Точное время и часы

Без точного времени жизнь немыслима!

За единицу времени издавна принимают сутки. Вращаясь, земной шар за сутки совершает один оборот вокруг своей оси. Он вращается плавно и равномерно, как часовая стрелка.

Как в этом убедиться?

Возьмите картонную трубку диаметром около сантиметра и длиной с полметра и прочно ее закрепите, предварительно направив на какую-либо яркую звезду. Заметьте время, а назавтра придите и посмотрите в это же время на эту звезду. Вы вновь увидите ее на том же месте.
Примерно так же поступают ученые-астрономы. Так проверяют они время по вращению Земли - колоссальных часов, на которых мы с вами живем.

От чего зависит точность хода часов, которыми мы пользуемся, например, механических?
Важнейшая деталь часового механизма — это маятник. Он обладает чрезвычайно интересным свойством: как бы он ни качался - сильно или слабо, - число колебаний в минуту, т.е. собственная частота маятника, останется неизменным. С помощью шестеренок движение маятника передается часовым стрелкам. Каждое качание маятника передвигает стрелки на определенную часть окружности циферблата.

Часы идут.
Но точен ли их ход?
Частота колебаний маятника зависит от его длины.

А может ли маятник вдруг сам по себе стать длинней или короче? Конечно, ведь он металлический, а металл при изменении температуры сжимается или расширяется. Стало быть, если мы отрегулировали часы при какой-то температуре, а потом она изменилась, то изменилась и длина маятника: часы пошли неточно.
Это первый враг точного времени.

Как и всякое тело, движущееся в воздухе, маятник испытывает сопротивление. Но при изменениях атмосферного давления плотность воздуха изменяется, и маятник испытывает разное сопротивление. Поэтому отрегулированный при определенном давлении воздуха маятник будет качаться иначе при другом давлении, и часы опять-таки пойдут неточно. Это второй враг точного времени.

Есть у него и другие, не менее опасные и коварные враги: изменение влажности воздуха, трение в частях механизма, толчки и т. д.

Как же сохранить точное время?
В самых точных механических часах, по которым проверяют время между астрономическими наблюдениями, сделали маятник из специального сплава - инвара. Длина такого маятника, а следовательно и частота, с которой он колеблется, почти не зависит от температуры.
Чтобы на ход этих часов не влияло атмосферное давление, их помещают в цилиндр, из которого затем откачивают воздух.
А для устранения малейших толчков часы опускают глубоко под землю в специальные бетонированные подвалы. Никто не имеет права туда входить, так как на ход часов может повлиять даже тепло человеческого тела! Показания этих часов передаются специальным устройством в другое помещение, так что сами-то часы никто и не видит. Благодаря всем этим мерам точность часов - хранителей времени - очень высока: за сутки они «уходят» или отстают всего лишь на тысячную долю секунды.

Но ученые потребовали создания еще более точных часов.

И вот тогда выручил прозрачный камешек - кварц. В переводе на русский это слово звучит ласково — «гномик».
Кварц очень прочен, тверд, почти не расширяется при нагреве и не поддается воздействию кислот, за исключением плавиковой кислоты.

Есть еще одно чудесное свойство у кварца.
Вырежем из кварцевого кристалла плоскую пластинку. Вложим ее между двумя металлическими пластинами - электродами. А теперь сдавим пластинку кварца. На ее гранях при сдавливании возникает электрический заряд.

И, наоборот, если подключить электроды к электрической батарее, то пластинка сожмется или растянется.
А если подключить электроды к сети переменного тока (направление которого все время меняется) пластинка начнет поочередно сжиматься и разжиматься - колебаться.
Кварцевая пластинка, как и маятник часов, обладает собственной частотой, которая зависит от размеров самой пластинки. Так как размеры кварца при изменении температуры изменяются ничтожно мало, то и частота его колебаний остается почти неизменной.
Например, если пластинку нагреть или охладить на один градус, то частота ее изменится всего лишь на несколько десятитысячных, а иногда даже стотысячных долей процента!
Что может быть лучше такого маятника для сверхточных часов!

Колебания кварцевого «маятника» поддерживаются с помощью специального электрического генератора. Возбуждая колебания кварцевой пластинки, он служит как бы пружиной кварцевых часов.
Кварцевые часы могут отставать или спешить всего лишь на десятитысячную долю секунды в сутки, — они в десять раз точнее, чем самые лучшие маятниковые часы!

Когда кварцевые часы были выверены, то ученые пришли к очень интересному выводу. Оказалось, что земной шар не так уж плавно вращается вокруг своей оси. На протяжении года продолжительность земных суток меняется на несколько десятитысячных долей секунды!

Кварцевые часы имеются во многих научно-исследовательских институтах и обсерваториях. Их показания регулярно сравнивают между собой и проверяют по звездам. В этом и заключается «хранение времени».

Конечно, нельзя сбрасывать со счета и маятниковые часы - они пока еще не потеряли своего значения благодаря долговечности и надежности.

Со временем, однако, даже колоссальная точность кварцевых часов перестала удовлетворять ученых.
Тогда появились «атомные» часы.

Как же работают атомные часы?
Каждый атом и каждая молекула колеблются и, подобно любому упругому телу, обладают собственной частотой. Поскольку атомы или молекулы одного и того же вещества одинаковы, совпадают 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 колеблющиеся атомы или молекулы в качестве часового маятника.
Атомные часы - это очень сложное и точное устройство. Их погрешность не превышает миллионных долей секунды в сутки.

Мы познакомились с самыми точными, «эталонными» часами, но их сравнительно немного.
Гораздо более распространены хронометры, обладающие суточной погрешностью около 0,1 секунды. Именно по хронометрам проверяют обычно точность хода всех остальных часов.
Так работает служба времени.