Физика времени - Чернин Артур Давидович (читать книги полные txt) 📗
Древние изобретатели сооружали хитроумные водяные часы с целыми каскадами сосудов, со звенящими колокольчиками, с движущимися под струйками воды фигурами. У Платона была клепсидра-звонок, которую он изобрел, чтобы созывать учеников на занятия своей Академии.
В наблюдениях за движениями светил астрономы долго пользовались клепсидрами. Они были в ходу у жрецов Древнего Египта, Вавилона, Персии. Они служили многие века, были они и у знаменитого датского астронома Тихо Браге (1546—1601). С их помощью Тихо измерял скорости планет и накопил очень подробные и точные сведения, из которых впоследствии Иоганн Кеплер (1571 — 1630), знаменитый немецкий астроном, вывел законы движения планет.
Но точность отсчета времени по водяным часам все же невелика. Они отставали или уходили вперед, так что погрешности редко удавалось сделать меньшими, чем 10 минут за сутки.
В глубокой древности изобрели и всем хорошо известные песочные часы. Они исправно служат нам — в поликлинике, например, — и до сих пор. Они надежны и неприхотливы. В прежние времена ими пользовались мореплаватели. Выражение «корабельные склянки» — это от морских песочных часов.
Довольно долго и во многих странах служили людям огненные часы. Например, в Японии еще лет двести назад были в ходу часы, в которых по очереди горели приставленные друг к другу палочки с различными благовониями. По их аромату можно было, так сказать, обонять время. Существовали и европейские огненные часы — это были просто свечи с нанесенными на них метками.
Начало Нового времени
В средние века не слишком следили за счетом времени. В церквях и монастырях Европы пользовались самыми простыми солнечными или водяными часами, чтобы узнавать, когда служить ту или иную службу или читать молитву. А в повседневной жизни и вовсе достаточно было взглянуть на небо — где Солнце, и о большей точности не заботились.
Но вот наступает эпоха Возрождения и отношение к времени изменяется. На мышление, представления и знания людей той эпохи, на их отношение к миру воздействовал зарождающийся коренной перелом в производственных и общественных отношениях — начало перехода от феодализма к молодому капитализму, полному внезапно обнаружившихся живых и деятельных сил.
Людям Возрождения был свойствен практический, трезвый взгляд на вещи. Они искали прежде всего простые и верные способы изготовления вещей — тканей, инструментов, механизмов.
Но с той же основательностью, как и о производстве, торговле, политике, они говорили, писали, спорили об искусстве и литературе, о грандиозных, вечных предметах — о звездах, о Вселенной, о беге времени. С XIII века, после тысячелетия почти полного забвения, классическое наследие — труды античных философов, математиков, астрономов и космологов, античное искусство и литература — вновь оказывается в центре всеобщего внимания. Замечательным сводом древнегреческой учености служат произведения Аристотеля. Возрожденные и переосмысленные, достижения античности дают начало новому взлету научных знаний, искусств, всей культуры.
Что люди думали тогда о времени?
Они остро ощущали его неудержимый и необратимый бег, боролись с временем, желая обуздать или перехитрить его. Стремились как можно скорее все успеть, все увидеть, узнать, везде побывать, обо всем услышать, во всем разобраться, все понять, освоить, проверить, пустить в дело. Время воспринималось как поток деятельной жизни, как ритм труда, темп усовершенствования производства. Тогда, как говорят историки, и вошло в обиход выражение «время — деньги».
Люди Возрождения нуждались в ясном и практичном представлении о времени. Они хотели иметь удобное в обращении, четко работающее на практике понимание времени.
Но прежде всего они нуждались в часах. Им нужно было уметь легко, надежно и со всей необходимой точностью считать и измерять время. Время, его темп и его счет приобретали первостепенное, хотя и почти чисто деловое значение.
Часы на башне
В XIII веке изобретательные и любознательные мастера Италии строят первые механические часы. Принцип их действия прост. Делается горизонтальный вал с осью. На него наматывается веревка и к ее концу подвешивают гирю. Гиря тянет веревку, та разматывается и вращает вал. Остается приделать к валу стрелку — она будет вращаться и показывать нам время.
Конечно, это только принцип, а на самом деле там были многочисленные колеса, передающие вращение вала к стрелке. Имелись разные хитроумные регуляторы, которые делали вращение вала по возможности более медленным и равномерным.
Механические часы были сооружениями внушительных размеров. Огромные часовые механизмы устанавливали на башнях соборов и дворцов. У Тихо Браге были часы с главным колесом почти метрового диаметра.
В 1404 году механические часы очень больших размеров появились на Спасской башне Кремля. Их построил мастер по имени Лазарь. Там имелось несколько заводных валов с гирями по семи пудов каждая (1 пуд = 16 кг), отдельные валы для стрелок, для боя, для музыки, которую вызванивали 35 различных колоколов.
Старинные механические часы шли с погрешностью до нескольких минут в сутки. Это не слишком большая точность. И, кроме того, за ними требовался постоянный уход — из-за боль-
шого веса валов, колес и других деталей они все время нуждались в наладке, смазке и т. д.
С XV века появились часы, в которых роль веревки с гирей стала играть пружина. Вес часов сразу сильно снизился. В начале XVI века научились делать переносные пружинные часы, которые весили всего 3 или 4 килограмма. Это был прообраз — еще, правда, тяжеловатый — наших нынешних ручных механических часов.
Сначала различные механические часы имели только одну стрелку — часовую. В середине XVI века к ней добавили вторую, минутную, а еще двести лет спустя и третью, секундную.
Маятник Галилея
В 1584 году Галилео Галилей (1564—1642), которому было тогда двадцать лет, сделал замечательное открытие. Рассказывают, что, слушая мессу в соборе, он наблюдал, как мерно раскачивались тяжелые люстры, подвешенные на длинных цепях.
Люстры раскачивались в одинаковом ритме. Они были различной формы и веса, но имели цепи одинаковой длины. Неужели период качаний зависит только от длины цепи и не зависит от формы и веса люстры?
Немедленно был поставлен эксперимент, и вот что установил Галилей.
Два маятника одинаковой длины, один со свинцовым, а другой с пробковым грузом — шариком, качаются в одинаковом ритме, с одинаковым периодом. Период качаний не зависит ни от груза, ни от размаха колебаний*). Качания маятника исключительно равномерны и могут происходить очень длительное время.
*) Нужно только, чтобы этот размах был все же не слишком велик.
Это был один из первых экспериментов в истории новой физики. Но это было и изобретение нового часового механизма. Галилей предложил измерять время путем счета колебаний маятника. Периоды качаний можно делать по выбору достаточно малыми — чем они меньше, тем точнее будет отсчет времени.
Такова физическая идея. Но часы системы Галилея, маятниковые часы, были изготовлены лишь три четверти века спустя, в 1656 году Христианом Гюйгенсом (1629 — 1695), нидерландским механиком, физиком и математиком.
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.
