какое время определяет тропический год

Тропический год (также известный как солнечный год) в общем смысле — это отрезок времени, за который Солнце завершает один цикл смены времён года, как это видно с Земли, например, время от одного весеннего равноденствия до следующего, или от одного дня летнего солнцестояния до другого. Со времён античности астрономы постепенно совершенствовали определение тропического года и в настоящее время определяют его как время, необходимое для того, чтобы средняя тропическая долгота Солнца (продольная позиция вдоль эклиптики относительно положения на весеннее равноденствие) увеличилась на 360 градусов (то есть, чтобы завершился один полный сезонный цикл)[

А земному наблюдателю представляется, что Солнце перемещается по небу среди звёзд; так думали в древности, в античные времена и в средневековье.

В июне-июле Солнце далеко смещается в северное полушарие неба, — в то полушарие неба, где расположена Полярная звезда. Поэтому Солнце сильно прогревает северное полушарие Земли, где в это время — лето. Наоборот, в декабре-январе Солнце далеко уходит в южное полушарие неба, поэтому оно прогревает южное полушарие Земли, и лето там, а в северном полушарии Земли в декабре-январе зима.

Это наглядно видно на карте экваториальной области неба:

Здесь фиолетовая линия — небесный экватор. Выше него — прилегающая к экватору часть северного полушария неба, ниже — экваториальная часть южного полушария.

Красная линия изображает годовой путь Солнца по небу, называемый эклиптикой * 1. Изображение Солнца на карте перемещается вдоль эклиптики справа налево.

Дважды в год, в дни весеннего (20-21 марта) и осеннего равноденствий (23 сентября), Солнце бывает на небесном экваторе в точках весеннего и осеннего равноденствия. Наверху подписаны сезоны года для северного полушария Земли, когда Солнце находится в соответствующей области неба.

Солнце, проходя через точку весеннего равноденствия, — на карте она обозначена буквами ВР, — попадает из южного полушария неба в северное. Именно момент прохождения Солнца через точку весеннего равноденствия является началом астрономической весны. По своей сути этот момент является переходным от зимы к лету для северного полушария Земли.

Ну, сами посудите, как же может быть иначе? Летом дни длинные, зато ночи короткие, а зимой всё наоборот. В день весеннего равноденствия продолжительности дня и ночи в точности уравниваются. Поэтому момент прохождения Солнца через точку весеннего равноденствия и принят за начало астрономической весны.

Промежуток времени между двумя последовательными прохождениями Солнца через точку весеннего равноденствия называется тропическим годом. Т.е. была весна (в северном полушарии Земли), а потом снова наступит весна.

Это значит, что сезоны года повторяются с периодом, равным тропическому году.

По современным данным его продолжительность на 1 января 2000 года равна 365,2421897 ср. солн. суток или 365 дней 5 часов 48 минут 45,19 секунды.

5. Почему у разных годов разная продолжительность?

— звёздного (сидерического) года 365, 25636 ср. солн. суток,

— аномалистического года 365,2596 ср. солн. суток,

— тропического года 365,2422 ср. солн. суток

С точки зрения геометрии и кинематики именно звёздный год и есть тот самый период, с которым Земля обращается вокруг Солнца.

Орбита, по которой Земля обращается вокруг Солнца, под воздействием планет солнечной системы, особенно таких, как Юпитер и Сатурн, со временем немного меняется. В частности перигелий орбиты Земли очень медленно движется так, что Земле приходится его догонять, а на это требуется время. Поэтому аномалистический год длиннее звёздного.

Тропический год, наоборот, короче звёздного, потому что точка весеннего равноденствия сама медленно движется по небу навстречу Солнцу, следовательно, Солнце и точка весеннего равноденствия встречаются раньше, чем Земля сделает полный оборот вокруг Солнца.

Какой год самый главный? — Правильный ответ вы, наверное, уже и сами знаете.

— В небесной механике естественным образом возникает и поэтому является самым главным аномалистический год.

— Если нужно охарактеризовать обращение Земли вокруг Солнца в пространстве, — то главным является звёздный год.

— В теории солнечных календарей главным является тропический год, потому что сезоны года повторяются с периодом, равным

— Наконец, предсказания солнечных и лунных затмений выполняются на основе т. н. драконического года (346,620 ср. солн. суток).

6. Как измерить продолжительность тропического года?

Древний человек, у которого нет никаких астрономических инструментов, мог бы поступить так. В южной стене прочного помещения или пещеры делается такое отверстие, в которое прямые солнечные лучи в полдень попадают только дважды в год, — весной и осенью, а затем подсчитывается количество прошедших суток и лет.

