Великий часовщик

Наука невозможна без эксперимента, эксперимент — без приборов. Этот трюизм, тем не менее, не раз становился поводом для жарких и непримиримых дискуссий еще четыреста лет назад. «Стимул» недавно писал о знаменитом споре между Гоббсом и Бойлем  по поводу возможности использовать воздушный насос для достижения истинного знания о природе. Пример отражает настрой эпохи: экспериментальное естествознание в течение всего шестнадцатого и большей части семнадцатого века вызывало неизменное гносеологическое подозрение у респектабельной философии. Галилей, измеряющий время падения шаров с Пизанской башни с помощью своего пульса, или Левенгук, демонстрирующий всем желающим мутные и жутковатые картины в окуляре своего несовершенного на первых порах микроскопа выглядели чудаками и невеждами.

Перелом наступил после того, как естествознание обзавелось достаточно современной приборной базой, когда великие ученые проявили себя одновременно и великими инженерами-конструкторами. Особая роль в этом великолепном ряду ученых-инженеров принадлежит Христиану Гюйгенсу. Собственно, до конца непонятно, что было важнее для этого подверженного постоянным депрессиям голландца — открыть закон природы или сконструировать совершенный прибор. Порой кажется, что доминантой его многообразного творчества было все-таки второе.

Секреты шлифования

Христиан Гюйгенс родился в Гааге в 1629 году. Его отец Константин Гюйгенс был незаурядным литератором и дипломатом, советником принцев Оранских. Христиан получил блестящее домашнее образование, играл на лютне, выучил латынь и греческий, читал классиков, но Вергилию предпочитал Архимеда. Регулярно пребывающему на испанском фронте Константину домашние учителя с тревогой писали, что Христиан пренебрегает гекзаметром , все время мастерит какие-то механизмы и чертит схемы. «Ведь Вы бы не хотели, чтобы Ваш сын стал ремесленником?» — таким риторическим вопросом заканчивалось одно из гувернерских посланий. Вообще, для Гюйгенса-младшего как нельзя лучше подходило голландское слово vernufteling, обозначающее сочетание сильного интеллекта со склонностью к ручному труду.

Христиан также демонстрировал блестящие успехи в математике, и это убедило отца отдать его в Лейденский университет, но с условием, чтобы на одно занятие математикой приходилось два занятия юриспруденцией — он все-таки надеялся сделать из сына потомственного дипломата. Пиком «дипломатической карьеры» стала поездка Христиана в Данию в свите графа Нассау-Зигенского с целью снизить налог на голландские корабли, пересекающие пролив Орезунд. Христиан тяготился миссией и при первом удобном случае сбежал в Эльсинор, с башен которого смотрел на шведский берег и, казалось, различал великую тень — в ту пору в Стокгольме по приглашению шведской принцессы доживал свои последние дни Декарт, с которым юный натурфилософ непременно хотел встретиться.

После датской поездки отец оставил Христиана в покое, и тот с энтузиазмом занялся наукой. Его увлекла диоптрика — так тогда называли геометрическую оптику. С помощью телескопа, случайно изобретенного в 1608 году и затем подвергнутого небольшой модернизации, Галилей мог наблюдать кратеры и горы на Луне и даже открыть спутники Юпитера. Сегодня это кажется удивительным — историки науки установили, что Галилеева подзорная труба была чудовищно несовершенной, ее пытался улучшить Кеплер, но тоже не слишком преуспел; базовый закон преломления света был открыт независимо Декартом и Снеллиусом несколько позже, а без него правильно рассчитать схему телескопа было невозможно.

Гюйгенс решил создать идеальный телескоп. Вначале он усовершенствовал расчеты Кеплера и Декарта, затем перешел к практике, но быстро обнаружил, что детали ручной шлифовки линз хранятся мастерами в секрете (даже поддерживающий молодого Гюйгенса большой мастер и по совместительству философ Бенедикт Спиноза не стал делиться своими ноу-хау). Чтобы заменить руки мастера, Гюйгенс разрабатывает шлифовальный станок и без устали экспериментирует, что позволяет ему натолкнуться на схему окуляра из двух линз, расположенных таким образом, чтобы расширить поле зрения и уменьшить аберрации. После года изнурительной работы Гюйгенс создает свой первый телескоп и направляет его в небо. Ему сразу везет — он обнаруживает светящуюся точку рядом с Сатурном, которая оказывается его спутником, впоследствии названным Титаном. Следующим триумфом гюйгенсовского телескопа было открытие кольца Сатурна. То, что Сатурн выглядит как «ваза с ручками», как бы состоит из трех частей, обнаружил еще Галилей, но только увеличение точности наблюдений с помощью более совершенного прибора и интеллектуальная дерзость позволили Гюйгенсу первому в истории заявить, что он наблюдает кольцо, вращающееся вокруг этой планеты. Гюйгенс продолжал совершенствовать свой телескоп, оснастив его диафрагмой и микрометром. Благодаря этому ему удалось получить новые сведения о Марсе (он рассмотрел Большой Сирт — зону скал вулканического происхождения и установил продолжительность марсианского дня) и туманности Ориона, которую он назвал «щелью в другой мир».

