Физика времени - Чернин Артур Давидович (мир бесплатных книг TXT) 📗
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.
Рекордные по точности атомные часы представляют собой сложные технические устройства, использующие самую совершенную электронную аппаратуру и такие приборы, как, например, лазер. Это необходимо для того, чтобы все атомы, участвующие в работе колебательной системы, излучали волны согласованно, чтобы колебания электрического поля в волне можно было четко и без помех считать и переводить в показания на «циферблате».
После создания атомных часов единицей времени — взамен определенной доли суток или года, как это было прежде — стала «атомная секунда». Это промежуток времени, в течение которого в электромагнитной волне, испускаемой в точно определенной линии излучения атома цезия, произойдет 9 192 631770 колебаний *).
*) О новейших достижениях в этой области см. статью: Басов Н. Г. и др. Миллион лет с точностью до секунды // Наука и жизнь.-1984.-№ 6 и книгу: Завельский Ф. М. Время и его измерение.- М: Наука, 1987.
Модель Вселенной
Вернемся в XIV век. Это был век технических изобретений, которые возникали по всей Европе и сразу же входили в жизнь. Усовершенствование часовых механизмов, сооружение все более сложных часов приняло тогда, как говорят историки, характер всеобщего увлечения.
Любопытные часы изготовил в середине XIV века мастер Дж. де Донди из Падуи. Это были не просто часы, а то, что называли астрариумом. Конечно, они показывали время и притом с довольно высокой точностью. Но это еще не все. Астрариум воспроизводил перемещение Солнца, Луны и планет по небесной сфере. И все это в полном соответствии с астрономическими знаниями той эпохи.
Это была вполне удавшаяся попытка построить действующую модель Вселенной, то есть это было воспроизведение Вселенной в действии посредством часового механизма.
Нужно помнить, что в те времена законы движения планет — законы Кеплера — еще не были открыты. Вместо этого имелась описательная система мира, созданная Птолемеем (90—160 годы нашей эры), великим астрономом древности, жившим в Александрии. Она удачно описывала видимые движения планет, но была чрезвычайно сложной и громоздкой.
Согласно Птолемею, планеты двигались по окружностям, центры которых в свою очередь перемещались вдоль других окружностей и т. д. Движение каждой планеты представляло собою сложение нескольких одновременных круговых движений. Эти круговые движения назывались эпициклами.
Птолемей считал, что «наблюдаемые небесные явления воспроизводятся неизменными круговыми движениями». В простейшем случае нужно считать, что Солнце движется вокруг Земли по большой окружности, а планета обращается по малой окружности, центром которой служит Солнце. Но для объяснения всех деталей и тонкостей в видимом движении планет нуж- нужно было добавлять новые окружности — эпициклы. Всего их было для объяснения движений Солнца, Луны и пяти известных тогда планет — Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера и Сатурна.
Система была неестественно громоздкой, и вся ее сложность проистекала из того, что Птолемей, как и другие астрономы вплоть до Коперника, считал Землю неподвижной. Земля
находилась у него в центре мироздания. Поэтому систему Птолемея называют геоцентрической.
