Измерять, отсчитывать, сверять время необходимо во многих случаях
жизни, в самых разных видах деятельности - науке, технике, производстве,
в быту. Помогают нам в этом многочисленные и разнообразные приборы,
имеющие общее название - часы.
Самыми первыми были солнечные часы. Простейшие из них представляли собой
палку, вертикально воткнутую в землю, и циферблат с начерченными на
земле делениями. В течение дня, пока солнце движется по небосводу, тень
от палки перемещается от деления к делению, подобно стрелке на
современных часах. Так можно довольно точно узнавать время дня.
От солнечных до атомных - таков путь часов: 1 -
песочные часы; 2 - солнечные часы; 3 - огненные часы - лампа; 4 -
водяные часы; 5 - колесные часы; 6 - маятниковые часы Галилея; 7 -
деревянные часы Бронникова; 8 -астрономические часы Федченко АЧФ-3 -
хранители времени; 9 - молекулярный генератор - составная часть
молекулярных часов; 10 - атомно-лучевой резонатор - часть цезиевых
атомных часов.
Для отсчета определенных промежутков времени были изобретены песочные
часы. Делали их обычно в виде двух сосудов, соединенных друг с другом
узким горлышком. Мерой служило время, за которое песок полностью
пересыпался из верхнего сосуда в нижний.
На подобном принципе устроена работа водяных и огненных часов. Время в
водяных часах определялось по скорости вытекания воды из одного сосуда в
другой, а в огненных - по скорости сгорания какого-нибудь предмета:
свечи, шнура, деревянной палочки.
Изобретение механических часов некоторые историки приписывают Пацификусу
из Вероны (начало IX в.), а другие - монаху Герберту, ставшему
впоследствии папой Сильвестром II. Он сделал башенные часы с гирями для
города Магдебурга в 996 г. В России первые башенные часы установлены в
1404 г. в Московском Кремле монахом Лазарем Сербиным. Все эти часы имели
примерно одинаковую конструкцию. На горизонтальный вал намотана веревка
с гирей на конце. Гиря тянет веревку и вращает вал. Через систему колес
с зубцами вращение вала передается основному, так называемому храповому
колесу, соединенному со стрелками - указателями времени. Если гире дать
возможность опускаться свободно, то вал будет вращаться ускоренно.
Поэтому в часах необходим регулятор равномерного вращения храпового
колеса. Очень хорошим регулятором оказался маятник - груз, подвешенный
на тонком стержне. Его важное свойство - равномерность качаний - одним
из первых подметил в конце XVI в. итальянский ученый Галилей. С помощью
специального механизма - анкера - маятник соединили с зубьями храпового
колеса так, что за одно колебание маятника колесо могло повернуться на
один зуб.
Изобретателем современных механических часов по праву считается
нидерландский ученый X. Гюйгенс, который в 1657 г. применил маятник в
качестве регулятора хода часов.
Позднее веревку с грузом, приводящим механизм в движение, заменила более
совершенная пружина. Маятник сменился балансом - маленьким маховым
колесом, которое колеблется около положения равновесия, вращаясь то в
одну, то в другую сторону. Так появились карманные, а потом и наручные
часы.
В лучших механических часах в наши дни неточность хода очень мала: не
более 0,0001 с за сутки. Изобретатели продолжают искать все новые пути
для увеличения точности часов.
На смену механическим часам пришли электронные. Взамен колебаний
маятника или баланса стали использовать, например, упругие колебания
кристалла кварца. Если к противоположным поверхностям кварцевой
пластинки
подвести переменный электрический ток, кристалл начнет совершать
колебания, причем частота колебаний кварца отличается высоким
постоянством. Это позволило создать очень точные кварцевые электронные
часы, в которых радиотехнический генератор вырабатывает высокочастотный
ток, а кварцевый кристалл играет роль маятника, поддерживая строгое
постоянство колебаний тока. Функции <шестерен> выполняют различные
электронные схемы. Проходя через них, ток преобразуется и подводится к
электродвигателю, который и вращает стрелки часов. Высокая стабильность
частоты колебаний обеспечивает равномерность движения стрелок и
погрешность не более 1 мкс.
Тем не менее даже кварцевые часы имеют существенные недостатки. Главные
из них - зависимость колебаний кварца от температуры окружающей среды и
изменение частоты колебаний с течением времени.
В борьбе за точность ученые создали молекулярные часы, в которых
используют способность определенных молекул поглощать и излучать
электромагнитные колебания строго определенной частоты. Еще более
точными <хранителями времени> оказались атомы некоторых элементов,
например цезия. Неточность хода атомных цезиевых часов составляет 1 с за
10 000 лет. Но и этот показатель удалось превзойти с помощью квантовых
часов, в которых используются электромагнитные колебания водородного
квантового генератора. Такие часы обладают неточностью в 1 с за 100 000
лет!
Существуют и так называемые радиоактивные часы. С их помощью ученые
измеряют очень большие промежутки времени - тысячи, сотни тысяч и даже
миллионы лет. Например, возраст археологической находки или какой-нибудь
горной породы. Принцип измерения основан на законе радиоактивного
распада ядер химических элементов. Различные элементы распадаются с
разной скоростью. Например, период полураспада (количество атомов
уменьшается вдвое) урана-238 равен 4,5 млрд. лет, урана-235 - 700 млн.
лет, а углерода-14 - <всего> 5500 лет. Сравнивая соотношение тех или
иных элементов в изучаемом образце со скоростями их распада, ученые
могут определить возраст исследуемого объекта в интервале от сотен до
миллиардов лет.
