Четвертое измерение. История часов: от Солнца до атома.

Четвертое измерение. История часов: от Солнца до атома.

Попов Юрий

«Онлайн-журнал Mobi»

Что такое время? Служба словарей «Глоссарий.ру» утверждает, что это «форма существования материи, проявляющаяся в последовательной смене и длительности событий». Определение, честно говоря, не слишком внятное. Впрочем, и в других энциклопедиях можно найти еще десяток формулировок разной степени запутанности. Возможно, никому в мире точно не известно, что это за зверь такой — время...

Одно можно сказать с уверенностью: без устройств, способных отсчитывать время с высокой степенью точности, существование разумного человечества сегодня просто невозможно.

СОЛНЦЕ И ВОДА

Потребность как-то определять свои координаты во времени возникла у человека еще в глубокой древности.

Первоначально люди довольствовалось ориентацией в течение года. На основе наблюдений за движением небесных тел древними жрецами и учеными были созданы первые календари, и отсчет времени велся на основе астрономических событий, самое простейшее из которых — смена дня и ночи. С развитием общества возникла потребность ориентации во времени в течение суток, для чего были придуманы первые часы — солнечные. Вероятно, самое первое такое сооружение было создано египетскими жрецами около пяти тысяч лет назад. Конструкция представляла собой вертикальный обелиск (т. н. гномон) с нанесенной возле него на землю шкалой. Принцип действия довольно прост: в течение дня солнце движется по небосводу, соответственно, в разное время дня гномон отбрасывает разную тень. Первоначально подобные часы устанавливались возле храмов и во дворцах, позже они распространились и среди других слоев населения, прежде всего у купцов, ученых, врачей и прочей «древней интеллигенции».

Солнечные часы были довольно точными, но могли

отсчитывать время только днем и только в безоблачную погоду.

Солнечные часы отличались высокой точностью, но обладали одним фатальным недостатком — они могли отсчитывать время только днем и только в безоблачную погоду. Между тем продвинутое человечество желало вести насыщенную жизнь и после заката. Для решения этой проблемы были созданы водяные часы (клепсидра). Принцип действия этих часов заключался в том, что определенный промежуток времени отмерялся количеством воды, вытекавшим из маленького отверстия в дне сосуда. Водяные часы такого типа были распространены среди народов Египта, Вавилона, Греции. У китайцев, индусов и некоторых других народов стран Азии система работала с точностью до наоборот: пустой сосуд в форме полусферы плавал в небольшом бассейне, постепенно наполняясь водой через маленькое отверстие в донышке. Для измерения времени на стенки сосудов наносили специальную шкалу. Со временем водяные часы трансформировались в сложные устройства, в которых при помощи воды приводилась в движение целая система поплавков, колес, клапанов и т. д. Например, клепсидры, установленные в Александрии в храме Арсиноэ примерно 2300 лет назад показывали час, день и месяц. Кроме того, в их конструкции было предусмотрено изменение продолжительности дня в течение года.

А в КИТАЕ...

Кроме водяных, существовали также и огненные часы, изобретенные в Китае. Система такова: есть спираль или палочка из горючего материала, к которой подвешены металлические шарики. При сгорании материала нити, удерживающие грузики, обрываются, и те с характерным звоном падают в специально подставленную плошку.

Некоторые модели китайских огненных часов извещали о наступлении нового часа новым запахом. В качестве тлеющего материала в таком случае использовалась ароматическая палочка с несколькими полосками разного состава. По мере сгорания запах, источаемый такими часами, изменялся, и хозяин, обладающий достаточно острым обонянием, точно знал, который сейчас час.

ХОЗЯИН МОРЕЙ

С развитием стеклодувного дела стало возможным сделать простые и, главное, компактные часы — песочные. Система хорошо известна каждому: очень мелкий однородный песок пересыпается из одной емкости в другую через маленькое отверстие. Время, за которое одна емкость полностью опорожняется, — и есть измеряемый промежуток. Подобные часы широко применялись в эпоху парусного флота, так как ни один другой механизм не мог корректно работать в условиях постоянной качки, изменений температуры, влажности и даже силы гравитации Земли на различных широтах.

