Цивилизация с нуля: Что нужно знать и уметь, чтобы выжить после всемирной катастрофы

Сообщения можно передавать побуквенно, обозначая каждую букву последовательностью длинных и коротких электрических сигналов — тире и точек. Вам только остается условиться с человеком на другом конце линии, как обозначается каждая буква, после этого можно обменяться первыми постапокалиптическими телеграфными письмами. Как вы построите систему кодирования, в сущности, неважно, но если вы заранее задумаетесь над тем, чтобы процесс был и быстрым, и надежным, то, вероятно, заново изобретете азбуку, весьма похожую на код Сэмюэля Морзе. У него наиболее употребительным буквам английского алфавита соответствуют самые простые комбинации: E — одна точка, T — тире, A — точка-тире, I — точка-точка.

Распределенные на равном расстоянии релейные радиостанции помогут передавать сигнал дальше по линии, так что вы сможете наладить глобальную сеть телеграфной связи. Но прокладка и содержание проводов через континенты и по океанскому дну — предприятие непростое. Не поискать ли более удобный способ? Нельзя ли наладить передачу электрических сигналов без хлопот с проводами, по которым бежит ток?

Рассмотрим поближе инь-яновскую взаимозависимость электричества и магнетизма. Если от колебаний электрического поля возникает магнитное поле, а колебания магнитного, в свою очередь, создают электрическое, значит, человеку под силу управлять колебаниями взаимно индуцирующихся энергий. Вообще-то такие электромагнитные волны (в отличие от волны на воде или звуковой волны) распространяются даже в полном вакууме, где нет материи, которая передавала бы возмущение: электричество и магнетизм вместе путешествуют по Вселенной, как призраки.

Золотой солнечный свет, льющийся в ваше окно, тоже не более чем сплетение электрического и магнитного полей. От рентгеновского аппарата, солярия, инфракрасных приборов ночного видения и микроволновых печей до радиолокации, телевидения и этой квинтэссенции современной жизни, бесплатного Wi-Fi, к которому я сейчас подключил свой ноутбук, — все это основано на разных формах света. Электромагнитный спектр — это широкая полоса частот, в которых колеблются соединенные электрическое и магнитное поля — от опасного интенсивного гамма-излучения до длинноволнового радио, и все эти волны распространяются со скоростью света.

Нас с вами интересуют именно радиоволны. Кроме того, что их относительно легко произвести и уловить, они могут переносить на большие расстояния информацию. Радиопередатчик и радиоприемник — вот технология, восстановление которой поможет вам наладить систему дальних коммуникаций.

Начнем с того, что попроще, — с приемника. Закиньте на дерево длинный кусок провода, нижний конец зачистите и воткните в землю для заземления. Это антенна, и быстрое колебание электромагнитного поля в проходящей радиоволне заставит электроны в металлическом проводе бегать вверх и вниз — создаст индуцированный переменный ток. Но для того чтобы присоединить сюда наушники и хоть что-то услышать, нужно найти способ отделить положительную или отрицательную половину волны, отбросив вторую.

Разрешить эту задачу поможет любой материал, пропускающий ток в одном направлении и блокирующий в противоположном: он «выпрямляет» переменный ток в серию импульсов постоянного. К счастью, таким волшебным и ценным свойством обладают многие кристаллы. Железный колчедан, прозванный за свою обманчивую наружность «самоварным золотом», прекрасно справляется с задачей, и его легко отыскать. Широко применяется в радиоприемниках с кристаллическими детекторами и другой минерал — галенит (сульфид свинца). Это основная руда свинца, ее богатые залежи есть по всему миру, в разные века человек добывал из нее свинец для изготовления водопроводных труб, церковных кровель, мушкетных пуль и свинцово-кислотных перезаряжаемых аккумуляторов.

Включите кристалл в цепь с антенной и наушниками, поместив его в металлическую капсулу и приделав к ней еще один контакт в виде тонкого провода, так называемый «кошачий ус». Выпрямление происходит в месте соединения кристалла и тонкого контакта, но этот эффект неустойчив, и требуется терпение, чтобы методом проб и ошибок определить оптимальное расположение этих двух частей. Однако даже в отсутствие радиопередачи это примитивное устройство может улавливать радиоизлучение, порождаемое природными явлениями, например грозами. По сути, примитивный радиопередатчик работает по принципу искрового генератора, создавая быстрые последовательности искусственных грозовых разрядов.

В искровых генераторах искра проскакивает между двумя контактами под высоким напряжением. Каждая такая искра вызывает в антенне движение электронов и испускание краткой серии радиоволн. Если передатчик ежесекундно производит тысячи искр, испуская быструю череду радиоволн, в наушниках приемника будет раздаваться жужжание. Смонтируйте выключатель на стороне низкого напряжения трансформатора, питающего разрядник, чтобы управлять разрядами и испусканием радиоволн и кодировать сообщение в тире и точках.

В идеале вам нужно передавать по радиоволнам звуки, чтобы радиооператоры могли переговариваться друг с другом или вести передачи на широкую аудиторию. Морзянка основана на полном прерывании и возобновлении сигнала, но, чтобы передавать звук, требуется более тонкое воздействие, так называемая модуляция несущего сигнала. Простейший алгоритм называется «амплитудная модуляция» (AM): интенсивность несущего сигнала плавно меняется в пределах двух крайних значений, изящный график звуковых колебаний как бы пропечатывается поверх размашистой амплитуды радиоволны. К счастью, кристаллический детектор отлично справляется с «демодуляцией» сигнала в приемнике. Односторонняя проводимость кристаллического перехода в соединении с выравнивающим действием конденсатора убирают высокочастотный несущий импульс, оставляя только голос оператора и музыку.

Но если в округе не единственный мощный передатчик, а хотя бы несколько, через такой примитивный приемник вы будете слышать нераспознаваемую мешанину разных сигналов: антенна улавливает все передачи на различных частотах и все это транслирует вам в наушники. Для точной настройки в систему нужно добавить некоторые компоненты. Настройка передатчика повышает эффективность передачи, раскладывая ее энергию по узким полосам радиочастотного спектра, а приемник выбирает из многоголосой какофонии всего радиоэфира ту полосу, которая вам нужна.

Как мы видели, радиоволна — это, в сущности, колебание, и составляющие ее электрическое и магнитное поля чередуются в некотором ритме, качаясь, будто маятник часов. Чтобы настроить радиоприемник или передатчик, нужно добавить устройство, которое электрически колеблется в определенной частоте и не реагирует на другие, близко расположенные частоты. Для этого используется явление резонанса.

