Вимірюючи невимірне
Час — це єдиний ресурс, який кожна цивілізація намагалася приборкати, і протягом більшої частини людської історії ці зусилля були напрочуд неточними. Фермеру потрібно було знати пору року, священнику — годину ритуалу, моряку — момент припливу. Проте інструменти, доступні для відповіді на ці запитання, варіювалися від тіні на землі до краплинної банки з водою. Історія вимірювання часу — це історія того, як людство повільно приборкувало слизьку абстракцію, доводячи її до дедалі точніших чисел, рухаючись від пристроїв з точністю до години до годинників, які не втратять жодної секунди за весь час існування Всесвіту.
Далі — коротка історія цього шляху: від сонячних годинників Стародавнього Єгипту до оптичних ґратчастих годинників, що гудуть у сучасних лабораторіях.
Тіні та сонячне світло: перші годинники
Найперші вимірювачі часу дивилися вгору, а не вниз. Коли сонце рухалося небом, його тінь ковзала по землі передбачуваною дугою, і будь-який високий предмет міг слугувати покажчиком. Стародавні єгиптяни споруджували величні обєліски ще приблизно в 3500 році до н.е., і їхні рухомі тіні ділили світловий день на впізнавані частини. Приблизно до 1500 року до н.е. єгиптяни використовували портативні тіньові годинники — горизонтальний брусок з піднятою поперечиною, яка відкидала тінь уздовж розміченої шкали.
Ці пристрої еволюціонували в сонячний годинник, який греки та римляни вдосконалили, зрозумівши, що тіньовий покажчик, або гномон, має бути нахилений до полюса неба, щоб години залишалися однаковими протягом року. Сонячні годинники були елегантними та не потребували обслуговування, але мали два очевидні недоліки: вони були марні вночі та безпорадні в хмарну погоду. Час, як виявилося, не міг залежати від погоди.
Вода, що вимірює час
Рішенням стало вимірювання чогось надійнішого, ніж сонячне світло: постійного потоку води. Водяний годинник, або клепсидра (грец. "крадій води"), вперше з'явився в Єгипті за часів правління Аменхотепа III у XIV столітті до н.е. У найпростішій формі вода капала з майже постійною швидкістю з позначеної посудини, а рівень, що падав, вказував на плин годин.
Різні культури розвивали цю ідею по-своєму. У Греції інженери додали поплавці, шестерні та циферблати, і клепсидра стала невід'ємною частиною судів, де вона вимірювала час промов ораторів. У Китаї ця технологія досягла значних висот. У 1088 році н.е. ерудит Су Сун завершив будівництво водяної астрономічної вежі-годинника заввишки понад десять метрів, яка містила спусковий механізм, що випускав воду виміряними імпульсами для обертання механізму — що, безсумнівно, було концептуальним предком майбутніх механічних годинників.
Водяні годинники звільнили вимірювання часу від сонця, дозволивши рахувати години вночі та за будь-якої погоди. Але вода замерзає, випаровується і тече швидше, коли посудина повна, ніж коли вона майже порожня. Точність залишалася недосяжною.
Механічна революція
Вирішальний прорив стався в середньовічній Європі. Десь наприкінці XIII століття невідомий майстер — винахід не має єдиного імені — створив шпиндельний спуск, і з ним народився механічний годинник.
Принцип був геніальним. Падаюча гиря забезпечувала постійну силу, але хитрість полягала в тому, щоб вивільняти цю силу контрольованими порціями, а не дозволяти їй вичерпатися одразу. Шпиндельний спуск використовував горизонтальний стрижень (балансир) з гирками на кожному кінці, який гойдався вперед-назад, зачіпляючи та відпускаючи зубчасте колесо при кожному коливанні. Кожне коливання дозволяло зубчастій передачі просунутися на один виміряний крок. Це цокання — звукова сигнатура спуску — є, безсумнівно, визначальним звуком механічної цивілізації.
Ці ранні годинники, встановлені на соборних і міських вежах протягом XIV століття, були грубими за сучасними мірками, часто відстаючи або поспішаючи на п'ятнадцять хвилин і більше на день. Вони часто взагалі не мали циферблата, існуючи лише для того, щоб бити в дзвін (слово clock походить від латинського clocca, що означає дзвін). Тим не менш, вони являли собою щось глибоке: вперше машина вимірювала час за допомогою власного внутрішнього руху, повністю незалежно від сонця, води чи пори року.
