Измерение времени

Измерение времени

Ответить на вопрос «что такое время» нелегко. В самом общем виде можно сказать, что время — это непрерывная череда сменяющих друг друга явлений. Главное свойство времени состоит в том, что оно длится, течет безостановочно. Пространство можно оградить, но время остановить невозможно. Время необратимо — путешествия на машине времени в прошлое невозможны. «Нельзя дважды войти в одну и ту же реку», — говорил Гераклит.

Величественный Стоунхендж — одна из древнейших астрономических обсерваторий, построенная пять тысяч лет назад в Южной Англии.

Сутки разделены на 24 часа, каждый час — на 60 минут. Тысячи лет назад люди заметили, что многое в природе повторяется: Солнце встает на востоке и заходит на западе, лето сменяет зиму и наоборот. Именно тогда возникли первые единицы времени — день, месяц и год. С помощью простейших астрономических приборов было установлено, что в году около 360 дней, и приблизительно за 30 дней силуэт Луны проходит цикл от одного полнолуния к следующему. Поэтому халдейские мудрецы приняли в основу шестидесятеричную систему счисления: сутки разбили на 12 ночных и 12 дневных часов, окружность — на 360 градусов. Каждый час и каждый градус были разделены на 60 минут, а каждая минута — на 60 секунд. Однако последующие более точные измерения безнадежно испортили это совершенство. Оказалось, что Земля делает полный оборот вокруг Солнца за 365 суток 5 часов 48 минут и 46 секунд. Луне же, чтобы обойти Землю, требуется от 29,25 до 29,85 суток.

Выберем любую звезду и зафиксируем ее положение на небе. На том же самом месте звезда появится через сутки, точнее через 23 часа 56 минут. Сутки, измеренные относительно далеких звезд, называются звездными (если быть совсем точными, звездные сутки — промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминациями точки весеннего равноденствия). Куда же деваются еще 4 минуты? Дело в том, что вследствие движения Земли вокруг Солнца оно смещается для земного наблюдателя на фоне звезд на 1° за сутки. Чтобы «догнать» его, Земле и нужны эти 4 минуты. Сутки, связанные с видимым движением Солнца вокруг Земли, называются солнечными. Они начинаются в момент нижней кульминации Солнца на данном меридиане (т.е. в полночь). Солнечные сутки не одинаковы — из-за эксцентриситета земной орбиты зимой в северном полушарии сутки длятся немного больше, чем летом, а в южном — наоборот. Кроме того, плоскость эклиптики наклонена к плоскости земного экватора. Поэтому были введены средние солнечные сутки, равные 24 часам.

Вследствие движения Земли вокруг Солнца оно смещается для земного наблюдателя на фоне звезд на 1° за сутки. Проходит 4 минуты, прежде чем Земля «догоняет» его. Итак, Земля делает один оборот вокруг своей оси за 23 часа 56 минут. 24 часа — средние солнечные сутки — время оборота Земли относительно центра Солнца.

Нулевой меридиан проходит через Гринвичскую обсерваторию, расположенную недалеко от Лондона. Человек живет и работает по солнечным часам. С другой стороны, астрономам для организации наблюдений нужно именно звездное время. В каждой местности существует свое солнечное и свое звездное время. В городах, расположенных на одном меридиане, оно одно и то же, а при перемещении вдоль параллели оно будет меняться. Местное время удобно для повседневной жизни — оно связано с чередованием дня и ночи в данной местности. Однако многие службы, например, транспорт, должны работать по одному и тому же времени; так, все поезда в России идут по московскому времени. Чтобы не возникало путаницы, было введено понятие гринвичского времени (UT): это местное время на нулевом меридиане, на котором расположена Гринвичская обсерватория. Но россиянам жить по одному времени с лондонцами неудобно; так появилась идея поясного времени. Были выбраны 24 земных меридиана (через каждые 15 градусов). На каждом из этих меридианов время отличается от всемирного на целое число часов, а минуты и секунды совпадают с гринвичскими. От каждого из этих меридианов отмерили 7,5° в обе стороны и провели границы часовых поясов. Внутри часовых поясов время всюду одинаково. Для того, чтобы отдельные населенные пункты не оказывались сразу в двух часовых поясах, границы между поясами немного сдвинули: они проводятся по границам государств и областей. В нашей стране поясное время было введено с 1 июля 1919 года. В 1930 году на территории бывшего Советского Союза все часы были переведены на час вперед. Так появилось декретное время. А в марте россияне переводят часы еще на час вперед (т.е. уже на 2 часа по сравнению с поясным) и до конца октября живут по летнему времени. Подобная практика принята во многих европейских странах.