В Европе разворачивается телескопная гонка, и Гюйгенсу стоит немалых усилий оставаться в первых рядах. Чувствительный удар наносит Гюйгенсу Ньютон, предложивший использовать отражающий, зеркальный телескоп, который, в отличие от «преломляющего», лишен дефекта хроматической аберрации. Гюйгенс не сдается, вступает в полемику и предлагает все новые и новые схемы, но эффективный способ устранения хроматической аберрации у рефракторного телескопа откроют уже после его смерти. Впрочем, Гюйгенсу удается взять реванш при объяснении странного явления — двойного лучепреломления исландского шпата: в отличие от корпускулярной ньютоновской теории света, волновая теория света Гюйгенса неплохо справилась с объяснением этого загадочного явления (окончательное объяснение двойного лучепреломления стало возможно после открытия поляризации электромагнитного излучения).

Приватизация точного времени

Есть, может быть, более важный, чем многократное приближение звездного неба над головой, вклад Гюйгенса в нововременную картину мира. Он подарил человечеству точное персональное время, получив первый патент на карманные часы. Впрочем, до Гюйгенса об уверенном измерении времени вообще говорить не приходилось.

Античность хотя и знала водяные, песочные и солнечные часы, в целом к измерению времени относилась равнодушно. Ситуация изменилась в Средневековье, когда механические башенные часы стали главным организатором социальной жизни общины. Как писал Освальд Шпенглер, «днем и ночью с бесчисленных башен Европы звучащий бой, этот жуткий символ уходящего времени, есть, пожалуй самое мощное выражение того, на что вообще способно историческое мироощущение. Ничего подобного мы не найдем в античных странах и городах». Время было сакральным — о его ходе сообщала церковь. Добавим, что сообщала не слишком точно — превращение энергии падающего груза в равномерное движение стрелок нуждалось в модернизации. О времени задумалась и натурфилософия. В шестнадцатом-семнадцатом веках укрепилась метафора часов как устройства Вселенной и Бога как великого часовщика — часы становились мирообразующей метафорой, одинаково важной как для богословия, так и для становящейся науки.

Но для точного счета времени нужна система, которая совершает изохронные колебания. Галилей, рассматривая как-то во время службы качание люстры в Пизанском соборе, обнаружил, что период ее колебаний не зависит от ее отклонения от положения равновесия (Гюйгенс позже установил, что это справедливо только для малых углов), то есть она совершает изохронные колебания. Галилей понял, что к часам с грузом нужно присоединить маятник. Впрочем, воплощением идеи он занялся, уже находясь в заточении в собственном доме по приговору Ватикана и будучи практически слепым. Он сделал с помощью учеников эскизы и, по одной из версий, тайно передал их протестантскому голландскому руководству. Так эскизы попали к Гюйгенсу, но, по его замечанию, они содержали только сырые идеи без настоящей проработки.

Голландия активно вела морские войны и морскую торговлю. Ее интерес к инновации Галилея носил скорее навигационный и военный характер — была надежда, что с помощью маятниковых часов удастся решить проблему определения долготы как точно измеренную разницу во времени между точкой нахождения судна в данный момент и исходной точкой его движения. Созданием надежного и точного морского хронометра для голландского флота и занялся первоначально Гюйгенс.

Он обнаружил, что изохронность колебаний маятника соблюдается только для малых углов отклонения; чтобы ограничить амплитуду колебаний, необходимо уменьшать длину подвеса при увеличении отклонения. Для этого Гюйгенс придумал «щеки» в форме циклоиды, на которые частично наматывалась нить подвеса. Гюйгенс разработал часы с коническим маятником и маятником, движущимся по циклоиде. В книге «Маятниковые часы» Гюйгенс описывает их полную теорию и все свои усовершенствования. По сути, разбираясь с часами, Гюйгенс создал всю современную механику — Ньютону оставалось вывести гюйгенсовские закономерности из более общих законов и применить аппарат исчисления бесконечно малых. 

Проблема, однако, заключалась в том, что многочисленные испытания маятниковых часов в море ни к чему не привели — они останавливались и барахлили во время качки. Тем не менее это не помешало испытывавшему их британцу Александру Брюсу претендовать на английский патент по маятниковым часам и в итоге разделить его с Гюйгенсом и Лондонским королевским обществом (в Голландии и Франции право Гюйгенса на эту интеллектуальную собственность никто не оспаривал).

