Измерение неизмеримого
Время — единственный ресурс, который пыталась обуздать каждая цивилизация, и на протяжении большей части человеческой истории эти попытки были удивительно неточными. Фермеру нужно было знать время года, жрецу — час ритуала, моряку — момент прилива. Однако инструменты, доступные для ответа на эти вопросы, варьировались от тени на земле до капающего кувшина с водой. История измерения времени — это история человечества, медленно превращающего скользкую абстракцию во всё более точные числа, переходя от устройств с точностью до часа к часам, которые не потеряют ни секунды за всё время существования Вселенной.
Далее следует краткая история этого пути — от солнечных часов Древнего Египта до оптических решёточных часов, гудящих в сегодняшних лабораториях.
Тени и солнечный свет: Первые часы
Первые хранители времени смотрели вверх, а не вниз. Когда солнце пересекало небо, отбрасываемая им тень скользила по земле по предсказуемой дуге, и любой высокий предмет мог служить указателем. Древние египтяне воздвигали высокие обелиски ещё около 3500 года до н. э., и их движущиеся тени делили дневное время на узнаваемые части. Примерно к 1500 году до н. э. египтяне использовали портативные теневые часы — горизонтальную планку с приподнятой перекладиной, отбрасывающей тень вдоль размеченной шкалы.
Эти устройства развились в солнечные часы, которые греки и римляне усовершенствовали, поняв, что тенеуказатель, или гномон, должен быть наклонён к небесному полюсу, чтобы часы оставались постоянными в течение года. Солнечные часы были элегантны и не требовали обслуживания, но у них было два очевидных недостатка: они были бесполезны ночью и бессильны в облачную погоду. Время, как оказалось, не могло зависеть от погоды.
Вода, измеряющая время
Решение заключалось в измерении чего-то более надёжного, чем солнечный свет: постоянного потока воды. Водяные часы, или клепсидра (греч. «воровка воды»), впервые появились в Египте около времени правления Аменхотепа III в XIV веке до н. э. В простейшей форме вода капала с почти постоянной скоростью из размеченного сосуда, и падающий уровень указывал на проходящие часы.
Разные культуры развивали эту идею в разных направлениях. В Греции инженеры добавили поплавки, шестерни и циферблаты, и клепсидра стала неотъемлемой частью судов, где отмеряла время речей ораторов. В Китае эта технология достигла невероятных высот. В 1088 году н. э. эрудит Су Сун завершил строительство водяной астрономической часовой башни высотой более десяти метров, оснащённой спусковым механизмом, который выпускал воду мерными импульсами для вращения механизма — возможно, концептуального предка механических часов, которые появятся позже.
Водяные часы освободили измерение времени от солнца, позволяя отсчитывать часы ночью и в любую погоду. Но вода замерзает, испаряется и течёт быстрее, когда сосуд полон, чем когда он почти пуст. Точность оставалась недостижимой.
Механическая революция
Решающий прорыв произошёл в средневековой Европе. Где-то в конце XIII века неизвестный мастер — у изобретения нет единого названного автора — создал шпиндельный спуск, и с ним родились механические часы.
Принцип был гениален. Падающий груз обеспечивал постоянную мощность, но хитрость заключалась в том, чтобы высвобождать эту мощность контролируемыми порциями, а не позволять ей уйти вся сразу. Шпиндельный спуск использовал горизонтальный стержень (билянец) с грузами на каждом конце, который качался вперёд-назад, зацепляя и отпуская зубчатое колесо при каждом качании. Каждое колебание позволяло зубчатой передаче продвинуться на один, отмеренный шаг. Это тик-так — звуковая сигнатура спуска — пожалуй, определяющий звук механической цивилизации.
Эти ранние часы, установленные в соборных и городских башнях по всему XIV веку, были грубыми по современным меркам, часто уходя вперёд или отставая на пятнадцать минут и более в день. У них часто вообще не было циферблата, они существовали только для того, чтобы бить в колокол (само слово clock происходит от латинского clocca, означающего колокол). Тем не менее, они представляли собой нечто глубокое: впервые машина измеряла время своим собственным внутренним движением, полностью независимо от солнца, воды или времени года.