Часовые пояса Земли

По московскому зимнему времени истинный полдень в Москве наступает в 12 часов 30 минут, по летнему — в 13 часов 30 минут. Возвращаясь из первого кругосветного плавания, экспедиция Фернана Магеллана выяснила, что куда-то потерялись целые сутки: по корабельному времени была среда, а местные жители, все как один, утверждали, что уже четверг. Никакой ошибки в этом нет — путешественники плыли все время на запад, догоняя Солнце, и, в итоге, сэкономили 24 часа. Похожая история случилась с русскими землепроходцами, встретившимися на Аляске с англичанами и французами. Чтобы решить эту проблему, было принято соглашение о международной линии смены дат. Она проходит через Берингов пролив по 180-му меридиану. На острове Крузенштерна, лежащем восточнее, по календарю на сутки меньше, чем на острове Ротманова, лежащем западнее этой линии.

Древняя индийская обсерватория в Дели, выполнявшая также роль солнечных часов.

Наш календарь и наше время подстроены под Солнце и Луну, однако эти светила не годятся для точного измерения времени: Земля и Луна неравномерно движутся по своим орбитам, скорость вращения Земли, кроме того, постепенно уменьшается под действием приливов. И уж тем более неудобно измерять по светилам короткие промежутки времени — минуты и секунды. Издревле для более точного измерения времени применяли песочные и водяные часы, а в XI веке появились первые механические часы, но их время приходилось по несколько раз в день сверять с солнечными часами. В середине XVII века, открыв закон колебания маятника, Галилео Галилей вывел механические часы на новый уровень точности. Однако даже лучшие механические часы показывают не совсем точное время: они спешат или отстают из-за неточной регулировки, вибрации, перепадов в температуре, каких-то внешних воздействий. В 1939 году астрономы заменили механические маятниковые часы на кварцевые: точность хода увеличилась в сотни раз и стала составлять 10−4-10−6 c в сутки. А еще через двадцать лет появились атомные часы; отклонение хода у них всего 10−10−10−11 с.

Солнечные и звездные часы

Солнечные часы Человечество отсчитывает время по солнечным часам с незапамятных времён. Сложно сказать, кто и когда впервые предложил использовать Солнце (и тень от него) в качестве часовой стрелки. Одно очевидно — изобретение это было гениальным! Вот почему и сейчас — в век сверхточной механики, электроники и ядерных частиц — любителям астрономии весьма полезно изготовить хотя бы простейшие солнечные часы, стрелкой которых будет служить тень от самой близкой к нам звезды…

Как известно, существует три основных вида солнечных часов: экваториальные, вертикальные и горизонтальные. Экваториальные часы — самые простые. Плоскость их циферблата лежит в плоскости небесного экватора (то есть расположена под углом (90°- f), где f — географическая широта). Сам циферблат разделён на одинаковые углы из расчёта 1 час = 15°. Указателем может служить любой «штырёк», укреплённый в центре часов перпендикулярно их плоскости. Изготовить экваториальные солнечные часы несложно, но в северном полушарии они будут работать только тогда, когда склонение Солнца положительно (от весеннего равноденствия до осеннего). В зимний период придётся использовать нижнюю часть циферблата, что очень неудобно.

Вертикальные часы намного более изящны. Но и здесь имеется несколько «подводных камней». Во-первых, их математическая модель довольно сложна. Во-вторых, (и это главное!) для изготовления вертикальных солнечных часов нужно точно измерить азимут стены здания, где они будут прикреплены. Конечно, все трудности преодолимы, но на первом этапе я бы посоветовал собственноручно смастерить горизонтальные солнечные часы, которые удачно сочетают в себе точность, эффективность и простоту. Такие часы могут иметь различный размер: от переносных (10−20 см в диаметре), до стационарных (1−2 метра и более). Итак, горизонтальные солнечные часы состоят из двух частей: 1) циферблата, расположенного в плоскости горизонта; 2) отбрасывающего тень указателя, который в простейшем случае представляет из себя треугольник, один из углов которого равен географической широте места установки. Плоскость указателя лежит в плоскости небесного меридиана (то есть расположена в направлении север — юг). При этом угол треугольника, равный широте места, должен указывать на север (полюс мира), а линии часов (и минут) на циферблате должны как бы «веером» расходиться от южной точки основания указателя. Теперь о градуировке циферблата. Если мы хотим, чтобы наши горизонтальные солнечные часы «показывали» то же самое время, что и обычные часы, поступаем следующим образом.

