Top.Mail.Ru

Эталоны земного времени и история часов

Эталоны земного времени и история часов

         Содержание

     Астрономия и история изучения Земли

     Опыты древних ученых и доказательства вращения Земли

     Время и вращение Земли

     Древние механические счетчики времени – часы

     Звездные сутки

     Уравнение времени

     Маятник в механических часах

     Время и вращение Земли вокруг своей оси

     Неравномерность вращения Земли

     Кварцевые и атомные часы

     День да ночь — сутки прочь, гласит известная поговорка. В старину думали, что смена дня и ночи происходит вследствие суточного вращения небесного свода, по которому к тому же медленно передвигается Солнце, совершая полный оборот в течение года, что вызывает смену времен года.

Астрономия и история изучения Земли

     Великий польский ученый Николай Коперник (1473 – 1543 гг.), обосновал огромные размеры воображаемой небесной сферы, высказал уверенность, что не она перемещается с огромной скоростью, а внутри нее в обратном направлении вертится маленький земной шар, совершающий еще, кроме того, годичное обращение вокруг центрального светила — Солнца. Этим он объяснил смены дня ночи и времен года.

Эталоны земного времени и история часов
Эталоны земного времени и история часов. Николай Коперник

     Прямых доказательств этому гениальному выводу у Коперника не было, так как в то время не были известны такие явления или эксперименты, которые можно было бы объяснить только движениями Земли и никак не иначе.

     Но логика рассуждений Коперника была вполне убедительна для тех, кто был способен отрешиться от предрассудков и преодолеть веками укоренившееся представление о неподвижности Земли.

Опыты древних ученых и доказательства вращения Земли

     Прямые доказательства вращения Земли были найдены значительно позже, но вначале и с ними не все шло гладко. Во второй половине XVII века, то есть более чем через сто лет после Коперника, Ньютон пришел к заключению, что вращающаяся планета вследствие центробежной силы должна быть растянута по экватору и сплюснута у полюсов.

     Телескопические наблюдения быстро вращающихся планет Юпитера и Сатурна позволили обнаружить у них такую эллиптическую форму. Отсюда Ньютон заключил, что и вращающаяся Земля должна иметь аналогичную фигуру.

     Однако измерения, произведенные во Франции, дали обратный результат — обнаружилась небольшая вытянутость Земли в направлении полюсов. Ньютон считал, что такой результат получился из-за неточности измерений. Французские астрономы, защищая престиж своих соотечественников, говорили, что ошибается Ньютон.

     В надежде окончательно опровергнуть Ньютона Французская академия наук снарядила в тридцатых годах XVIII века две экспедиции для измерения длины дуги меридиана: одну под экватор в Перу, другую на северный полярный круг, нынешнюю границу между Швецией и Финляндией.

Эталоны земного времени и история часов
Эталоны земного времени и история часов

     По возвращении экспедиций результаты измерений были сравнены и определенно выявлено, что у Полярного круга градус меридиана длиннее, чем под экватором. Этим окончательно была доказана правота Ньютона и подтверждено суточное вращение Земли.

     Еще одним доказательством стали опыты, в которых наблюдалось явление, тоже предсказанное Ньютоном, — отклонение свободно падающего тела к востоку от вертикали.

     Допустим, что мы находимся на вершине высокой башни, с которой без начального ускорения брошено тяжелое тело (шарообразной формы для уменьшения аэродинамического сноса при движении в воздухе).

     Вершина башни находится дальше от оси вращения Земли и поэтому в течение суток описывает больший круг, перемещается поэтому с большей линейной скоростью, чем подножие башни.

     Тело, падающее с вершины башни, по инерции сохраняет приобретенную там линейную скорость, направленную в сторону вращения Земли, то есть с запада на восток, и, упав, опередит подножие башни, отклонившись к востоку от вертикали.

     Современник Ньютона, «куратор опытов» Королевского общества (Британской академии наук) Роберт Гук пытался произвести такой опыт, но неудачно: он сбрасывал шары с небольшой высоты и уловить эффект не мог.

     Лишь более чем через сто лет, в 1792 году, итальянец Гюльямини в Болонье получил отклонение, качественно, но не количественно согласующееся с теорией — тело действительно отклонялось к востоку, но не на столько, как требовали расчеты.

     И только в XIX веке были проделаны опыты, в частности в шахтах, где падение происходило без внешних помех и на большую глубину, давшие вполне уверенные и согласные с теорией результаты.