Количество суток определяется по чередованию дня и ночи. Счёт лет следует начинать от дня появления весеннего солнечного луча, а затем наблюдать следующие появления. При этом нужно иметь в виду, что в какие-то годы наблюдения могут не получиться из-за плохой погоды.

В результате таких примитивных наблюдений станет известно, m суток составляют n лет. Тогда средняя продолжительность тропического года будет приближённо равна дроби m/n.

Спустя 20 лет можно будет утверждать, что продолжительность тропического года приблизительно равна 365,25 суток, что достаточно для создания юлианского календаря. Для создания календаря, подобного григорианскому, придётся наблюдать несколько сотен лет.

И ещё. Для определения продолжительности тропического года можно также наблюдать полуденную высоту Солнца, которая, как известно, минимальна в дни солнцестояний. Известно, что знаменитый древнегреческий астроном Метон для наблюдения солнцестояний воздвигал свои стелы (колонны) и инструменты в Афинах у самой площади народных собраний.

Около 125 до н.э. Гиппарх из Никеи уточнил продолжительность тропического года и синодического месяца, — промежутка времени между двумя последовательными, одинаковыми фазами Луны.

Согласно Гиппарху 304 солнечных года соответствуют 3760 лунным месяцам. Это позволило ему получить более точные значения продолжительности и тропического года, и синодического месяца, приблизив их к истинным значениям.

По данным Гиппарха солнечный год равнялся 365 дням 5ч 55 мин 16 сек, а лунный месяц — 29 дням 12 ч 44 мин 2,5 сек. Первая из этих величин всего лишь на 6 мин 30,41 сек больше принятого в настоящее время значения, а вторая — на 0,5 сек меньше.

Современное значение для продолжительности тропического года таково: на 1 января 2000 года он равен 365,2421897 ср. солн. суток или 365 дней 5 часов 48 минут 45,19 секунды.

7. В чём главная проблема солнечных календарей.

Календарный год должен содержать целое число суток, — альтернативная возможность даже не обсуждается, потому что иначе будет очень неудобно измерять время.

Тропический год длиннее, чем 365 суток на 0,2422 суток. Поэтому, если принять продолжительность календарного года в 365 суток, то новый год будет наступать раньше, чем положено, на 0,2422 суток. За четыре года ошибка достигнет примерно одних суток, за 120 лет она будет равна целому месяцу, а за 360 лет — целому сезону! Это значит, что когда календарь указывает на Новый год, на самом деле ещё осень.

Отсюда понятно: чтобы между сезонами года и календарём не было расхождений, необходимо точное равенство календарного и тропического года.

Итак, календарный год должен содержать целое число суток. Тропический год не содержит целое число суток. Поэтому они не могут быть в точности равны.

Григорианский календарь, который используется для гражданских целей, является международным стандартом. Это солнечный календарь (он изобретён для поддержания синхронности с тропическим годом). Он имеет периодичность в 400 лет (146 097 дней). В каждом периоде полностью повторяются месяцы, даты и дни недели. Средняя продолжительность календарного года: 146 097 / 400 = 365,2425 дней, что даёт хорошее приближение к тропическому году.

Григорианский календарь тоже не совсем точен. Ведь в целях коррекции из чреды дней выбрасывается трое суток за 400 лет, тогда как в действительности такая ошибка, исходя из принятой в настоящее время ве-личины солнечного года набегает всего за 384 (= 128 х 3) года. В результате средняя продолжительность григорианского календарного года составляет 365, 24250 суток. Как видим, она больше действительной её величины (365, 2421988 суток) округлённо на 0, 00030 суток, то есть приблизительно на 26 секунд. Погрешность в целые сутки накапливается за 3280 лет. Вполне очевидно, что на самом деле в григорианском календаре к исходному моменту в цикле не возвращается и равноденствие. Отмечен-ное превышение длины истинного тропического года на 26 секунд за 400 лет составит уже 2 часа 52 минуты 48 секунд, или 0, 12 суток. Именно на такое время истинное весеннее равноденствие в 2000 году наступило раньше, чем оно было в 1600 году.

Экли́птика — большой круг небесной сферы, по которому происходит видимое годичное движение Солнца. Соответственно плоскость эклиптики — плоскость обращения Земли вокруг Солнца (земной орбиты).

