Самые точные часы

В не таком уж далёком прошлом физики считали, что между временем и силой тяжести — гравитацией — никакой связи не существует. Этот взгляд коренным образом изменился, когда Альбертом Эйнштейном была создана теория относительности, доказывающая, что в поле сильного тяготения, вблизи планет и звёзд, время идёт медленнее, чем вдали от них.

Фото: точные атомные часы, интересные факты

Такие разные времена

Возьмём, к примеру, Солнце. По диаметру оно в 109 раз больше Земли. И, соответственно, сила тяжести на «светильнике мира» почти в 30 раз больше земной. Поэтому рядом с Солнцем часы будут идти медленнее, чем на Земле. Правда, это отличие — мизерное, равное всего двум миллионным долям взятой единицы времени, оно практически неощутимо. Но за пять миллиардов лет существования Солнца и Земли срок набежал изрядный. Оказывается, на Солнце времени прошло на 10 тысяч лет меньше, чем на Земле!
Есть во Вселенной звёзды чудовищной плотности. Например, белые карлики в 200 тысяч раз «плотнее» Земли. А нейтронные звезды — в 40 триллионов раз! Естественно, что и время там замедляется очень сильно. У нас пройдёт, скажем, год, а на поверхности нейтронной звезды — только шесть месяцев.
Но зачем забираться так далеко? В 1960 году американским физикам Р. Паунду и Г. Ребке удалось с помощью сверхточных часов уловить разницу во времени между земной поверхностью и вершиной 20-метровой башни. А итальянские учёные поднялись с часами в горы, оставив другие часы у подножья. После опыта выяснилось: наверху часы ушли вперёд, а внизу, как и ожидалось, отстали на миллиардные доли секунды.

Кварцевый маятник

Понятно, что для подобных опытов нужна особая точность часов. Английский физик Чарльз Уитстон около двух веков назад заявил, что изобрёл точные электрические часы. У них, как и у механических, имелся маятник. Его подталкивали электромагниты. Казалось, задача решена. Однако на деле выяснилось, что электромаятник качается неравномерно, и это сильно сказывается на ходе часов.
Лишь 80 лет спустя после Уитстона его соотечественнику Джеймсу Шорту удалось создать электрические часы, и какие! По точности они превзошли все до того существовавшие.
Особенность часов Шорта заключалась в том, что у них было два маятника. Один — несвободный, или «рабский», как называл его сам изобретатель. Этот маятник управлял работой часового механизма. Другой, свободный, командовал первым, заставляя его качаться в такт с собой.
«Командир» находился прямо-таки в идеальных условиях: в — глубоком подвале, защищённый от сотрясений, при постоянной температуре. Мало того, воздух — для уменьшения его сопротивления — частично выкачивался из футляра часов. Связь между двумя маятниками была электрическая, с участием электромагнитов.
Часы Шорта получили название астрономических, так как использовались в обсерваториях. Они работали в 100 раз точнее самых лучших механических часов и за сутки могли ошибиться всего на две тысячных доли секунды.
А много лет спустя российский изобретатель из Феодосии Михайлович Федченко разработал электрочасы в 10 раз точнее часов Шорта. Но оказалось, что и это далеко не предел.
Появились часы, в которых роль маятника исполняла пластинка из минерала кварца, пьезокварц. Учёные заметили, что если к такой пластинке подвести переменный электрический ток, то в ней возникают колебания. Причём частота их сохраняется с поразительной точностью.
Кроме пьезокварца в часы поме щались электронные приборы и специальный электромотор. Колебания пластинки передавались через приборы мотору, и тот двигал стрелки часов. А поскольку частота колебаний кварцевой пластинки, как уже говорилось, исключительно постоянна, то и погрешность хода часов была крайне мала. За 100 лет работы кварцевые часы могут отстать или уйти вперёд лишь на три-четыре секунды!

Знаете ли вы что…

На земле есть условная пиния, соединяющая Северный и Южный полюса, пересекая которую с востока на запад попадаешь сразу в завтрашний день, а двигаясь обратно — во вчерашний. Линия проходит по 180-му меридиану.

Электронные или механические?