     Но наиболее наглядно вращение Земли демонстрируют опыты с маятником, впервые произведенные в 1851 году французским физиком Фуко в парижском Пантеоне.

Эталоны земного времени и история часов
Эталоны земного времени и история часов. Маятник Фуко

     Маятник состоял из стальной проволоки длиной в 64 метра, на которой висел латунный шар весом в 28 кг. Вверху проволока была закреплена так, что маятник мог качаться в любом направлении.

     Любой маятник всегда стремится сохранить неизменной относительно внешнего пространства плоскость, в которой происходят колебания. Запущенный в Пантеоне в некотором направлении маятник сохранял его неизменным, в то время как все здание Пантеона поворачивалось вместе с Землей.

     Поэтому зрители увидели, что относительно стен здания плоскость качаний маятника постепенно поворачивалась в направлении видимого вращения небесного свода — с востока на запад. С тех пор такой опыт производился во многих местах. Например, в Исаакиевском соборе в Санкт-Петербурге маятник Фуко демонстрируется очень часто.

Время и вращение Земли

     Вращение Земли и вызванная им смена дня и ночи лежат в основе измерения времени, которое нормирует всю нашу жизнь. Полночь, время близкое к середине между моментами захода и восхода Солнца, определяет перемену календарной даты.

     Промежуток между двумя последовательными полуночами уже давно стал подразделяться на 24 равные части — на часы, с дальнейшим подразделением на 60 минут и 3600 секунд.

     В старину измерение времени производилось весьма примитивным способом, с помощью водяных или песочных часов. Употреблялись и солнечные часы, в которых тень стержня или ребра вертикальной пластинки падает на циферблат.

     В конце XVII века голландский физик Гюйгенс предложил использовать для измерения времени колебания маятника, поддерживаемые специальным механизмом, передвигающим также стрелки по циферблату.

Эталоны земного времени и история часов
Эталоны земного времени и история часов

Древние механические счетчики времени — часы

     Так были изобретены механические счетчики времени — часы, которые регулировались по Солнцу: в момент, когда оно пересекает небесный меридиан, поднимаясь выше всего над горизонтом (полдень), часы должны были показывать 12 часов.

     Долго часы были очень несовершенными и их показания отличались от времени, определяемого по Солнцу. И часы подводили, чтобы в солнечны полдень на них, было 12 часов. Однако в XVIII веке выяснилось, что виноваты вовсе не часы, стало ясно, почему хорошие, точные часы не всегда показывают 12 часов в солнечный полдень.

     Оказалось, что вследствие неравномерности движения Земли по околосолнечной орбите отмеряемая по Солнцу продолжительность суток меняется в течение года. Для пояснения, почему неравномерность орбитального движения Земли вокруг Солнца влияет на продолжительность суток, приведем такой пример.

     Представим себе равномерно вращающееся колесо, совершающее один оборот за 24 секунды, но за это время передвинем вперед метку, по которой отмечается его вращение, на 1/24 часть окружности.

     Понятно, что колесо, совершив ровно один оборот, еще не дойдет до метки и ему понадобится еще одна секунда, чтобы его достигнуть. Так что время обращения колеса относительно метки составит 25 секунд.

Звездные сутки

     Вращение земного шара относительно неподвижной метки, которой является направление на какую-нибудь звезду, совершается с периодом 23 часа 56 минут 4,09 секунды, это время называется звездными сутками.

     Но в обыденной жизни меткой, по которой мы считаем время, является Солнце. При движении Земли по орбите оно ежедневно отступает на 1/365,2422 долю окружности (в среднем), и Земле требуется еще почти 4 минуты, чтобы догнать отступившую метку — только после этого закончатся солнечные сутки.

     Вследствие эллиптичности земной орбиты, Земля движется по ней неравномерно. Так, в перигелии (то есть на ближайшем расстоянии от Солнца), который Земля проходит около 2 января, ее скорость — 30,29 км в секунду, а в афелии (наибольшее расстояние от Солнца), который Земля проходит около 6 июля, ее скорость меньше — 29,29 км в секунду.

     Поэтому метка, по которой считаются солнечные сутки, передвигается неравномерно, а значит, продолжительность солнечных суток меняется. Она стала заметной уже в XVIII веке, когда были усовершенствованы часы и их ход стал более равномерным.

     Для устранения возникшего неудобства было введено так называемое среднее солнечное время, в основе которого лежат средние солнечные сутки, равные 24 часам среднего солнечного времени.