*2 Прецессия земной оси

Предварение равноденствий (лат. praecessio **************) — историческое название для постепенного смещения точек весеннего и осеннего равноденствий (то есть точек пересечения небесного экватора с эклиптикой) навстречу видимому годичному движению Солнца. Другими словами, каждый год весеннее равноденствие наступает немного раньше, чем в предыдущем году — примерно на 20 минут 24 секунды. В угловых единицах смещение составляет сейчас примерно 50,3″ в год, или 1 градус каждые 71,6 года. Это смещение является периодическим, и примерно каждые 25776 лет точки равноденствия возвращаются на прежние места.

Источник

С древних времен астрономы постепенно уточняли определение тропического года. Запись для слова «год, тропический» в онлайн-глоссарии астрономического альманаха гласит:

Эквивалентное, более описательное определение: «Естественной основой для вычисления уходящих тропических лет является средняя долгота Солнца, отсчитываемая от прецессионно движущегося равноденствия (динамического равноденствия или равноденствия даты). Когда долгота достигает значения, кратного 360 градусам, означает, что Солнце пересекает точку весеннего равноденствия и начинается новый тропический год ».

СОДЕРЖАНИЕ

История

Источник

Слово «тропический» происходит от греческого tropikos, означающего «поворот». Таким образом, тропики Рака и Козерога отмечают крайние северные и южные широты, где Солнце может появляться прямо над головой и где оно, кажется, «поворачивается» в своем ежегодном сезонном движении. Из-за этой связи между тропиками и сезонным циклом видимого положения Солнца слово «тропический» также дало название «тропическому году». Ранние китайцы, индуисты, греки и другие приблизительно измеряли тропический год.

Ранняя оценка, открытие прецессии

Во 2 веке до нашей эры Гиппарх измерил время, необходимое Солнцу, чтобы снова пройти от точки равноденствия до точки равноденствия. Он рассчитал, что продолжительность года составляет 1/300 дня меньше 365,25 дня (365 дней, 5 часов, 55 минут, 12 секунд или 365,24667 дней). Гиппарх использовал этот метод, потому что он мог лучше определять время равноденствий, чем солнцестояний.

18 и 19 века

В таблице приведены два уравнения. Оба уравнения показывают, что тропический год становится короче примерно на полсекунды каждое столетие.

20 и 21 века

Продолжительность среднего тропического года выводится из модели солнечной системы, поэтому любое усовершенствование, улучшающее модель солнечной системы, потенциально повышает точность среднего тропического года. Появилось много новых инструментов для наблюдений, в том числе

Ключевым достижением в понимании тропического года в течение длительных периодов времени стало открытие того факта, что скорость вращения Земли или, что эквивалентно, продолжительность среднего солнечного дня непостоянна. Уильям Феррель в 1864 году и Шарль-Эжен Делоне в 1865 году предсказали, что вращение Земли замедляется приливами. Это можно было проверить наблюдением только в 1920-х годах с очень точными часами Shortt-Synchronome и позже, в 1930-х годах, когда кварцевые часы начали заменять маятниковые часы в качестве эталонов времени.

Шкалы времени и календарь

Однако вращение самой Земли нерегулярно и замедляется по отношению к более стабильным индикаторам времени: в частности, движению планет и атомным часам.

Как следствие, тропический год, следующий за сезонами на Земле, считая в солнечных днях UT, все больше не синхронизируется с выражениями для равноденствий в эфемеридах в TT.

Экстраполяции с низкой точностью вычисляются с помощью выражения, предоставленного Моррисоном и Стивенсоном:

Δ T в секундах = −20 + 32 t 2

Продолжительность тропического года

Средний промежуток времени между равноденствиями

Когда сравниваются измерения тропических лет за несколько последовательных лет, обнаруживаются вариации, которые связаны с возмущениями Луны и планет, действующих на Землю, а также с нутацией. Миус и Савойя привели следующие примеры интервалов между мартовскими (северными) равноденствиями:

До начала 19 века продолжительность тропического года определялась путем сравнения дат равноденствия, разделенных многими годами; этот подход дал средний тропический год.

Различные определения тропического года

«Средний тропический год» основан на среднем значении солнца и не в точности равен любому времени, которое требуется для перехода от равноденствия к следующему или от одного солнцестояния к следующему.

Следующие значения интервалов времени между равноденствиями и солнцестояниями были предоставлены Миусом и Савойей для годов 0 и 2000. Это сглаженные значения, которые учитывают эллиптическую форму орбиты Земли с использованием хорошо известных процедур (включая решение уравнения Кеплера ). Они не принимают во внимание периодические изменения, вызванные такими факторами, как гравитационная сила вращающейся вокруг Луны и гравитационные силы других планет. Такие возмущения незначительны по сравнению с позиционной разницей, возникающей из-за того, что орбита является эллиптической, а не круговой.

