К числу первых угломерных инструментов относится астролябия, которой пользовались еще в античном мире. Во всяком случае, описание этого прибора можно найти у древнегреческих астрономов – Гиппарха и Птолемея. В X веке ее усовершенствовал (а фактически изобрел заново) механик и математик Герберт, долгое время изучавший арабскую науку в Испании, а впоследствии ставший папой Римским под именем Сильвестра II (999–1003). Европейцы начали применять астролябию в навигационных целях не позднее XIII века, а в эпоху Великих географических открытий она уже использовалась весьма широко (например, штурманы Магеллана имели при себе семь таких приборов). Морская астролябия представляла собой градуированное кольцо с угломерной линейкой (алидадой), вращавшейся вокруг центральной оси. С помощью алидады инструмент наводили на небесное светило, а со шкалы считывали его угловую высоту над горизонтом. Правда, на кораблях, которые в открытом море всегда подвержены сильной бортовой и килевой качке, астролябию не жаловали, поскольку она была капризным и неудобным в обращении инструментом. Например, Васко да Гама прибегал к услугам этого прибора только на суше.

В XV–XVI веках появился квадрант (в переводе «четверть круга»), который был надежнее астролябии, но и он при волнении на море сплошь и рядом давал неверные показания. Поэтому вскоре он уступил место так называемому посоху Иакова – градштоку, который вплоть до середины XVIII века был основным угломерным инструментом моряков. Пауль Вернер Ланге пишет: «Этот инструмент представлял собой четырехгранный стержень (палку), по которому передвигалась поперечная рейка. Наблюдатель подносил конец градштока к глазу и перемещал рейку до тех пор, пока она не закрывала поля зрения между горизонтом и небесным светилом. После этого с градштока можно было считывать угловую высоту светила. Когда прибор наводили на Солнце, перед глазом помещали затемненное стекло». Впрочем, и градшток, и сменивший его в конце XVI столетия английский квадрант – изобретение мореплавателя Джона Девиса – были весьма далеки от совершенства. И только когда в 1731 году Джон Хэдли сконструировал октан – прибор, имевший градуированную дугу в 1/8 часть окружности, снабженную зеркалами, стало возможным определять географическую широту с точностью до одной минуты, то есть до шестидесятой части градуса. Со временем его вытеснил секстан, который широко используется в морском деле до сих пор.

А что же компас, известный европейцам по крайней мере с XII века? – спросит иной читатель. Действительно, во времена Колумба и Магеллана компас был основой навигационного снаряжения европейских судов, но вся беда в том, что ему можно доверять с оглядкой, ибо магнитная стрелка далеко не всегда и не везде обращена строго на север. Первым это заметил Христофор Колумб в 1492 году, когда плыл из Европы в Америку. Сегодня мы знаем, что магнитные и географические полюса не совпадают, поэтому стрелка компаса в разных точках земного шара гуляет, отклоняется вправо или влево от полюса. Для Колумба сие было откровением, и он записал в бортовом журнале: «Магнитное поле не всегда верно указывает на север, нужны дополнительные измерения». Например, Южный магнитный полюс, определенный британским военным моряком Джеймсом Россом в 1841 году, находился примерно в 800 километрах от географического Южного полюса. В наши дни Северный магнитный полюс находится сравнительно недалеко от географического, но периодически меняет свое положение в направлении Канады. Поэтому моряки для расчета курса используют специальные поправки, которые наносятся на географические карты в виде изолиний магнитного склонения. В середине XVI века даже делались попытки применить этот феномен на практике – для определения долготы, но затея не удалась, поскольку кривые магнитных склонений сплошь и рядом не совпадают с направлением меридианов. Например, сегодня в южной части Тихого океана они почти совпадают с параллелями. И только в начале XVIII века английский астроном Эдмунд Галлей вычертил карту земного шара, на которой были четко показаны направления и величины магнитных склонений. Стоит ли после этого удивляться, что спутников Колумба охватил священный трепет, когда они увидели, что курсы, вычисленные по компасу и Полярной звезде, сильно разнятся?

Итак, с географической широтой удалось расплеваться еще в эпоху Магеллана. Если измерять угловую высоту Солнца ровно в полдень, в тот момент, когда светило пересекает небесный меридиан и находится в зените, можно без труда получить достоверный результат даже с помощью несовершенного градштока. Расчет широты места наблюдения на основе полученных данных – тоже штука нехитрая. Для этого существовали так называемые эфемериды – специальные таблицы заранее вычисленных координат небесных светил. А вот что касается географической долготы, то с ее определением дело обстояло гораздо хуже, хотя именно этот параметр исключительно важен при плаваниях в Тихом океане. В чем же тут загвоздка?

Казалось бы, дело не стоит выеденного яйца: зная истинное бортовое время в данный момент (то есть время по часам того меридиана, где сейчас находится корабль) и зная вместе с тем время по меридиану порта, откуда корабль вышел (или по любому другому фиксированному меридиану), не составит труда определить долготу, под которой судно находится. В эпоху Возрождения уже было хорошо известно, что Земля делает полный оборот вокруг оси ровно за одни сутки (24 часа). Полный оборот – это 360 градусов, следовательно, за один час Земля повернется на 15 градусов (360 делим на 24 и получаем в результате 15). Таким образом, каждый час разницы во времени будет соответствовать 15 градусам по долготе, а четыре минуты разницы между двумя пунктами покажут, что расстояние между ними – ровно один градус, то есть 1/360 земной окружности. Итак, задача, как мы видим, сводится к точному определению истинного времени, для чего нужен надежный хронометр (или хорошие карманные часы), не подверженный корабельной качке и температурным перепадам.

Увы, но именно здесь и была зарыта собака. Говорят, что первые механические часы сконструировал наш старый знакомый Герберт, но сия история насквозь легендарна. Реальные механические часы появились в Европе на излете Средних веков, однако это чудо техники долго не имело не то что секундной, но даже минутной стрелки. Что же касается моряков, то время на борту кораблей продолжали измерять с помощью песочных часов до середины XVI века. Много лет спустя механические часы все же появились на судах, но точность их хода, как говорится, оставляла желать: они ошибались на 15 минут в сутки. Правда, в 1657 году голландец Христиан Гюйгенс выдумал корабельные часы с маятником, но и они не оправдали ожиданий, поскольку исправно работали только на твердой земле. В 1714 году английский парламент сделал широкий жест: пообещал двадцать тысяч фунтов стерлингов за простой и эффективный метод определения долготы, а чуть позже с подобной же инициативой выступила Франция. Деньги по тем временам совершенно фантастические, но утекло немало воды, прежде чем Джон Харрисон, часовщик из Йоркшира, предложил на суд публики первый морской хронометр (1735 год). А еще тремя десятилетиями позже, в 1765 году, французский физик Леруа представил на конкурс два хронометра, которые прекрасно себя зарекомендовали во время полевых испытаний. Однако новинка все равно проникала на флот со скрипом. Одним из немногих, кому посчастливилось взять в дорогу надежный хронометр, был Джеймс Кук, а другие еще долго продолжали измерять время по старинке. Поэтому капитанам даже в XVIII веке сплошь и рядом не удавалось отыскать острова, на которых незадолго до них побывали другие мореплаватели.