Физические основы измерения времени

Сегодня одной из основных физических величин является время. Время наряду с пространством составляет сущность нашего мира и является одним из важнейших объектов познания. Природа снабдила человека специальным механизмом для интуитивной оценки времени — биологическими часами. Несовершенство этих естественных часов заставило человека придумывать и создавать искусственные устройства, более эффективно выполняющие функции измерения времени. Человек жил без часов, пока египтяне примерно 5000 лет до нашей эры не начали впервые учитывать время. В результате наблюдения за звездами были определены единицы времени. Первыми измерителями времени считаются пирамиды Хеопса. Они были расположены в соответствии со сторонами света и по ним можно было отслеживать изменение положения звезд по месяцам и годам.

Уже древние астрономы обладали большими знаниями в области движения звезд и умели использовать эти знания для измерения времени с помощью специальных астрономических приборов, называвшихся в то время звездными часами. Одним из самых древних приборов для наблюдения за движением звезд была астролябия, впервые описанная греческим астрономом и математиком Птолемеем. В своем описании он говорит о двух кольцах, представляющих эклиптику и экватор, и об еще одном кольце с вращающейся световой осью.

Астролябия относилась к весьма распространенным астрономическим приборам, которыми пользовались на суше и при плавании по морям. В средневековые бронзовые астролябии, имевшие основание в виде круглой плиты, разделенной на 360°, обычно вкладывались пакеты с астрономическими таблицами или картами земной поверхности, составленными для различных географических широт. Астролябию дополняла звездная карта со знаками зодиака. Астролябией измерялось положение Солнца, его высота над горизонтом, определялись направление восток — запад, длительность дня и ночи. Подобные данные можно было получить путем наблюдения за движением Луны или звезд. По замеренному с помощью астролябии положению звезды можно определить время, если точно известно положение места измерений. Открытие такого способа определения времени путем измерения высот звезд приписывается греку Гиппарху, жившему во II в. до н.э. От греков этот метод переняли арабы, которые своими астролябиями измеряли время с погрешностью до 1 минуты. Измерение времени методом определения высот звезд применялось до середины XVII века многими астрономами. С помощью этих приборов достигалась точность измерения времени до нескольких секунд.

Исторические сведения о первых солнечных часах, как у римлян, так и у греков, датируются одним и тем же периодом времени. Они основаны на кажущемся суточном, а иногда и годовом движении Солнца. Появление этих часов связано с моментом, когда человек осознал взаимосвязь между длиной и положением солнечной тени от тех или иных предметов и положением Солнца на небе. Некоторые исторические источники считают самым первым упоминанием о солнечных часах является сообщение о них в китайской рукописи периода около 1100 г. до н.э., в которой указывается, что с помощью солнечных часов была установлена летняя и зимняя высота Солнца.

Гномон — вертикальный обелиск со шкалой, нанесенной на земле, был первыми солнечными часами, измерявшими время по длине отбрасываемой тени. Первые обелиски, предназначавшиеся в Египте для измерения времени, были построены, по всей вероятности, уже в XIV в. до н.э. Известны также ступенчатые часы в виде обелиска с двумя наклонными поверхностями, ориентированными по оси восток-запад и разделенными на ступени. При восходе Солнца тень падала на край верхней ступеньки восточной поверхности, а затем постепенно опускалась, пока к полудню полностью не исчезала. Затем, после полудня, тень снова появлялась в нижней части западной поверхности, откуда она поднималась до тех пор, пока при заходе Солнца не касалась грани верхней ступеньки. Египетские гномоны были весьма неточными хронометрическими приборами. Они показывали время правильно лишь дважды в год — в дни весеннего и осеннего равноденствия. Позднее под влиянием греков египтяне стали строить солнечные часы с особыми шкалами для разных месяцев. Острый конец гномона, служивший первоначально египтянам для четкого ограничения тени на шкале, греки позднее заменили небольшим круглым отверстием, так называемым солнечным оком, бросавшим на шкалу небольшую световую точку. Кроме указанных выше горизонтальных часов, греки имели еще и более совершенные вертикальные солнечные часы, так называемые гемоциклы, которые они располагали на общественных зданиях.

Кроме вавилонян, египтян и греков, изучением движения Солнца занимались и другие народы, например индусы и перуанские инки. Астрономические солнечные часы инков имели различные формы. Некоторые из них были похожи на наклонно установленные каменные диски, а другие — на низкую многогранную каменную колонну. На территории Великобритании до сих пор сохранилось более 200 подобных объектов. Как правило, это круговое скопление камней с расположенным посередине алтарем. Положение этих солнечных часов позволяет, помимо определения времени суток, узнать и время летнего и зимнего солнцестояния.

