Представьте себе на мгновенье, что произойдет, если однажды вдруг все часы на земле остановятся. На первый взгляд – ничего страшного не случится. Ну, опоздаем на работу или на свидание, да даже на самолет – мир же не рухнет. Да, но тряхнет его основательно. Современный мир зависит от точности хода часов. И чем сложнее становится наша жизнь, тем выше потребность в более точном времяисчислении. Но с какого момента вести отсчет?
Капелька или песчинка
У людей в древности не было необходимости измерять время с точностью до минуты. Забрезжил рассвет – начался рабочий день, который будет длиться до заката. Мерилом времени были день и ночь, а стрелками – Солнце и Луна. Точнее, их положение на небосводе.
Первые часы, которые делили день на более короткие отрезки времени, появились около 1500 года до нашей эры. Это были солнечные часы с очень простым «механизмом»: палка, воткнутая в землю, отбрасывала в течение светового дня тени разной длины. Указателем мог служить любой вертикальный предмет – шест, столб, колонна. У египтян эту (древние греки дали ему название «гномон») роль выполнял четырехгранный обелиск. Он отмерял 10 дневных часов, один закатный и один рассветный, а 12 ночных часов бездействовал по понятным причинам.
В наследство от солнечных часов нам достались понятия «по часовой стрелке» и «против часовой стрелки». Потому что часы были изобретены в Северном полушарии, и тень от гномона описывала круг в направлении слева направо. Изобрели бы часы в Южном полушарии – тень вслед за Солнцем шла бы в обратном направлении – справа налево.
Почти одновременно с солнечными, а по некоторым данным и чуть раньше, появились водяные часы. Работали они так: жидкость из одного сосуда медленно по каплям стекала в другой сосуд с насечками, отмеряя отрезки времени.
Древние греки называли эту систему «клепсидрой», что означало «крадущая воду». Египтяне именовали устройство «часами истечения». Упоминание о них относится к периоду правления фараона Аменхотепа III, это XIV век до нашей эры.
В песочных часах принцип действия был такой же, как и в водяных, с той разницей, что отсчет вели не капли, а песчинки.
Солнечные, песочные и водяные часы были достаточно точными. Известно, что погрешность составляла не более пары минут в сутки. Это никому не доставляло никаких проблем, ошибку замечали разве что древние астрономы, сверяя ход часов по движению небесных тел – самой точной механике в мире.
Ход архиепископа
Первые механические часы, по сути, были усовершенствованными водяными.
В 150 году до нашей эры древнегреческий изобретатель, математик и механик Ктесибий Александрийский оснастил клепсидру зубчатым механизмом. Стрелкой этих часов управлял подвешенный на цепи поплавок.
В 996 году архиепископ Реймса Герберт Орильякский – математик, астроном и будущий папа Римский Сильвестр II, – спроектировал и построил своеобразную реплику часов Ктесибия, заменив поплавок гирей на цепи. Это была громадная конструкция, которая размещалась на башне, имела одну часовую стрелку и особой точностью не отличалась. За сутки часы архиепископа могли отстать или убежать вперед на час-полтора.
Еще 500 лет у изобретателей разных стран ушло на то, чтобы заменить подвесную гирю заводной пружиной. Говорят, первым до этого додумался нюрнбергский слесарь Петер Генляйн. Кроме изобретения пружинного механизма ему удалось значительно уменьшить размер часов. Первые переносные механические часы были созданы им в 1510 году и вошли в историю как «нюрнбергское яйцо». На этом он не остановился, а продолжил работу по микроминиатюризации, как сказали бы сейчас. Так появились наручные и карманные часы.
Насколько точны они были? В среднем, врали на 10–15 минут в сутки. Но это никого не смущало. Ведь наручные часы в те времена выполняли роль дамского украшения и назывались «браслетом». А карманные часы, которые были чисто мужским аксессуаром, должны были демонстрировать статус владельца.
Первый будильник изобрел древний философ Платон. Он добавил к двум сосудам клепсидры третий – с флейтой. Когда вода вытесняла воздух, флейта издавала мелодичный сигнал, созывая учеников на лекцию.
В Поднебесной был свой вариант «звонка»: металлическое блюдо и свеча с воткнутым в нее гвоздем. Свеча сгорала, воск плавился, гвоздь с грохотом падал на блюдо.
Морской хронометр
В дело совершенствования механических часов внесли вклад многие знаменитые ученые. Голландский механик и физик Христиан Гюйгенс, например, дополнил пружину анкерным спуском – механизмом, похожим на якорь. Английский физик и изобретатель Роберт Гук создал волосковую спираль – колебательную систему, отвечающую за точность хода. Эта деталь, кстати, используется в механических часах до сих пор.
Но настоящий прорыв на пути к точному времени случился в 1637 году, когда великий итальянский ученый Галилео Галилей изобрел маятниковые часы. Впрочем, приоритет открытия всю жизнь оспаривал Христиан Гюйгенс. В отличие от итальянца, создавшего лишь чертежи, он претворил идею в жизнь.
Самые точные в мире маятниковые часы были созданы в 1954 году харьковским инженером, сотрудником Всесоюзного научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) Феодосием Михайловичем Федченко. Их погрешность составляла всего лишь три тысячных доли секунды.
Часы хоть и считают одним из самых важных изобретений Средневековья, но точность хода не была в приоритете до тех пор, пока часы не стали навигационным инструментом.