1) Рассчитываем момент истинного полудня. Это несложно сделать по формуле:

Т (пол)=12+h-L+n+1, где

Т (пол) — момент истинного полудня, h — уравнение времени (разница между средним солнечным и истинным солнечным временем), L — географическая долгота (выраженная в часовой мере), n — номер часового пояса, 1 — поправка за декретное время. В летний период придётся прибавить ещё один час (из-за перехода на «летнее время»). Что касается уравнения времени, то им, в принципе, можно пренебречь, поскольку в течение года оно изменяется от -16 минут (примерно 2 ноября) до +14 минут (около 11 февраля), обращаясь в нуль близ 15 апреля, 14 июня, 1 сентября и 24 декабря. Ну, а если вы хотите изготовить суперточные солнечные часы, то вам придётся рассчитать несколько циферблатов и менять их по мере изменения уравнения времени.

Например, для Вологды в летнее время (L=2ч 40 м, h=0, n=3) имеем:

Т (пол) = 12 + 0 — (2ч 40м) + 3 + 1 = 13ч 20 м Именно в этот момент Солнце находится точно на юге и, соответственно, отбрасывает тень от указателя на север (N на рисунке). Значит, в полдень наши часы должны показать 13ч 20 м. (В период действия зимнего времени — 12ч 20м).

2) Оцифровываем циферблат. Вооружимся калькулятором и воспользуемся следующей формулой: tg (a)=sin (f)*tg (t), где, а — углы, на которые будет расчерчен циферблат, f — широта, t — интервал времени, выраженный, конечно, в градусной мере (из расчёта 1ч = 15°). Например, мы хотим узнать, на каком угловом расстоянии от направления на север будет находиться отметка «13 часов». Несложно сообразить, что вместо t надо подставить 20 минут, выраженные в градусах и их долях. (Для этого делим 20 на 60 и умножаем на 15). После вычислений (подставляя точные значения широты для г. Вологды) получаем 4,4°. Именно такой угол нужно отложить от направления на север против часовой стрелки. После всех вычислений получаем таблицу (отрицательные углы для, а указывают, что их нужно откладывать на циферблате по часовой стрелке). Разумеется, не следует рассчитывать данные для ночи…

Циферблат, расчерченный согласно приведённым вычислениям, можно видеть на рисунке. Для небольших горизонтальных солнечных часов (диаметром около 15 см) часовой разметки вполне достаточно, так как минуты легко оценить на глаз, глядя на тень указателя. Более крупные часы потребуют дополнительных расчётов минут (или хотя бы четвертьчасовых отметок) — это также можно сделать по вышеприведённой формуле.

t 22ч 21ч 20ч 19ч 18ч 17ч

a -134,2° -118,4° -101,5° -84,1° -66,9° -50,7°

t 16ч 15ч 14ч 13ч 12ч 11ч

a -35,7° -21,7° -8,5° 4,4° 17,5° 31,1°

t 10ч 9ч 8ч 7ч 6ч 5ч

a 45,8° 61,6° 78,5° 95,9° 113,1° 129,3°

Не забудьте, что в период действия зимнего времени числовые значения часов следует уменьшить на единицу. Например, вместо «13 часов» получим «12-ть», вместо «14-ти» — «13-ть» и так далее. Кстати, переносные горизонтальные солнечные часы можно использовать в качестве компаса. Для этого по обычным часам выставляем на нужное время наши солнечные часы: тогда треугольный указатель покажет направление север — юг, причём север будет там, где нарисованы отметки «12» и «13» .

Звездные часы Если ясным днём время можно отсчитывать по Солнцу, то как быть ночью? Правильно! Нам помогут звёзды! Для настоящего любителя астрономии не составит большого труда определить время по характерному расположению звёзд в тот или иной сезон года. Но проще узнать который сейчас час по ориентации созвездия Большой Медведицы. Тем более, что в безоблачную погоду в средних и северных широтах «Небесный Ковш» никогда не опускается под горизонт. Представьте себе огромный небесный циферблат, в центре которого расположена Полярная звезда. Тогда созвездие Большой Медведицы станет гигантской космической стрелкой.