Песочные часы: мелкий однородный песок

пересыпается из одной емкости в другую

через маленькое отверстие.

На кораблях использовались так называемые «склянки». Это часы, в которых песок пересыпался из одной емкости в другую ровно за полчаса. После этого вахтенный матрос их переворачивал и звонил в специальный колокол — рынду. Конечно, с точки зрения точности подобная система была, мягко говоря, несовершенна. Однако «склянки» были на тот момент единственным приемлемым вариантом — ведь на корабле часы использовались не столько ради отсчета времени, сколько для морской навигации. При помощи компаса и секстанта можно было измерить угол между Полярной звездой и горизонтом и таким образом приблизительно оценить широту. Долготу же определить можно было только по разнице между местным временем корабля и временем по Гринвичу. Местное время легко определялось по солнцу или звездам, а для определения времени по Гринвичу требовались часы. Причем их точность была для экипажа корабля порой жизненно важной: на экваторе погрешность в определении времени по Гринвичу всего лишь на одну секунду равноценна ошибке при расчете местоположения судна в 400 метров! В условиях сильного тумана, при маневрировании вблизи берегов или опасных рифов корабль вынужден двигаться, что называется, «по приборам», и такие огрехи в определении координат просто недопустимы.

29 сентября 1702 года эскадра под началом адмирала Клодисли Шовела двинулась из Гибралтара в Англию. Погода была скверной, но как только небо очистилось от туч, штурманы смогли определить широту местонахождения эскадры. Что касается долготы, то здесь точность измерений напрямую зависела от тех самых песочных часов и расторопности вахтенного матроса. В результате погрешности в расчетах пять кораблей эскадры в тумане налетели на Гилстонские рифы, и 1600 человек, в том числе и сам адмирал, герой Англо-французской войны, погибли в море.

Джон Гаррисон создал уникально точный

морской хронометр, который использовали

во флоте более 100 лет.

Для Британии эта трагедия стала страшным потрясением. Парламент объявил об учреждении беспрецедентно огромной премии за создание точного морского хронометра. Награда составляла 20 000 фунтов, что по тем временам было эквивалентно стоимости 150 килограммов золота. Получить премию удалось талантливому механику Джону Гаррисону — он создал уникально точный морской хронометр, который использовали во флоте более 100 лет.

А склянки на военных кораблях отбивают и по сей день. Это стало традицией, так что звонкий сигнал рынды слышен сегодня на суперсовременных атомных крейсерах, авианосцах, патрульных катерах и других кораблях ВМФ.

МОРСКАЯ НЕПОГРЕШИМОСТЬ

Проблема создания точного хронометра для использования в море привлекла внимание многих талантливых механиков и часовщиков. Среди них был и Джон Гаррисон. В течение 30 с лишним лет, с 1725-го по 1757 год, он создал три уникальных механизма, каждый из которых был точнее предыдущего.

В 1761 году прошли испытания очередного прибора. Хронометр был размещен на борту судна, следовавшего по курсу Лондон — Ямайка. Погрешность отсчета времени составила всего 0,2 секунды в сутки. Однако на обратном пути во время жестокого шторма хронометр был поврежден. Повторные испытания состоялись в 1764 году. Корабль на этот раз отправился в Портсмут. За пять месяцев путешествия погрешность составила всего 15 секунд! Копия этого хронометра отправилась вместе с капитаном Джеймсом Куком в его первое кругосветное путешествие, где прибор зарекомендовал себя с самой лучшей стороны.

