Физика времени

Уже первые маятниковые часы были много точнее колесных. Постепенно, по мере новых усовершенствований в механизме, их точность возрастала все более. Лучшие маятниковые часы позволяют отсчитывать время с великолепной точностью — погрешность их хода не превышает сотых или даже тысячных долей секунды за сутки.

В Государственном астрономическом институте им. П. Н. Штернберга в Москве имеются маятниковые часы, сконструированные в 50-е годы нашего века инженером Ф. М. Федченко. Их точность такова, что за сутки они отстают или уходят вперед не более чем на две или три десятитысячные доли секунды. Эта точность превышает астрономическую точность отсчета времени, о которой мы еще расскажем в этой главе.

Автоколебания

Качания маятника, предоставленного самому себе, могут продолжаться очень долго, но все же рано или поздно они затухают. Это затухание происходит из-за трения в подвесе и сопротивления воздуха. Энергию качаний, теряемую из-за этого, нужно восполнять, чтобы маятник качался так долго, как мы хотим. Для этого в маятниковых часах служили и служат пружины или гири. Поставляя маятнику энергию, они в то же время не сбивают его, не мешают ему качаться с его собственным периодом.

Всякий часовой механизм содержит в себе три основные части. Во-первых, это колебательная система, которой в часах

Галилея — Гюйгенса служит маятник. Во-вторых, это заводной механизм — гиря или пружина. И в-третьих, это спусковой механизм, который связывает колебательное устройство с заводным механизмом. Эта связь действует так: при определенном положении маятника (или любой вообще колебательной системы) спусковой механизм подталкивает его, сообщает ему толчком энергию из запаса энергии заводного механизма.

Спусковой механизм срабатывает обычно два раза за период и притом вблизи положения равновесия колебательной системы. Для маятника положением равновесия является, очевидно, вертикальное положение. При своих колебаниях он проходит через вертикаль с наибольшей скоростью, и в этот момент следует толчок, который эту скорость еще немного увеличивает. Если заводным механизмом служит гиря, то при каждом толчке гиря опускается на одно и то же расстояние, так что она совершает одну и ту же работу, и колебательная система получает одну и ту же порцию энергии.

В хороших часах не только период колебаний, но и их размах остается все время одинаковым. Размах колебаний называется их амплитудой. У маятника амплитуде соответствуют крайние положения, наибольшие отклонения от вертикали. Амплитуда колебаний не должна зависеть от силы начального толчка, которым запускают часы. Но чтобы они пошли, этот начальный толчок должен быть все же достаточно сильным. Если толчок слишком слаб, то колебательный процесс вообще не установится — колебания быстро прекратятся.

Итак, часы — это устройство, в котором осуществляются колебания с неизменным периодом и амплитудой. И период, и амплитуда колебаний не зависят от силы начального толчка и определяются не ею, а собственными свойствами системы. Такие системы в физике называют автоколебательными.

Часы как автоколебательная система — это, конечно, часы только в собственно техническом смысле слова. В более широком смысле часами может служить любое искусственное или естественное устройство, по которому можно узнавать время.

В главе 1 говорилось, например, о биологических ритмах и биологических часах. Часами может служить любое ритмическое или циклическое явление, если его период выдерживается с достаточным постоянством.

Но даже и цикличность не обязательна. Для отсчета времени подошел бы и вообще любой процесс — естественный или искусственный, если нам хорошо известно, как он развивается со временем. Например, песочные часы или греческие клепсидры — это не циклические устройства. Но как только их градуируют, то есть установят закон поведения во времени, они становятся часами.

Атомные часы

Точность лучших маятниковых часов — это еще не предел точности в современной науке и технике. Самые совершенные современные часы дают возможность измерять время с точностью почти фантастической — до миллиардных долей секунды в сутки. Это не механические, а атомные часы — дитя физики наших дней.

Они используют строго периодические колебания электромагнитных волн, испускаемых атомами и молекулами.

Еще с XIX века физикам было известно, что атомы и молекулы способны излучать электромагнитные волны в очень узких спектральных линиях. Каждой линии спектра соответствует определенная частота или определенный период колебаний вектора электрического поля в электромагнитной волне. Колеблющийся вектор электрического поля волны и сужит «маятником» атомных часов, а излучающие атомы составляют их колебательную систему.