Олег Осипов
Динамика мироздания
Что такое время? Ответ на этот вопрос ищет не одно поколение философов, астрономов, физиков, математиков, богословов, поэтов и писателей. Причем каждой эпохе свойственно свое представление о природе времени и способах его измерения.
С древнейших времен люди не просто существовали во времени, но и пытались осмыслить его суть. Гераклит Эфесский, живший на рубеже VI и V веков до н. э., писал, что мир полон противоречий и изменчивости, но время течет неизменно. Его знаменитое изречение «В одну и ту же реку нельзя войти дважды» абсолютно верно и сегодня, так же как 2 500 лет назад.
Не обошел проблему времени и Платон (427—347 годы до н. э.). Великий философ-идеалист провозгласил принцип его цикличности. Все в мире, согласно его учению, повторяется через некоторые промежутки времени, то есть идет по кругу или, как считают некоторые современные ученые, по расширяющейся спирали.
А вот Аристотель (384—322 годы до н. э.), ученик Платона, не менее знаменитый, чем его учитель, ко времени относился без должного внимания, не найдя места этому понятию в своей системе. В картине мира, созданной Аристотелем и просуществовавшей в научном мышлении без малого 15 веков, времени отводилась скромная роль средства измерения скорости движения, не более того, поскольку этого великого греческого философа не интересовали динамические процессы мироздания.
Постепенно работа человеческой мысли и потребности развивающегося общества неизбежно привели к пересмотру всего естественно-научного мышления, а также места времени в существующем мире. На пороге эпохи Великих географических открытий каноны научного мировоззрения значительно изменились и возникла новая картина физического мира.
Мир Галилея и Ньютона был, конечно же, Евклидов — бесконечен и однороден, — но в нем время обосновалось уже твердо как одна из важнейших и особых координат. Все вокруг стали описывать как происходящее в непрерывном и бесконечном пространстве-времени. Ньютоновской механике необходимо было абсолютное и единое время во всей Вселенной, а потому точность его измерения стала для науки главной технической задачей.
Теория абсолютного пространства и времени просуществовала всего два столетия. На рубеже XIX—XX веков в физике произошли события, существенно изменившие представление человека об окружающем мире и времени в нем. Квантовая механика Шредингера и теория относительности Эйнштейна позволили осознать, что человек живет уже не в трехмерном, а четырехмерном мире, в котором время, взаимосвязанное с пространством, играет особую роль. Все вокруг стало относительным и вероятностным, многие точные понятия начали растворяться, и время стало зависеть от скорости и степени искривленности пространства. Но для того чтобы к этому прийти, человечеству потребовалась не одна сотня лет.
Капля за каплей
Первый простейший прибор для измерения времени — солнечные часы — был изобретен вавилонянами примерно 3, 5 тысячи лет назад. Небольшой стержень (гномон) укрепляли на плоском камне (кадран), разграфленном линиями, — циферблате, часовой стрелкой служила тень от гномона. Но поскольку «работали» такие часы только днем, то ночью им на замену приходила клепсидра, так греки называли водяные часы.
Металлический или глиняный, а позже — стеклянный сосуд наполняли водой. Вода медленно, капля за каплей, вытекала, уровень ее понижался, и деления на сосуде указывали который час. Не менее распространенными в Европе и Китае были так называемые «огненные» часы — в виде свечей с нанесенными на них делениями.
Первые песочные часы появились сравнительно недавно — всего тысячу лет назад. И хотя разного рода сыпучие индикаторы времени были известны давно, только должное развитие стеклодувного мастерства позволило создать относительно точный прибор. Но при помощи песочных часов можно было измерять лишь небольшие промежутки времени, обычно не более получаса. Таким образом, самые лучшие часы того периода могли обеспечить точность измерений времени ± 15—20 минут в сутки.
Без минут
Совершенно новым этапом в долгом процессе усовершенствования механизмов для измерения времени стало создание первых колесных часов. В них привод часов гирей был надежным и простым, а сила тяги — постоянной. Вес гири посредством колесной передачи приводил в действие вращающееся коромысло. Но так как баланс таких часов не имел собственного периода колебаний, то они были не очень точны.