В 1772 году Гаррисон создал еще более совершенный хронометр, который буквально перевернул тогдашние представления о возможной точности часов. Для поддержания стабильности колебаний маятника Гаррисон ввел второй баланс. Кроме того, изобретатель поместил свой хронометр на подвижную опору, которая обеспечивала строго вертикальное положение часов и позволяла существенно снизить влияние качки на отсчет времени. Гаррисон учел также влияние момента заводной пружины на ход часов. Для обеспечения его постоянства было введено специальное механическое устройство, не позволявшее переусердствовать при заводе хронометра. Наконец, переменную влажность и перепады температур Гаррисон победил при помощи своеобразных композитных материалов. Балансное колесо часов было изготовлено аж из восьми разных металлов, подобранных так, чтобы максимально снизить коэффициент теплового расширения материала. А сам хронометр помещался в специальный футляр, являвшийся своеобразным термосом, поддерживающим более или менее постоянную температуру и влажность.

Часы Гаррисона успешно использовались во флоте более 100 лет.

ВОЛШЕБНЫЙ МИНЕРАЛ

Сейчас в большинстве хронометров «тикает» кварцевый генератор. Кварц — это один из самых распространенных минералов на Земле. В 1880 году Жак и Пьер Кюри открыли его пьезоэлектрические свойства, которые и определили профессиональную пригодность минерала. При сжатии кварц порождает электрический импульс (многие наблюдали этот эффект в пьезозажигалках), однако и сам кварц под воздействием электрического тока начинает колебаться с практически неизменной во времени частотой. При помощи простейшего электронного множителя время колебаний суммируется и переводится из герц в более привычные секунды. Благодаря высокой стабильности частоты колебаний кварца часы обладают хорошей точностью, практически недостижимой для механических устройств.

Кварц — один из самых распространенных минералов

на Земле.

В 1937 году кварцевые часы, разработанные Льюисом Эссеном, были установлены в знаменитой Гринвичской обсерватории. Погрешность этого хронометра составляла две миллисекунды в сутки. Кварцевые часы стали широко использоваться в различных научных учреждениях, лабораториях и других организациях, где точность измерения времени была критически важной величиной. Но для повседневного использования подобные хронометры по-прежнему не годились в силу некоторого гигантизма — первые кварцевые часы были размером с небольшой шкаф. С появлением полупроводников хронометры стали делать на транзисторах и микросхемах, что позволило радикально уменьшить их размеры. В 1967 году появились первые наручные кварцевые часы.

Современный кварцевый резонатор — это просто

микрочип, встраиваемый в материнскую плату компьютера.

Питается от специальной CMOS-батареи, которая

отвечает за сохранность настроек BIOS и отсчет времени.

Кварцевые хронометры отсчитывают время в подавляющем большинстве современных электронных устройств — от мобильного телефона до блока управления межконтинентальной баллистической ракеты. Залог их успеха — низкая стоимость в сочетании с высокой точностью и надежностью плюс малые размеры. Современный кварцевый резонатор — это просто микрочип, встраиваемый, например, в материнскую плату компьютера. Питание осуществляется от специальной CMOS-батареи, которая отвечает за сохранность настроек BIOS и отсчет времени. Так что даже если выключить компьютер из розетки, внутри него непрерывно будет «тикать» высокоточный кварцевый хронометр. Примерно такая же система используется и в мобильных телефонах — кварцевый резонатор потребляет настолько ничтожное количество энергии, что может долгое время работать даже при сильно разряженном аккумуляторе.

АПОКАЛИПСИС - 2038

Наступление нового тысячелетия — это, как ни крути, поворотный момент, особенно для вычислительной техники и программного обеспечения.

Разработчики, творившие в XX веке, довольно часто, в силу самых разнообразных причин, текущую дату указывали примерно так — 01.01.61, т. е. 1 января 1961 года. Но тогда 1 января 2000 года выглядит как 01.01.00 (при двузначном представлении 99+1=00), что воспринималось большинством программ как 1900 год. По мнению специалистов, это могло привести к серьезным сбоям в работе финансовых программ или систем управления технологическими процессами. В России в 1998 году для решения «Проблемы 2000» во всех регионах были созданы так называемые «Центры компетенции», работа которых координировалась Государственным комитетом РФ по связи и информатизации. В ходе проверок было выявлено более 500 объектов, относящихся к категории опасных, экологически вредных и непрерывных производств, которые могли быть подвержены негативному влиянию «Проблемы 2000».

