Методы оценки времени

Малые интервалы времени

Оценим временные интервалы различной длительности [3, 7, 8, 15]. Сравнительно малой и хорошо воспринимаемой человеком единицей времени является 1 с — это приблизительно интервал между двумя ударами сердца. Наиболее короткий промежуток времени, воспринимаемый человеком, составляет 0,1 с (длительность щелчка пальцами). Также известна способность глаза различать отдельные изображения. Так, если кинопленку протягивать со скоростью менее 14 кадров в 1 с, то человек различит отдельные кадры. Смена изображения со скоростью 24 кадра в 1 с приводит к возможности видеть непрерывное изменение явлений, а 25-й кадр уже не воспринимается глазом.

Развитие науки и человеческой практики привело к потребности измерять время, составляющее тысячные, миллионные, миллиардные и даже биллионные доли секунды. Например, в течение 1 с бегун продвигается на 5−10 м и совершает много сложных движений, из которых каждое длится лишь сотые доли секунды; от правильности построения этих движений зависит его победа. В автомобильном двигателе вал делает несколько тысяч оборотов в 1 мин: в течение сотых долей секунды в двигателе резко меняются давление и механическое напряжение, испытываемое отдельными деталями.

Для определения географических координат, в первую очередь долготы местности, необходимо точно знать время в измеряемой точке. Ошибка в отсчете времени, равная 1 мин, при определении долготы на широте экватора соответствует искажению расстояния на 27,6 км, ошибка в 1 с влечет за собой искажение на 460 м и ошибка в 0,001 с — на 0,46 м. В ряде случаев определять координаты требуется с высокой точностью. Например, в геологии обсуждается проблема перемещения одних материков по отношению к другим. Скорость перемещения обычно не превышает несколько сантиметров в год. Чтобы измерить перемещение одной точки по отношению к другой на земном шаре, следует производить замеры в течение нескольких лет, обеспечивая погрешность определения моментов времени порядка тысячных долей секунды.

Для того чтобы измерять время, требуется выбрать систему отсчета, научиться хранить и передавать точное время. Долгие годы единственной системой отсчета было вращение Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца, но оказалось, что этот эталон времени не всегда достаточно точен. Дело в том, что орбита Земли представляет собой эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце. Вследствие этого Земля то ближе, то дальше от него и соответственно движется то быстрее, то медленнее. Движение Земли вокруг своей оси также неравномерно, в частности сезонная нерегулярность достигает 0,001 с. Поэтому в 1960;х гг. Международный комитет мер и весов принял решение использовать в качестве эталона астрономические атомно-лучевые цезиевые часы. При этом 1 с = 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Обычный стрелочный секундомер измеряет промежутки времени между двумя моментами с погрешностью до 0,1 с. Электрический стрелочный секундомер с вращающимися механическими частями позволяет производить отсчет промежутков времени с погрешностью до 0,01 с. Оценка более быстрых процессов с помощью механических устройств затруднена, так как их детали обладают большой инерцией. Современные технологии, основанные на измерении колебаний атомов, позволяют достигать точности в пределах 10^-12 — 10^-14с, т. е. с максимальной ошибкой в 1 с при измерении интервалов от 30 тыс. до 3 млн лет.

Для изучения быстрых процессов существует достаточно большое количество методов: специальная киносъемка, оптические устройства, электронные измерительные схемы и т. д. Для исследования ряда чрезвычайно быстрых ядерных процессов применяются различного типа счетчики (Гейгера — Мюллера, сцинцилляционный и др.).

В ряде случаев требуется не только измерять интервалы времени между двумя событиями, но и получать непрерывную запись быстрых процессов с помощью записывающих устройств. Для записи не очень быстрых процессов применяют самописцы различных типов со скоростью движения ленты от нескольких сантиметров в сутки до нескольких метров в секунду. Для увеличения скорости записи уменьшают вес подвижных частей прибора. Так, в шлейфовом осциллографе для записи вместо стержня с пером используется луч света, что позволяет записывать изменения величин, происходящие в течение тысячных и десятитысячных долей секунды. Самописцы и шлейфовые осциллографы применяются в сейсмологии для записи упругих колебаний земной коры, в биологии и медицине — для записи токов сердца (электрокардиография) и т. д. Процессы, протекающие с еще большей скоростью, фиксируют с помощью электронно-лучевого осциллографа, где запись процессов осуществляется посредством пучка электронов. С помощью такого осциллографа удалось подробно изучить грозовые разряды. Оказалось, что скорость движения молнии составляет около 0,1 скорости света, причем молния движется толчками: сначала она пробивает перед собой узкий проводящий канал, электризуя окружающий воздух, потом по этому каналу устремляется основной разряд, расширяющий его, затем вновь пробивается узкий проводящий канал и т. д.

Для фиксации быстрых явлений используют киносъемку. Как уже говорилось, при обычной киносъемке в 1 с получают 24 отдельных кадра. Для получения замедленной съемки скорость движения ленты в киносъемочном аппарате увеличивается до 120−240 кадров в 1 с; при демонстрации такого фильма со скоростью 24 кадра в 1 с движения всех тел представляются замедленными. Этот метод киносъемки позволил выявить особенности ряда процессов в живой и неживой природе: процессы разрушения и деформации различных материалов; разрушение почвы при падении капель дождя; особенности полета насекомых; способ захвата хамелеоном приманки; данные о строении бьющегося сердца животного, а также о работе отдельных мышечных волокон сердца до и после нарушения его работы; данные для решения задач баллистики, например при изучении полета снаряда после вылета его из дула орудия, механизма пробивания брони и т. п. В современных фотографических устройствах разрешающее время удалось довести до миллиардной доли секунды. Это значит, что можно зафиксировать разность во времени прихода двух световых лучей с разностью хода меньше 1 м.

Еще более быстродействующие приборы потребовались при изучении элементарных частиц, атомного ядра и ядерных реакций. Например, многие радиоактивные изотопы имеют чрезвычайно малый период полураспада (промежуток времени, в течение которого количество радиоактивного вещества уменьшается вдвое), неодинаковый у различных изотопов одного и того же элемента: период полураспада полония-210 составляет 138,3 дня, полония-216 — 0,16 с, полония-214 — 1,58· 10^-4 с, полония-213 — всего лишь 4,2 · 10^-6 с, а полония-212 — 3 10^-7 с. Некоторые элементарные частицы, например присутствующие в космическом излучении мезоны и гипероны, крайне неустойчивы; так, средняя продолжительность жизни мюонов составляет миллионные доли секунды. Другой пример очень быстрых процессов — переход возбужденного ядра в нормальное состояние, при котором испускаются гамма-кванты. В частности, возбужденное состояние ядра лития-7, получающегося в результате ядерной реакции взаимодействия бора с нейтроном, длится около десятибиллионной доли секунды (10^-13 с).

Современные приборы позволяют прямыми методами измерять промежутки времени около 10^-13 с. Более короткие промежутки, в течение которых протекают некоторые ядерные процессы, были получены на основе наблюдения косвенных признаков и теоретических расчетов. Так, в 1950;х гг. была открыта целая группа относительно тяжелых и чрезвычайно короткоживущих частиц — резонансов. Их открытие связано с разработкой специальной измерительной техники — пузырьковой камеры, представляющей собой сосуд со смотровыми окнами, заполненный жидким водородом. Пролетая через такую камеру, заряженная частица создает на своем пути цепь пузырьков газообразного водорода — видимый след, который можно наблюдать и фотографировать. Среднее время жизни резонансов оказалось настолько малым, что определить его можно было только с помощью расчетов, — около 10^-22-10^-24 с.