Среднее текущее значение тропического года

Календарный год

Источник

Тропический и календарный год

Тропический и календарный год

Астрономически солнечный год должен бы был определяться как отрезок времени от весеннего (или осеннего) равноденствия до следующего весеннего (осеннего) равноденствия. Оказывается, однако, что «весенний год» несколько отличается (минуты на полторы) от «осеннего года», и оба года со временем медленно меняются (на минуту–полторы за 5—6 тысяч лет). Поэтому астрономы вводят некую условную среднюю величину года, называемую тропическим годом. По современным данным он равен

365,2422 дня = 365 дней 5 часов 48 минут 46 секунд.

Как мы уже говорили, одним из основных требований к календарю является его климатичность, т.е. согласованность с хозяйственными сезонами и временами года. В таком календаре начала времен года (зимы, весны, лета, осени) должны всегда падать на одни и те же вполне определенные даты. С абсолютной точностью удовлетворить условию климатичности на практике нельзя. Поэтому приходится прибегать к приближениям.

Чтобы найти наилучшие приближения к числу дней тропического года, полагается по известному правилу арифметики разложить это число в непрерывную дробь.

откуда находим последовательные подходящие дроби

365 31/128 = 365,24219.

Достичь такой длительности года проще всего, считая основной календарный год в 365 дней и увеличивая отдельные (високосные) года до 366 дней.

Если мы возьмем нулевое приближение в 365 дней, у нас совсем не будет високосов, но календарь получится совершенно неудовлетворительным. Каждые четыре года в нем будет накапливаться ошибка в 1 сутки.

Значительно лучшим результат получается, когда мы обратимся к первому приближению в 365 1/4 дней. Это — общеизвестный юлианский календарь (старый стиль), в котором високосным является каждый четвертый год. Он дает ошибку в 1 сутки только за 128 лет.

Следующая подходящая дробь приводит к календарю, в котором на каждые 29 лет приходится 7 високосных лет. Он дает ошибку в 1 сутки за 1250 лет. Этот календарь никогда не употреблялся.

Третья подходящая дробь 365 8/33 дает календарь с 8 високосами каждые 33 года. Утверждается, что он был введен по инициативе Омар Хайяма в 1079 г. н.э. и употреблялся в средневековом Иране. Его точность — 1 сутки в 4500 лет.

Последняя подходящая дробь была положена в основание календаря, предложенного лет сто назад Медлером. Теоретически он идеален, давая ошибку в 1 сутки за 100 тысяч лет, но практически такая точность, конечно, никому не нужна.

Любопытно, что используемый нами сейчас григорианский календарь (новый стиль) не принадлежит к числу календарей, рекомендуемых математикой. Он, выпуская из юлианского цикла каждые 400 лет три високоса, соответствует дроби

365 97 / 400

и дает ошибку в 1 сутки за 3280 лет. Его «нематематичность» отражается в том, что в середине цикла его ошибка может достигать полутора суток, пока не будет уничтожена високосом, тогда как в «математических» календарях эта ошибка никогда не превосходит полусуток.

Читайте также

Синодический и календарный месяц

Синодический и календарный месяц Для обыденного употребления солнечный год является, конечно, слишком крупной единицей. Более мелкие единицы — неделя и месяц, возникли в связи с фазами Луны. Неделя оказалась вне каких–либо распространенных календарных систем, и потому

Календарный частотно-акустический дедуктивный метод исследования исторического явления

Календарный частотно-акустический дедуктивный метод исследования исторического явления Мной выдвинута и длительными исследованиями обоснована следующая гипотеза:«существует календарная частотно-акустическая связь двух и более исторических событий, которая

Источник

Какое время определяет тропический год

СУТКИ, ЧАСЫ, МИНУТЫ, СЕКУНДЫ

Для измерения малых и больших промежутков времени пользуются естественными единицами времени, которые связаны с основными астрономическими явлениями. Малые промежутки времени — сутки, час, минута, секунда — связаны с вращением Земли вокруг своей оси, а большие — с обращением Земли вокруг Солнца. В основе счета больших промежутков времени лежит тропический год — промежуток времени между двумя последовательными прохождениями центра диска Солнца через точку весеннего равноденствия.

Из астрономических наблюдений установлено, что тропический год равняется 365 дням 5 часам 48 минутам 46 секундам. Продолжительность его не остается постоянной, но ее изменение весьма незначительно: за несколько тысячелетий всего лишь па единицы секунд.

Непостоянна и скорость движения Земли по орбите. Одну половину своего пути, с 21 марта по 23 сентября (летнее «полугодие»), Земля проходит за 186, а вторую, с 23 сентября по 21 марта (зимнее. «полугодие»), за 179 дней [13].