Время и место появления первых механических часов доподлинно неизвестно. Впрочем, некоторые предположения на этот счет все же существуют. Самыми старыми, хотя и документально не подтвержденными сообщениями о них, считают упоминания, относящиеся к X веку. Изобретение механических часов приписывают Римскому Папе Сильвестру II (950— 1003), который, еще будучи простым монахом Гербертом из Ориллака, имел большой интерес к технике и был хорошо знаком с принципами построения различных арабских астрономических приборов. Но поскольку никаких описаний этих часов не сохранилось, то утверждать, что право изобретения механических часов принадлежит именно Сильвестру II, нельзя. Зато исторически подтвержден тот факт, что в 1288 году уже ходили железные башенные Вестминстерские куранты.
В любых часах должно быть что-то, что задает некий постоянный минимальный интервал времени, определяя темп отсчитываемых мгновений. Один из первых шпиндельных спусковых механизмов с билянцем (качающимся туда-сюда коромыслом) был предложен где-то около 1300 года. Важным его достоинством была легкость регулировки скорости хода путем перемещения грузиков на вращающемся коромысле. На циферблатах того периода была только одна стрелка — часовая, и еще эти часы каждый час били в колокол (английское слово «clock» — «часы» произошло от латинского «clocca» — «колокол»).
Постепенно почти все города и церкви обзавелись часами, равномерно отсчитывающими время и днем, и ночью. Поверяли их, естественно, по Солнцу, подводя в соответствии с его ходом.
Надо сказать, что люди далеко не сразу договорились начинать отсчет времени с полуночи. На протяжении XIV столетия продолжали сосуществовать разные системы отсчета: итальянские сутки начинались с заходом Солнца, вавилонские — с рассветом, германские — в полночь. Привычная нам система деления суток на два 12-часовых периода, с началом первого — в полночь и второго — в полдень, была предложена французами и сразу же пришлась по вкусу европейцам.
К сожалению, механические колесные часы исправно работали только на суше — так что эпоха Великих географических открытий прошла под звуки мерно пересыпающегося песка корабельных склянок, хотя больше всего в точных и надежных часах нуждались именно мореплаватели…
Зуб за зубом
В 1657 году голландский ученый Христиан Гюйгенс изготовил механические часы с маятником. И это стало следующей вехой в часовом деле. В его механизме маятник проходил между зубьями вилки, которая позволяла специальному зубчатому колесу проворачиваться ровно на один зуб за полкачания. Амплитуда движения маятника в таких часах была большой, и точность хода зависела не только от длины стержня, на котором висел груз, но и от размаха его качания. Точность часов возросла многократно, но перевозить такие часы все равно было невозможно.
В 1670 году произошло кардинальное усовершенствование спускового механизма механических часов — был изобретен анкерный спуск, позволивший существенно уменьшить амплитуду колебаний и применить длинные секундные маятники. После тщательной настройки, в соответствии с широтой месторасположения и температурой в помещении, такие часы имели неточность хода всего несколько секунд в неделю. Надо отметить, что взаимоотношения спускового механизма и маятника во всех часах имеют достаточно сложный характер. И если маятник задает темп вращения колесиков часового механизма, то именно спусковой механизм подталкивает маятник, делая его колебания незатухающими.
Эру компактных и переносимых механических хронометров открыло изобретение все тем же Гюйгенсом в 1675 году вращательного балансира, а также использование вместо гирь пружины. Соединение крутильного маятника, спиральной пружины и анкерного спуска открыло дорогу не только морской навигации, но и созданию массовых малогабаритных часов, а еще значительно повысило точность астрономических наблюдений и даже позволило обнаружить неравномерность вращения Земли.
Но тем не менее лунные таблицы, составляемые астрономами того времени для определения долготы, все еще «грешили» неточностями — от 1 до 2, 5°, что соответствовало ошибке ни много ни мало 60—150 км — в Париже и Лондоне и 100—250 км — в районе экватора. А потому настоятельно требовались более совершенные методы навигации и, следовательно, более точные морские хронометры. И это было не просто благим пожеланием корабельщиков, а наиважнейшей задачей мореплавания. 29 сентября 1702 года эскадра численностью в 21 корабль под началом адмирала Клодисли Шовела вышла из Гибралтара в Англию.