Уровень истерии по поводу предстоящего наступления нового тысячелетия достиг таких масштабов, что на этой волне было снято даже несколько малобюджетных фильмов-катастроф, эксплуатирующих данную тему.

Впрочем, ничего страшного 1 января 2000 года не произошло. Некоторые эксперты связывают это с проведением серьезной подготовительной работы (общий объем мировых инвестиций, потраченных на подготовку к 2000 году, составил 300 миллиардов долларов), другие эксперты — с тем, что проблемы-то на самом деле не было. Тем не менее хотя бы на короткий период люди стали относиться ко времени уважительно.

Кстати, Unix-подобным системам апокалипсис «светит» в 2038 году. Время подготовиться еще есть.

ЕДИНСТВО ВРЕМЕНИ

Всем хорош кварцевый резонатор, но есть и у него один недостаток: кварц, стабильно работающий в краткосрочной перспективе, тем не менее способен «стареть». Из-за внутренних изменений в кристалле со временем происходит систематическое изменение базовой частоты, что негативно сказывается на точности механизма. Конечно, можно пытаться настраивать часы вручную, сверяя их с эталоном времени, но точность все равно не будет идеальной.

С этой проблемой столкнулись еще в начале XIX века почтовые и транспортные службы. Для обеспечения движения экипажей (а позже и поездов) по расписанию требовалось так называемое «единое временное пространство».

Первоначально эту проблему с разной степенью успешности решали при помощи возимых часов. Прибывая на станцию, кондукторы и машинисты должны были сравнивать показания своих часов с вокзальными ходиками. Но на дальних маршрутах и тем более при трансатлантических перевозках подобная система не срабатывала: даже на вокзалах одной железнодорожной ветки часы могли «не совпадать в показаниях». Возникала путаница, увеличивался риск катастроф.

Решение было найдено только к середине века — инженеры создали электрические часы, которые вдобавок можно было легко синхронизировать по линиям телеграфной связи. Это сразу решило проблемы с расписанием движения поездов внутри одной страны. Ну а в 1851 году телеграфный кабель лег на дно Ла-Манша, в 1860-м — Средиземного моря, и, наконец, в 1865-м был осуществлен колоссальный по масштабам проект прокладки кабеля по дну Атлантического океана. Теперь можно было синхронизировать часы даже на разных континентах.

Однако провода есть провода, везде их проложить невозможно. Кораблям, выходящим в открытое море, тоже требовалось синхронизировать часы, причем для них точное время — залог безошибочной навигации. Для решения этой проблемы была разработана целая система передачи сигналов точного времени по радио. Многие наверняка помнят детство, когда рано утром из радиоприемника звучали пять коротких «пиков» и один длинный, а потом хорошо поставленным голосом диктор говорил: «Московское время — 9 часов». Эти шесть сигналов означают последние шесть секунд часа — 55-ю, 56-ю, 57-ю, 58-ю, 59-ю и 60-ю соответственно.

Первоначально часы синхронизировались вручную «на слух», однако довольно быстро инженеры придумали способ полностью исключить «человеческий фактор». В хронометр встраивался миниатюрный приемник, воспринимающий эталонный сигнал, передаваемый с радиостанции службы времени и простое логическое устройство, отвечающее за автоматическую синхронизацию часов. Первоначально такие устройства использовались военными и государственными службами, но вскоре стали доступными и для рядового обывателя.

В будущем планируется создать единую службу времени,

аботающую во всем мире на одинаковой частоте

и по одному протоколу.

С конца 80-х годов в Германии выпускаются наручные кварцевые часы со встроенной системой синхронизации по радиосигналу. Впрочем, сигнал от немецкого передатчика службы точного времени дальше Минска не распространяется, поэтому в России от таких часов толку мало.Сегодня существует сразу несколько служб точного времени: в Германии — DCF77, в Швейцарии — HBG, в России — RWM, в США — WWV и т. д. Все передатчики работают на разных частотах, да и сигнал передают на основе разных систем. Поэтому, покупая часы с заявленной синхронизацией по радиосигналу, не забудьте поинтересоваться у продавца, будут ли они работать в России.