Его можно представить следующим образом. Ребенок на качелях качается туда-сюда с определенной частотой, как любой маятник. Если в нужный момент вы слегка подталкиваете его, ребенок взлетает все выше и выше. Но если толкать не в ритме качания, все ваши усилия пропадут втуне.

Сконструировать простейший колебательный контур, поддерживающий заданную частоту, поможет восхитительно изящная комбинация конденсатора и индукционной катушки-дросселя. Конденсатор изготавливается из двух металлических пластин, разделенных слоем изоляции. Любая подача напряжения гонит электроны в одну из пластин, пока там не образуется негативный заряд такой емкости, что дальнейшее наполнение невозможно. Конденсатор служит хранилищем электрического заряда и испускает его одним резким мощным импульсом, как, например, во вспышке фотоаппарата. Катушка-дроссель — это, в сущности, электромагнит, но она делает кое-что поинтереснее, чем просто притягивает металлические предметы. Если сопротивление препятствует прохождению тока вообще, то индуктивность препятствует флуктуациям в потоке электронов. Таким образом, пара «конденсатор — дроссель» служит надежным запасом электрической энергии: конденсатор в форме поля между его пластинами, а дроссель — в виде магнитного поля, окружающего катушку. Соедините эти два устройства в цепь, и эта простая кольцевая электрическая цепь как по волшебству оживет.

Когда насыщенная электронами пластина конденсатора отдает свой заряд, ток идет по цепи и через индукционную катушку, где создается магнитное поле, пока заряд на пластинах не сравняется. Тогда магнитное поле на катушке исчезает, но до тех пор линии убывающего поля, проходя сквозь катушку, вызывают в ней ток (эффект генератора) и, значит, закачивают электроны в другую пластину конденсатора — удивительно, схлопывающееся магнитное поле способно какое-то время поддержать тот же самый ток, которым оно и создано. К тому времени, кода поле в дросселе исчезнет совсем, вторая пластина конденсатора полностью зарядится и запустит ток в противоположном направлении, и он опять пройдет через катушку.

И так энергия течет то туда, то сюда между конденсатором и дросселем, то и дело переходя из электрического поля в магнитное и обратно, как мятник, совершающий тысячи колебаний в секунду — на частоте радиоволны.

Прелесть этого очаровательно несложного колебательного контура именно в том, что работает он исключительно на своей природной частоте, не сбиваясь ни на какие другие. Вы можете изменить эту частоту, то есть перенастроить свой передатчик или приемник, изменив характеристики одного из двух компонентов. Легче это проделать с конденсатором: вращая полукруглые металлические пластины относительно друг друга, можно регулировать площадь их пересечения, а значит, максимум собираемого заряда. Ручка настройки на старых приемниках чаще всего и была соединена с переменным конденсатором в колебательном контуре. Современные передатчики и приемники настраиваются с такой точностью, что радиоэфир в наши дни нарезан на тончайшие ломтики, будто окорок на гастрономическом прилавке, и поделен под тысячи разных нужд: коммерческое радио- и телевещание, GPS-навигация, переговоры экстренных служб, управление воздушным движением, сотовая связь, беспроводной интернет и Bluetooth, радиоуправляемые игрушки и т. д. Искровые передатчики сейчас и вовсе запрещены: их радиоизлучение плохо сфокусировано и рассеивается по широкому диапазону, так что они серьезно засоряют области соседних частот.

Конечно, для передачи звуковых сообщений необходимы еще такие компоненты, как микрофон, преобразующий звуковые колебания в кривые напряжения электроцепи передатчика, и наушники, транслирующие полученные электрические импульсы обратно в звук. Фактически микрофон и наушники — это одно и то же устройство. И там, и там есть мембрана, которая, вибрируя, создает звук или улавливает его, присоединенная к катушке, внутри которой находится магнит, так что в обоих устройствах наблюдаются те же явления электромагнетизма, которые лежат в основе электромотора и электрогенератора.

Более чувствительный вариант радиостанции можно собрать, применив пьезокристалл, обладающий занятным свойством создавать при деформации электрическое напряжение. Кристаллические наушники с такой чувствительностью нужны, чтобы расслышать исчезающе слабый сигнал с «кошачьего уса». В качестве пьезокристалла отлично подойдет виннокислый калий-натрий, он же сегнетова соль — по имени французского аптекаря, впервые получившего это вещество в XVII в. Приготовить эту соль можно, смешав горячие растворы кальцинированной соды и кислой винно-калиевой соли (известной под названием «винный камень»), кристаллы которой оседают на стенках бочек, где выдерживается вино.

Можно не сомневаться, что постапокалиптическое человечество быстро возродит радиосвязь с нуля — даже без сложных волновых уравнений и без производственной базы для выпуска тонких радиоприборов. Это уже было в недавней истории.

Во Вторую мировую войну солдаты в траншеях на переднем крае и военнопленные в лагерях, чтобы слушать сводки с фронтов и музыку, собирали приемники из подручных средств. В этих остроумных конструкциях использовался широкий набор материалов, приспособленных под радиодетали. Антенны забрасывали на деревья или маскировали под бельевые веревки, а иногда использовали в этой роли даже проволочные заграждения. Для заземления хорошо служили холодные водопроводные трубы в лагерных бараках. Дроссели изготавливали, наматывая проволоку на картонную трубку, а раздобытый где-то голый провод изолировали свечным воском или, как в японских лагерях, жидким тестом из муки и пальмового масла. Переменные конденсаторы для настройки сооружали из фольги, например от сигаретных пачек, прокладывая ее изолирующими слоями газеты; получившийся широкий и плоский колебательный контур для компактности сворачивали в трубку.

Наушники смастерить значительно труднее, поэтому их чаще просто снимали с разбитых машин. Примитивную замену собирали, наматывая проволоку на стальные гвозди, на конце приспосабливая магнит, а на проволоку сверху пристраивая крышку от консервной жестянки, чтобы она слегка вибрировала под действием принятого сигнала.

Но, пожалуй, самого остроумного подхода потребовало создание такого необходимого устройства, как выпрямитель, снимающий звуковые частоты с несущего сигнала. Кристаллов вроде железного колчедана или галенита на фронте было не достать, но оказалось, что заржавленные бритвенные лезвия и окисленные медные монетки тоже годятся. Лезвие втыкали в кусок дерева рядом с разогнутой английской булавкой. К острию булавки прочно крепили (например, туго приматывали проволокой) заточенный грифель, и за счет своей упругости булавка отлично служила «кошачьим усом», позволяя точно настроить примыкание грифеля к поверхности окисленного металла, чтобы чисто демодулировать сигнал.