Повторяющееся ежегодно движение нашей планеты вокруг Солнца называется годичным движением Земли; его следствием и является смена времен года.

Так, например, в северном полушарии астрономическое лето наступает 21 или 22 июня — в день летнего солнцестояния, когда восход и заход Солнца на горизонте и его высота в полдень почти не меняются в течение нескольких дней, близких к этой дате; в это время продолжительность дня самая большая в году. Астрономическая зима наступает 22 или 23 декабря; продолжительность дня наименьшая в году. В южном полушарии — наоборот: 21–22 июня наступает астрономическая зима, а 22–23 декабря — лето.

§ 5. Звездные сутки и звездное время

При решении астрономических задач пользуются звездными сутками. Звездные сутки — это промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминациями на одном и том же географическом меридиане одной и той же звезды или точки весеннего равноденствия. Звездные сутки делятся на 24 звездных часа, каждый час — на 60 звездных минут, а каждая минута — на 60 звездных секунд. Из звездных суток складывается звездный год. Тропический год короче звездного — истинного периода обращения Земли вокруг Солнца — на 1224 секунды, или на 20,4 минуты. За начало звездных суток для точек каждого меридиана принимают момент верхней кульминации точки весеннего равноденствия.

Самой близкой звездой к северному полюсу мира является сравнительно яркая Полярная звезда из созвездия Малой Медведицы, которая для невооруженного глаза кажется всегда находящейся на одном месте и почти точно над точкой севера, а все остальные звезды описывают вокруг Полярной (точнее, вокруг полюса мира) круги разного радиуса. Чем дальше удалена звезда от полюса мира, тем больше описываемый ею круг. Звезды, находящиеся на небесном экваторе, описывают самые большие круги. Для измерения звездного времени пользуются звездными часами, находящимися в астрономических обсерваториях и отрегулированных так, что они ежесуточно уходят вперед против обыкновенных часов да 3 минуты 56 секунд (см. с. 18).

§ 6. Истинное солнечное и среднее солнечное (гражданское) время. Уравнение времени

Промежуток времени между двумя последовательными одноименными (верхними или нижними) — кульминациями центра солнечного диска называется истинными солнечными сутками. Пользоваться этой, единицей времени неудобно по двум причинам. Видимое движение Солнца происходит не по небесному экватору, а по эклиптике, наклоненной к нему на 23°27′, и это движение неравномерно, так как орбита Земли имеет эллиптическую форму, из-за чего скорость ее движения в разное время года неодинакова. Поэтому продолжительность истинных солнечных суток ото дня ко дню несколько меняется.

В практической жизни (в науке, технике и производстве) за основную единицу измерения времени принимают средние солнечные сутки.

При установлении продолжительности средних солнечных суток вместо центра истинного Солнца пользуются точкой, которая равномерно перемещается по небесному экватору, совершая полный оборот в течение года. Такую воображаемую точку называют средним солнцем. За средние солнечные сутки принимают промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями среднего солнца; их длина всегда одинакова и равна 24 средним часам, составляя приблизительно 1/365,24 часть года. Солнце — одна из самых обычных звезд, составляющих нашу Галактику. Ее отличие от всех остальных звезд состоит в том, что она измеримо ближе к нам. Поэтому из-за движения Земли за одни сутки Солнце смещается на фоне остальных, «неподвижных» звезд, и Земле нужно еще довернуться, чтобы Солнце «пришло» на тот же самый меридиан. Вследствие этого средние солнечные сутки длиннее звездных на 3 минуты 56 секунд!(звезда возвращается на тот же меридиан раньше Солнца). Так же, как и в звездных сутках, каждый час средних солнечных суток делится на 60 минут, а минута — на 60 секунд.

В СССР гражданским временем в народном хозяйстве пользуются с 1919 г., а в астрономии — с 1925 г. Часы, которыми мы пользуемся, отрегулированы не по истинному, а по среднему солнечному времени. Так как скорость среднего солнца одинакова и через меридиан оно проходит раньше или позднее истинного Солнца, то, следовательно, средние сутки могут наступать раньше или позже истинных.

Рис. 4. График уравнения времени

Разница между истинным и средним солнечным временем η называется уравнением времени. Следовательно, в любой момент среднее солнечное время T_m равно истинному солнечному времени T_o плюс уравнение времени η [14], т. е.

где η имеет положительное значение, когда истинное Солнце находится на эклиптике впереди среднего, и отрицательное — когда среднее солнце находится впереди истинного. (Знаком Θ в астрономии обозначается Солнце.)