Обратите внимание (см. рис), что наш циферблат разделён не на 12 часов (как в обычных часах), а на 24 часа. При этом отметка «0ч» находится над точкой севера, отметка «12ч» — по другую сторону от Полярной звезды. Значения «6ч» и «18ч» соответственно располагаются в восточном и западном направлениях. Иными словами, ход времени в звёздных часах отсчитывается против часовой стрелки, поскольку именно так «вращается» Большая Медведица, как, впрочем, и все остальные околополярные созвездия. Далее. Проводим прямую линию от Полярной звезды к звёздам «Дельта» (Мегрец) и «Гамма» (Фекда), украшающими левую сторону Ковша Большой Медведицы (см. рис). Стрелка укажет на точку осеннего равноденствия. (Нетрудно догадаться, что точка весеннего равноденствия будет находиться в диаметрально противоположном направлении, в котором, увы, нет звёзд Большой Медведицы).

Тогда цифры на нашем воображаемом небесном циферблате покажут так называемое звёздное время (часовой угол точки весеннего равноденствия). Так, на рисунке звёздное время получилось равным примерно 1 ч 30 м. Из сферической астрономии известно, что звёздное время (S) равно сумме прямого восхождения (R.A.) какого-либо небесного объекта (например, звезды, Луны, Солнца…) и его часового угла (t).

S = R.A. + t

Поскольку звёздное время нам уже известно, то каким-либо образом узнав прямое восхождение Солнца, мы сможем вычислить его часовой угол (t = S — R.A.). Прибавив к полученному результату 12 часов, мы получим местное солнечное время. (После этого можно перейти к поясному времени). Но как узнать прямое восхождение Солнца??? Конечно, можно воспользоваться астрономическими календарями, где на каждый день приводятся экваториальные координаты Солнца. Лучше, однако, эти сведения «вычислить» самостоятельно — астрономический ежегодник не всегда бывает под рукой! На самом деле, если не гнаться за суперточностью, то узнать прямое восхождение Солнца для любой даты несложно.

Нужно лишь запомнить, что 21 марта (в день весеннего равноденствия) прямое восхождение Солнца равно 0ч, 22 июня (летнее солнцестояние) — 6ч, 23 сентября (осеннее равноденствие) — 12ч и 22 декабря (зимнее солнцестояние) — 18ч. Кроме того, запомните, что за сутки прямое восхождение Солнца увеличивается примерно на 4 минуты.

Итак, допустим, мы взглянули на звёздные часы и нашли звёздное время равным 1ч 30 м. Пусть мы проводим наблюдения, скажем, 1 октября. От осеннего равноденствия прошло 8 дней и R.A. Солнца увеличилось на 8×4 = 32 минуты и составляет 12 ч 32 м. Найденное значение, конечно, округлим до 12 ч 30 м. Находим часовой угол Солнца t = 1ч 30м — 12ч 30 м = 25ч 30м — 12ч 30 м = 13ч 00 м

Значит (прибавляем 12 часов), местное солнечное время равно 25 ч 00 м (или 1 ч 00 м). Предположим, мы наблюдаем в Вологде. Долгота этого города равна 2 ч 40 м. Вычитаем из 25 ч 00 м 2 ч 40 м, получаем 22 ч 20 м — именно таково в данный момент всемирное время. Переходим к поясному времени (прибавляем 3 часа) и вот он, долгожданный результат: сейчас 1 ч 20 м! Проверяем по подвижной карте звездного неба и убеждаемся, что мы не ошиблись…

Точное время и определение географической долготы.

Солнце всегда освещает только половину земного шара: на одном полушарии — день, а на другом в это время ночь, соответственно всегда есть точки, где в данный момент полдень, и Солнце находится в верхней кульминации. По мере того как Земля вращается вокруг оси, полдень наступает в тех местах, которые лежат западнее. По положению Солнца (или звезд) на небе определяется местное время для любой точки земного шара. Местное время в двух пунктах (T1 и Т2) отличается ровно на столько, на сколько отличается их географическая долгота:

Т1-Т2 =L1- L2.

