Измерения и меры

«КОТОРЫЙ ЧАС?»

До сих пор мы говорили главным образом об измерении длины и веса. Между тем существует ещё ряд величин, измерение которых столь же необходимо для человека. Одна из них — время.

В нашей жизни очень многое делается по часам. К определённому часу мы идём на работу, в определённое время отправляются и прибывают поезда, начинаются спектакли, лекции, собрания. Поэтому мы часто спрашиваем: «который час?». Но всегда ли наши часы показывают точное время?

Мы знаем из опыта, что часы за сутки могут уйти вперёд или отстать на несколько секунд, а то и минут. А за несколько месяцев ошибка в их показаниях достигнет часа и даже больше. Доверившись таким часам, мы наверняка опоздаем на поезд, на работу. Чтобы этого не случилось, часы проверяют по сигналам точного времени, которые передаются по радио четыре раза в сутки.

Как же узнают точное время? Как добиваются того, чтобы показания часов всегда были одинаковыми?

Издавна за единицу времени принимают сутки. В течение суток земной шар делает один оборот вокруг своей оси. Земля — это как бы огромная часовая стрелка, указывающая самое точное время.

Но как пользоваться такими часами? Ведь мы не чувствуем, что Земля вращается. Так, пассажир, сидящий в каюте спиной к окну, обычно не чувствует движения парохода. Однако стоит ему взглянуть в окно, и станет ясно, что пароход движется. Так же можно обнаружить и вращение земного шара. Понаблюдайте за звёздным небом — звёзды не стоят на месте. Нам кажется, что небосвод или, как говорят астрономы, небесная сфера вместе со звёздами вращается вокруг невидимой оси. В действительности же, как мы знаем, вращаются не звёзды, а сама Земля. Так и пассажиру, смотрящему в окно каюты парохода, тоже кажется, что движется не пароход, а берег — медленно уплывают назад пристани, мосты, огни прибрежных селений.

Земля вращается равномерно, поэтому равномерно «движутся» и звёзды. В определённый момент времени каждая звезда проходит через определённую точку неба.

В специальную зрительную трубу наблюдают за какой-либо звездой и в тот момент, когда звезда проходит через избранную точку, пускают часы. Так судья на спортивных соревнованиях «засекает» момент, когда бегун касается ленточки финиша. А поскольку момент, в который должна «финишировать» звезда, вычислен заранее, то, засекая его на часах, тем самым находят точное время.

Но наблюдать за звёздами можно только по ночам, да и то лишь в ясную погоду. А как быть в промежутках между этими наблюдениями? Ведь современная наука предъявляет очень высокие требования к точности определения времени. Во многих случаях, например в геодезии [6]) и кораблевождении, необходимо знать время с ошибкой не более чем в сотую, а иногда и тысячную долго секунды. Значит, необходимы очень точные часы, которые в промежутках между астрономическими наблюдениями показывали бы время с ничтожной погрешностью.

От чего же зависит точность часов? Почему одни часы точнее других?

Взгляните на стенные часы, ну хотя бы на обычные ходики. Прежде всего вам бросится в глаза качающийся маятник. Это очень важная часть часового механизма — она управляет ходом часов. Маятник особым образом связан со стрелками часов: при каждом его качании стрелки передвигаются на определённую часть окружности циферблата.

Движение маятника поддерживается пружиной или гирями. Заводя пружину или поднимая гирю, мы затрачиваем определённую энергию. Но энергия эта не пропадает даром — она накапливается пружиной. Заведённая пружина медленно раскручивается, а поднятая гиря опускается. При этом запасённая ими энергия передаётся маятнику и раскачивает его, не давая остановиться.

Отведите в сторону маятник незаведённых часов и отпустите его. Размах колебаний будет понемногу уменьшаться — энергия, которую мы первоначально передали маятнику, расходуется на трение в точке подвеса и на сопротивление окружающего воздуха. Но сосчитайте, сколько колебаний делает маятник, скажем, за четверть минуты. Легко убедиться, что число колебаний остаётся почти неизменным даже тогда, когда размахи маятника заметно уменьшатся.

Число колебаний в единицу времени, или, как говорят, его собственная частота, зависит от длины маятника. Чем длиннее маятник, тем медленнее он раскачивается, то есть тем меньше его собственная частота. Но мы знаем, что при изменении температуры все тела расширяются или сжимаются. Изменяется и длина маятника. Значит, часы, показывающие точное время при какой-нибудь одной температуре, будут спешить или отставать при другой температуре.