На рис. 4 приведен график изменения уравнения времени в течение года через полмесяца. Уравнение времени бывает равно нулю около 15 апреля, 14 июня, 31 августа и 25 декабря, когда истинное солнечное время почти совпадает со средним солнечным; в эти дни часы, установленные по среднему солнечному времени, будут показывать в полдень 12 часов. Наибольшее (по абсолютной величине) отрицательное значение уравнения времени (см. рис. 4), η = — 16,5 минуты, бывает около 4 ноября, а наибольшее положительное, η = + 14,3 минуты, — 12 февраля.

§ 7. Местное и всемирное время

Из определения среднего солнечного времени следует, что оно относится к тому месту, где производятся наблюдения. Следовательно, среднее солнечное время имеет свое собственное значение для каждого меридиана на Земле и поэтому его называют еще местным средним временем [15].

Для любой точки одного и того же меридиана местное время сохраняет постоянное значение, но с изменением долготы места наблюдений меняется и местное среднее время. Когда в Москве полдень, то на противоположной стороне земного шара, т. е. на 180° к западу или к востоку от Москвы, в этот момент будет полночь. В течение одного часа небесная сфера в своем видимом движении поворачивается на 1/24 часть ее полного оборота, что в угловых единицах соответствует 360°: 24 = 15°. Поэтому два пункта на Земле, имеющие разность долгот в 15°, будут иметь местное время, отличающееся на 1 час. Если от первоначального места наблюдения передвинуться по долготе, например, на 30° (т. е. на два часа) к востоку или к западу, то в первом случае Солнце, очевидно, пройдет через меридиан нового места наблюдения на два часа раньше, а во втором случае, наоборот, на два часа позднее, чем в первоначальном пункте. Следовательно, по разности показаний часов, идущих по местному времени в разных пунктах Земли, можно судить о разности долгот этих пунктов.

В соответствии с международным соглашением (Рим, 1883 г.) за начальный меридиан для счета географических долгот на нашей планете принят Гринвичский меридиан с долготой, равной 0°00′00″, а местное гринвичское время, отсчитываемое от полуночи, условились называть всемирным или мировым временем (T_o). Поэтому, когда в Гринвиче (около Лондона) наступает полночь, т. е. 00 ч 00 мин 00 с среднего местного времени, местное среднее время любого пункта на нашей планете будет равно долготе этого пункта, выраженной в часовой мере. Другими словами, разность долгот двух пунктов равна разности местных времен в этих пунктах в один и тот же момент. На этом и основано измерение долготы.

§ 8. Поясное время. Декретное время

Наличие в различных пунктах, лежащих на разных меридианах, своего местного времени приводило ко многим неудобствам.

В 1878 г. канадский инженер С. Флеминг предложил так называемое поясное время (Т_п), которое в 1884 г. было принято на Международном астрономическом конгрессе. По идее С. Флеминга вся поверхность земного шара условно разделяется меридианами на 24 часовых пояса протяженностью каждый в 15° (1 час) по долготе. Во всех точках каждого часового пояса устанавливается время, соответствующее среднему меридиану данного пояса.

Каждому из 24 часовых поясов присваивается соответствующий номер от 0 (нулевого) до 23-го. За нулевой принят пояс, средним меридианом которого является Гринвичский, от которого нумерация поясов ведется с запада на восток. Средний меридиан первого пояса находится к востоку от Гринвичского меридиана на 15°, или на 1 час по времени; средний меридиан второго пояса имеет восточную долготу, равную 30°, а его местное время отличается от всемирного (гринвичского) на 2 часа и т. д. Таким образом, номер каждого часового пояса показывает, на сколько целых часов время данного пояса отличается от всемирного (опережает его); при этом минуты и секунды во всех поясах остаются одинаковыми. Следовательно, поясное время при переходе из одного пояса в смежный изменяется скачком на 1 час. Если обозначить номер пояса через n, то поясное время равняется мировому T_o плюс n, т. е.

Поясному времени некоторых часовых поясов присвоены особые названия. Так, например, время нулевого пояса называют западно-европейским, первого пояса — средне-европейским, второго пояса — восточно-европейским.

Впервые поясное время было введено в 1883 г. в Канаде и в США; в начале XX в. им стали пользоваться в некоторых европейских государствах.

В нашей стране на поясное время впервые перешли с 1 июля 1919 г. в соответствии с Декретом СНК РСФСР от 8 февраля 1918 г., и вначале им пользовались лишь для целей судоходства.