В Риме существовали горизонтальные полые полусферические часы — гемисферы. Внутренняя поверхность полушария представляла небесную полусферу с линией экватора, двумя линиями солнцестояния и с двенадцатичасовой шкалой времени.

Около 24 г. до н.э. появилось упоминание о дорожных солнечных часах. Правдивость этого сообщения подтвердили раскопки, при которых были обнаружены такие часы в виде бронзовой пластинки диаметром 47 мм с пятимиллиметровым ободом и двумя отверстиями: одним — для подвески, а вторым — для прохождения солнечного луча. Одним из вариантов дорожных солнечных часов являются кольцевые солнечные часы. Главной частью таких часов было латунное кольцо диаметром в несколько сантиметров с другим передвижным кольцом, снабженным отверстием для солнечного луча. На внешней поверхности главного кольца обычно гравировали начальные буквы наименований месяцев, а против них, на внутренней поверхности, находилась часовая шкала. Перед измерением надо было повернуть меньшее, обычно железное, кольцо так, чтобы отверстие для луча лежало у наименования соответствующего месяца. При измерении времени часы держали в положении, позволяющем солнечному лучу проходить через отверстие в шкале. Первое описание часов подобного рода содержится в книге, изданной в Париже в 1500 г. На подобном принципе строились и так называемые «экваториальные кольца» — аналогичные часы, на главном кольце которых имелись еще два пересекающихся друг с другом круга. Позднее возник новый вариант с поперечиной вместо третьего кольца (рис. 3.7).

На одной стороне этой поперечины были указаны месяцы, а на другой — знаки зодиака. Посередине имелась перемычка с малым отверстием для прохождения солнечного луча. Правильное положение этих часов при измерении времени было таким, когда солнечный луч, проходящий через отверстие, попадал на центральную линию экваториального круга.

Рис. 3.7. Экваториальные кольцевые солнечные часы.

Иногда к этим часам добавляли лунные часы, которые указывали изменения положения Луны. Главной частью лунных часов была поворотная пересчетная шкала, называвшаяся вольвелой_у которая служила в качестве переводной таблицы для определения среднего солнечного времени.

В 1482 гг. во Флоренции построен гномон высотой 84,5 м, с помощью которого удавалось измерять с секундной точностью местный полдень. С помощью этого гномона удалось уточнить данные астрономических таблиц.

Прогресс, которым ознаменовалась наука в эпоху Возрождения, отразился и на конструкциях солнечных часов. Сравнительно быстро, примерно за 130 лет, прежние несовершенные хронометрические приборы превратились в весьма точные для своего времени приборы, которыми можно было измерять время в любом месте земного шара. Сочетание солнечных часов с компасом привело к тому, что солнечные часы стало возможным использовать повсеместно и появились их портативные, карманные или дорожные модели.

Известны также аналемматические солнечные часы (рис. 3.8).

Их стрелка направлена перпендикулярно плоскости часовой шкалы, но эта шкала лежит не в плоскости, параллельной экватору, а в горизонтальной плоскости, например, непосредственно на земле. Описание этих часов появилось в астрономических трудах XVI века.

Рефракционные солнечные часы имеют чашу с часовой шкалой и теневую стрелку. Их работа основана на том явлении, что световой луч, падающий наклонно на плоскость раздела двух различных сред, преломляется. Перед измерением надо чашу наполнить до определенной высоты водой. Теневой луч стрелки преломляется на линии разграничения воздуха и воды, и лишь этот преломленный луч указывает на погруженной в воду временной шкале данное время. Рефракционные часы имели формы кубков и различных сосудов.

Рис. 3.8. Аналемматические солнечные часы

Солнечные часы с передвижным по высоте «полюсом», компасом и шкалами с минутным делением были простым и надежным указателем солнечного времени, но страдали и некоторыми серьезными недостатками. Их работа была связана с солнечной погодой и с ограниченным периодом работы — между восходом и заходом Солнца. Нет сомнений, что это было одной из причин того, что уже древние культурные народы стали изыскивать иные пути измерения времени, не связанные с наблюдением небесных тел. Подобно солнечным часам, и эта группа простейших часов прошла долгий путь развития, сопровождавшийся возникновением интересных принципов действия и конструктивных элементов. Некоторые из них, например зубчатые передачи, ролики, цепные подвески и гири, нашли применение в последующей эре механических часов.