Таким образом, от качества маятника, от того, насколько его длина меняется при изменении температуры, зависит в основном точность часов.

В самых точных — эталонных — часах (хранителях времени), по которым узнают время в промежутках между астрономическими наблюдениями, маятник сделан из специального сплава — инвара, что в переводе с латинского означает «неизменный». Длина подобного маятника, а следовательно, и частота, с которой он колеблется, почти не зависят от температуры.

Чтобы на ход эталонных часов не влияло атмосферное давление, их помещают в цилиндр, из которого затем откачивается воздух (рис. 29).

Чтобы такие часы не испытывали толчков, их опускают глубоко под землю, в специальные подвалы.

Благодаря всем этим мерам точность часов — хранителей времени — очень высока — за сутки они «уходят» или отстают всего лишь на тысячную долю секунды.

По эталонным часам поверяются образцовые часы — хронометры (от греческого слова «хронос» — время), суточная погрешность которых составляет примерно 0,1 секунды. По хронометрам производится поверка всей массы остальных часов.

Рис. 29. Эталонные часы.

Ежедневно через мощные радиовещательные станции передаются сигналы точного времени. В нашей стране эти сигналы состоят из двух звуковых «тире» и одной «точки», которая с погрешностью примерно 0,1 секунды отмечает определённый момент времени (например, 19 часов, 00 минут, 00 секунд).

Широко распространена также передача сигналов времени по телефону. Позвоните по определённому номеру (в различных городах он неодинаков), и вы услышите голос, называющий часы и минуты. Вы «разговаривали» с особым звуковоспроизводящим аппаратом, который управляется хронометром.

С помощью электрических устройств хронометры могут также управлять ходом сотен других часов, связанных с ними проводами. Такие часы есть в любом крупном городе. Их стрелки движутся скачками, повинуясь ежеминутным электрическим сигналам, поступающим от хронометров.

Но в некоторых случаях даже эталонные часы оказываются недостаточно точными. Во многих астрономических и геофизических исследованиях необходимо определять время с меньшей погрешностью. А как ни пытались ещё более улучшить маятниковые часы, ничего не получилось. Их возможности были исчерпаны.

И тогда учёные создали так называемые кварцевые часы, работающие по иному принципу. В кварцевых часах вы не найдёте ни пружины, ни гирь, ни мерно раскачивающегося маятника. Как же они действуют?

В природе есть один замечательный минерал — кварц. Он встречается в виде песка, гальки и красивых многогранных кристаллов. Одна из разновидностей кристаллического кварца — прозрачный, как родниковая вода, горный хрусталь. Из хрусталя делают вазы, бокалы, люстры, которые вы, вероятно, не раз видели.

Чем же замечателен кварц? Прежде всего своей прочностью и твёрдостью — твёрже его только алмаз, корунд и топаз. Кроме того, кварц почти не расширяется при нагреве и не поддаётся воздействию большинства кислот.

Но, пожалуй, самое интересное свойство кристаллов кварца состоит в следующем.

Если кварцевый кристалл поместить между двумя металлическими пластинками — электродами — и подключить их к электрометру — прибору для обнаружения электрического заряда, — то стрелка электрометра отклонится (рис. 30). Значит, при сдавливании на гранях кри-сталла возникают электрические заряды (рис. 30). И наоборот, если присоединить электроды к электрической батарее, то кристалл деформируется — сожмётся или растянется в зависимости от того, на какой его грани сосредоточились положительные заряды и на какой отрицательные. Это свойство кварцевых кристаллов назвали пьезоэлектрическим эффектом (пьезо по-гречески значит давить).

Рис. 30. При сдавливании на гранях кварцевой пластинки возникают электрические заряды, и стрелка прибора, соединённого, с электродами, отклоняется.

Благодаря пьезоэлектрическим свойствам кварца кварцевая пластинка может превращать электрическую энергию в механическую и наоборот. Если электроды такой пластинки с помощью проводов подключить к сети переменного электрического тока, то кварцевая пластинка начнёт колебаться — поочерёдно сжиматься и растягиваться. Сколько раз изменится направление электрического тока, протекающего в сети, столько же раз сожмётся и растянется кварцевая пластинка[7].