Эталоны земного времени и история часов
Эталоны земного времени и история часов

     Насколько истинные солнечные сутки отличаются от средних, видно из следующего: в середине января истинные сутки длиннее средних на 30 секунд. В результате оказывается, что истинный полдень, когда Солнце проходит через меридиан данного места, наступает по среднему времени в разные моменты: в середине февраля — в 12 час. 14 мин., а в начале ноября — в 11 час. 44 мин.

     Основное требование, которому должна удовлетворять любая единица измерения, — это ее и неизменность. И именно потому, что истинные солнечные сутки и основанное на них истинное солнечное время этим качеством не обладают, пришлось ввести средние сутки и среднее время.

Видео: Загадка лунной ночью в деревне

Уравнение времени

     Разность между средним и истинным солнечным временем называется уравнением времени. Это число минут и секунд, которое нужно прибавить к истинному солнечному времени (или отнять от него), определенному, например, по солнечным часам, чтобы получить среднее время.

     В течение года уравнение времени изменяется довольно причудливым образом, как показывает график уравнения времени:

Эталоны земного времени и история часов
Эталоны земного времени и история часов

     Четыре раза в году — около 15 апреля, 13 июня, 1 сентября и 25 декабря — оно равно нулю, когда истинное и среднее время совпадают. Наибольших значений уравнение времени достигает около 12 февраля, когда оно равно +14,4 минуты, и около 4 ноября, когда оно равно 16,4 минуты, но уже со знаком «минус».

   Во второй половине декабря уравнение времени изменяется особенно быстро, увеличиваясь на 30 секунд в сутки, вследствие чего происходит следующее любопытное явление. Самый короткий день в северном полушарии бывает в день зимнего солнцестояния — 22 декабря.

     Тогда в Москве и всюду на ее широте +55 3/4° продолжительность дня равна 7 часов 0 минут 22 секунды. На следующий день продолжительность дня увеличится лишь на несколько секунд, но истинный полдень из-за изменения уравнения времени по среднему времени будет на 30 секунд позже.

     Поэтому по среднему времени восход Солнца запаздывает, и так продолжается целую неделю. Заход Солнца начинает запаздывать значительно раньше, так как вечером изменение продолжительности дня и запаздывание истинного полдня складываются. В результате оказывается, что самый поздний восход Солнца бывает в Москве 29 декабря, а самый ранний заход Солнца — 15 декабря.

     Между этими двумя датами день утром еще уменьшается, а вечером уже увеличивается. Для измерения и, как говорят, «хранения», то есть непрерывного счета времени, используется периодический процесс неизменной продолжительности.

Маятник в механических часах

     В механических часах таким процессом является качание маятника. Период качаний зависит от длины маятника, которая меняется с температурой. Кроме того, воздух создает некоторое сопротивление свободным колебаниям маятника, а плотность воздуха зависит от температуры и барометрического давления.

     Лучшие астрономические часы имеют компенсационный маятник, в котором специальным устройством компенсируется влияние температуры на его длину. Кроме того, часы помещаются в подвале с почти неизменной температурой и в герметически закрытом сосуде с постоянным давлением.

Эталоны земного времени и история часов
Эталоны земного времени и история часов

     В результате удается достигнуть большого постоянства хода таких часов, их погрешность не превышает нескольких сотых и даже тысячных долей секунды в сутки. Однако с течением времени в механизме часов вследствие сгущения масла, износа трущихся частей и других причин происходят изменения, влияющие на ход.

     Поэтому даже наилучшие часы приходится сверять со считавшимся наиболее постоянным явлением — вращением Земли и регулировать их так, чтобы в полдень (конечно, средний, для исключения неравномерности орбитального движения Земли) они показывали ровно 12 часов.

     В некоторых городах этот момент отмечался выстрелом из пушки, что, однако, хуже светового сигнала, так как звук распространяется сравнительно медленно. Так, например, в районе Пулковской обсерватории, находящейся в 20 км от Петропавловской крепости в Санкт-Петербурге, звук от праздничного салюта приходит на целую минуту позже, чем свет от вспыхнувших ракет.

     В старом здании Гринвичской обсерватории, точное время возвещается сбрасыванием большого шара с мачты, что видно с кораблей на Темзе.

     Так или иначе сигналы времени должны быть связаны при помощи астрономических наблюдений с вращением Земли, без чего может стать реальностью известный анекдот:

     В некотором городе пушка стреляла в момент, когда находящиеся близко часы показывали полдень. А они, эти часы, проверялись по выстрелу той же пушки. Пушка стреляла точно по часам, и все шло хорошо, пока не заметили, что в момент выстрела день стал заметно клониться к вечеру.