Кристаллические радиоприемники (как и «ржавчинно-грифельные» детекторы) прекрасны своей простотой и не нуждаются в источнике электропитания, поскольку получают необходимую для работы энергию прямо из уловленных радиоволн. Но кристаллический детектор ненадежен, и звук такой приемник производит негромкий. Решает эту проблему и дает начало новой революционной технологии, имеющей самый широкий спектр применений, вакуумная трубка — близкий родственник другого убиквиста современной цивилизации, электрической лампочки.

Как и лампочка Эдисона, вакуумная трубка состоит из металлической нити накаливания, помещенной в стеклянную капсулу, но есть важное отличие в том, что вокруг нити выставлен металлический экран, а внутри капсулы почти абсолютный вакуум. С нити, раскаленной добела, электроны отрываются и образуют вокруг нее облако-заряд. Это явление называется «термоэлектронная эмиссия» и используется в рентгеновских аппаратах, люминесцентных лампах, старых телевизорах и компьютерных мониторах. Если экран заряжен более положительно, чем нить, высвободившиеся электроны притягиваются к нему, и в нем возникает ток. В обратную сторону ток пойти не может, потому что металлический экран не нагревается и не испускает электронов, следовательно, такого рода диод (прибор с двумя металлическими контактами или электродами) действует подобно клапану, пропуская ток лишь в одну сторону. Основанный на совсем иных физических процессах, этот термоэлектронный клапан выполняет те же функции, что и кристаллические детекторы, и его можно сразу использовать как демодулятор в радиоприемниках. А одно простое дополнение к конструкции дает нам важнейшую инновацию и целый спектр небывалых возможностей.

Если взять обычный вакуумный диод и поместить между нитью накаливания и экраном проволочную спираль или сетку, можно наблюдать кое-что фантастическое. Такое трехконтактное устройство называется триодом, и, варьируя напряжение, подаваемое на сетку, можно влиять на ток, возникающий между нитью и экраном. Подавая на сетку небольшое отрицательное напряжение, мы отклоняем траектории электронов, испущенных нитью и летящих к экрану. Усилив напряжение, мы еще больше разредим их поток — это как пережимать коктейльную соломинку, дозируя прохождение напитка. Но главное — триод дает возможность, варьируя напряжение на одном из контактов, управлять напряжением на другом. Гениальное применение этого свойства заключается в том, что микроскопическими колебаниями малого напряжения на контрольной сетке можно вызвать значительные вариации напряжения на выходе. Вы усилили входящий сигнал.

Триод делает то, чего не могут кристаллы: усиливает полученный сигнал так, что через динамики его слышно во всей комнате. Также триод позволяет получать электрические колебания строго заданной частоты, что идеально для узкополосного несущего сигнала, и без труда накладывать на этот сигнал звуковую модуляцию. Все это важнейшие функции для радиовещания, но не менее полезны вакуумные радиолампы и в роли переключателей, регулирующих направление тока много быстрее механических рубильников. Монтируя множество таких ламп в одну сеть, где они управляют друг другом, можно выполнять математические вычисления и даже собирать полностью программируемые электронно-вычислительные машины[41].

Глава 11

Сложная химия

…Лично я не против, если культура общества потребления вдруг возьмет и — фьюить! — сгинет в одночасье, ведь все мы окажемся в одной лодке, ну и будем жить, ничего страшного, за курами ходить, феодалов чтить и все такое прочее. Но… если бы мы все копошились тут на земле в грязных обносках, разводя свиней в заброшенных кафешках «Баскин-Роббинс», и я вдруг взглянул бы на небо и увидел самолет — пусть там был бы всего только один-единственный человек — вот тут я бы точно свихнулся! Или все откатываются назад в дремучее средневековье — или никто!

Дуглас Коупленд. Планета шампуня[42]

В этой книге мы немало говорили о том, как без особых сложностей превращать одни вещества в другие. Хотя эти яркие метаморфозы могут сначала показаться волшебством, при некотором старании вы сможете разобраться в свойствах разных химических элементов, вывести закономерности их взаимодействия, научиться предвидеть ход и итог реакции и наконец обратить знания в силу и управлять сложными цепочками химических реакций, чтобы добиться нужного вам результата.

Далее в этой главе мы увидим, как относительно развитая цивилизация, потратившая на возрождение жизнь нескольких поколений и крепко утвердившаяся, сможет освоить более сложные промышленные процессы, необходимые для ее движения вперед, ведь примитивных методов, о которых мы говорили, обсуждая получение соды, на все не хватает. Но сначала поговорим о том, как можно с помощью электричества получить важнейшие для возрождения цивилизации сырьевые продукты и постичь поразительные законы, действующие в мире химических превращений.

Периодическая таблица и электролиз

Мы уже видели, как технологии генерации и распределения электроэнергии открывают широчайшее поле для решения множества задач, связанных с восстановлением цивилизации, и помогают наладить коммуникацию с далекими странами. Но первым практическим применением электричества в истории — и на первых порах перезагрузки оно также окажется бесценным — было расщепление веществ на простые составляющие, то есть электролиз.

Например, если пропустить ток через рассол (раствор хлорида натрия), то у отрицательного электрода жидкость закипит пузырями водорода от расщепившихся молекул воды, а у положительного — пузырями газообразного хлора. Водород можно использовать для наполнения летательных аппаратов и как сырье для процесса Габера — Боша (о котором мы поговорим дальше), хлор же входит в состав отбеливателей, применяемых в производстве бумаги и текстиля, о чем шла речь в главе 4. А если вы немного усовершенствуете схему, то сможете получить еще и гидроксид натрия (каустическую соду), образующуюся в электролите, которая, как мы видели, представляет собой удивительно полезную щелочь. Электролиз чистой воды (с небольшим добавлением каустической соды для усиления электропроводимости) даст вам водород и кислород.

Даже алюминий из скальной руды можно извлечь с помощью электролиза — из-за высокой химической активности его нельзя выплавить на угле или коксе. Алюминий — самый распространенный металл в земной коре и главная составляющая глины, материала, освоенного человеком в числе первых. И при этом до появления в конце 1880-х гг. метода плавки и электролиза его руды алюминий был слишком дорог для широкого применения[43].

К счастью, возрождающемуся человечеству не нужно будет сразу добывать алюминий из руды. Этот металл настолько устойчив к коррозии, что столетиями не подвергается порче, и температура плавления у него относительно невелика (660 °C), что позволяет его переплавлять в примитивной печи, которая описана на с. 140–141.

