История измерений

Точные часы – хронометры были необходимы для морской навигации. Их изготовил в 1735 году англичанин Джон Харрисон. Их точность была ± 5 секунд в сутки, и они уже были вполне пригодны для морских путешествий. А в 1764 году изобретатель довел точность своего хронометра до ±1 секунды в сутки. На этом возможности механических часов были исчерпаны.

Старинные механические карманные часы фирмы "Мозер" (фото автора)

Современные механические наручные часы (фото автора)

В начале XIX века с проблемой хранения времени столкнулись почтовые службы, пытавшиеся обеспечить движение почтовых экипажей по расписанию. В результате они обзавелись часами, которые можно было возить с собой. А с появлением железных дорог часы получили и кондукторы поездов. Чем активнее развивалось трансатлантическое сообщение, тем важнее требовалось обеспечить единство отсчета времени по разные стороны океана. В этой ситуации механические часы уже не годились. И тут на помощь пришло электричество. Электрические часы решили проблему синхронизации на больших расстояниях - сначала на материках, а потом и между ними. В 1851 году кабель был проложен по дну Ла-Манша, в 1860-м - Средиземного моря, а в 1865-м - Атлантического океана. А с 1899 года началась передача сигналов точного времени по радио.

Электрические часы изобрел в 1847 году англичанин Александр Бэйн. Основой их был контакт, управляемый маятником, раскачиваемым электромагнитом. Колебания суммировал электромагнитный счетчик, соединенный колесной передачей со стрелками на циферблате.

В начале XX века электрические часы окончательно вытеснили механические в системах хранения и передачи точного времени. Наиболее точными часами, основанными на свободных электромагнитных маятниках, были часы Уильяма Шортта, установленные в 1921 году в Эдинбургской обсерватории. Их точность составляла 1 сек/год.

В 1918 году были впервые построены первые кварцевые часы.

В 1937-м кварцевые часы, разработанные Льюисом Эссеном, были установлены в Гринвичской обсерватории, их точность составляла около 2 мс/ сутки. В 1944 году точность кварцевых часов возросла уже до 0,1 мс/сутки.

Во второй половине ХХ века электронные часы начали вытеснять механические. Они основаны на подсчете периодов колебаний от стабильного кварцевого генератора (резонатора) с помощью счетчиков - делителей и выводом показаний на электронный дисплей: электро-люминисцентно - вакуумный, светодиодный или жидкокристалический посредством дешифраторов. В них вместо электрического контакта применили транзистор, а функции маятника выполняет кварцевый резонатор.

Сегодня именно кварцевые резонаторы в наручных часах, персональных компьютерах, стиральных машинах, автомобилях, сотовых телефонах формируют время с точностью, значительно превышающей точность механических часов: механические часы ошибаются на секунду в сутки, а бытовые электронные – на секунду в 1 год! Большая точность, достаточная для бытовых приборов.

Существуют часы-телевизор, часы-радиоприемник, часы-телефон, часы-приемник GPS, часы-компьютер, часы-метеостанция, часы-компас, часы-глубиномер. На рисунке – наручные цифровые электронные часы.

В 1972 году появились первые в мире электронные часы с жидкокристаллическим дисплеем. В начале ХХI века ежегодно производится уже более 1 миллиарда часовых механизмов. Большинство выпущенных часов - кварцевые с циферблатом со стрелками. А ведь часы с жидкокристаллическим цифровым дисплеем гораздо информативнее – на них указывается календарный день, день недели, текущий месяц и многое другое. Да и точность считывания у цифровых часов выше, чему стрелочных. Но, несмотря на это, доля чисто электронных часов с жидкокристаллическим цифровым индикатором времени - всего около 10% - за сотни лет люди привыкли к часам со стрелками.

Поэтому большая часть электронных часов – электромеханические, с кварцевым резонатором, с циферблатом с движущимися стрелками. Они приводятся в движение миниатюрным шаговым электродвигателем. Система шестерен передает вращение электродвигателя на стрелки. Источник энергии электронных часов – миниатюрные "часовые" батарейки, которых хватает на срок не менее года.

А чисто механических часов было произведено всего 18 млн.

Но астрономия и космические полеты к далеким мирам потребовали значительно большей точности.

