Большинство из нас считают само собой разумеющимся, что у нас есть возможность следить за течением времени, знать в любой момент, сколько минут осталось до нашего следующего назначения, или быть в состоянии договориться о времени с кем-то на другой стороне мира. Это было, конечно, не всегда так.
Как мы измеряем время? Насколько точны сегодняшние часы по отношению к первым часам древних времен? И каково определение секунды? Давайте пройдемся по эволюции измерения времени.
5 инструментов, которые мы используем для измерения времени:
- Солнечные часы
- Водяные часы
- Механические часы
- Кварцевые часы
- Атомные часы
Давайте рассмотрим каждый немного подробнее.
1. Солнечные часы
Возможно, самый длинный метод для хранения времени-солнечные часы. Не имея других ресурсов, вы можете выйти на улицу-конечно, в пасмурный день-и получить приблизительное представление о времени суток, наблюдая за положением солнца в небе. Хранители времени в Древнем Египте и Шумере еще в 1500 году до н. э. (и, вероятно, даже раньше) создали первые устройства для использования тени солнца для отслеживания хода времени.
Древние римляне строили солнечные часы в своих центрах. Состоятельные носили карманные версии. Самый старый известный пример портативных солнечных часов, описанных как кусок металла в форме итальянской ветчины, который мог поместиться в кофейной кружке, был найден в итальянской вилле, похороненной под вулканическим пеплом в извержении Везувия в 79 году нашей эры.
Хотя есть много вариантов на солнечные часы, все они используют солнце, чтобы отметить течение времени. Многие используют узкий, угловой объект, называемый гномоном, чтобы отбросить тень на маркеры, указывающие время суток. Другие указывают время, позволяя солнечному свету пройти через небольшую щель. Гномон иногда фиксируется или может быть перемещен для учета различных длин дней в разные сезоны.
Точность солнечных часов зависит от их калибровки, точности используемого маркера (другими словами, тень, которую они отбрасывают, широкая и нечеткая?), и размер ее гномона. Самые грубые солнечные часы были хороши в течение часа, но солнечные часы были единственными широко используемыми часами до середины XVII века, а более современные имели точность от 15 до 30 секунд. С некоторым вниманием к деталям, вы могли бы даже построить свои собственные солнечные часы, которые были бы точны в течение минуты.
Самые большие солнечные часы в мире найдены в Джайпуре, Раджастхане, Индия наряду с восемнадцатью другими астрономическими инструментами в памятнике Джантара Мантара. Солнечные часы стоят на высоте 27 метров (или 88 футов), имеют купол сверху для объявления затмений и прибытия муссонов и могут определять время с точностью до двух секунд. Тайбэй 101, который был самым высоким зданием в мире до Бурдж-Халифа был построен в 2010 году, также выступает в качестве огромных солнечных часов, как и Луксорский Обелиск в Париже.
2. Водяные часы
Конечно, солнечные часы имели ограничение быть полезными только в дневное время без облаков. Некоторые строили лунные часы, хотя их точность могла варьироваться в зависимости от фазы Луны, и мерхет использовал разные звезды для отслеживания прохождения времени в течение всей ночи. Тем не менее, Хранители времени начали искать не-небесные способы измерения времени.
В частности, древние греки и римляне были поклонниками водных часов, хотя один из древнейших образцов был найден в гробнице египетского фараона Аменхотепа I и датируется 1500 годом до нашей эры. Раньше водяные часы были, как правило, каменными горшками с наклонными сторонами, которые позволяли воде капать с постоянной скоростью небольшого отверстия у их основания. Внутренности бака содержали метки которые соединили различные уровни воды к проходу часов.
Для повышения точности водяных часов некоторые из них были механизированы, чтобы сделать поток воды как можно более постоянным, регулируя давление воды. Однако, изменения в температуре воды смогли привести к разницам до 30 минут в день.