На территорию СССР приходится 11 часовых поясов [16], со 2-го по 12-й; при этом Москва отнесена ко второму часовому поясу, хотя только небольшая западная часть города расположена во втором поясе, а большая его часть лежит к востоку от меридиана, разделяющего второй и третий пояса. Таким образом, получилось, что местное время в Москве на полчаса впереди поясного — московского времени. Вообще же границы часовых поясов проводятся по границам административных единиц — областей, краев, республик.

В нашей стране вначале временем второго пояса пользовались только на железных дорогах и телеграфе. Постановлением СНК СССР от 17 января 1924 г. поясное время было введено повсеместно на всей территории СССР.

В целях лучшего использования естественного света, т. е. симметричного расположения рабочего дня относительно полдня, и по некоторым экономическим соображениям летом во многих странах мира часы переводят вперед относительно поясного времени на один и больше часов, устанавливая этим так называемое летнее время.

Так, например, поступили во Франции в апреле 1916 г., а затем этому последовали и некоторые другие страны.

B нашей стране летнее время также вводилось неоднократно. В последний раз это было 16 июня 1930 г., когда в соответствии с Декретом СНК СССР стрелки часов во всех поясах страны были передвинуты против поясного времени вперед на один час. Однако впоследствии стрелки назад не переводились, и с тех пор такое время, отличающееся от поясного на один час, у нас называется декретным временем, и оно действовало круглый год до 1 апреля 1981 г. Однако по решению Государственной комиссии единого времени и эталонных частот СССР часть областей СССР не вводила у себя декретное время, оставаясь жить по одному времени с Москвой. В результате этого автономные республики Дагестанская, Кабардино-Балкарская, Калмыцкая, Коми, Марийская, Мордовская, Северо-Осетинская, Татарская, Чечено-Ингушская, Чувашская, Краснодарский и Ставропольский края и области Архангельская, Владимирская, Вологодская, Воронежская, Горьковская, Ивановская, Костромская, Липецкая, Пензенская, Ростовская, Рязанская, Тамбовская, Тюменская, Ярославская, а также Ненецкий и Эвенкийский автономные округа и Хатангский район Таймырского автономного округа продолжали жить по декретному времени 2-го пояса (по так называемому московскому времени) в течение всего года, хотя, например, Коми АССР расположена в 4-м часовом поясе, т. е. отставала от своего местного времени на два часа.

Все это приводило к тому, что в электросеть страны одновременно включалось несколько крупнейших промышленных районов, что приводило к колоссальному возрастанию нагрузок на электросистему в часы пик.

В последние годы произошли значительные перемены в экономике Севера, Дальнего Востока, Сибири и Казахстана. В этих регионах весьма заметно увеличилось население, появились новые города и мощные территориально-производственные комплексы, что позволило создать крупные промышленные центры, и если прежде на карте часовых поясов, например, граница между шестым и седьмым часовыми поясами (Восточная Сибирь) была проведена по прямой (по меридиану) и делила Эвенкийский автономный округ на две части, то это вызвало много неудобств. Для устранения этого недостатка с 1 октября в 1981 г. на карте СССР были установлены новые границы часовых поясов (рис. 5; различными линиями обозначены: 1 — границы часовых поясов, введенные в 1981 г., 2 — границы, существовавшие до 01.10.81, 3 — меридианы). Кроме того, в соответствии с этим на исходе суток 1 апреля 1981 г., после того как Кремлевские куранты, как и всегда, отсчитали 12 ударов, по радио прозвучало объявление, что в это время в столице нашей Родины Москве час ночи. После этого объявления стрелки всех часов нашей страны были переведены ровно на один час вперед, и был осуществлен переход к летнему времени. Однако 1 октября 1981 г. стрелки часов в обратную сторону были переведены не везде. Это позволило упорядочить времяисчисление в пределах всех часовых поясов и восстановить счет поясного времени на всей территории СССР.

Сейчас в СССР каждый год в последнее воскресенье марта стрелки часов переводятся на один час вперед, а в последнее воскресенье сентября па один час назад, т. е. регулярно осуществляется переход от декретного (зимнего) времени к летнему и наоборот.

Смысл введения летнего времени заключается в том, чтобы «выкроить» дополнительный час в светлое время суток и таким образом более рационально использовать утренний свет. По подсчетам специалистов один «летний» час в нашей огромной стране с ее мощной промышленностью дает экономию более двух миллиардов киловатт-часов ежегодно, что позволит обеспечить электроэнергией несколько миллионов квартир. Декретное же и летнее время вместе позволяют сэкономить примерно 7 миллиардов киловатт-часов в год.