Гюйгенс і маятник
Протягом майже чотирьох століть механічні годинники залишалися невтішно неточними, оскільки балансир не мав власного природного ритму — він гойдався так швидко або повільно, як його штовхав механізм. Прорив стався в 1656 році, коли голландський учений Хрістіан Гюйгенс створив перший практичний маятниковий годинник.
Гюйгенс спирався на більш раннє спостереження Галілея про те, що маятник заданої довжини гойдається з напрочуд постійним періодом незалежно від амплітуди. Використавши цю природну регулярність як елемент вимірювання часу, Гюйгенс майже за одну ніч змінив цю галузь. Там, де найкращі механічні годинники помилялися на багато хвилин на день, його маятникові годинники незабаром стали точними до приблизно п'ятнадцяти секунд — а пізніші вдосконалення зменшили похибку до менш ніж однієї секунди на день.
Стрибок був приголомшливим: приблизно стократне покращення одним махом. Маятникові годинники залишалися найточнішими вимірювачами часу у світі протягом наступних 270 років, стоячи в обсерваторіях і визначаючи офіційний час країн.
Проблема довготи
Точні годинники були не просто науковою цікавістю; вони були ключем до однієї з найбільших практичних проблем того часу — визначення місцезнаходження в морі. Широту корабля можна було визначити за висотою сонця або зірок, але довгота не мала такого простого рішення. Оскільки Земля повертається на 15 градусів довготи щогодини, моряк, який знав точний час у фіксованій опорній точці і порівнював його з місцевим полуднем на борту, міг обчислити, наскільки далеко на схід або захід він проплив. Проблема полягала в тому, що жоден годинник не міг зберігати точний час на кораблі, що хитається, зазнає перепадів температури та оббризкується солоною водою. Маятники були марні на хиткій палубі.
Ставки були смертельними. Кораблі сідали на мілину, а статки тонули через відсутність відповіді, і в 1714 році британський парламент запропонував величезну винагороду за надійне рішення. З'являється Джон Гаррісон, самоучка, тесляр і годинникар з Йоркширу, який присвятив своє життя цій проблемі. Протягом десятиліть він створював серію морських хронометрів, кульмінацією яких став його шедевр H4, завершений у 1759 році. Компактний і схожий на коштовність, він використовував швидкобійний балансовий механізм, нечутливий до руху корабля. Під час подорожі на Ямайку в 1761 році H4 втратив лише близько п'яти секунд за 81 день — точність, яка здавалася майже дивом. Гаррісон вирішив проблему довготи і, зробивши це, зробив можливою надійну глобальну навігацію в наступні століття.
Кварц: час без шестерень
Наступна революція повністю відмовилася від механічного руху. У 1927 році інженери Воррен Маррісон і Дж. В. Гортон з Bell Telephone Laboratories створили перший кварцовий годинник. Коли електричний струм подається на кристал кварцу, він вібрує з надзвичайно стабільною частотою — властивість, яка називається п'єзоелектрикою. Підраховуючи ці коливання електронним способом, годинник міг вимірювати час без маятника, що гойдається, і без спуску, який зношується.
Кварцові годинники швидко перевершили найкращі маятникові інструменти, і до середини XX століття вони стали новим лабораторним стандартом. Однак їхнім справжнім тріумфом стала мініатюризація. До 1970-х років кварцові механізми стали дешевими та достатньо малими, щоб поміститися в наручний годинник, надавши звичайним людям на зап'ястях точність вимірювання часу, вищу, ніж у будь-якого обсерваторного годинника XIX століття. Кварцовий годинник на вашій руці сьогодні є прямим нащадком того прориву 1927 року.
Атомна ера
Навіть кварц має обмеження, оскільки кристали дещо змінюються з температурою та віком. Кінцевий еталон мав походити від самої природи — від незмінної поведінки атомів. У 1955 році Луї Ессен і Джек Перрі з Національної фізичної лабораторії Сполученого Королівства створили перший точний цезієвий атомний годинник. Він вимірював час за резонансною частотою атомів цезію-133, які поглинають і випромінюють мікрохвильове випромінювання з частотою, настільки постійною, що вона по суті визначена законами фізики.
Атомний годинник був настільки кращим за все, що було до нього, що змусив перевизначити саме поняття часу. Протягом тисячоліть секунда визначалася обертанням Землі — часткою дня. Але Земля — це хиткий, поступово сповільнюваний вимірювач часу. Тому в 1967 році міжнародна спільнота офіційно перевизначила секунду SI як рівно 9 192 631 770 коливань випромінювання атома цезію-133. Вперше фундаментальна одиниця часу була відірвана від небес і прив'язана до атома.