Время и вращение Земли вокруг своей оси

     До недавних пор вращение Земли вокруг оси считалось наиболее постоянным и неизменным явлением для измерения времени. Правда, еще в 1755 году философ И. Кант указал на явление, которое должно замедлять вращение Земли. Это морские приливы, вызываемые притяжением Луной и Солнцем воды в океанах.

     Две приливные волны за 24 часа 50 минут обегают вокруг земного шара и, набегая на берега континентов, а также замедляясь на отмелях, тормозят вращение Земли. При этом часть энергии вращения Земли переходит в хаотическое движение и в конечном итоге в тепло.

     Астрономам впоследствии действительно удалось обнаружить такое замедление, хотя и очень незначительное, на основании исследования древних солнечных затмений, о которых упоминается в старых летописях.

     Если бы вращение Земли происходило без замедления, то затмения наступали бы на несколько часов раньше, чем записано в летописях Древнего Египта, Ассирии и Вавилона. Оказалось, что продолжительность суток увеличивается каждые сто лет примерно на одну тысячную долю секунды.

     Хотя кажется, что это совершенно ничтожная величина, но, накапливаясь, она заметно влияет на счет времени. Возьмем период в 2000 лет, то есть двадцать веков, который содержит круглым счетом 730 000 суток.

     В конце такого периода продолжительность суток 20 х 0,001 = 0,02 секунды больше, чем в начале. Средняя длина суток за все это время отличается от начальной или конечной длины на 0,01 секунды, а за 730 000 суток набежит разница времени 0,01 х 730 000 = 7 300 секунд, или почти что два часа. Такова примерно разница времени, обнаруженная в моментах наступления древних солнечных затмений.

Видео: Динозавры и причины гибели

Неравномерность вращения Земли

     В двадцатых годах была неожиданно открыта другая неравномерность вращения Земли, ее признаки обнаружились еще за несколько десятилетий до этого при изучении движения нашего естественного спутника — Луны.

     Немецкий астроном Петер Андреас Ганзен (1795 – 1874 гг.), разработал теорию и составил таблицы для вычисления положения Луны на любой заданный момент. В течение ста лет с 1750 по 1850 год эти таблицы вполне удовлетворительно согласовались с наблюдениями Луны, и ожидалось, что и в будущем такая согласованность сохранится.

     Однако уже через несколько десятилетий обнаружились заметные постепенно нарастающие расхождения, побудившие американского астронома Ньюкомба ввести эмпирические, то есть не вытекающие из теории, поправки.

     В начале ХХ века американский теоретик Браун вышедшие в 1919 году еще более совершенные и точные таблицы, которые до сих пор служат для вычисления эфемериды Луны. (Так называют список, дающий координаты на небесной сфере небесного тела деля строго определенных моментов времени.)

     Для Луны из-за быстроты ее движения эфемерида составляется на каждый час всего года и все результаты сводятся в такую примерно таблицу:

Эталоны земного времени и история часов
Эталоны земного времени и история часов

     Здесь прямое восхождение и склонение указывают положение Луны на небесной сфере, подобно тому как долгота и широта дают положение точки на земном шаре.

     Допустим, что астроном с помощью соответствующего инструмента, например, меридианного круга, пронаблюдал Луну в момент прохождения через меридиан и определил ее координаты. Сравнив результат с эфемеридой, он обнаружил некоторое расхождение, например, прямое восхождение 1 октября 1977 года в 2 часа оказалось на 0,79 секунды больше, чем дано в эфемериде.

     Прежде такое расхождение приписывалось эфемериде, то есть ошибке в вычислениях времени прямого восхождения. Но в равной мере можно допустить и другое, что ошибочен не второй, а первый столбец эфемериды, то есть время, которое наблюдатель определил по вращению Земли.

     Время, которое является аргументом в эфемериде Луны и стоит в первом столбце приведенной таблицы, есть теоретическое время, течение которого считается абсолютно равномерным. Наблюдатель же пользуется земным временем, согласованным с вращением Земли. Поэтому если вращение Земли не вполне равномерно, то это вызовет кажущуюся ошибку в эфемериде Луны.

Эталоны земного времени и история часов
Эталоны земного времени и история часов

     Из двух возможностей объяснения — ошибочности эфемеридного прямого восхождения пли ошибочности земного времени — нельзя сделать определенного выбора на основании наблюдений только одной Луны.