Гюйгенс и маятник
Почти четыре столетия механические часы оставались удручающе неточными, потому что билянец не имел собственного естественного ритма — он качался так же быстро или медленно, как его толкал механизм. Прорыв произошёл в 1656 году, когда голландский учёный Христиан Гюйгенс построил первые практичные маятниковые часы.
Гюйгенс опирался на более раннее наблюдение Галилея о том, что маятник заданной длины качается с удивительно постоянным периодом независимо от амплитуды качания. Используя эту естественную регулярность в качестве времязадающего элемента часов, Гюйгенс почти мгновенно преобразил эту область. Там, где лучшие механические часы ошибались на много минут в день, его маятниковые часы вскоре стали точными примерно до пятнадцати секунд — а последующие усовершенствования снизили погрешность до менее одной секунды в сутки.
Скачок был ошеломляющим: примерно стократное улучшение за один раз. Маятниковые часы оставались самыми точными хранителями времени в мире в течение следующих 270 лет, стоя в обсерваториях и определяя официальное время стран.
Проблема долготы
Точные часы были не просто научным курьёзом; они были ключом к одной из величайших практических задач того времени — определению местоположения в море. Широту корабля можно было определить по высоте солнца или звёзд, но для долготы такого простого решения не было. Поскольку Земля поворачивается на 15 градусов долготы каждый час, моряк, знающий точное время в фиксированной опорной точке и сравнивающий его с местным полднем на корабле, мог рассчитать, как далеко на восток или запад он уплыл. Проблема заключалась в том, что никакие часы не могли сохранять точное время на качающемся, подверженном перепадам температуры и солёным брызгам корабле. Маятники были бесполезны на качающейся палубе.
Ставки были смертельными. Корабли садились на мель, а состояния тонули из-за отсутствия ответа, и в 1714 году британский парламент предложил огромную награду за надёжное решение. На сцену выходит Джон Гаррисон, самоучка, йоркширский плотник и часовщик, посвятивший свою жизнь этой проблеме. За десятилетия он построил серию морских хронометров, кульминацией которых стал его шедевр, H4, завершённый в 1759 году. Компактный и похожий на драгоценность, он использовал быстробьющий балансовый механизм, нечувствительный к качке корабля. Во время плавания на Ямайку в 1761 году H4 потерял всего около пяти секунд за 81 день — точность, казавшаяся почти чудом. Гаррисон решил проблему долготы и, сделав это, сделал возможной надёжную глобальную навигацию в последующие столетия.
Кварц: Время без шестерёнок
Следующая революция полностью отказалась от механического движения. В 1927 году инженеры Уоррен Маррисон и Дж. У. Хортон из Bell Telephone Laboratories построили первые кварцевые часы. Когда электрический ток подаётся на кристалл кварца, он вибрирует с чрезвычайно стабильной частотой — свойство, называемое пьезоэлектричеством. Подсчитывая эти колебания электронным способом, часы могли показывать время без качающегося маятника и изнашивающегося спуска.
Кварцевые часы быстро превзошли лучшие маятниковые инструменты, и к середине XX века они стали новым лабораторным стандартом. Однако их настоящим триумфом стала миниатюризация. К 1970-м годам кварцевые механизмы стали дешёвыми и достаточно маленькими, чтобы поместиться в наручные часы, предоставив обычным людям на запястьях точность времени, превосходящую любые обсерваторские часы XIX века. Кварцевые часы на вашей руке сегодня — прямой потомок того прорыва 1927 года.
Атомный век
Даже у кварца есть пределы, так как кристаллы слегка меняются с температурой и возрастом. Конечный эталон должен был исходить от самой природы — от неизменного поведения атомов. В 1955 году Луи Эссен и Джек Пэрри из Национальной физической лаборатории Соединённого Королевства построили первые точные цезиевые атомные часы. Они измеряли время по резонансной частоте атомов цезия-133, которые поглощают и излучают микроволновое излучение с частотой, настолько постоянной, что она по сути фиксирована законами физики.
Атомные часы были настолько лучше всего, что было до них, что они вынудили переопределить само время. На протяжении тысячелетий секунда определялась вращением Земли — долей дня. Но Земля — неустойчивый, постепенно замедляющийся хранитель времени. Поэтому в 1967 году международное сообщество официально переопределило секунду СИ как ровно 9 192 631 770 колебаний излучения атома цезия-133. Впервые фундаментальная единица времени была отвязана от небес и привязана к атому.