Погода была неважной, но, как только небо очистилось от туч, штурманам удалось определить широту местонахождения. А вот долготу в то время точно измерить не могли… Результатом ошибки в расчетах стало то, что 5 кораблей эскадры в тумане налетели на Гилстонские рифы и 1 600 человек, в том числе адмирал, герой Англо-французской войны, погибли. Эта трагедия стала для Британии страшным потрясением. Вскоре парламент подготовил билль, согласно которому беспрецедентно огромная по тем временам награда размером в 20 тысяч фунтов (что было эквивалентно 150 кг золота) причиталась тому, кто на практике решит проблему определения долготы на море. Но несмотря на то что хронометрический метод определения долготы был известен, награда ждала своего героя 60 лет…
Морские часы были изготовлены в 1735 году йоркширским столяром Джоном Харрисоном. Их точность составляла ± 5 секунд в сутки, и они уже были вполне пригодны для морских путешествий. Однако, оставшись недовольным своим первым хронометром, изобретатель трудился еще почти три десятка лет, прежде чем в 1761-м начались полномасштабные испытания усовершенствованной модели, которая уходила меньше чем на секунду в сутки. Первая часть награды была получена Харрисоном в 1764 году, после третьего длительного морского испытания и не менее длительных канцелярских мытарств. Полностью вознаграждение изобретатель получил только в 1773 году. Испытывал хронометр капитан Джеймс Кук, составивший благодаря ему карту островов Полинезии. В судовом журнале он воздал хвалу детищу Харрисона: «Верному другу — часам, нашему проводнику, который никогда не подводит». С этого момента понятия «навигация» и «время» стали поистине неразлучны.
Гальваника против механики
В начале XIX столетия, совпавшем с бурным развитием технического прогресса, с проблемой хранения времени столкнулись почтовые службы, пытавшиеся обеспечить движение почтовых экипажей по расписанию. В результате они обзавелись возимыми часами. А с появлением железных дорог часы получили в свое распоряжение и кондукторы. Чем активнее развивалось трансатлантическое сообщение, тем насущнее становилась проблема обеспечения единства отсчета времени по разные стороны океана. В этой ситуации возимые часы уже не годились. И тут на помощь пришло электричество, в те времена называемое гальванизмом. Электрические часы решили проблему синхронизации на больших расстояниях — сначала на материках, а потом и между ними. В 1851 году кабель лег на дно Ла-Манша, в 1860-м — Средиземного моря, а в 1865-м — Атлантического океана. А с 1899 года началась эра передачи сигналов точного времени по радио.
На начальной стадии развития электрических часов электроэнергия служила лишь для завода механического ведущего устройства — груза или пружины. Электрические часы, существенно отличающиеся от классических шестеренчатых, сконструировал англичанин Александр Бэйн, изобретатель электромеханического телеграфа. В 1840 году он получил патент на электрические часы, главными деталями которых были обычные механические, приводимые в действие пружиной, зато индикатор времени был уже основан на суммировании электрических импульсов, подаваемых маятником часов. К 1847 году Бэйн завершил работу над действительно электрическими часами, сердцем которых был контакт, управляемый маятником, раскачиваемым электромагнитом. Колебания складывал электромагнитный счетчик, соединенный колесной передачей со стрелками на циферблате.
В начале XX века электрические часы окончательно вытеснили механические в системах хранения и передачи точного времени. Наиболее точными часами, основанными на свободных электромагнитных маятниках, были часы Уильяма Шортта, установленные в 1921 году в Эдинбургской обсерватории. Из наблюдения за ходом трех часов Шортта, изготовленных в 1924, 1926 и 1927 годах в Гринвичской обсерватории, определили их среднесуточную погрешность в 1/300 с, что соответствует ошибке 1 секунда в год. Точность часов со свободным маятником Шортта позволила обнаружить изменения продолжительности суток. И в 1931 году начался пересмотр абсолютной единицы времени — звездного времени, с учетом движения земной оси. Эта ошибка, которой до того пренебрегали, достигала в своем максимуме 0, 003 секунды в сутки. Новая единица времени была позднее названа Средним звездным временем. Точность часов Шортта была непревзойденной, вплоть до появления кварцевых часов.