В будущем планируется все же создать единую службу времени, работающую во всем мире на одинаковой частоте и по одному протоколу. Уже существуют проекты систем синхронизации часов по сигналам точного времени, передаваемым при помощи оборудования сотовой связи или со спутника, что обеспечивает наиболее полный охват территории. При реализации такого проекта отпадет необходимость в каком-либо частном хронометре в принципе.

Его должен заменить своеобразный «индикатор времени». В самом простом варианте устройство выглядит как миниатюрный приемник с экраном индикации и кнопкой. Большую часть времени прибор выключен, следовательно, не потребляет энергии вовсе. Если обладателю такого устройства необходимо узнать время, он нажимает на кнопочку, и на экране моментально высвечивается текущее время. Стоимость такого прибора ничтожна, а точность показываемого им времени равноценна точности эталонных часов в далекой лаборатории. Единственная неприятность, с которой может столкнуться обладатель подобного устройства, — зона радиотени. То есть, как и в случае с мобильным телефоном, сигнал точного времени может просто «не пройти». Впрочем, такие устройства (равно как и сама единая служба времени) — это дело неопределенного будущего. Поэтому сейчас предпочтение отдается кварцевым часам с функцией синхронизации времени по радиосигналу. На родине обладатель таких часов может не беспокоиться о точности своего хронометра благодаря системе синхронизации. Ну а в отъезде к его услугам обычные кварцевые часы, простые, надежные и довольно точные.

СВЕРИМ КОМПЫ

Сегодня синхронизация времени успешно применяется в компьютерах, подключенных к Глобальной сети. Для этого более 25 лет назад был создан специальный интернет-протокол — NTP. Его еще называют «протокол сетевого времени».

Синхронизация происходит следующим образом. Где-то в недрах глобальной информационной сети существуют NTP-серверы, в свою очередь синхронизированные с каким-либо внешним источником точного времени или с другим NTP-сервером.

Структура «протокола сетевого времени» — иерархическая. На самом верху находятся сервера, непосредственно связанные с высокоточными часами в лабораториях или правительственных службах. Например, tick.usno.navy.mil — сервер точного времени ВМФ США (общий доступ к этому серверу недавно был закрыт). Это NTP-сервера самого верхнего уровня, т. н. сервера «первого стратума». Все нижестоящие уровни берут информацию о точном времени у вышестоящих. 2-й стратум синхронизирован с 1-м, третий — со 2-м и т. д.

Конечно, лучше всего брать точное время у первоисточника. Официальный список NTP-серверов первого стратума, т. е. непосредственно связанных с высокоточными часами, можно найти на support.ntp.org/bin/view/Servers/StratumOneTimeServers.

Чтобы синхронизировать часы на своем персональном компьютере, достаточно зайти в настройки даты и времени, выбрать закладку «Время интернета» (совет действителен для пользователей Windows) и указать сервер точного времени. Теперь компьютер раз в неделю автоматически будет через Сеть синхронизировать собственные часы с эталонным временем.

МИРНЫЙ АТОМ

Помимо глобальной системы синхронизации времени ученые придумали еще один способ улучшения точности носимых хронометров.

Как известно, самые точные часы — атомные. Результаты, достигнутые с их помощью, были столь впечатляющи, что в октябре 1967 года на XIII Генеральной конференции по мерам и весам было дано новое определение единицы времени — секунда теперь определялась как 9 192 631 770 колебаний излучения атома цезия-133. Сегодня точность атомных часов такова, что погрешность в одну секунду набегает в среднем за... десять миллионов лет.

Атомные часы, созданные группой инженеров

из Penn State University под руководством

профессора физики Курта Гиббла.