Но это в науке. А как в обыденной жизни? Непросто оказалось создать точные карманные и наручные электрочасы. Надо было оставить в них баланс и стрелочный механизм, а вместо заводной пружины использовать электрический привод, двигатель — конечно, миниатюрный, работающий от столь же миниатюрной батарейки.
Но беда заключалась в том, что таких маленьких батареек ещё не существовало. Только в 1920 году французским часовщикам удалось сделать первые электрические карманные часы.
Прошло ещё целых 35 лет, и вот, опять во Франции, наконец-то появились электрические наручные часы. А лет 10 спустя они уже выпускались тысячами.
Правда, эти часы были не очень надёжными. Дело в том, что батарейкам приходилось подключаться к приводу и затем отключаться от него до 150 раз в минуту. В год это примерно 80 миллионов раз! Места подключений — контакты — не выдерживали такой огромной нагрузки и довольно быстро выходили из строя.
Этот недостаток удалось устранить только при помощи микроэлектроники, когда радиодетали уменьшились чуть ли не до микроскопических размеров.
Тогда же возникла возможность создать кварцевые наручные часы; пьезокварц и вся необходимая электроника теперь умещались в небольшом корпусе. Появились электронные часы и со стрелками, и с цифровой индикацией — у них на циферблате время высвечивалось.
Когда электронные наручные часы стали привычными и широко распространились, стало казаться, что механическим скоро придёт конец, что они, с их сложным и тонким устройством, безнадёжно устарели. Ведь электронные проще в изготовлении и к тому же способны не только показывать время, но и, например, сообщать прогноз погоды, объявлять курс валют, служить радиоприемником. Да мало ли что ещё можно добавить в этот умный приборчик на руке.
Однако шло время, а механические наручные часы и не думали исчезать. Напротив, становились все лучше: все точнее. Часовые фирмы Швейцарии, США, Франции, Германии, Японии научились делать изумительно красивые, удобные и точные механичес кие часы. Появились особо редкие раритетные модели наручных часов, которые выпускаются в небольшом количестве или даже в единственном экземпляре.
Иметь на руке дорогие элитные часы стало престижно. Не только по костюму, но и по марке часов можно сразу определить, насколько успешен их владелец.
Время показало, что механические и электронные наручные часы — не конкуренты. Каждому своё. И те, и другие имеют право на существование.

Точнее природных

Уж до чего точны кварцевые часы, но атомные — несравнимо точнее. В них вместо маятника используются колебания атомов и молекул: например, в первых атомных часах (они были созданы в 1948 году) — молекул сильно разрежённого аммиачного газа.
В механических часах маятник делает одно-два колебания в секунду. Поэтому часовому механизму работать с ним в паре нетрудно. Совершенно другая картина в часах атомных. Здесь частота колебаний достигает десятков миллиардов в секунду. Сразу использовать такую частоту невозможно. С помощью электронных приборов она снижается во много раз, и лишь. после Этого ток поступает к электромотору, двигающему стрелки.
За сутки «аммиачные» часы могут допустить ошибку, равную всего нескольким миллионным долям секунды. Другими словами, погрешность измерения времени у этих часов меньше одной секунды за тысячу лет!
Но и это ещё не самая большая точность. Американские учёные создали часы, в которых используются колебания атомов редкого химического элемента цезия. На одну секунду цезиевые часы «просчитаются» только за 10 тысяч лет!
Потом появились рубидиевые атомные часы. Точность их так же велика, как и цезиевых, но занимают они значительно меньше места. Если цезиевые размещаются в шкафу, то рубидиевые уже можно носить в чемодане.
А не так давно учёными из Калифорнии были созданы водородные атомные часы просто невообразимой точности. Их ошибка — одна секунда за 30 миллионов лет!
Конечно, в повседневной жизни такая точность ни к чему. Но в астрономии, космонавтике, в изучении строения атома, в морской навигации — она крайне необходима. Например, с помощью атомных часов астрономы установили, что вращение Земли вокруг её оси нельзя считать равномерным. Выяснилось, что наша планета весной вращается чуть медленнее, чем осенью. Изменяется и длина суток, примерно на одну тысячную доли секунды. Таким образом, принимать суточное вращение Земли за образец точности уже не приходится. Рукотворные атомные часы оказались точнее природных!

Журнал: Тайны 20-го века №13, апрель 2011 года
Рубрика: История техник
Автор: Геннадий Черненко

Метки: Тайны 20 века, механизм, часы, атом, точность, ход, маятник



Telegram-канал Багира Гуру


Исторический сайт Багира Гуру; 2010 —