Как определить местоположение, не зная, где вы на самом деле || Великая тайна навигации

Представьте, что вы подвозите своего друга, и он просит вас высадить его в той части города, куда вы никогда раньше не ездили. Вы включаете навигацию на своем смартфоне, как сделал бы любой из нас. Но задумывались ли вы когда-нибудь, как работает навигация? Да, она существует благодаря спутникам, но как люди находили дорогу раньше? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны взглянуть на глобус, подобный тому, что был у вас в начальной школе. Вы заметите, что на нем есть линии, пересекающие его вертикально и горизонтально. Горизонтальные линии, также называемые параллелями, обозначают широту: насколько севернее или южнее вы находитесь от экватора, который находится на нулевом градусе широты. Нулевая параллель, которая делит Землю на Северное и Южное полушария, настолько важна, что в честь нее была названа страна Эквадор в Южной Америке.

Определить свою широту довольно просто, ведь полинезийцы были одними из первых, кто открыл ее в четырехсотом году нашей эры. Все, что вам нужно для определения широты, — это небо и звезды, а точнее, Полярная звезда. Она всегда находится прямо над Северным полюсом, поскольку Земля вращается вокруг своей оси с запада на восток. Все, что вам нужно сделать, это определить, как высоко в небе находится Полярная звезда. На экваторе она находится на нуле градусов, или у горизонта: там, где встречаются земля и небо. На Северном полюсе она находится прямо над вашей головой, под углом девяносто градусов. Если вы находитесь в Нью-Йорке, то Полярная звезда находится в сорока одном градусе над северным горизонтом. Угол измеряется с помощью секстанта или астролябии. Но знание того, насколько вы севернее или южнее экватора, еще не говорит о том, где именно на Земле вы находитесь.

Для навигации гораздо важнее вертикальные линии на глобусе, называемые меридианами. Они представляют собой долготу и показывают, насколько восточнее или западнее Гринвича вы находитесь. Гринвич — это район Лондона, и он был выбран в качестве главного меридиана потому, что в тысяча восемьсот пятьдесят первом году англичане основали там Королевскую обсерваторию. В то время они были пионерами в астрономии. Теоретически нулевой меридиан может находиться в любой точке земного шара, поэтому в течение короткого периода французы установили его в Париже, а китайцы — в Пекине. В тысяча восемьсот восемьдесят четвертом году международная конвенция окончательно установила для всего мира нулевой меридиан в Гринвиче. Теперь мы переходим к самому сложному: как определить свою долготу на планете, которая постоянно вращается. Поскольку все звезды на небе постоянно движутся, вы не можете полагаться на них, чтобы сказать, где именно вы находитесь. Но проблема одновременно является и решением: вам нужно знать, сколько времени там, вы находитесь. Древнегреческий астроном Птолемей был одним из первых, кто предположил, что долготу можно измерять, отслеживая, как далеко во времени вы продвинулись на восток или запад от начальной точки. В античности и средневековье было принято измерять расстояние во времени, а не в километрах. Марко Поло, например, указывал размеры земель, которые он проехал по Шелковому пути, в днях, а не в милях.

Чтобы совершить полный оборот вокруг своей оси на триста шестьдесят градусов, нашей планете требуется двадцать четыре часа. Земля вращается на пятнадцать градусов каждый час. Это означает, что если вы знаете, что в Лондоне сейчас полдень, а по вашему местному времени сейчас четыре часа утра, то разница между вашим и гринвичским временем составляет примерно восемь часов. Умножьте эти восемь часов на пятнадцать — число градусов, на которые Земля поворачивается каждый час, — и вы получите число сто двадцать, что в зависимости от вашей широты означает, что вы находитесь где-то на границе штатов Калифорния и Невада. Согласно Конституции Калифорнии, сто двадцатый западный меридиан был основным ориентиром для проведения границы. Сегодня это кажется достаточно простым, поскольку мы можем узнать время в разных местах с помощью простого поиска в Google. Чтобы упростить ситуацию, в шестидесятых годах весь мир был разделен на часовые пояса, поэтому больше нет необходимости в сложных математических вычислениях.