Простейшими водяными часами были китайские и индийские часы этого рода. Они имели форму полусферической чаши с небольшим отверстием в дне, через которое медленно вытекала вода. Эти водяные часы, способные измерять продолжительность интервалов времени между моментом помещения чаши на водную поверхность и ее погружением в воду, были, собственно говоря, аналогией одного типа песочных часов, о которых мы упомянем ниже. В Индии водяные часы были известны по меньшей мере за 300 лет до нашей эры. Первыми, кто пользовался водяными часами, были египтяне, и у них сохранились, по всей вероятности, самые старые водяные часы в мире. Это были часы, относящиеся к периоду 1400 гг. до н.э. Колонна со шкалой, приводимая водяным колесом, вращаясь вокруг своей оси, совершала один оборот в год. Поэтому и камеры водяного колеса в нижней части часов заполнялись водой медленно, причем вода подавалась в небольшом количестве по особому трубопроводу. Статуэтка со стрелкой двигалась с помощью специального поплавкового механизма, управляемого другой статуэткой, находящейся на другой стороне часов. Слезы в виде водяные капель, капающие из глаз статуэтки, накапливались в сборникиподставки, откуда через трубопровод текли в поплавковую камеру стрелочного механизма. Кроме того, эти часы имели еще специальное устройство, которое через определенные интервалы выбрасывало на чашку мелкие камешки для звуковой сигнализации ночью.

Старую традицию водяные часы имели также в Китае. Верхом их совершенства был проект больших пагодных астрономических водяных часов, разработанный в 1090 году (рис. 3.9).

Эти часы имели сигнальное устройство времени. Астрономическая часть часов имела форму небесного глобуса. Особенностью этих часов является большое водяное колесо с замкнутым кругооборотом воды, приводящее в движение часы в целом и являющееся некоторой аналогией механического спуска, появившегося позднее в Европе у первых механических часов.

С начала XIII в. появились первые огневые часы, к которым относятся свечные часы. Они выполнялись в виде длинной тонкой свечи с нанесенной по ее длине шкалой, сравнительно неплохо показывали время, а в ночные часы еще и освещали жилища. Свечи, применявшиеся для этой цели, были длиной около метра. Отсюда происходит и обычай измерять длину ночи количеством сгоревших за ночь свечей. Обычно за ночь выгорали три такие свечи, а зимой — больше. К боковым сторонам свечи иногда прикрепляли металлические штырьки, которые по мере выгорания и таяния воска падали, и их удар по металлической чашке подсвечника был своего рода звуковой сигнализацией времени.

Рис. 3.9. Китайские водяные часы

В течение целых столетий растительное масло служило людям не только для питания, но и в качестве светильного материала. На основе установленной экспериментально зависимости высоты уровня масла от продолжительности горения фитиля возникли масляные часы. Как правило, это бывали лампады с открытой фитильной горелкой и со стеклянной колбой для масла, снабженной часовой шкалой. Объем колбы подбирали так, чтобы ее содержимого хватило для непрерывного свечения с вечера до утра. Толщиной и длиной горящего фитиля регулировали величину пламени и расход масла так, чтобы понижение уровня масла в колбе соответствовало имевшимся обозначениям времени. Позднее выявилось, что первоначальные цилиндрические или слегка выпуклые стеклянные сосудики под масло были источником некоторой погрешности в измерении времени. Дело в том, что при более высоком уровне масла его давление вызывало более быстрое выгорание, чем в поздние ночные часы. Поэтому лампадные часы более позднего происхождения имели стеклянную колбу в виде расширенной кверху груши, чтобы таким образом хотя бы частично выровнять скорость сгорания масла.

Главной частью фитильных часов, был фитиль в виде длинной металлической палочки, покрытой слоем дегтя с деревянными опилками. Жар тлеющих опилок, подожженных на одном конце палочки, постепенно пережигал тонкие, поперечно натянутые волокна, с подвешенными шариками, которые падали в металлическую чашку. Иногда фитиль сворачивали в спираль, форма которой уже сама по себе заменяла часовую шкалу. Наиболее типичные для Китая фитильные часы имели форму дракона, в хребте которого был специальный держатель для палочки. Скорость сгорания фитиля зависела от многих обстоятельств, поэтому такие часы никогда не относились к приборам, которые по точности можно было бы сравнить с солнечными или водяными часами.