Применение электролиза позволит синтезировать ряд важных для существования цивилизации веществ, пропустив применявшиеся на протяжении столетий менее эффективные методы их получения. К тому же электролиз поможет вам и в научном познании мира: он разлагает вещества на чистые строительные блоки — химические элементы. Например, в 1800 г. ученые с помощью электролиза убедительно доказали, что вода вовсе не элемент, а соединение водорода и кислорода. А за восемь последующих лет методом электролиза выделили в чистом виде еще семь элементов: калий, натрий, кальций, бор, барий, стронций и магний. Первые три из этого списка были открыты при электролизе распространенных химических соединений, не раз упомянутых в этой книге, — поташа, каустической соды и негашеной извести. Но электролиз не только прекрасный способ изолировать ранее неизвестные химические элементы: этот процесс показывает, что самые связи, удерживающие вместе атомы в химических веществах, имеют электромагнитную природу.

Если изучать взаимоотношения разных химических элементов, то, как они ведут себя в тех или иных соединениях, каковы их «характеры», то обнаруживается одна глубокая и поразительная истина: элементы — не одиночки, они объединяются в естественные группы, отличающиеся общими свойствами, своего рода семьи. Открытие этой структуры упорядочило химический космос так же, как осознание морфологических сходств и, соответственно, родственных связей в царстве живых организмов упорядочило космос биологический. Например, калий и натрий — металлы с высочайшей химической активностью, образующие щелочные соединения, такие как едкий натр и поташ, из которых путем электролиза и выделяют чистые элементы, а хлор, бром и йод реагируют с металлами, образуя соли. Если вы возьметесь раскладывать элементы в каком-то порядке, формируя столбцы по сходству свойств, обнаружится один и тот же повторяющийся рисунок и у вас получится периодическая таблица элементов.

Нынешняя периодическая таблица элементов — великий памятник научным достижениям человека, не менее впечатляющий, чем египетские пирамиды или любое из чудес света. Это не просто полный список элементов, когда-либо открытых химиками, это способ организации знаний, позволяющий предсказать многое о тех веществах, которые еще не открыты.

Так, в 1869 г., когда русский химик Дмитрий Менделеев составил свою периодическую таблицу из 60 с небольшим известных на тот момент элементов, он обнаружил в ее матрице пустые клетки — места, куда могли бы встать несуществующие вещества. Но замечательна система Менделеева тем, что она позволила ученому точно предсказать свойства этих гипотетических веществ, например экаалюминия, пропущенной клетки сразу под алюминием. Хотя в материальном виде его никто никогда не видел и не осязал, только на основании его положения в таблице можно было описать экаалюминий как блестящий пластичный металл с определенной плотностью, твердый при комнатной температуре, но плавящийся при необычно низком для металлов градусе. Несколько лет спустя французский химик обнаружил в природе новое вещество и назвал его галлием, в честь старинного названия Франции. Вскоре стало очевидно, что это и есть отсутствующий в таблице экаалюминий, предсказанный Менделеевым, и что прогноз о температуре плавления был точным: галлий переходит из твердого состояния в жидкое при 30 °C — этот металл буквально плавится в руках[44].

Эта простая истина — о скрытых закономерностях в мире элементов — поможет вам более систематически разбираться в строении материи и искать возможности лучшего применения свойств природных материалов. А теперь давайте попробуем расширить полученные в главах 5 и 6 знания и рассмотрим технологию, требующую чуть более сложного химического производства, — фотографию.

Фотография

Фотография — удивительная технология, она позволяет использовать свет для записи образов, выхватить момент жизни и сохранить его навечно. Сделанный во время отпуска фотоснимок вызывает живые воспоминания даже спустя десятилетия и описывает мир с несравнимо большей точностью, чем наша память. Но помимо снимков с дружеских пирушек, семейных портретов и головокружительных пейзажей последние два века фотография дарит нам бесценную возможность увидеть то, чего не видит человеческий глаз. Она обеспечила важнейшей технологией многие области знания и во многом поможет ускорить постапокалиптическое возрождение. Фотография позволяет документировать события и процессы, неявные для нас, слишком быстро или слишком медленно разворачивающиеся или протекающие в недоступном нашему зрению волновом диапазоне. Например, фотография с долгой выдержкой запечатлевает слабые мерцания света с намного более протяженным периодом, чем может уловить человеческий глаз, что позволяет астрономам изучать многочисленные тусклые звезды и распознавать в бледных кляксах на снимках космоса галактики и туманности со сложной структурой[45]. Фотографические эмульсии также чувствительны к рентгеновским лучам, и это дает возможность делать медицинские снимки для диагностики внутренних повреждений.

Химическая основа фотографии довольно проста: определенные соединения серебра темнеют на солнце, так что с их помощью можно создавать черно-белые изображения. Фокус в том, чтобы найти такую растворимую форму серебра, которую можно нанести ровной тонкой пленкой, а потом превратить ее в нерастворимую соль, плотно пристающую к поверхности носителя и несмываемую.

Для начала смочите лист бумаги яичным белком (альбумином), содержащим растворы солей, и дайте высохнуть. Затем растворите в азотной кислоте, которая окислит металл до растворимого нитрата, немного серебра[46] и нанесите раствор на подготовленный лист. В реакцию вступит хлорид натрия, и продуктом будет хлорид серебра, вещество одновременно светочувствительное и нерастворимое, а яичный альбумин не даст фотоэмульсии впитаться в волокна бумаги. Одна серебряная чайная ложечка содержит количество чистого серебра, которого хватит более чем на 1500 фотографий.

Когда лучи света попадают на чувствительный слой фотопластинки, они сообщают ему энергию, достаточную для того, чтобы высвободить электроны в зернах этого слоя и тем самым восстановить из хлорида металлическое серебро. Массивное серебро, например в виде отполированного блюда, ярко блестит, но точки крошечных металлических кристаллов, наоборот, рассеивают свет и потому выглядят темными. В то же время те области фотобумаги, на которые свет не упал, сохраняют белый цвет бумажной основы. После экспозиции на фотобумагу главное — остановить фотохимическую реакцию и закрепить пойманные тени. Тиосульфат натрия — вещество, поныне применяемое в фотографии для фиксации изображения и легко приготовляемое. Пропустите через раствор соды или каустической соды сернистый газ (с. 129), затем вскипятите раствор с порошком серы, и после высыхания вы получите кристаллический закрепитель.

Проецируя изображение через линзу на фотобумагу на задней стенке светонепроницаемой камеры, мы получаем фотоаппарат, но, если не усовершенствовать первичный химический процесс, фотография, даже сделанная при ярком солнце, будет проявляться несколько часов. К счастью, мы можем несравнимо повысить чувствительность матрицы с помощью проявителя — химического состава, ускоряющего трансформацию частично засвеченных зерен и окончательно восстанавливающего их до металлического серебра. Для этого хорошо подходит железный купорос, который нетрудно получить, растворив железо в серной кислоте. Когда возрождающееся человечество продвинется в химии, можно будет заменить хлористую соль ее атомарной родней — йодом или бромом, с ними фотоэмульсия получается гораздо более чувствительной.