Вплоть до восемнадцатого века навигация была очень простой. Кораблям иногда приходилось плыть в густом тумане или в очень пасмурную погоду, что затрудняло определение широты. Еще сложнее было определить долготу. Моряки могли определить местное время, глядя на мачту. Если она не отбрасывала тень на палубу внизу, это означало, что солнце находится в самой высокой точке неба, и сейчас полдень. Но узнать время в Лондоне было сложнее, поскольку часы той эпохи все еще не могли определять время в море. Маятниковые часы не работали из-за создаваемых ими волн, а механические часы с пружинами были слишком чувствительны к изменениям температуры и давления воздуха. Они постоянно ускорялись, замедлялись или вовсе переставали работать, что делало их бесполезными для точного определения долготы. Моряки находили путь, изучая морские карты, магнитные компасы и тщательно отслеживая направление и скорость своего корабля. Но этого было недостаточно, поэтому навигационные ошибки были обычным явлением. Так произошла самая страшная военно-морская катастрофа в истории Великобритании в октябре тысяча семьсот седьмого года, когда флотилия из двадцати одного корабля, плывшая домой, налетела на скалы у островов Скилли. Почти две тысячи человек погибли за один день, поскольку командир флота сэр Клаудсли Шовелл, имевший сорока трехлетний опыт службы на флоте, просто не смог определить точное местоположение своего корабля из-за плохой погоды.

После этого печального события британские власти были полны решимости что-то предпринять. В тысяча семьсот четырнадцатом году они учредили премию за определение долготы, назначив вознаграждение в размере двадцати тысяч фунтов стерлингов, что в переводе на сегодняшние деньги составляет около шести миллионов долларов, тому, кто решит проблему навигации на море. Этим человеком стал Джон Харрисон, часовщик из Йоркшира, Англия. В тысяча семьсот пятьдесят пятом году, после нескольких попыток, он создал карманный хронометр H4. В его основе лежала пружина, изготовленная из нового вида стали, которая позволила сделать часы настолько точными, что они не теряли более одной секунды после месяца пребывания в море. Даже современные часы швейцарского производства не обладают такой точностью. Этот прорыв позволил англичанам в последующие десятилетия по-настоящему властвовать на морях. Благодаря этому изобретению мы и сегодня можем точно определить свое местоположение в любой точке земного шара с помощью спутников, поскольку они работают по аналогичной технологии. Находясь на орбите Земли, GPS-спутники посылают радиосообщения с временным кодом, которые принимаются, например, приемником в смартфоне. Затем приемник сравнивает наше местное время с временем отправки сообщения. На основе скорости света, с которой распространялся сигнал, он рассчитывает наше точное расстояние до спутника.

Однако для того, чтобы этот расчет был максимально точным, необходимы три спутника. Когда устройство GPS рассчитывает расстояние до одного спутника, оно не может определить, с какого направления был послан радиосигнал. Если представить этот сигнал как луч света, падающий на Землю, то он образует круг, внутри которого мы можем находиться в любом месте. Когда несколько спутников создают такие круги, которые накладываются друг на друга, определить наше местоположение становится проще. Такой метод геолокации называется трилатерацией. Некоторые GPS-приемники настолько точны, что могут определить наше местоположение с точностью до сантиметра. Помимо широты и долготы, они также передают информацию о высоте над уровнем моря. Получение всей этой информации стало возможным после того, как мы наконец-то выяснили связь между временем и местоположением. Наши знания о Вселенной продолжают расширяться, так как теория относительности Эйнштейна дала новое понимание того, как работают спутники GPS. Поскольку из-за гравитации часы на Земле идут медленнее, чем часы, установленные на спутниках в космосе, мы должны учитывать этот эффект. Если бы мы этого не делали, то из-за небольшой разницы во времени невозможно было бы определить наше точное положение на Земле.