Принцип действия атомных часов основан на получении очень стабильного волнового излучения высокой частоты, наблюдаемого при квантовом переходе электронов между двумя энергетическими уровнями атома. Инициировать такой переход можно, например, облучая облако атомов цезия лазерным лучом, т. е. придавая уравновешенной системе излишек энергии.

Фантастическая точность атомных часов широко используется в лабораториях и научных учреждениях, однако ученые не перестают пытаться решить задачу под названием «Мирный атом — в массы!». К сожалению, все нынешние атомные хронометры выглядят как солидный шкаф, к тому же стоящий немалых денег.

Первые в мире атомные часы, созданные в 1949 году

Американским национальным бюро стандартов.

Однако в 2005 году появилась информация о том, что ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) создали миниатюрные атомные часы. Устройство хронометра таково: в крохотной кремниевой пластинке квадратного сечения со стороной 1,2 мм и толщиной 0,375 мм просверливается сквозное отверстие, в которое и помещается микроскопическое облако атомов цезия. Сверху и снизу оно прикрывается тонкими стеклами. Расположенный возле пластинки лазер облучает атомы цезия, что и порождает полезный тактовый сигнал с частотой чуть больше 9 ГГц. Точность таких часов намного ниже, чем у «взрослых» собратьев, но вполне приемлема — отклонение в одну секунду набегает примерно через триста лет. На наш век хватит.

Ученые из института NIST создали атомные часы,

в основе которых — крохотная кремниевая пластина

квадратного сечения со стороной 1,2 мм и толщиной 0,375 мм.

Потребляемая мощность устройства составляет всего 75 мкВт, что позволяет использовать для питания часов обычные батарейки.

Стоимость опытного образца изобретатели оценивают в 120 долларов. При этом очевидно, что при серийном изготовлении цена будет только снижаться. Так что уже в ближайшее десятилетие можно ожидать появления атомных часов в компьютерах и ноутбуках, а потом и в сотовых телефонах.

ПРИВИЛЕГИЯ КОРОЛЕЙ

Сегодня часы тикают абсолютно везде. Зачем это нужно — вопрос праздный. Сегодня даже на бытовом уровне без часов невозможно попасть на встречу, успеть к началу фильма, сесть на поезд, приготовить еду, не говоря уже о более сложных проблемах, которые решают ученые. Человечество сегодня прочно привязано к самым разнообразным хронометрам, которые помогают функционировать огромной махине общества.

Тем не менее, средний обыватель относится к часам с определенной долей снисходительности. Это и неудивительно: разнообразные хронометры с детства являются частью жизни современного человека и, как следствие, представляются, в общем, предметом обыденным. Мало кто помнит поговорку, знакомую скорее по рекламным роликам середины 90-х годов прошлого века: «Точность — вежливость королей». Еще меньше тех, кто знает, как эта поговорка звучит на самом деле: «Точность — привилегия королей». Эта поговорка родилась в те времена, когда по-настоящему точные часы были огромной редкостью и стоили колоссальных денег. Их действительно могли себе позволить разве что очень богатые люди.

Так что не смотрите на свои Swatch или старенькие потрепанные часы «Слава» с пренебрежением — как ни крути, а это королевский атрибут.

Если часы на вашем компьютере после каждого выключения сбиваются, то самая вероятная причина этому — вышедшая из строя CMOS-батарея

В ближайшее десятилетие на прилавки мира обещают «выбросить» наручные атомные часы с вполне пристойной точностью — отклонение в одну секунду набегает примерно через триста лет

Точность атомных часов, установленных в НИИ и прочих серьезных организациях, такова, что погрешность в одну секунду набегает в среднем за десять миллионов лет

Современный кварцевый резонатор — это просто микрочип, встраиваемый, например, в материнскую плату компьютера или ноутбука

Точность часов для моряков без преувеличения жизненно важна: на экваторе погрешность в определении времени по Гринвичу всего лишь на одну секунду равноценна ошибке при расчете местоположения судна в 400 метров

Ученые обещают положить конец анонимному веб-серфингу — они уверены, что IP компьютера можно отследить по отклонению системных часов.

http://www.mobimag.ru/