Измерение времени вчера и сегодня
За много тысячелетий до изобретения современных часов люди пытались измерять время. Наши предки подметили, что равномерно горящее пламя за равное время потребляет всегда одно и то же количество масла или воска. Тогда и стали использовать свечи, масляные лампы или фитили для измерения времени. В древнем Китае существовали, например, «часы», которые были сделаны из пропитанных маслом веревок, на которых были завязаны узлы. Такой шнурок поджигали, и каждый раз, когда пламя достигало узла, проходил определенный отрезок времени. Позднее стали использовать свечи с отметками, по которым можно было узнать время, пока свеча горела. Всякий раз когда верхний край свечи доходил до одной из отметок, проходил определенный период времени. Такие маркированные свечи продаются и по сей день. в качестве часов использовались масляные лампы. Прозрачный сосуд имел вертикальную шкалу, по которой можно было отсчитывать уровень масла. Поскольку в час всегда расходовалось одинаковое количество масла, уровень его в сосуде был мерой времени, прошедшего с момента, когда лампа была зажжена.
Для измерения времени можно использовать не только равномерное сгорание свечи или масляной лампы, но также истечение из сосуда воды или песка. Песочные часы используются и по сей день. они состоят из двух грушевидных емкостей, соединенных между собой узкими концами. Песок перетекает из верхней части сосуда в нижнюю за определенное время. В песочных часах, которые раньше часто использовали при варке яиц, этот процесс обычно занимал 5 минут. Если после перетекания песка в нижнюю часть часы перевернуть, снова начнется отсчет 5 минутного периода. Для измерения времени использовали медленное истечение воды из сосуда. Так же как и в масляных часах, измерялся уровень воды. Поскольку вода вытекала с постоянной скоростью, по уровню воды можно было измерять время. В некоторых странах и сейчас встречаются водяные часы разного рода, но их вытесняют дешевые наручные часы.
На ряду с медленно горящей свечёй и сосудами, из которых вытекает вода или высыпается песок, в течении многих тысячелетий в качестве измерителя времени использовали Солнце. Принцип солнечных часов очень прост. Наше дневное светило восходит утром на востоке, за тем, как нам кажется, начинает перемещаться по небу, достигает днём на юге максимально высокой точки и вечером заходит на западе. Поскольку Солнце медленно меняет своё положение, то меняется и направление и тени стержня. Утром она довольно длинная и указывает на запад, днём - короткая и указывает на север. Когда Солнце в 12 часов истинного местного времени достигает самого высокого положения, тень короче всего. Потом она снова удлиняется. По положению тени можно судить о времени дня. Если вокруг точки, где вертикально вкопан стержень, нарисовать циферблат, то перемещающаяся тень каждый час будет падать на соответствующее деление циферблата, так что по нему можно узнавать время, как по наручным часам. На солнечных часах стержень установлен наклонно, так, чтобы он был параллелен земной оси, т.е. указывал на Полярную звезду. Солнечные часы, которые при самом высоком стоянии Солнца на юге и при самой короткой тени показывают 12 часов, градуированы на истинное солнечное время. Конечно не трудно изготовить солнечные часы, которые показывали бы среднеевропейское время. Чтобы отградуировать такой циферблат, берут наручные или маятниковые часы и отмечают на циферблате, где остановится тень в 9, 10, 11, 12 часов. Рядом с соответствующими штрихами записывают время. Однако через некоторое время возникают расхождения, а за тем пропадают. У хороших солнечных часов есть корректирующие таблицы, по которым в любое время года можно определить, на сколько минут нужно уточнить время, которое показывают часы. Имеются даже специальные конструкции, в которых эти коррекции учтены. Правда по ним сейчас уже не определяют время, они сегодня лишь романтическая деталь в парках или на стенах церквей. Уже в древнем Вавилоне были солнечные часы; они упоминаются и в библии. Существовали и маленькие карманные солнечные часы, и подлинные монстры, как, например, огромные часы в Джайпуре в Индии, с диаметром циферблата в 30 метров. Из многочисленных вариантов солнечных часов упомянем лишь часы с линзой, сделанные в XVIII веке. Ровно в полдень лучи солнца, сфокусированные линзой, падали на пороховой заряд небольшой пушки - и раздавался выстрел.
Пожалуй, самым значительным шагом вперёд в истории измерения времени было введение механических часов, которые с XII века начали устанавливать на башнях церквей. В качестве приводного механизма в них использовались грузы, укреплённые на металлической цепи. При опускании груза цепь сматывалась и вращала цилиндр, соединённый с системой колёс и стрелкой. В XIV веке механические башенные часы использовались повсеместно, а в 1657 г. голландец Христиан Гюйгенс построил первые маятниковые часы. Ещё в 1583 г. великий итальянский физик Галилей открыл, что полное качание маятника всегда происходит за одно и то же время, т.е. маятник идеально задаёт такт для часов. Можно, на пример, изготовить такой маятник, одно колебание которого продолжается ровно секунду. Если какое либо устройство подсчитает число колебаний маятника с того момента, как он был запущен, то можно узнать, сколько секунд прошло.