Но если зерна фотоэмульсии темнеют на свету, а участки, на которые он не упал, остаются белыми, выходит, что на готовом фотоснимке свет и тень поменяются местами: это будет негатив. Не существует такой быстрой химической реакции, которая бы давала устойчивое позитивное изображение, нет такого черного вещества, которое моментально светлело бы под воздействием света, — так что нужно что-то решать с негативом. Концептуальный прорыв состоялся, когда пришла догадка: если негатив создавать в камере на прозрачном носителе, тогда потом останется только посветить сквозь него на фоточувствительную бумагу, чтобы получить изображение, на котором света и тени вернутся на свои места. При мокром коллодионном процессе пироксилин растворяют в смеси эфира и спирта (все эти вещества уже встречались нам на страницах этой книги) и получают вязкую прозрачную жидкость. Лучше всего покрыть фотоэмульсией стеклянную пластину, спроецировать на нее изображение и проявить, пока жидкость не застыла в твердую водоотталкивающую пленку. Если же вместо пироксилинового раствора использовать желатин (вываренный из костей, как о том рассказывается в главе 5), то можно сделать еще более светочувствительную пластину, притом сухую и позволяющую существенно увеличить время выдержки.

Фотография — удивительный пример новой технологии, возникшей из соединения нескольких уже существовавших методов и весьма незамысловатых материалов и веществ. Сложите горн, вымазанный огнеупорной глиной, и выплавите из песка или кварца с добавлением натриевого флюса стекло. Из одного слитка выточите фокусирующую линзу, другой расплющите в прямоугольную пластину для негатива, а затем, использовав ваши навыки в изготовлении бумаги, изготовьте листы фотобумаги. В фотопроцессах используются те же кислоты и растворители, к которым мы в этой книге обращаемся раз за разом, — примитивный снимок можно сделать, располагая серебряной ложкой, навозной кучей и поваренной солью. И если бы вы перенеслись в XVI в., вы легко нашли бы там все необходимые химикаты и оптические элементы для сооружения примитивной фотокамеры и могли бы показать Гольбейну, как, не ломая голову над изобретением масляных красок, запечатлеть короля Генриха VIII на фотоснимке.

Заполнение периодической таблицы элементов, применение фотографии для исследования мира — все это важные занятия для цивилизации, возрождающейся из пепла. Но когда общество встанет на ноги и жизнь в той или иной степени наладится, людям с каждым днем будет требоваться все больше базовых веществ, о которых мы здесь все время пишем. Чтобы удовлетворить растущий спрос, обществу придется освоить кое-какие сложные технологии химической промышленности.

Химическая промышленность

Мы часто слышим о промышленной революции, о новых умных механизмах, значительно облегчивших труд человека, существенно ускоривших прогресс и преобразивших жизнь общества в XVIII столетии. Однако не меньше, чем автоматические прядильные и ткацкие станки или рокочущие паровые машины, переход к развитой цивилизации обеспечило изобретение химических процессов для производства кислот, щелочей, растворителей и других веществ, необходимых людям.

Для удовлетворения многих важных потребностей, упоминаемых в этой книге, нужны химические агенты, помогающие превратить добытое в природе сырье в необходимые материалы или продукты. Сменятся несколько поколений возрождающегося человечества, и возросшее население уже не сможет обеспечивать спрос на жизненно необходимые вещества примитивными методами, о которых мы писали выше, так что дальнейший прогресс цивилизации окажется под вопросом.

Сосредоточимся на производстве двух веществ, становившихся в свое время причиной кризисов развития западного мира: в конце XVIII в. это была сода, в конце XIX в. нитраты. Постапокалиптическая цивилизация также неизбежно столкнется с необходимостью поддерживать достаточный запас и того и другого. Что же избавит возрождающееся человечество от необходимости добывать соду из древесной золы, а нитраты — из навоза? Начнем с промышленного синтеза соды, поскольку с него начинается история мировой химической индустрии.

Как мы видели, кальцинированная сода (карбонат натрия) — это насущно необходимое соединение, применяемое в самых разных областях хозяйства. Он незаменим в роли флюса при плавке песка для выделки стекла (сегодня больше половины производимого в мире карбоната натрия потребляет стекольная промышленность), а преобразованный в каустическую соду (гидроксид натрия), лучше любых других агентов способствует осуществлению химических реакций при изготовлении мыла и бумаги. Стекло, мыло и бумага — три главных устоя цивилизации, и начиная со Средних веков человеку для их поддержания нужен постоянный приток недорогой щелочи.

Традиционно для получения щелочей брали поташ, продукт сжигания древесины. К XVIII столетию леса на большей части Европы были вырублены, и поташ начали ввозить из Северной Америки, России и Скандинавии. Однако в ряде случаев предпочтительнее углекислая сода (карбонат натрия), ведь полученная из него каустическая сода — гораздо более мощный гидролизирующий агент, чем едкое кали. Ее производили в Испании, пережигая местное растение солерос, и на побережьях Ирландии и Шотландии — из выброшенных волнами бурых водорослей. Еще углекислую соду добывали в природных залежах рудного оксида натрия на дне высохшего озера в Египте. Но во второй половине XVIII в. население и экономика Запада настолько выросли, что спрос на соду превысил ее добычу из природных источников. Возрождающееся постапокалиптическое человечество также неизбежно столкнется с такой ситуацией. Химическая углекислая сода — близкая родственница обычной морской соли[47], запасы которой практически бесконечны. Можно ли переработать ее в жизненно важный хозяйственный ресурс?

В XVIII в. французский химик Николя Леблан открыл простой двухступенчатый алгоритм решения: сначала нужно соединить морскую соль с серной кислотой, а затем прокалить продукт реакции в печи с толченой известью и углем или древесным углем при температуре около 1000 °C, пока не образуется черная, похожая на пепел масса. Карбонат натрия, который вам нужен, растворяется в воде, поэтому его можно извлечь по той же технологии, которая применялась при сжигании водорослей. Однако, хотя процесс Леблана позволяет без труда превратить морскую соль в соду и не зависеть от запасов растений и минералов, он чудовищно неэффективен и сопряжен с образованием ядовитых отходов[48]. В идеале возрождающемуся человечеству лучше будет пропустить простой, но нерациональный процесс Леблана и сразу перейти к более эффективному варианту.

Метод, разработанный бельгийским инженером-химиком Эрнестом Сольве, чуть более сложный, но он ловко замыкает цикл добавлением аммиака: используемые реагенты восстанавливаются, и отходы, а значит, и загрязнение среды сведены к минимуму.