Некоторые водяные часы вызвали движение фигурок на причудливых дисплеях, в то время как другие звонили в колокола. Первый будильник на водной основе был построен Платоном в 427 году до нашей эры. В часы Платона вода была перекачана в дополнительный сосуд, как только он достиг определенного уровня, а дополнительный сосуд содержал трубку с узкой щелью. Когда вода прошла через трубку, она свистела, как кипяток в чайнике. Один из самых сложных водяных часов был спроектирован и построен мусульманским инженером Аль-Джазари в 1206 году и представлял собой весовые водяные часы в виде большого азиатского слона.
Другие методы учета времени, которые опирались на устойчивое изменение в некоторых природных средах, включали часы ладана, песочные часы (иначе известные как песочные часы) и часы масляной лампы. Однако, подобно водным часам, их точность все еще была ограничена.
3. Механические часы
Следующим важным достижением во времени было изобретение механических часов, которые обеспечивали точность времени от минут до нескольких секунд. Механические часы, вместо использования постепенного изменения в чем-то вроде воды или песка, включают механизм спуска, способ выпускать энергию в небольших контролируемых количествах через регулярные промежутки времени. Было разработано множество механизмов, предназначенных для выполнения такой цели, в том числе цилиндровые, дуплексные, рычажные и хронометрические спуски, все с различной степенью точности.
Возможно, самый ранний пример спуска, используемого в механизированных водяных часах, исходил от китайского ученого и государственного деятеля Су Сунга, который построил гидромеханическую 30-футовую астрономическую башню с часами, которая не только рассказывала время суток, но и месяц и год. Спицы большого колеса на "часах Песни" медленно заполняются водой с постоянной скоростью, но механизм механического спуска только освобождает колесо, когда вода в каждой спице достигает определенного уровня. Его часы работали с 1092 года до 1126 года, когда они были демонтированы политическими противниками.
Хотя Галилею приписывают изобретение маятниковых часов, первым, кто его построил, был голландский ученый Кристиан Гюйгенс в 1656 году. Его устройство достигло беспрецедентной точности менее одной минуты в день (позже было улучшено менее чем до 10 секунд в день), используя взвешенный маятник, который качается с постоянной скоростью, чтобы регулировать скорость вращения зубчатых колес, которые гасят по времени через регулярные промежутки времени. В конечном итоге маятники будут преодолены с помощью сопротивления воздуха и трения, поэтому они обычно включают пружины, которые требуют регулярной намотки, чтобы сохранить потенциальную энергию, чтобы держать их качающимися.
4. Кварцевые часы
Кварцевые часы, разработанные в 1920-х годах, отошли от передач и спусков и, следовательно, не требовали регулярной намотки. Кварцевые часы используют тот факт, что кристаллы кварца будут вибрировать с постоянной частотой при приложении электрического поля.
Первые кварцевые часы, выпущенные в Японии, потеряли всего пять секунд в течение месяца. Их точность ограничена тем фактом, что размер, форма и температура кварцевого кристалла будут влиять на его частоту колебаний, и поэтому нет двух одинаковых. Хотя их точность была превзойдена атомными часами, они по-прежнему являются наиболее распространенными персональными устройствами для хранения времени, основанными на их доступной цене.
5. Атомные часы
Стандартом для хранения времени являются теперь атомные часы, которые были впервые представлены в 1950-х годах. Сегодняшние атомные часы теряют только секунду в течение десятков миллионов лет. Другими словами, они имеют точность порядка сотых долей наносекунд в день. Из-за их очень регулярно расположенных энергетических уровней атомы резонируют на определенных частотах и излучают электромагнитные волны, как они это делают. Частота тех испущенных световых волн—сколько приезжает в блок времени - можно после этого измерить очень точно для того чтобы измерить проход времени. Определение одной секунды- это время, необходимое для того, чтобы атом цезия резонировал 9,192,631,770 раз.
Наиболее точными часами в мире являются часы в национальных институтах стандартов и технологий в Боулдере, штат Колорадо, военно-морской обсерватории США в Вашингтоне, округ Колумбия, PTB в Германии и Парижской обсерватории во Франции, хотя текущие исследования продолжаются в атомах, кроме цезия, которые потенциально могут дать еще более высокую точность.
Если тебе понравился материал - подпишись! :)