Точність атомного часу незабаром змінила й інші одиниці. У 1983 році метр був перевизначений як відстань, яку світло проходить у вакуумі за 1/299 792 458 секунди. Оскільки швидкість світла тепер розглядається як фіксована константа природи, сама відстань визначається через час. Ця константа справді величезна — світло долає приблизно 1,08 млрд км/год (Швидкість світла у вакуумі до кілометр/година) або близько 671 млн миль/год (Швидкість світла у вакуумі до миля/година) — ось чому частки однієї секунди достатньо, щоб охопити цілий метр і набагато більше.
Майбутнє: годинники для віку Всесвіту
Вимірювання часу не зупинилося на цезії. Сьогоднішній рубіж належить оптичним ґратчастим годинникам, які утримують тисячі атомів — часто стронцію або ітербію — у ґратці лазерного світла та зчитують їхні коливання на оптичних, а не мікрохвильових частотах. Оскільки вони цокають у сотні тисяч разів швидше, ніж цезій, їх можна вимірювати з приголомшливою точністю.
Найкращі з цих годинників настільки стабільні, що не наберуть і не втратять жодної секунди за мільярди років — довше, ніж поточний вік Всесвіту. Така точність — не пуста демонстрація. Вона достатня, щоб виявити крихітне сповільнення часу, передбачене Ейнштейном, коли годинник піднімається лише на кілька сантиметрів вище в гравітаційному полі Землі, відкриваючи шлях до використання годинників як сенсорів для геології, навігації та фундаментальної фізики. У найближчі роки широко очікується майбутнє перевизначення секунди на основі оптичного переходу, а не цезію.
Від тіні до зони
Від тіні обеліска до ґратки захоплених атомів — дуга вимірювання часу невблаганно згиналася в бік точності. Кожен стрибок — спуск, маятник, хронометр, кварц, атом — привів світ до тіснішої синхронізації. Ця точність є невидимим каркасом сучасного життя: вона координує супутники, ставить часові мітки на фінансові транзакції та підтримує роботу Інтернету на різних континентах.
Вона також лежить в основі того, чим ви користуєтеся щодня. Акуратно організовані часові пояси, які дозволяють вам запланувати дзвінок через весь світ або встигнути на рейс на іншому кінці світу, можливі лише тому, що ми всі можемо домовитися, з точністю до частки секунди, про те, котра зараз година насправді.
Поширені запитання
Який був перший пристрій для визначення часу?
Найпершими вимірювачами часу були тіньові. Стародавні єгипетські обеліски, споруджені ще приблизно в 3500 році до н.е., відкидали рухомі тіні, які ділили день, а приблизно до 1500 року до н.е. єгиптяни використовували портативні тіньові годинники. Вони еволюціонували в сонячний годинник, вдосконалений греками та римлянами. Їхнім обмеженням було очевидне: вони працювали лише вдень і в ясну погоду.
Хто винайшов маятниковий годинник?
Голландський учений Хрістіан Гюйгенс створив перший практичний маятниковий годинник у 1656 році, спираючись на спостереження Галілея про те, що маятник гойдається з постійним періодом. Це покращило точність приблизно в сто разів — від багатьох хвилин похибки на день до секунд — і маятникові годинники залишалися найточнішими вимірювачами часу у світі понад 250 років.
Як годинники допомагали морякам визначати своє місцезнаходження?
Оскільки Земля повертається на 15 градусів довготи щогодини, моряк, який знає точний час у фіксованій опорній точці, може порівняти його з місцевим полуднем на борту, щоб обчислити довготу. Морський хронометр Джона Гаррісона H4, завершений у 1759 році, зберігав точний час у морі достатньо добре, щоб вирішити цю "проблему довготи", втративши лише близько п'яти секунд за 81-денну подорож.
Як визначається секунда сьогодні?
З 1967 року секунда SI визначається як рівно 9 192 631 770 коливань випромінювання, що випускається атомом цезію-133. Це замінило старіше визначення, засноване на обертанні Землі, яке було надто нерегулярним. Перший точний цезієвий атомний годинник був створений Луї Ессеном і Джеком Перрі в 1955 році.
Який найточніший годинник, коли-небудь створений?
Найточнішими годинниками сьогодні є оптичні ґратчасті годинники, які утримують атоми, такі як стронцій або ітербій, у лазерному світлі та зчитують їхні оптичні частоти коливань. Найкращі з них настільки стабільні, що не наберуть і не втратять жодної секунди за мільярди років — довше, ніж вік Всесвіту.