На любых применяемых в наши дни часах мы находим систему, способную колебаться, её называют также регулятором хода. Это может быть маятник, баланс в карманных часах, камертон или кварцевый кристалл . В качестве регулятора хода можно использовать также атомы и молекулы. При этом обязательно должно соблюдаться условие - период колебаний регулятора хода должен быть постоянным. Ещё один важнейший элемент каждых часов - накопитель энергии. Чтобы запасти энергию, используют поднятый на верх груз, натянутую пружину или электрические батарейки. Наконец, необходим передаточный механизм, чтобы передавать накопленную энергию в колебательной системе. Для этого используют шестеренные передачи или электронные схемы. И последнее - необходимо устройство, которое подсчитывало бы число колебаний и показывало их в удобной для нас форме. Здесь применяются различные циферблаты и электронные индикаторы. Цифровые показания, которые мы видим на некоторых часах, например, 12:45 или 23:18, нередко вытесняют «аналоговые» показания, к которым мы привыкли.
Нам уже знакомы часы с маятником как регулятором хода. Но в наручных или карманных часах маятник не разместить. Для них в качестве регулятора хода используют баланс, небольшое качающее колесо, скрепленное со спиральной пружиной. Этот баланс колеблется обычно 5 раз в секунду назад и вперед, т.е. частота колебаний 5 Гц. Некоторые современные часы имеют еще более быстрый регулятор хода, например, небольшие камертоны, частота которых составляет 360 Гц, т.е. они колеблются 360 раз в секунду. Еще более высокую частоту имеют кварцевые часы с колеблющимся кварцевым кристаллом. В современных кварцевых часах обычно используют кварцевые пластинки, которые колеблются с частотой 32 768 раз в секунду, другими словами, частота колебаний составляет 32 768 Гц. Регулируемые таким колеблющимся кварцем часы имеют точность хода, на много опережающую возможность точнейших механических часов. В лаборатории при соблюдении надлежащих условий удалось получить отклонение всего в 1 сек. за 30 лет. На всех кварцевых часах колеблющийся кварцевый кристалл задает частоту колебательного электрического контура и поддерживает ее при постоянном значении. Абсолютно равномерные электромагнитные колебания «подсчитываются» часами и приводятся в показания, которые мы видим на циферблате. Однако со временем кварцевые кристаллы стареют и точность часов теряется.
Еще в первые десятилетия нашего века вращение Земли было самым точным из известных науке периодических процессов и поэтому служило основой для измерения времени. В наше время вращение Земли перестало быть стандартом времени. Его место заняли атомы, «колебания» которых используются как регулятор хода для атомных часов. Атомы цезия могут находится в различном энергетическом состоянии - (+) и (-). Если атомы переходят о (+) к (-), они испускают электромагнитное излучение с частотой 9 192 631 770 Гц. Эта частота - абсолютно постоянный периодический процесс, она служит регулятором хода атомных часов. с помощью электронных средств обеспечивается постоянство микроволновой частоты. Таким образом достигнуто то, о чем всю жизнь мечтали конкурсанты часовых механизмов, а именно - найден абсолютно постоянный периодический процесс. Оба состояния (+) и (-) физики называют гипертонкими структурными уровнями основного состояния атома с цезиевым ядром (цезий - 133). Теперь на основе международного соглашения секунда как единица времени определяется таким образом: секунда - это умноженный на 9 192 631 770 период излучения, соответствующий переходу между двумя гипертонкими структурными уровнями основного состояния атома изотопа цезия-133. Конечно же, в качестве точных часов можно использовать и колебания других атомов и молекул.
В Германии, например, в 1978 г. был принят закон о времени. В соответствии с этим законом физикотехническому институту в Брауншвейге и Берлине дано поручение определять точное время в Германии. В настоящее время в институте в Брауншвейге построено 2 высокоточных часовых прибора на атомах цезия. Их считают одними из самых точных часов в мире. В России сигналы точного времени передаются по радио шестью короткими звуковыми сигналами (например, радиостанцией «Маяк»). Сигналы точного времени используются для управления сложными процессами и для научных наблюдений. В 1967 году единица времени «секунда» была определена заново. Во всем мире ввели шкалу атомного времени, которая сменила «мировое время», полученное на основе астрономических наблюдений. Это время называли «среднее время по Гринвичу», а временная шкала, принятая в настоящее время, называется UTC (от слов «Universal Tim Coordinator»). Секунды, которые включаются 1 раз в год в шкалу UTC, используются для того, чтобы UTC не более чем на секунду отличалось от времени, ориентированного на движение Солнца.