Дата возникновения первых песочных часов неизвестна. Однако по сохранившимся данным можно полагать, что принцип песочных часов был известен в Азии значительно раньше начала нашего летоисчисления. Западноевропейские страны стали иметь дело с песочными часами, по-видимому, лишь в конце средневековья. Одним из самых старых упоминаний о таких часах является сообщение от 1339 г., обнаруженное в Париже, содержащее указание по приготовлению тонкого песка из просеянного порошка черного мрамора, прокипяченного в вине и высушенного на солнце. Недостатком, мешавшим широкому применению этих часов, был сравнительно короткий интервал времени, который можно было измерить, не переворачивая эти часы. Обычно песочные часы рассчитывались на работу в течение получаса или часа. Реже встречались песочные часы, рассчитанные на непрерывное измерение времени в течение 3 ч, и лишь в совершенно редких случаях строили огромные песочные часы, рассчитанные на 12 ч хода.

Точность песочных часов зависела также от формы колб, от гладкости их внутренних стенок, от равномерности прохождения песка через регулирующую диафрагму в горлышке, но прежде всего — от равномерной зернистости и сыпучести данного песка (рис. 3.10).

Свинцовый песок отличался также тем, что при долгом использовании он меньше, чем другие виды песка, нарушал гладкость внутренних стенок стеклянной колбы. Как и огневые часы, песочные часы никогда не достигали точности солнечных часов. Кроме того, при длительном пользовании такими часами их точность изменялась, поскольку зерна песка постепенно дробились на более тонкие, а отверстие в середине диафрагмы постепенно истиралось и увеличивалось, так что скорость прохождения песка через них становилась большей.

Рис. 3.J0. Песочные часы

Самым старым документом о механических часах, содержащим описание и чертеж, является сообщение об астрарии — астрономических часах, которые в 1364 г. разработал профессор астрономии и медицины Джиованни де Донди в Падуе. Любой часовой механизм можно разделить на четыре основные функциональные группы: приводной и передаточный механизм, спусковой механизм, осциллятор и индикаторная часть. Источник энергии привода у механических часов обычно бывает встроен в сам механизм часов и является его составной частью, например барабаны с гирями или же пружинный механизм с пружиной. Требуемое количество энергии отмеривается в механических часах специальным устройством, так называемым спусковым механизмом или спуском, являющимся соединительным элементом между механизмом часов и осциллятором. Этот механизм постоянно соединен с передаточным механизмом часов, от которого он получает энергию привода. С осциллятором, который в современных часах имеет форму маятника или баланса, спуск взаимодействует лишь в определенные моменты, выполняя свою основную задачу, весьма важную для обеспечения хода часов, — разделение постоянной энергии привода на отдельные силовые импульсы, поддерживающие колебания осцил;

лятора. Другой задачей спускового механизма является суммирование колебаний осциллятора. Если предположить, что осциллятор колеблется с постоянной частотой, то спуск работает одновременно в качестве устройства, суммирующего постоянные интервалы времени — полупериоды этих колебаний. Постоянство частоты осциллятора является главной предпосылкой точности хода часов.

В течение столетий индикаторным механизмом был стрелочный индикатор с циферблатом, который имел классический вид неподвижного циферблата с одной, двумя или несколькими вращающимися стрелками, или же с неподвижной стрелкой и с одним или несколькими вращающимися цилиндрическими шаровидными или плоскими циферблатами. В последнее время снова стала преобладать цифровая индикация, ставшая известной уже в конце XIX века и способствовавшая тогда усилению сбыта коммерческих часовых приборов. Механические часы имеют огромное количество конструктивных вариантов с различными формами осцилляторов — от простых маховиков через сложные маятники и до современных самокомпенсирующихся балансов.

На начальной стадии развития электрических часов электроэнергия служила сначала лишь для завода механического ведущего устройства — груза или пружины. Пионером в конструировании первых электрических часов был Александр Бэйн из Эдинбурга В 1840 г. он получил патент на электрические часы, главными деталями которых были, правда, еще механические часы, приводимые пружиной, но индикатор времени был решен на принципе суммирования электрических импульсов, подаваемых маятником часов. Лишь в 1847 гг. Бэйн завершил свою работу над первыми действительно электрическими часами, главным механизмом которых был электрический контакт, управляемый движением часового маятника, приводимого в движение импульсами электромагнита. Железное ярмо на линзе маятника проходило через полости катушек соленоидов. Изменение полярности магнитного поля и попеременные притягивания и отталкивания ярма обеспечивали электрический контакт на маятнике. Количество колебаний регистрировал электромагнитный счетчик, связанный колесной передачей со стрелками на циферблате часов.