В 1949-м были построены первые атомные часы, где в качестве источника колебаний выступил не маятник и не кварцевый генератор, а сигналы, связанные с квантовым переходом электрона между двумя энергетическими уровнями атома. Эта электромагнитная волна, то есть фотон радиоизлучения, характеризуется очень высокой стабильностью энергии и частоты колебаний. В 1955-м появились первые атомные часы на основе атомов цезия, используются атомы водорода и рубидия.

Со времени изобретения атомных часов их точность повышалась в среднем вдвое каждые 2 года. Этот процесс продолжается и сегодня.

В 1967 году перешли на атомный эталон времени.

В XXI веке в Интернете появилось электронное, Гринвичское, время. С 1 января 2001 года английским правительством было официально объявлено о новом стандарте времени Greenwich e-time (GET).

Глава компании Microsoft Билл Гейтс также внедряет новую технологию передачи персональной информации на наручные часы: SPOT (Smart Personal Objects Technology) - часы, принимая радиосигналы точного Времени в FM-диапазоне, способны автоматически корректировать время в соответствии с местом пребывания.

С древнейших времен люди не просто существовали во времени, но и пытались осмыслить его суть. Гераклит Эфесский (VI и V веков до н. э.), считал, что мир полон противоречий и изменчивости, но время течет неизменно. Известно его знаменитое изречение "В одну и ту же реку нельзя войти дважды". Платон (427-347 годы до н. э.) провозгласил принцип его цикличности. Все в мире, согласно его учению, повторяется через некоторые промежутки времени, то есть идет по кругу.

А вот Аристотель (384-322 годы до н. э.), не нашел места понятию время в своей системе. Великого философа не интересовали динамические процессы мироздания.

Галилей и Ньютон считали, что мир бесконечен и однороден. В нем время обосновалось как одна из важнейших и особых координат. Все вокруг стали описывать как происходящее в непрерывном и бесконечном пространстве-времени. Механике Ньютона необходимо было абсолютное и единое время во всей Вселенной, поэтому точность его измерения стала для науки главной технической задачей.

Теория абсолютного пространства и времени просуществовала всего два столетия. На рубеже XIX-XX веков в физике произошли события, существенно изменившие представление человека об окружающем мире и времени в нем. Квантовая механика Шредингера и теория относительности Эйнштейна позволили осознать, что человек живет уже не в трехмерном, а четырехмерном мире, в котором время, взаимосвязанное с пространством, играет особую роль. Все вокруг стало относительным и вероятностным, многие точные понятия начали растворяться, и время стало зависеть от скорости и степени искривленности пространства.

В 1905 году Альберт Эйнштейн предложил специальную теорию относительности, суть которой заключается в том, что на быстро движущемся объекте время течет медленнее. То есть время стало величиной относительной. Такие понятия, как "сейчас", "сегодня", "завтра", имеют простой, общепринятый смысл только для событий, происходящих недалеко друг от друга. А если, например, сесть в космический корабль и разогнать его до скорости, близкой к скорости света, то можно и в будущее слетать посмотреть, что будет на Земле через сотни лет, только вот вернуться в свое настоящее уже не удастся…

В 1908 году немецкий математик Г. Минковский доказал неразрывное единство пространства и времени и ввел новое понятие пространство-время. Так мир стал четырехмерным. А в 1916 году Эйнштейн завершил создание общей теории относительности, согласно которой пространство-время может искривляться под действием сил тяготения (математически искривленные пространства ранее описал русский математик Н. Лобачевский). С тех пор геометрия искривленных пространств называется неевклидовой. Но самым интересным открытием в общей теории относительности является то, что в сильном поле тяготения время течет медленнее. Это означает, что часы у поверхности Солнца идут медленнее, чем у поверхности Земли, а часы на околоземной орбите, наоборот, быстрее.

Релятивистские эффекты учитываются сегодня не только учеными, астрономами, но и инженерами. Их влияние на навигационные спутники GPS (Global Positioning System) - системы глобального определения координат сказывается на вычислениях орбит, на распространении навигационных сигналов и, конечно, на ходе бортовых атомных часов. Последняя поправка наиболее существенна и выражается в искусственном "замедлении" атомных часов спутников системы GPS.

Многие люди отмечают, что с возрастом время течет быстрее. Но то же самое говорят и достаточно молодые люди.