Гюйгенс предложил еще одну инновацию — заменить маятник пружиной с балансиром. Такие «идеальные» часы по заказу Гюйгенса изготовил парижский часовщик Исаак Тюре — это был первый в истории персональный хронометр, карманные часы, на которые Гюйгенс получил полноценный, «международный», как мы сказали бы сегодня, патент. Успешно применить пружинный механизм для морского хронометра удалось уже после смерти Гюйгенса, но мода на «мобильные часы» завоевала европейскую элиту уже при его жизни.

Анри Тестелен «Кольбер представляет членов Королевской академии наук Людовику XIV в 1667 г.» Гюйгенс отмечен стрелкой

Wikipedia

Сила воды, разреженной огнем

Практическая направленность творчества Гюйгенса не ускользнула от министра и фактического главы правительства Людовика XIV Жан-Батиста Кольбера. Кольбер мечтал поставить науку на службу промышленности и армии, но для этого ученых надо было организовать. Кольбер предложил королю создать Парижскую академию наук с обильным государственным финансированием (в отличие от уже созданного Лондонского королевского общества, живущего на взносы его членов — состоятельных джентльменов). Встал вопрос о ее главе. 

Случилось так, что за считаные годы до объявления Кольбером своей инициативы умерли сразу несколько французских звезд первой величины — Декарт, Паскаль, Ферма. Выбор пал на иностранца Гюйгенса, который не мог отказаться ни от большого жалованья — шесть тысяч ливров в год, ни от возможности хорошо профинансировать свои исследования и создать необходимую для них современную приборную базу. Сначала Гюйгенс был разочарован новоиспеченной академией, состоявшей из двух секций — математики и физики. Если математики выглядели вполне прилично, то среди «физиков» он обнаружил медиков и агрономов, предложивших более чем сомнительные исследовательские программы. Гюйгенс приступил к чистке рядов и к интенсивной научной работе, дав Парижской академии здоровый импульс для развития в эпоху Просвещения.

В зените славы и в качестве главы Парижской академии наук Гюйгенс отправляется изучать опыт Лондонского королевского общества. Сильное впечатление на него произвел прибор Бойля — воздушный насос (тот самый, из-за которого произошел знаменитый спор Бойля и Гоббса). Насос, который, выкачивая воздух из сосуда, позволял добиться в нем состояния «пустоты», или относительного вакуума. Гюйгенс немедленно приступает к усовершенствованиям бойлевского девайса и добивается успеха, чем вызывает у Бойля приступ ревности — английский физик отказывается посещать демонстрации Гюйгенса.

Работа над все более совершенными версиями воздушного насоса приводят Гюйгенса к революционной мысли о создании на его основе теплового двигателя — разогретый пар или газ будет расширяться, двигая поршень, и совершать полезную механическую работу. Гюйгенс немедленно предлагает последовательную программу исследований Кольберу: «Производить опыт с пустотой при помощи машин и определить вес воздуха. Исследовать силу, заключенную в орудийном порохе, заключая его в небольшом количестве в железный или медный ящик достаточной толщины. Исследовать подобным же образом силу воды, разреженной огнем (то есть пара. — “Стимул”).»

Стоит сказать, что лаборантом Гюйгенса в этих экспериментах был Дени Папен, будущий изобретатель первой паровой машины. Вскоре Гюйгенс представил Парижской академии наук проект порохового двигателя в форме цилиндра с поршнем, Папен внес в него несколько конструктивных улучшений. Обсудив с Гюйгенсом возможность использования в качестве рабочего тела не пороховые газы, а водяной пар, Папен отправился в самостоятельное плавание и через два года представил публике паровой двигатель. Так Гюйгенс приложил руку к еще одной великой инновации, ставшей, с одной стороны, главным драйвером промышленной революции, а с другой — основой для создания новой науки термодинамики.

Стиль работы Гюйгенса типичен для великих ученых семнадцатого века, этот новый стиль и определил во многом характер работы научного сообщества вплоть до сегодняшнего дня. Вот его черты: ставка на эксперимент как главный арбитр любого теоретического высказывания; создание новых, неизвестных до этого человечеству приборов, с помощью которых можно «поймать» природу в новой, несвойственной ей в обычных условиях ситуации; использование этих приборов для решения насущных задач власти и общества или даже, наоборот, использование решения таких задач для создания новых научных инструментов. 

Гюйгенс возглавил передовую для того времени научную организацию — академию наук — и согласовал ее научные интересы с интересами власти. Более того, когда это было возможно, он доводил свои изобретения до полезных моделей и патентовал, чтобы получать лицензионный доход. Гюйгенс не создавал великих систем, как Декарт, или великих теорий, как Ньютон, его интересовали более частные вопросы познания природы и совершенствования техники. Однако именно решение удивительно большого количества разнообразных «частностей» и делает возможным построение великих теорий и цивилизаций.