Точность атомного времени вскоре изменила и другие единицы. В 1983 году метр был переопределён как расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299 792 458 секунды. Поскольку скорость света теперь рассматривается как фиксированная константа природы, само расстояние определяется через время. Эта константа поистине огромна — свет преодолевает примерно 1,08 миллиарда км/ч (Скорость света в вакууме в километр в час) или около 671 миллиона миль в час (Скорость света в вакууме в миля/час) — поэтому доли одной секунды достаточно, чтобы охватить целый метр и гораздо больше.
Будущее: Часы для возраста Вселенной
Измерение времени не остановилось на цезии. Сегодняшний рубеж принадлежит оптическим решёточным часам, которые удерживают тысячи атомов — часто стронция или иттербия — в решётке лазерного света и считывают их колебания на оптических, а не микроволновых частотах. Поскольку они тикают в сотни тысяч раз быстрее, чем цезий, их можно измерять с ошеломляющей точностью.
Лучшие из этих часов настолько стабильны, что не уйдут вперёд и не отстанут ни на секунду за миллиарды лет — дольше, чем текущий возраст Вселенной. Такая точность — не праздное хвастовство. Она достаточно точна, чтобы обнаружить крошечное замедление времени, предсказанное Эйнштейном, когда часы поднимаются всего на несколько сантиметров выше в гравитационном поле Земли, открывая дверь к использованию часов в качестве датчиков для геологии, навигации и фундаментальной физики. В ближайшие годы широко ожидается будущее переопределение секунды на основе оптического перехода, а не цезия.
От тени до часового пояса
От тени обелиска до решётки захваченных атомов дуга измерения времени неуклонно изгибалась в сторону точности. Каждый скачок — спуск, маятник, хронометр, кварц, атом — приводил мир к более жёсткой синхронизации. Эта точность — невидимые строительные леса под современной жизнью: она координирует спутники, ставит временные метки на финансовые сделки и удерживает интернет в едином шаге через континенты.
Она также лежит в основе того, чем вы пользуетесь каждый день. Аккуратно организованные часовые пояса, которые позволяют вам запланировать звонок через весь мир или успеть на рейс на другом конце света, возможны только потому, что мы все можем согласиться, с точностью до долей секунды, который сейчас час.
Часто задаваемые вопросы
Какое устройство было первым для определения времени?
Самыми ранними хранителями времени были теневые. Древнеегипетские обелиски, воздвигнутые ещё около 3500 года до н. э., отбрасывали движущиеся тени, которые делили день, а примерно к 1500 году до н. э. египтяне использовали портативные теневые часы. Они эволюционировали в солнечные часы, усовершенствованные греками и римлянами. Их ограничение было очевидным: они работали только при дневном свете и ясном небе.
Кто изобрёл маятниковые часы?
Голландский учёный Христиан Гюйгенс построил первые практичные маятниковые часы в 1656 году, опираясь на наблюдение Галилея о том, что маятник качается с постоянным периодом. Это улучшило точность примерно в сто раз — от многих минут погрешности в день до секунд, и маятниковые часы оставались самыми точными хранителями времени в мире более 250 лет.
Как часы помогали морякам определять своё местоположение?
Поскольку Земля вращается на 15 градусов долготы каждый час, моряк, знающий точное время в фиксированной опорной точке, может сравнить его с местным полднем на корабле, чтобы вычислить долготу. Морской хронометр Джона Гаррисона H4, завершённый в 1759 году, достаточно точно показывал время в море, чтобы решить эту «проблему долготы», потеряв всего около пяти секунд за 81-дневное плавание.
Как сегодня определяется секунда?
С 1967 года секунда СИ определяется как ровно 9 192 631 770 колебаний излучения, испускаемого атомом цезия-133. Это заменило более старое определение, основанное на вращении Земли, которое было слишком нерегулярным. Первые точные цезиевые атомные часы были построены Луи Эссеном и Джеком Пэрри в 1955 году.
Какие самые точные часы из когда-либо созданных?
Самые точные часы на сегодняшний день — это оптические решёточные часы, которые удерживают атомы, такие как стронций или иттербий, в лазерном свете и считывают их колебания на оптической частоте. Лучшие из них настолько стабильны, что не уходят вперёд и не отстают ни на секунду за миллиарды лет — дольше, чем возраст Вселенной.