Ясно, что полдень наступает в данном пункте Земли позже, чем в другом, ровно на столько, сколько времени нужно планете, чтобы повернуться на угол, соответствующий разности их долгот. Так, например, в Санкт-Петербурге, который находится на 8°45' западнее Москвы, полдень наступает на 35 минут позднее. Определив из наблюдений местное время в данном пункте и сравнив его с местным временем другого, географическая долгота которого известна, можно вычислить географическую долготу пункта наблюдения. Условились отсчитывать долготу от начального (нулевого) меридиана, проходящего через Гринвичскую обсерваторию. Местное время этого меридиана называют всемирным временем — Universal Time (UT). Тогда T1 = UT + L1, иначе говоря, местное время любого пункта равно всемирному времени в этот момент плюс долгота данного пункта от начального меридиана, выраженная в часовой мере. Точный счет времени осложняется тем, что его прежний эталон — период вращения Земли — оказался не вполне надежным. Одной из основных единиц времени уже давно были избраны солнечные сутки — промежуток времени, который проходит от одной верхней кульминации Солнца до другой. Но по мере возрастания точности астрономических наблюдений стало очевидно, что продолжительность суток не остается постоянной.

Скорость вращения нашей планеты меняется на протяжении года, а кроме того, происходит, хотя и очень медленно, замедление ее вращения. Поэтому понятно, что определение секунды как единицы времени, составляющей 1/86 400 часть суток, потребовало уточнения. Современное определение секунды вам известно из курса физики. Использование атомных часов, которыми располагают службы точного времени и государственный эталон времени и частоты, обеспечивает исключительно малую погрешность в счете времени (около 5 * 10−9 с за сутки). Транслируемые по радио сигналы точного времени передаются именно с атомных часов. Принимая эти сигналы и определяя местное время по наблюдениям моментов кульминации звезд, можно вычислить точные координаты любого пункта земной поверхности. Эти пункты служат опорными точками при составлении карт, прокладке трасс газопроводов, автомобильных и железных дорог, строительстве крупных объектов и ряде других работ.

Сигналы точного времени, наряду с другими средствами (радиомаяками, навигационными спутниками и т. п.) необходимы в авиационной и морской навигации. Если бы в своей повседневной жизни мы пользовались местным временем, то по мере передвижения на запад или восток приходилось бы непрерывно передвигать стрелки часов. Возникающие при этом неудобства столь очевидны, что в настоящее время практически все население земного шара пользуется поясным временем. Поясная система счета времени была предложена в 1884 г. Согласно этой системе весь земной шар был разделен по долготе на 24 часовых пояса (по числу часов в сутках), каждый из которых занимает примерно 15°. По сути дела, счет времени по этой системе ведется только на 24 основных меридианах, отстоящих друг от друга на 15° по долготе. Время на этих меридианах, которые расположены примерно посередине каждого часового пояса, отличается ровно на один час. Местное время основного меридиана данного пояса называется поясным временем. По нему ведется счет времени на всей территории, относящейся к этому часовому поясу. Поясное время, которое принято в конкретном пункте, отличается от всемирного на число часов, равных номеру его часового пояса:

Т = UT + n,

где UT — всемирное время, a n — номер часового пояса.

Границами часовых поясов являются линии, которые идут от Северного полюса Земли до Южного и отстоят приблизительно на 7,5° от основных меридианов. Эти границы далеко не всегда проходят строго по меридианам, а проведены по административным границам областей или других регионов так, чтобы на всей их территории действовало одно и то же время. Естественно, например, что Москва живет по времени одного (второго) часового пояса. Если же формально следовать принятому правилу деления на часовые пояса, то нужно было бы провести границу пояса так, что город оказался бы разделенным на две неравные части.

В нашей стране поясное время было введено с 1 июля 1919 г. С тех пор границы часовых поясов неоднократно пересматривались и изменялись. С января 1992 г., когда в России часы были переведены на один час вперед, мы живем по так называемому декретному времени, которое было введено в СССР еще в 1930 г. В конце марта страна переходит на летнее время, стрелки часов переводятся еще на один час вперед. Отменяется летнее время в конце сентября, стрелки возвращают на один час назад. Дни, когда вводится и отменяется летнее время, ежегодно устанавливаются распоряжением правительства. Московское декретное время, которое показывают часы не только в Москве, но также в Санкт-Петербурге и центральных областях России, отличается от всемирного времени на 3 часа зимой и на 4 часа летом.