Все началось с того, что европейские мореплаватели, прокладывая новые маршруты в Африку, Америку, Азию и Океанию, столкнулись с проблемой определения долготы: требовалось производить сложнейшие вычисления с помощью несовершенных на тот момент навигационных приборов. Точность их была условной. Вернувшись из своего первого путешествия, Колумб понял, что погрешность долготы составила 400 морских миль. Ошибки в вычислениях очень часто заканчивались кораблекрушениями. Так, в 1707 году погибла эскадра адмирала Клодисли Шовелла, Англия потеряла четыре корабля и почти 2000 моряков.
Теоретически существовал один очень простой и надежный способ определения долготы – по разнице между местным солнечным временем и так называемым «хранимым временем», «привязанным» к нулевому меридиану. Но не существовало часов, которые показывали бы точное время в любых климатических поясах и при любой качке.
В 1714 году в Парламенте Великобритании для решения этой проблемы была создана специальная Комиссия долгот. И был принят законопроект, по которому автору, предложившему надежный метод определения долготы на море, полагалась общественная награда в 20 000 фунтов стерлингов (беспрецедентно огромная сумма по тем временам, да и по нынешнему курсу тоже – почти миллион фунтов стерлингов). Надо ли говорить, что все самые знаменитые часовщики мира тут же взялись за изобретение «морского хронометра». Но тщетно.
Только в 1736 году английскому столяру и часовщику-самоучке Джону Харрисону удалось изготовить первый надежный хронометр. Принципиальным новшеством был механизм с двумя балансирами вместо маятника и биметаллическая нить балансира. Тем самым удалось справиться с двумя главными проблемами: качка и перепады температур. Однако проверочный рейс из Лондона в Лиссабон показал, что небольшая погрешность все же сохранилась. Харрисон вновь взялся за работу. Только пятая модель, появившаяся в 1761 году, выдержала все испытания проверки Комиссии долгот. 68-летний Харрисон получил наконец свой приз и почетное прозвище Гарри Долгота, а морской флот Британии обрел самый надежный по тем временам навигационный прибор. Благодаря этому и нескольким сокрушительным победам Англия в начале XIX века стала «владычицей морей».
Одна на миллион
Основой любых часов является колебательная система, которая способна совершать колебания с постоянной амплитудой, не зависящей от внешних условий. Именно от нее зависит точность хода. И это она говорит: тик-так.
В механических часах это узел «баланс-спираль», который изобрел Роберт Гук. Колебательная система маятниковых часов состоит из самого маятника, анкера – того самого «якоря» Гюйгенса – и анкерной шестерни. В морских хронометрах это пружинный маятник.
В 1927 году была открыта новая колебательная система – кристалл кварца. И на основе этой системы были созданы кварцевые часы, отличающиеся огромной точностью. Погрешность их хода составляла всего лишь 15 секунд в месяц. Первые образцы были огромного размера и очень сложными в обслуживании. В быту их не использовали, только в научных учреждениях, в качестве хранителя эталонного времени. В наш быт такие часы пришли в 50-е, следом за ними – появились электронные. По сути они являются разновидностью кварцевых и работают по тому же принципу: колебания кристалла кварца переводятся в электрические импульсы с частотой один в секунду. Но есть и отличие – информация сразу выводится на дисплей.
В 1955 году в часовом деле произошел новый революционный переворот – английский физик-экспериментатор Эссен Льюис сконструировал атомные часы, которые работали на атомах цезия-133.
Принцип работы основан на периодическом процессе перехода атомов какого-либо элемента с одного энергетического уровня на другой. Температурные условия, влажность, вибрация и множество других факторов не оказывают никакого влияния на колебания частиц.
Самые точные кварцевые часы, которые до 1967 года были эталоном времени, допускали ошибку в 0,1 миллисекунду в сутки. Атомные часы Льюиса накапливали ошибку в 1 секунду за 1 миллион лет.
До 1967 года все часы Земли были «привязаны» к вращению Земли вокруг своей оси. 1 секунда равнялась 1/31 556 925,9747 тропического или солнечного года.
С 1967 года Гринвичское время, считавшееся мировым стандартом, уступило место эталону атомных часов, где 1 секунда равна 9 192 631 770 квантовых переходов.
Современные атомные часы называют «хранители времени». Это очень сложные устройства, которые воспроизводят единицы времени и частоты. Сегодня они работают не только на атомах цезия-133, но и на атомах кальция, рубидия, стронция, на молекулах водорода. Однако основным стандартом частоты по-прежнему остается цезий.
В нашей стране Государственный первичный эталон времени формируется и поддерживается во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений в подмосковном поселке Менделеево. А отсчитывает главные эталонные секунды установка, которая называется «Фонтан». Здесь охлажденные атомы цезия подбрасываются на двухметровую высоту, регистрируются и снова летят вниз.
У «Фонтана» на всякий непредвиденный случай есть несколько десятков дублеров: стационарных и так называемых «возимых» хранителей времени. Так когда-то мореплаватели брали с собой на корабль как минимум три хронометра: если один начинал врать, в расчет брали показания двух других.
Фразу «Точность – вежливость королей» приписывают французскому королю Людовику XVIII и обычно трактуют ее в том смысле, что пунктуальность – это признак хороших манер. На самом деле у фразы есть продолжение: «Точность – вежливость королей, но обязанность для их подданных». То есть пунктуальность короля – это всего лишь его любезность по отношению к другим людям. Не более того.
От точности хода часов сегодня зависит вся наша жизнь. По крайней мере, та ее часть, которая связана с банковскими, мобильными, транспортными, спутниковыми, навигационными и прочими мировыми системами. Например, для систем глобального позиционирования ошибка в сто наносекунд превращается в 30-метровую погрешность, а ошибка в одну секунду может стать фатальной.
А потому так много зависит от тех, кто умеет отсчитывать время и – главное – хранить его.
Автор: Марина СОБЕ-ПАНЕК