Предтеча высокоточности
В 1918 году были впервые построены часы, которые использовали свойства кварцевого резонатора. В 1937-м кварцевые часы, разработанные Льюисом Эссеном, были установлены в Гринвичской обсерватории, их точность составляла около 2 мс/ сутки. А в 1944-м международные сигналы времени в виде шеститочечных сигналов Би-би-си генерировались с помощью кварцевых часов, точность которых возросла уже до 0, 1 мс/сутки.
Во второй половине ХХ века пришла пора часов электронных. В них место электрического контакта занял транзистор, а в роли маятника выступил кварцевый резонатор.
Сегодня именно кварцевые резонаторы в наручных часах, персональных компьютерах, стиральных машинах, автомобилях, сотовых телефонах формируют время нашей жизни.
Атомный эталон
Новый толчок в развитии устройств для измерения времени был дан физиками-атомщиками. В 1964 году двое советских ученых — Н.Г. Басов и А.М. Прохоров — и американец Чарльз Таунс получили Нобелевскую премию по физике за работы по развитию микроволновой спектроскопии. А в 1949-м были построены первые атомные часы, где в качестве источника колебаний выступил не маятник и не кварцевый генератор, а сигналы, связанные с квантовым переходом электрона между двумя энергетическими уровнями атома. Эта электромагнитная волна, то есть фотон радиоизлучения, характеризуется очень высокой стабильностью энергии и частоты колебаний.
Поскольку атомы могут как отдавать, так и поглощать фотоны, первые атомные часы действовали по принципу поглощения фотонов атомами аммиака, но так как на практике они оказались не очень точны, к тому же громоздки и дороги, то широкого распространения не получили. Тогда было решено обратиться «за помощью» к другому химическому элементу — цезию, атомы которого при надлежащем выборе условий способны поглощать электромагнитные волны с частотой 9192 МГц. Используя это его свойство, Джон Шервуд и Роберт Мак-Кракен создали первый цезиевый пучковый резонатор, а в 1955-м появились первые атомные часы на основе атомов цезия. Помимо него, в атомных часах также используются атомы водорода и рубидия.
Вообще же, со времени изобретения атомных часов их точность повышалась в среднем вдвое каждые 2 года, и хотя предела совершенству в этом вопросе не видно и по сей день, в 1967 году было решено перейти на атомный эталон времени. И вот почему. О том, что вращение Земли замедляется, ученые знали давно, но в какой-то момент выяснилось, что величина этого замедления — непостоянна, да и определить закономерности вариаций скорости вращения Земли не представляется возможным. И это значительно затрудняло работу астрономов и хранителей Времени. В настоящее время Земля вращается с замедлением примерно на 2 миллисекунды за 100 лет. При этом сезонные и 10-летние колебания длительности суток также достигают тысячных долей секунды. Поэтому на очередном этапе развития общества точность Гринвичского среднего времени — общепринятого с 1884 года мирового эталона, определение которого основывалось на среднем солнечном времени, — стала недостаточной.
Принимая во внимание это обстоятельство, международный Комитет по мерам и весам в 1954 году предложил определение секунды как 1/31 556 925, 9747 доли тропического года на 1 января 1900 года в 12 часов звездного времени. И лишь в 1967-м состоялся переход от столь неудобного и неуточняемого определения секунды к атомному эталону времени. Сегодня секунда — это промежуток времени, точно равный 9 192 631 770 периодам излучения, который соответствует переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома Цезия 133.
Переход к атомному времени поставил следующий вопрос — что будет, если атомные часы сломаются? Так родилась концепция групповых стандартов — «ансамбля часов». Три комплекта обеспечивают независимую оценку стабильности, четвертые — на случай поломки. Более того, при определенном алгоритме измерений у ансамбля часов можно получить лучшие характеристики.
На сегодняшний момент в качестве шкалы времени используется Всемирное Координированное Время (UTC, Universal Time Coordinated), основанное на определении секунды через квантовый резонанс в атоме цезия (Cs133). За UTC не стоят никакие «материальные» часы». Эта шкала формируется Международным бюро мер и весов (BIPM) путем объединения данных лабораторий хранения времени различных стран, а также данных Международной службы вращения Земли (IERS). Точность UTC почти в миллион раз выше, чем астрономическое Гринвичское среднее время. Ошибка, свойственная атомным часам при определении секунды, составляет менее ± 0, 3 нс за сутки, что эквивалентно одной секунде за 10 миллионов лет.
Поскольку Время
29-04-2015, 02:27