     В двадцатых годах XX столетия были замечены аналогичные, но гораздо меньшие расхождения в эфемеридах наиболее быстро движущихся планет — Меркурия и Венеры.

     Оказалось, что если внести соответствующую, но одинаковую поправку в счете времени, то все разногласия исчезают, что явилось доказательством неравномерности течения времени, определяемого по вращению Земли, то есть доказательством неравномерности этого вращения.

     Постепенно стало выясняться, что, кроме уже ранее известного очень небольшого общего замедления, вызванного действием морских приливов, существуют сезонные изменения с периодом в один год и еще неправильные, внезапные изменения или скачки, что может быть связано с сильными землетрясениями и вулканическими извержениями.

     Сезонные изменения вызываются темп же причинами, как и известные движения земных полюсов по поверхности Земли — сезонными изменениями в циркуляции земной атмосферы, отложением снега льда на континентах другими метеорологическими явлениями.

Видео: Загадка часовая мастерская

     Вызванная всеми этими причинами неравномерность вращения Земли обычно не превосходит одной тысячной доли секунды (миллисекунды) в сутки, но, накопляясь, она становится заметной по истечении нескольких недель.

     Итак, земное время, отмеряемое по вращению Земли, недостаточно равномерно, это создает неудобства и даже делает его непригодным для ряда областей науки и техники. Лучшие маятниковые часы начала ХХ века имели суточную вариацию хода, то есть суточную погрешность в несколько миллисекунд, и поэтому такие Часы не могли служить для выявления или исследования неравномерностей вращения Земли.

Кварцевые и атомные часы

     Но вот были изобретены кварцевые часы. В них роль маятника, по сути дела, берет на себя пластинка, определенным образом вырезанная из кристалла горного хрусталя (кварца), которая в этих часах совершает сотни тысяч колебаний в секунду.

     Радиотехническими средствами эта высокая частота понижается до уровня, пригодного для управления мотором, который уже и дает электрические импульсы, движущие стрелки по циферблату. Точность кварцевых часов в сотни раз выше, чем у лучших механических часов, этой точности вполне хватило для обнаружения неравномерности вращения Земли.

     Около были изобретены еще более точные приборы для хранения времени — эталоны частоты, «маятник» которых — молекула или атом, совершающие свои колебания с поразительным постоянством, не зависящим от внешних условий.

     Атомные часы позволяют измерять время в десятки тысяч раз точнее, чем по вращению Земли, их ошибка меньше одной секунды в 10 000 лет.

     Атомные часы управляют сигналами частоты и точного времени, систематически передаваемыми по радио, в частности широко известными шестью «точками», которые посылают в эфир широковещательные радиостанции.

Эталоны земного времени и история часов, атомные часы
Эталоны земного времени и история часов, атомные часы

     В связи с этим возникла новая проблема. Ведь распорядок всей нашей жизни зависит от времени дня, которое определяется вращением Земли, и наши обыденные часы должны быть согласованы именно с этим вращением, должны как-то учитывать его неравномерность.

     Посылаемые в эфир сигналы согласованы с атомными часами и всех этих неравномерностей не учитывают. Да они и не должны их учитывать, поскольку эталонные атомные часы используются для научных и технических целей, где главное требование — высокая стабильность частоты.

     Поэтому по международному соглашению для согласования радиосигналов с временем вращения Земли было принято такое решение: если к 1 января или к 1 июля данного года разница между земным атомным временем превышает 0,5 секунды, то, не нарушая непрерывности радиосигналов, меняется на единицу их счет, то есть в случае замедления вращения Земли в счет сигналов включается одна секунда, а в случае ускорения — одна секунда пропускается.

     Это событие не имеет влияния на все житейские дела, скажем, на движение поездов, самолетов, но учитывалось в научных и технических работах, требующих точного непрерывного счета времени.

     Короткий рассказ, естественно, не мог включить в себя все тонкости, связанные с точным измерением времени и привязкой его к процессу, который в итоге определяет ритм нашей жизни, — к вращению Земли.

     Но даже несколько штрихов, которыми мы пытались обрисовать суть дела, по-видимому, убеждают, что простое, казалось бы, явление, отразившееся в поговорке «день да ночь — сутки прочь», таит в себе много серьезных сложных вопросов, решение которых зависит от требований и уровня науки и техники.

                                                                   Академик А. Михайлов

Видео: Кокосовый осьминог строит свое жилище

 

You May Also Like