История математики. От счетных палочек до бессчетных вселенных

Создание проекции еще более усложнилось, когда стало ясно, что Земля не идеальная сфера, а сплющенный с полюсов сфероид — сфера, полюса которой немного уплощены. Рисунок Земли, сжатой у полюсов, который Ньютон опубликовал в своих «Началах», был в конечном счете подтвержден экспериментально. Если Земля сплющена на полюсах, то при перемещении от экватора к полюсу длина одного градуса широты должна увеличиться, точно так же, как благодаря гравитации должно увеличиться ускорение. Для того чтобы измерить оба явления, были организованы целые экспедиции. В 1735 году Парижская академия наук организовала экспедиции в Лапландию и Перу с целью измерить разницу в градусах долготы возле полюса и в районе экватора. Классический опыт Христиана Гюйгенса, в котором был использован простой маятник, показал, что период его колебаний зависит от величины гравитационного ускорения. Рассогласование было замечено еще в 1672 году, когда маятник, отбивающий время с точностью до секунды в Париже, пришлось укоротить, чтобы он показывал то же самое время в Кайенне. К сожалению, ошибки наблюдения обычно приводили к несопоставимым результатам. Некоторые даже считали, что Земля — вытянутый сфероид, то есть удлиненный, а не сглаженный на полюсах. В 1832 году американский математик Натаниэль Баудич (1773–1838) получил 52 измерения из самых разных точек земного шара — от Лапландии до мыса Доброй Надежды. К переводу труда французского математика, физика и астронома Пьера Симона Лапласа (1749–1827) «Небесная механика» он добавил свой анализ этих результатов и рассчитал степень сплющивания (эллиптичность) Земли, которая составила 1/297. Почти сто лет спустя это значение было принято практически во всем мире.

Отклонения от идеальной сферы потребовали поисков тригонометрических форм, выходящих за рамки плоскости и сферы, с помощью которых будет удобно обращаться со сфероидами. Сумма углов треугольника, расположенного на сфере, больше 180°, но превышение будет меняться в зависимости от места расположения треугольника на сфероиде. Французский математик Адриен Мари Лежандр (1752–1833) в 1799 году выполнил довольно изящную работу — связал стороны треугольника с разницей между суммой углов и 180°. Затем с помощью дифференциального и интегрального исчислений были определены новые проекции, формулы которых позволяли определить необходимые искажения. Немецкий физик и математик Иоганн Генрих Ламберт (1728–1777) опубликовал в 1772 году несколько различных проекций, одна из которых, конформная коническая проекция, используется до сих пор. В этом случае Земля проецируется на конус, который касается сферы в «стандартной параллели». Затем конус можно «развернуть», создавая плоскую карту.

Приборы, необходимые для навигации и геодезии, совершенствовались быстро. Астролябия, унаследованная от греков и усовершенствованная арабами, была своего рода аналоговой счетной машиной. Вращая диск, на котором были выгравированы проекция неба и орбиты различных небесных тел, можно было вычислить время восхода и захода. Каждая проекция подходила для фиксированной широты, так что в комплекте с астролябией шел набор дисков, каждый из них был предназначен для своей широты. Астролябия также могла использоваться для вычисления угла возвышения и азимутов небесных тел, вычисления времени и измерения астрономических расстояний. Использование угла возвышения и азимута в качестве стандартных измерений ввели арабы. Угол возвышения — это угол по отношению к горизонту, а азимут — угловое расстояние от меридиана. Солнечные часы были обычным инструментом определения времени, использующим изменения угла возвышения Солнца в течение дня или изменения его азимута. Большинство дисков надо было ориентировать с помощью компаса, но это было очень сложно, если принимать во внимание изменение скорости движения Солнца по небу. В XVII веке были созданы универсальные солнечные часы, которые могли использоваться на любой широте, хотя их все еще необходимо было настраивать. Затем морскую астролябию — довольно простой прибор — сменил квадрант. Постепенно квадранты, секстанты и тому подобные инструменты, используемые мореплавателями, астрономами и землемерами, становились все более и более точными, поскольку стали объединяться с оптическими инструментами и более точными шкалами.