Процесс Сольве основан на следующей химической реакции: бикарбонат аммония соединяют с крепким рассолом, чтобы ионы бикарбоната «пересели» на натрий и образовался бикарбонат натрия (идентичный применяемому в хлебопечении разрыхлителю), который затем простым нагреванием преобразуется в кальцинированную соду. Чтобы это осуществить, рассол пропускают через две колонны, где он насыщается сначала аммиаком, а затем двуокисью углерода. Растворяясь в соленой воде, они соединяются и образуют тот самый бикарбонат аммония. Соль вступает в обменную реакцию, образуя нерастворимый бикарбонат натрия, который выпадает в осадок. На этом этапе процесса Сольве главный ингредиент — аммиак: он поддерживает в рассоле щелочную среду, достаточную для того, чтобы бикарбонат натрия не растворился, и тем самым аккуратно разделяет две соли.

Диоксид углерода, необходимый для первого этапа процесса, получают, прокаливая известь (точно таким же способом, какой описан в главе 5 для обжига извести при производстве цемента и бетона). После того как из рассола экстрагируют соду, получившуюся при прокаливании негашеную известь добавляют в рассол. Она восстанавливает закачанный туда на первом этапе аммиак, который можно использовать вновь. Таким образом, производство соды методом Сольве расходует только поваренную соль и известь, а на выходе, кроме собственно соды, мы получаем попутный продукт — чистый хлористый кальций, который применяется как антиобледенитель на зимних дорогах. Эта изящная замкнутая система, где главный реагент, аммиак, раз за разом восстанавливается для повторного использования, строится на довольно простых химических операциях и до сих пор остается основной технологией производства соды во всем мире (кроме США, где в 1930-х гг. на территории штата Вайоминг открыли богатое месторождение троны — минерала, содержащего карбонат натрия). Для возрождающегося человечества метод Сольве открывает прекрасную возможность перескочить через неэффективные и экологически грязные методы производства насущно необходимой соды.

Метод Сольве превращает легкодоступный элемент натрий (поваренную соль) в повседневно необходимое щелочное соединение — соду. Но развивающаяся цивилизация довольно скоро столкнется с нехваткой другого важнейшего материала. Один из самых нужных современному человеку химических процессов связан с азотом, и тут мы видим еще одно чудесное превращение бросового вещества в ценный сырьевой ресурс.

Если учесть, скольких людей она касается ежедневно, самой существенной технической новацией ХХ в. следует признать не воздушное сообщение, не антибиотики, не компьютеры и не атомную энергетику, а технологию получения простого и довольно неприятно пахнущего вещества — аммиака. Как мы не раз видели в этой книге, аммиак и родственные ему (и значит, химически взаимопревращаемые с ним) азотсодержащие соединения — азотная кислота и нитраты — это краеугольные камни химии, подпирающей цивилизацию. Без нитратов не обойтись в производстве удобрений и взрывчатки, но к концу XIX в. развитые страны стали испытывать дефицит этого ценного сырья. Спрос превысил предложение, и тогда американцам и европейцам пришлось крепко задуматься о том, чем вооружать армии и, хуже того, как обеспечить достаточно продовольствия, чтобы люди не страдали от голода.

Тысячелетиями у человечества был только один рецепт: если население росло, раскорчевывали больше земли под пахоту. Однако, когда доступный запас земли уже освоен, прокормить растущее число едоков можно только за счет повышения урожайности культивируемых земель, и, как мы видели в главе 3, этому способствует внесение в почву навоза и выращивание бобовых культур. А если численность населения достигает определенной пороговой величины — когда, условно говоря, все стулья заняты, — цивилизация неизбежно заходит в тупик. Нет возможности получить больше навоза от скота, поскольку для этого нужны новые пастбища, сеять больше бобовых тоже нельзя, так как тогда сократятся поля под злаки. Потенциал органического земледелия исчерпан.

Единственный выход — вносить в почву азот откуда-то извне, из-за пределов замкнутого сельскохозяйственного круга. На протяжении всего XIX в. сельское хозяйство Запада сильно зависело от привозного птичьего помета и селитры, добываемой в Чилийской пустыне. Но эти источники быстро истощились, и в 1898 г. председатель британской Ассоциации содействия наукам сэр Уильям Крукс предостерегал: «Мы одалживаемся из капитала Земли, но наши векселя не вечно будут принимать» (и нам сегодня стоило бы прислушаться к его словам, пока безудержный аппетит человечества к сырой нефти и другим природным ресурсам не истощил планету). В мире, остающемся после нас, уже не будет былых запасов природных нитратов, и взрослеющее постапокалиптическое общество упрется в эту стену довольно скоро.

В земной атмосфере много азота — в каждом вашем вдохе этот газ составляет 80 % но при этом он упорно хранит химическую пассивность. Два атома азота плотно скреплены в пару тройной связью; вообще азот — самое инертное из всех двухатомных веществ, какие мы только знаем. Поэтому его совсем не просто преобразовать в удобную форму, «связать». К концу XIX в. стало ясно, что дальнейший прогресс цивилизации зависит от того, сумеет ли человек связать азот. Выручить человечество из беды предстояло химикам.

Решение, найденное в 1909 г. и применяемое поныне, носит название процесса Гaбера — Боша. На первый неискушенный взгляд он кажется простым. Азот — самый распространенный газ в земной атмосфере, водород — самый распространенный химический элемент во Вселенной: два этих компонента смешивают в соотношении один к трем в реакторе, и они, соединяясь, образуют NH₃ — аммиак. Азот можно просто закачивать из воздуха, а водород сегодня получают из метана, также его легко добыть электролизом воды. Чтобы побудить азот вступить в реакцию, нужно разорвать прочные связи, сцепляющие два атома в одно целое, а для этого требуется катализатор. Пористое железо с добавлением гидроксида калия (едкого кали, о котором мы рассказывали на с. 123, 127, хорошо помогает стимулировать реакцию. Эта реакция не доходит до завершения, поэтому газы охлаждают, чтобы нужный продукт конденсировался и выпал аммиачным дождем, который сливается в емкости, а еще не прореагировавшие газы снова запускаются в реактор, пока успешно не преобразуется почти весь объем. Но, как всегда, дьявол в деталях, и на самом деле процесс Габера — Боша осуществить довольно непросто.