Кварцевая пластинка, как и маятник часов, обладает собственной частотой, с которой она начинает колебаться после толчка. Собственная частота колебаний пластинки, как и частота маятника, зависит от её размеров и массы.

Если, замкнув электроды проводником, ударить чем-либо по пластинке, чтобы она начала колебаться, то благодаря пьезоэлектрическому эффекту в проводнике возникнет переменный электрический ток, частота которого будет равна собственной частоте пластинки.

Поскольку кварц при нагревании расширяется ничтожно мало, собственная частота кварцевой пластинки исключительно постоянна. Если пластинку нагреть или охладить на один градус, то её собственная частота изменится всего лишь на несколько десятитысячных, а иногда даже стотысячных долей процента.

Учёные и решили использовать кварцевую пластинку в качестве своеобразного электрического маятника для новых исключительно точных часов.

Колебания такого «маятника» поддерживаются с помощью специального электрического устройства, так называемого лампового генератора. Название это происходит от слова генерировать, что значит возбуждать. Генератор черпает энергию от электрической батареи и передаёт её пластинке. Таким образом, в кварцевых часах он как бы заменяет пружину. Кварцевая пластина вырабатывает переменный ток исключительно постоянной частоты, предназначенный для питания особого электромотора. Скорость вращения этого электромотора (число оборотов в минуту) зависит от частоты питающего тока. Поскольку частота тока почти неизменна, то постоянно и число оборотов мотора в минуту.

Соединив подобный электромотор с механизмом, вращающим часовые стрелки, мы получим чрезвычайно точные часы.

Суточная погрешность таких кварцевых часов — всего лишь десятитысячная доля секунды, то есть в десять раз меньше погрешности обычных астрономических часов!

Кварцевые часы уже помогли учёным сделать важное открытие. Оказалось, что вращение земного шара, вокруг оси происходит не строго равномерно. Длительность суток меняется на несколько десятитысячных долей секунды.

Кварцевые часы имеются во многих научно-исследовательских институтах и обсерваториях Советского Союза. Ими располагают, например, Центральный научно-исследовательский институт геодезии, аэросъёмки и картографии, астрономический институт имени Штернберга, Всесоюзный научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений.

Показания этих часов регулярно сравнивают между собой и проверяют по звёздам. В этом и заключается «хранение времени».

Конечно, нельзя сбрасывать со счётов и обычные астрономические часы — они пока ещё не потеряли своего значения благодаря долговечности и надёжности в эксплуатации. Кварцевые часы пока ещё не так надёжны — ведь в генераторе есть лампы, которые могут внезапно перегореть. Но сейчас на смену лампам приходят значительно более долговечные полупроводниковые электронные приборы. Применение их намного повысит надёжность кварцевых часов.

А возможны ли часы ещё точнее, чем кварцевые?

Современная наука отвечает на этот вопрос утвердительно. Теперь созданы новые часы — атомные или молекулярные. Пока ещё такие часы несовершенны, и точность их меньше, чем кварцевых. Но в будущем они окажутся точнее.

Как же работают атомные часы?

Вспомним строение вещества. Все тела в природе построены из атомов различных химических элементов. В большинстве веществ атомы объединены в более крупные частицы — молекулы. Каждый атом и каждая молекула, подобно любому упругому телу — струне, пружине и т. д. — обладает определённой собственной частотой, на которую резонирует — «откликается». Поскольку атомы или молекулы одного и того же вещества одинаковы, одинаковы и их собственные частоты. Эти частоты исключительно постоянны и почти не зависят от внешних влияний — температуры, атмосферного давления и др. Вот почему так заманчиво использовать колеблющийся атом или молекулу в качестве часового механизма.

Но как это сделать?

Учёные разработали несколько вариантов атомных часов. Вот, например, один из них.

В резервуаре, из которого откачан воздух, находится сосуд с разреженным газом — аммиаком. В стенке сосуда имеется щель, сквозь которую молекулы аммиака вылетают наружу. При этом они совершают не только поступательное движение, но и колеблются. Поток колеблющихся молекул направляется в так называемый объёмный резонатор — колебательную систему, настроенную в резонанс с ними, то есть имеющую ту же собственную частоту. В резонаторе возникают электрические колебания. Они усиливаются и после ряда преобразований приводят в действие часовые стрелки, как это делается в кварцевых часах.