Если бы плотность воздуха не менялась по мере поднятия над уровнем моря, то толщину слоя атмосферы можно было бы определить простым расчетом: давление воздуха поддерживает столб воды высотой около 10 метров; значит, высота атмосферы во столько раз больше 10 метров, во сколько плотность воздуха меньше плотности воды. Слой воздуха был бы толщиной 8 километров.

В этом случае давление атмосферы уменьшалось бы обратно пропорционально высоте поднятия над уровнем моря. Например, на высоте 2 километров давление воздуха уравновешивало бы 760·3/4 = 570 миллиметров ртутного столба.

Значит, по величине давления легко было бы определять и высоту любого пункта, на котором произведено наблюдение.

Но атмосфера чем выше, тем становится разреженнее. Поэтому зависимость между высотой и давлением воздуха более сложна.

Опыт Герике. Измерение давления атмосферы высотой водяного столба.

Изучение этой зависимости обещало дать удобный способ для измерения высот пунктов над уровнем моря, которые определялись до того времени трудоемким процессом — нивелировкой.

Современник Герике, французский физик Эдм Мариотт (1620–1684) первый пробовал рассчитать изменение давления атмосферы с высотой.

Имя Мариотта известно всем знакомым с курсом физики. Но о частной жизни этого человека не сохранилось почти никаких сведений.

Мариотт оставил много научных трудов и с самого основания Парижской Академии наук был избран академиком.

Мариотт хотел, измерив изменение давления воздуха до некоторой высоты, в дальнейшем определять его вычислением. В своем расчете изменения давления с поднятием над земной поверхностью он исходил из наблюдений и открытого им (а еще ранее — Бойлем) закона, что плотность газа при неизменной температуре обратно пропорциональна давлению.

Измерение давления было сделано в самом глубоком подвале Парижской обсерватории и одновременно на вершине ее башни. Давление в подвале, конечно, оказалось немного больше.

Установив, на сколько меняется давление через каждые 5 футов (1,5 метра) высоты, Мариотт представил себе, что вся атмосфера состоит из слоев такой толщины. В каждом из них, как предположил он, давление меняется по отношению к лежащему ниже на одну и ту же величину. Исходя из таких соображений, Мариотт делал расчеты изменения давления с высотой.

В действительности зависимость между давлением и высотой над уровнем моря сложнее. Она выражается так называемой барометрической формулой.

Барометрическая формула позволяет определить высоту места наблюдения по давлению воздуха. Ею часто пользуются для этой дели в горных местностях.

Исследования Галилея были продолжены голландским физиком, математиком и астрономом Христианом Гюйгенсом (1629–1695).

Сын богатого землевладельца, Гюйгенс получил, по желанию отца, юридическое образование в Лейденском университете. Но юноша не хотел стать адвокатом: его влекли к себе астрономия, физика, математика и механические исследования.

С увлечением занимаясь оптикой, Гюйгенс сам шлифовал стекла и достиг в этом искусстве высокого совершенства. Он изготовил рефрактор, превосходивший по своим качествам все подобные инструменты астрономов своего времени. При помощи этого рефрактора он открыл, что планета Сатурн окружена светящимся кольцом и имеет спутника, которого ранее никто не мог увидеть.

Еще в возрасте двадцати двух лет Гюйгенс опубликовал свое первое математическое исследование, а вслед за ним — ряд других работ.

К тридцати годам Гюйгенс уже успел получить большую известность. В возрасте тридцати четырех лет он был избран в члены Лондонского Королевского общества, а через три года — в Парижскую Академию наук.

Король Франции отвел Гюйгенсу прекрасную квартиру при Королевской библиотеке в Париже. В Парижской Академии наук он пользовался большим влиянием и почетом. Но Гюйгенс был протестантом, а французы — католиками. В начале 80-х годов, когда во Франции началось преследование протестантов, Гюйгенс уехал к себе на родину, в протестантскую Голландию. Там он поселился в Гааге, где и оставался до самой смерти.

Занимаясь оптическими исследованиями, Гюйгенс предположил, что свет есть колебание упругой материальной среды — эфира, заполняющего мировое пространство и промежутки между атомами. По теории Гюйгенса, от светящейся точки колебания расходятся подобно волнам на поверхности воды от упавшего камня. В пространстве они имеют сферический вид, так как распространяются во все стороны с одинаковой скоростью.

Пользуясь этой теорией, Гюйгенс вывел законы отражения и преломления света.

Как механик Гюйгенс прославился разработкой теории физического маятника.

В ту эпоху точное измерение времени приобрело особенное значение в астрономии в связи с задачей определения относительного положения звезд.

На земной поверхности место определяется географической широтой и долготой. Подобно этому, положение звезды на небесной сфере указывается ее расстоянием (в градусах) от небесного экватора и точки весеннего равноденствия[8].

Небесный экватор — проекция земного экватора на небесную сферу. Положение его можно определить, продолжив мысленно плоскость земного экватора до пересечения с небесной сферой. Если провести мысленно плоскость, перпендикулярную к плоскости экватора и проходящую через звезду и полюс мира, то пересечение этой плоскости с небесной сферой даст круг склонений.

Дуга этого круга от звезды до пересечения его с экватором есть склонение звезды. Дуга по экватору от точки весеннего равноденствия до пересечения круга склонений с экватором называется прямым восхождением звезды.

Склонение и прямое восхождение определяют положение каждой звезды на небесной сфере.

Когда измерено прямое восхождение одной звезды, то для определения этой координаты другой звезды можно воспользоваться точными часами.

Вследствие вращения Земли через плоскость меридиана места наблюдения в течение суток проходят все звезды и точка весеннего равноденствия. Момент прохождения через меридиан места наблюдения называется кульминацией. В течение часа каждая точка небесной сферы проходит дугу в 15°; в течение минуты — в 15 мин.; в течение секунды — в 15 сек..

Измерив разность времени между моментами кульминации звезды и точки весеннего равноденствия, мы определили бы прямое восхождение звезды. Очевидно, что разность времен между кульминациями двух звезд дает разность их прямых восхождений. Зная эту координату одной звезды, очень просто находим ее и для другой.

Положение звезды может определяться склонением, то-есть расстоянием ее от экватора (в градусах), считая по кругу склонения, который проводится через звезду и полюс мира перпендикулярно к экватору (дуга СВ). Вторая координата — прямое восхождение, как называется дуга экватора, считая от точки весеннего равноденствия до пересечения круга склонения с экватором (дуга γ В).

Чтобы производить такие измерения, нужно иметь точные часы. Поэтому и ученые-физики и конструкторы часов трудились над созданием точных приборов для измерения времени.

Гюйгенсу не было известно изобретение Галилеем маятниковых часов. Он совершенно самостоятельно пришел к мысли применить маятник вместо «билянца» для их регулирования. Это изобретение было сделано им в 1657 году.

Якорь и спусковое колесо Гюйгенса в том же виде применяются и в современных колесных часах: якорь, соединенный с маятником, зацепляет то правым, то левым концом за зубцы спускового колеса; при каждом полном колебании маятника колесо поворачивается на один зубец.