Многие химические реакции принципиально необратимы: поездка в один конец, во время которой реагенты перекомбинируются в новые вещества. Например, в горящей свече молекулы углеводородов воска в процессе горения окисляются до воды и углекислого газа, но обратная трансформация сама собой не произойдет никогда. Другие же химические процессы представляют собой обратимые реакции, в ходе которых два противоположных превращения происходят одновременно. «Реагенты» превращаются в «продукты», но в то же самое время последние вновь возвращаются в исходное состояние. Переход азотно-водородной смеси в аммиак — как раз один из таких обратимых процессов, и, чтобы склонить баланс в сторону нужного вещества, нужно тщательно задать условия в реакторе. Для получения аммиака это означает высокую температуру (около 450 °C) и мощное давление (около 200 атмосфер). Экстремальная среда в реакторе и трубопроводах и является причиной, по которой так непросто осуществлять процесс Габера — Боша. По сравнению с другими важными процессами, упомянутыми в этой книге и требующими использования горячих печей, например с выплавкой металла или изготовлением стекла, связывание азота — высокое достижение сложной инженерии. Если постапокалиптическому человечеству не удастся сохранить подходящий реакторный сосуд, придется научиться самим изготавливать промышленные термобарокамеры.

Но вынудить азот соединиться с водородом и образовать аммиак — это лишь первый шаг. После того как азот связан, его нужно превратить в более широко употребляемую субстанцию — азотную кислоту. Аммиак окисляется в горячем конвертере — не в печи, а в сосуде, где, по сути дела, сам газообразный аммиак служит топливом и где имеется платиново-родиевый катализатор. Этот сплав содержится в каталитических нейтрализаторах, которые устанавливаются в выхлопных системах машин, чтобы уменьшить вредные выбросы, потому его сравнительно просто будет раздобыть. Получившийся диоксид азота затем абсорбируется водой, и получается азотная кислота.

Урожайность поля не повысится, если аммиак или азотную кислоту вылить на поле в чистом виде: первый слишком щелочной, вторая слишком кислая. Но если их перемешать, они нейтрализуются, образовав соль, нитрат аммония. Она представляет собой просто волшебное удобрение, поскольку содержит двойную дозу доступного азота. Как мы видели в главе 7, нитрат аммония применяется и в медицине: разлагаясь, он высвобождает обезболивающую закись азота. Словом, процесс Габера — Боша поможет постапокалиптическому обществу дорасти до индустриальной цивилизации, избавит вас от необходимости собирать ради жизненно важного азота навоз и птичий помет, разводить в воде древесный уголь или копать в пустыне селитру, а вместо этого откроет возможность брать азот из практически неисчерпаемого атмосферного запаса.

В наши дни посредством процесса Габера — Боша ежегодно получают около 100 млн т аммиака, а изготовленные из него удобрения кормят треть населения планеты — около 2,3 млрд голодных ртов насыщаются благодаря этой химической реакции. А поскольку вещества, содержащиеся в пище, ассимилируются нашими клетками, примерно половина белков в нашем теле построена из азота, искусственно связанного при помощи технологий, изобретенных людьми. В каком-то смысле мы отчасти изготовлены на заводах.

Глава 12

Время и место

Род проходит, и род приходит, а земля пребывает во веки.

Екклесиаст, 1:4

Мысли, которые мне внушают руины, возвышенны. Все обращается в ничто, все гибнет, все проходит, только вселенная остается, только время продолжается.

Дени Дидро

В предыдущей главе мы подошли к довольно сложным технологиям промышленной химии, которые могут удовлетворить запросы развивающегося человечества спустя несколько поколений после апокалипсиса. Теперь я хочу вернуться к самым основам. Что могут предпринять люди, пережившие планетарную катастрофу, чтобы с абсолютно чистого листа научиться определять две первоосновные вещи: где мы находимся и какой на дворе день и час? Это ведь не праздная забава: умение проследить свое движение во времени и пространстве необычайно важно. Первое дает возможность измерять течение времени в сутках, счислять дни и определять сезоны, что необходимо для успешного земледелия. Я расскажу, какие наблюдения вы сможете произвести, чтобы с удивительной точностью восстановить календарь и, если понадобится, даже высчитать далеко в неведомом будущем, который идет год (классический вопрос, неизбежно срывающийся с уст героя в фильмах про путешествия во времени). Второе важно для того, чтобы определить свое местоположение на планете в отсутствие заметных ориентиров. Без этого не понять, как попасть туда, куда вам хочется попасть, а значит, невозможны торговые и исследовательские путешествия.

Начнем же со времени.

Счет часов

Одно из оснований любой цивилизации — это умение отслеживать смену сезонов, чтобы понимать, когда лучше снимать урожай, и предвидеть суровые зимы или засушливые лета. А когда общественное устройство усложняется и повседневная жизнь людей все более жестко регулируется, все важнее становится знать точное время дня. Часы — незаменимый инструмент, регулирующий продолжительность различных занятий и синхронизирующий общественную жизнь. Время работы магазинов, открытие и закрытие рынков, начало собраний и молений в религиозных сообществах — все это повинуется ходу часов.

Теоретически время можно измерять, используя какие-нибудь процессы, скорость которых постоянна. Истории известно множество таких методов, и они пригодятся на первых этапах возрождения, если не уцелеет ни одного хронометра. Можно упомянуть размеренную капель водяных часов, на которых время размечено в виде штрихов на стенке резервуара или приемника, или струйку песка либо иного сыпучего вещества, бегущую сквозь тесное отверстие, или уровень масла, оставшегося в лампе, или метки на боку высокой свечи.

Принцип работы водяных и песочных часов общий — использование силы тяготения, но, в отличие от водяных, где струя выходит под давлением столба воды, скорость пересыпания песка в песочных часах практически не зависит от того, сколько песка осталось в верхнем сосуде, и этот более удобный прибор к XIV столетию получил широкое распространение.

Но песочные часы, помогая измерить какой-то отрезок времени, не могут указать вам, который час (если нет жесткой системы постоянного переворачивания склянок, начиная с восхода солнца). Как же, обходясь лишь самыми первичными средствами, определить время дня или ночи?

Расписание нашей суматошной жизни сегодня диктуют настенные часы и рабочие ежедневники, но это всего лишь оформление предвечных ритмов, в которых живет наша планета. По сравнению с ритмами нашей обыденности природные ритмы Земли слишком медленны, так что большинство из нас замечает разве что смену дня и ночи и постепенный переход от одного времени года к другому. Представьте себе, что мы поворотом регулятора можем ускорить течение времени и цикличность астрономических событий станет заметнее. (Дальнейшие описания относятся к наблюдателю, находящемуся в Северном полушарии, но принципы остаются теми же и для Южного.)