Главным источником нарушения стабильности частоты является старение кристалла кварца, синхронизирующего частоту осциллятора. Быстрое развитие микроволновой спектроскопии после второй мировой войны открыло новые возможности в области точного измерения времени посредством частот, соответствующих подходящим спектральным линиям. Эти частоты, которые можно было считать эталонами частоты, привели к идее использовать квантовый генератор в качестве эталона времени.

В первые послевоенные годы удалось построить прибор, работающий на принципе управляемого поглощения микроволновой энергии в жидком аммиаке при весьма низких давлениях. Узкий пучок молекул, впущенный через сопло в вакуумное пространство, проходит через неоднородное электростатическое поле, в котором происходит разделение молекул. Молекулы в более высоком квантовом состоянии направлялись на настроенный резонатор, где они выделяют электромагнитную энергию с неизменной частотой 23 870 128 825 Гц. Эта частота затем сравнивается с частотой кварцевого осциллятора, входящего в схему атомных часов. На этом принципе был построен первый квантовый генератор — аммиачный мазер (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Ученые Н. Г. Басов, A.M. Прохоров и Таунс получили в 1964 г. за эти работы Нобелевскую премию по физике.

Атомные часы, а также молекулярные часы и квантовые часы являются приборами измерения времени, в которых в качестве постоянного периодического процесса используются собственные колебания атомов или молекул. Периоды этих колебаний при помощи электронных схем сравниваются с измеряемым промежутком времени.

С 1967 года международная система единиц СИ определяет одну секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя уровнями основного состояния атома изотопа цезия-133. Согласно этому определению атом цезия является стандартом для измерений времени и частоты. Точность определения секунды задает точность определения других основных единиц, таких как, например, вольт или метр, содержащих секунду в своем определении.

Точность атомных часов (рис. 3.11) достигает одной секунды в три миллиона лет.

Рис. 3.11. Атомные часы

В настоящее время атомные стандарты частоты и времени используются в основном для измерения времени и для калибровки и контроля основных стандартов частоты. В обоих случаях сравнивают частоту генератора кварцевых часов с частотой атомного стандарта. При измерении времени частота атомного стандарта и частота генератора кристаллических часов регулярно сравниваются. По выявленным отклонениям определяют линейную интерполяцию и среднюю поправку времени. Истинное время получается тогда из суммы показаний кварцевых часов и средней поправки времени.

Астрономические измерения, изучение движения планет в космосе и различные радиоастрономические исследования не обходятся теперь без знания точного времени. Точность, которая в таких случаях требуется от кварцевых или атомных часов, колеблется в пределах миллионных долей секунды.

Исследователи из американского Национального института стандартов и технологий недавно разработали новый вид часов — ртутные часы. Они основаны на переходах между энергетическими уровнями иона ртути, удерживаемого в электромагнитной ловушке. При переходах генерируются кванты видимого диапазона спектра, которые позволяют измерять время точнее, чем микроволновое излучение цезия-133. Расчеты показывают, что ртутные часы могут отстать или убежать на 1 с за 400 миллионов лет.

Сегодня измерение времени является самым массовым измерением. Ежедневно на земном шаре производится несколько десятков миллиардов таких измерений. Кроме того, измерение времени является в наши дни и самым точным видом измерений. Даже обычные бытовые часы с погрешностью 20 с в сутки и погрешностью 0,02% сравнимы по точности с образцовыми измерительными приборами в других видах измерений, например в автоматических системах.

Роль часов в истории автоматики и автоматического управления носит основополагающий характер. Сам термин «автомат», заимствованный из греческого языка и означающий дословно «самодвижущееся устройство», был введен впервые в XVIII в. для обозначения движущихся механических игрушек, управляемых по определенной временной программе часовым механизмом. Так, еще в середине прошлого века в энциклопедическом словаре автоматами назывались машины, которые подражают произвольным движениям и действиям одушевленных существ. В частности, называют андроидом машину, производящую движения, похожие на человеческие. Слово «андроид» возникло от имени популярных швейцарских часовщиков того времени Пьера-Жака Дро и его сына Анри, прославившихся изготовлением наиболее сложных и эффективных автоматических часовых игрушек такого рода.

В своей совокупности обычные и управляющие часы, измерительные и управляющие приборы времени автоматически или с помощью людей обеспечивают совместную синхронную работу сотен тысяч различных производств, средств транспорта, систем связи и энергоснабжения, обеспечивая согласованную по времени работу народного хозяйства.