Конечно, это можно объяснить постоянно ускоряющимся темпом жизни. Поезда и самолеты все быстрее доставляют нас в другие города, страны и континенты. Средства массовой информации обрушивают на наши бедные головы все возрастающий поток информации. Благодаря радио, телевидению и Интернету мы узнаем о событии практически сразу, после того как оно произошло.

Но швейцарские ученые находят кажущемуся ускорению времени и другое объяснение. Они считают, что с возрастом биологические часы человека начинают "отставать". И поэтому ему кажется, что события вокруг него бегут быстрее. По аналогии, постарайтесь идти по подземному переходу в метро медленнее темпа движения толпы вокруг вас. И вы сразу заметите, что вас со всех сторон обгоняют люди. Так и время обгоняет нас.

Стрела времени - это невозможность двигаться от будущего к прошлому. Вот почему мы не можем превратить яичницу в целые яйца, кубик льда не может сам собой превратиться в стакан воды, а разбитую чашку или вазу нельзя снова превратить в целую. Египетские фараоны строили пирамиды для сохранения памяти о себе на вечные времена. Существуют они уже около 5000 лет. Но и они не вечны. Постепенно ветры пустынь, среди которых они стоят, разрушат их и превратят в песок. Все это – проявление энтропии. Энтропия, на бытовом уровне - это мера беспорядка или мера неопределенности. В физике энтропия стоит в ряду таких фундаментальных понятий, как энергия или температура.

Теоретически обосновал существование стрелы времени как одностороннее движение от прошлого к будущему И.Р. Пригожин – бельгийский и американский физик и химик российского происхождения, лауреат Нобелевской премии 1977 г.

Пригожин Илья Романович (1917-2003)

В середине ХХ века ученые – археологи, геологи, химики и физики нашли способы установления сроков жизни существовавших ранее живых организмов. Основой метода является радиоуглеродный анализ, основоположниками которого являются Пьер Кюри и Эрнест Резерфорд.

Радиоуглеродный анализ — физический метод датирования биологических останков, предметов и материалов биологического происхождения путём измерения содержания в материале радиоактивного изотопа 14C по отношению к стабильным изотопам углерода.

В 1946 году ученым Уиллардом Либби был представлен метод, основанный на радиоуглеродном анализе объектов биологического происхождения. За этот метод спустя пятнадцать лет ученый получил Нобелевскую премию, которая засвидетельствовала полезность радиоуглеродного анализа. Радиоуглеродный анализ распространяется только на предметы, имеющие биологическое происхождение, а также на останки людей и животных. Археологические объекты не биологического происхождения при помощи этого метода исследовать невозможно.

Радиоуглеродный анализ основан на том, что в основе всех живых организмов есть такой химический элемент, как углерод. При этом углерод имеет в качестве своих составляющих стабильные и радиоактивные изотопы. Стабильные изотопы – 12С и 13С присутствуют постоянно, а радиоактивный изотоп 14С может накапливаться под воздействием радиации, солнечного излучения и космоса в организме, но разрушаться постепенно после смерти биологического существа.

При жизни баланса разных изотопов углерода одинаковый, а вот при смерти такой баланс начинает нарушаться. Стабильные углероды так и остаются неизменными в организме и не испытывают распада, а вот число радиоактивного углерода постепенно уменьшается. Зная при этом время распада радиоактивного углерода, можно с достоверной точностью рассчитать возраст останков.. Максимальный возраст, который можно определить этим методом находится в пределах шестидесяти тысяч лет, при этом погрешность составляет от 70 до 300 лет.

Радиоуглеродный метод позволяет определять возраст египетских фараонов по их мумиям, ископаемых останков людей, животных, растений, микроорганизмов.

Данные о последовательности важнейших событий в истории планеты Земля, о смене геологических эпох обобщает историческая геология. Определением абсолютного возраста пород занимается ядерная геохронология. Это одна из самых молодых геологических наук, которая изучает закономерности естественных ядерных превращений в веществе Земли и их проявление в геологических процессах. Основоположник этой науки — академик В. И. Вернадский (1935 г.). Она опирается на явление радиоактивного распада урана, тория, калия, стронция и др. Геохронология устанавливает абсолютный возраст горных пород. Это возраст, выраженный в единицах времени, обычно составляет миллионы лет.