Если солнце заскользит по небу быстрее, тени замечутся по земле, кружась вокруг предметов, которые их отбрасывают. Добежав до запада, солнце скроется из виду, и после мучительно быстротечного заката небо потускнеет до темно-синего, а затем опустится черная ночная тьма. Безбрежные россыпи звезд на ночном небе тоже будут не статичным рисунком, каким казались, а тонкими штрихами света, летящими вокруг верхней точки небосвода. Они рисуют концентрические круги, будто гнездо вокруг центральной области неба, где незаметно никакого движения. В самом центре этого узора мы обнаружим звезду — это Полярная звезда, вокруг которой, как нам это видится, крутятся остальные звезды, пока небосвод вновь не поблекнет перед рассветом.

Затем мы заметим, что огненная полоса солнечной траектории меняется с течением недель: ее парабола как бы качается вверх-вниз. Летом солнце поднимается высоко и дни стоят долгие и теплые, а вот зимой оно как будто срезает дорогу, едва высовываясь над горизонтом и тут же вновь скатываясь за него. Высшая и низшая точки этого раскачивания, где оно как бы замедляется и замирает перед возвратным ходом, называются точками солнцестояния. Зимнее солнцестояние (в Южном полушарии оно оказывается летним) — это самый короткий день в году, и он соответствует самой южной точке горизонта, в которой солнце показывается над землей. В доисторических обсерваториях типа Стоунхенджа особые сооружения отмечают положение солнца на горизонте в эти дни[49]. И как же с опорой на эти природные циклы и периоды можно счислять время?

Проще говоря, солнце идет по кругу из-за вращения Земли[50], и, соответственно, по положению падающих теней можно установить время дня. Всякий, кому случалось укрываться от зноя в тени листвы или пляжного зонта, прекрасно знает, как она ползет в сторону. И если вы воткнете в песок палку, движение ее тени будет сообщать смену часов. На этом принципе, разумеется, основаны солнечные часы. Короче всего тень в полдень. Для большей точности измерения палку нужно наклонить так, чтобы она смотрела точно в северный полюс небесной сферы (полюс мира), отмеченный, как сказано на с. 255, Полярной звездой.

Для «полевых» солнечных часов можно приспособить в основание стержня полую полусферу или дугу с нанесенными через равные промежутки рисками часов. Небесная сфера напрямую спроецируется на эту криволинейную поверхность. Солнечные часы с плоским «циферблатом» сконструировать много проще, но тут придется поразбираться с нанесением часовых штрихов, так как около полудня тень движется медленнее, чем утром и вечером. Вы можете разделить день на любое удобное вам число часов. Нынешняя традиция делить сутки на две половины по 12 часов каждая восходит к древним вавилонянам (и может быть связана с 12 знаками зодиака, рядом созвездий, через которые в своем движении по небесному своду как бы проходят Солнце и планеты).

Однако главная революция в счислении времени за всю историю человечества и технология, которую нужно возродить в ходе перезагрузки, — это механические, «заводные» часы[51]. Это удивительное устройство отстукивает ритмичный пульс, подобно сердцу. Чтобы его создать, нужны четыре ключевых компонента: источник энергии, генератор колебаний, стопор-регулятор и система шестерен.

Главная часть любого механизма — это источник энергии, и простейший способ его обеспечить — груз, привязанный к веревке, намотанной на вал так, чтобы груз, опускаясь под действием силы тяжести, сообщал валу вращение. Главная трудность здесь — регулировать высвобождение этой связанной энергии, чтобы она превращалась в размеренный ход часов, а не в мгновенное падение груза наземь. Устройство, выполняющее эту функцию, называется анкер или регулятор хода, и мы о нем чуть ниже поговорим.

Пульсирующее сердце механических часов, узел, производящий регулярный отсчет времени, называется осциллятором. Идеальный вариант без технических сложностей — простой маятник, груз, раскачивающийся на жесткой стреле. Физический принцип его работы состоит в том, что период колебаний — время, за которое маятник успевает качнуться на небольшой угол и вернуться в исходное положение, — зависит от длины стрелы. Маятник качается строго с одной и той же периодичностью, хотя сила трения и сопротивление воздуха мало-помалу уменьшают амплитуду его колебаний: именно эта размеренность и есть главная причина его полезности для отсчета времени. Третий элемент, анкер, выполняет важнейшую функцию: интегрирует сигналы осциллятора, чтобы управлять источником энергии. Анкер маятника — это зубчатое колесо, то сцепляющееся, то расцепляющееся с двуплечим рычагом, качающимся вслед за маятником. В верхней точке каждого качания освобожденный анкер под тяжестью груза проворачивается на шаг, и его наклонные зубья подталкивают маятник, чтобы не останавливался. Таким образом, эта изящная конструкция подхватывает периодический импульс качающегося маятника, чтобы с каждым колебанием выпускать порцию потенциальной энергии груза. Двойное условие — необходимость длинного маятника и запаса высоты для опускающегося груза — определяет конструкцию часов: старинные напольные высокие часы похожи друг на друга.

Дальше уже не так сложно собрать систему шестерен, которая, в сущности, выполняет математическое вычисление, преобразуя прерывистое вращение анкерного колеса в равномерный ход главной шестерни, за 12 часов описывающей полный круг часовой стрелкой по циферблату, и минутной стрелки, на которую вращение передается в отношении 60:1. Деление часа на 60 минут (название происходит от латинского термина partes minutiae primae, «первая малая часть»), а минуты — на 60 секунд (partes minutiae secondae, «вторая») — это тоже наследие древних вавилонян. Часы с маятником помогают точно хронометрировать природные процессы и научные опыты: в эпоху промышленной революции это устройство существенно обогатило набор инструментов ученых и изобретателей[52].

Продолжительность часов, отмеряемых ползущей тенью на солнечной шкале, оказывается в разные моменты года разной: зимний час короче летнего. Лишь два дня в году все деления на солнечных часах тень проходит за равное время: это дни равноденствия (даты, когда и ночь и день продолжаются ровно по 12 часов)[53]. Эти особенные дни бывают весной и осенью, и, если вы встанете в полдень на экваторе, солнце пройдет прямо над вашей головой и тень исчезнет под вашими ногами. В любом месте земли утро равноденствия легко узнать: солнце выходит из-за горизонта точно на востоке (под прямым углом к небесному полюсу, наблюдаемому в вашей местности). Именно этот «стандартный» час равноденствия (продолжительность которого на солнечных часах можно замерить песочными для эталона) отсчитывают механические хронометры.

Солнечные часы указывают так называемое истинное солнечное время, и его расхождение со средним солнечным временем, которое отсчитывают механические часы по «равноденственному стандарту», доходит до 16 минут. С распространением механических часов, однако, возник риск путаницы — какая из систем счисления времени имеется в виду: стандартные машинные часы или солнечное время, отсчитывающее часы с момента восхода солнца? Поэтому начиная с XIV в. нужно было уточнять, что речь идет о времени «по часам» (of the clock, или сокращенно o'clock).