромысла и другие несовершенства весов становятся не имеющими значения.
8 For other methods of measuring weights accurately, see Faraday’s Chemical Manipulation, p. 25.
21. Нет естественного эталона веса. Конвенциональный вес, взятый как эталон, есть вес данного объема какого-то известного вещества; например, кубического фута воды. Но для того, чтобы это было определенным, вода не должна содержать никакой части гетерогенного вещества: следовательно, требуется, чтобы вода была дистиллированной водой.