По заключению врачей, основанному на специально проведенных исследованиях перевод стрелки часов вперед на самочувствие людей не оказывает влияния. Наоборот, «лишний час» дневного света сокращает так называемое «световое голодание», в частности меньше нагрузок выпадает на зрение. Переход с летнего времени на зимнее также никаких неудобств в повседневную жизнь людей не вносит. Что же касается железнодорожного транспорта, междугородной телефонной и телеграфной связей, то они работают по московскому времени на всей территории СССР.

Рис. 5. Часовые пояса на территории СССР

§ 9. Линия перемены дат

В каждой точке земного шара новое календарное число, иначе календарная дата, начинается с полуночи. А так как в разных местах нашей планеты полночь наступает в разное время, то в одних пунктах новая календарная дата наступает раньше, а в других позднее. Такое положение, в особенности при кругосветных путешествиях, прежде часто приводило к недоразумениям, выражавшимся в «потере» или «выигрыше» целых суток.

Так, например, моряки флотилии Фернандо Магеллана (ок. 1480–1521), возвращаясь в 1522 г. из Кругосветного путешествия в Испанию с востока и остановившись в бухте Сантьяго, обнаружили расхождение в один день между своим счетом дней, который они тщательно вели в корабельном журнале) и тем счетом, который вели местные жители, и должны были принести церковное покаяние за нарушение дат религиозных праздников. Секрет такой «потери» заключается в том, что они совершали кругосветное путешествие в направлении, противоположном вращению Земли вокруг своей оси. Двигаясь с востока на запад, при возвращении в исходный пункт путешественники пробыли в пути на один день меньше (т. е. увидели на один солнечный восход меньше), чем прошло дней в исходном пункте. (Если совершать кругосветное путешествие с запада на восток, то для путешественников пройдет на один день больше, чем в исходном пункте. Русские землепроходцы, открывшие и освоившие западное побережье Северной Америки, встретившись с местными жителями, заселявшими страну с востока, отмечали воскресенье в тот день, когда у местных жителей была суббота.

Меридиан, долгота которого равна 180°, или 12 ч, является на Земле границей между западным и восточным полушариями. Если от Гринвичского меридиана одно судно отправится на восток, а другое на запад, то на первом из них при пересечении меридиана с долготою в 180° время окажется на 12 часов впереди гринвичского, а на втором — на 12 часов позади гринвичского.

Рис. 6. Линия перемены дат

Чтобы избежать путаницы в числах месяца, по международному соглашению была установлена линия перемены дат, которая в большей части проходит по меридиану с долготой 180° (12 часов). Здесь и начинается раньше всего новая календарная дата (число месяца). На рис. 6 показана часть линии перемены дат.

Команда судна, пересекающего линию перемены дат с запада на восток, должна один и тот же день считать дважды, чтобы не получить выигрыша в числе суток, и наоборот, при пересечении этой линии с востока на запад, необходимо пропускать один день, чтобы не получить при этом потери дня. С этим связана задача, сформулированная Я. И. Перельманом [17], «Сколько пятниц в феврале?» Для команды судна, курсирующего, например, между Чукоткой и Аляской, в феврале високосного года может оказаться десять пятниц, если оно проходит линию перемены дат в полночь с пятницы на субботу с запада на восток, и ни одной пятницы, если судно проходит эту линию в полночь с четверга на пятницу курсом на запад.

§ 10. Измерение времени в древности

История развития часов — средств для измерения времени — одна из интереснейших страниц борьбы человеческого гения за понимание и овладение силами природы.

Первыми часами было Солнце. Чем выше оно поднималось на небосклоне, тем ближе к полудню, а чем ниже спускалось к горизонту, тем ближе к вечеру, и вначале в каждых сутках люди определяли только четыре «часа»: утро, полдень, вечер и ночь.

Солнечные часы. Первыми приборами для измерения времени были солнечные часы. Люди давно заметили, что самые длинные тени от предметов, освещенных Солнцем, бывают утром, к полудню они укорачиваются, а к вечеру вновь удлиняются. Заметили они также, что тени в течение дня меняют не только размеры, но и направление. Это явление и было использовано для создания простейших солнечных часов — гномона [18]. Циферблатом таких часов служит ровная горизонтальная площадка, на которой вертикально укреплен шест (стержень, пластинка), отбрасывающий тень (рис. 7). Утром тень от гномона обращена к западу, в полдень в нашем северном полушарии — к северу, а вечером — к востоку. По положению тени и определяется истинное солнечное время [19]. Однако тень от гномона в таких часах описывает в течение дня не окружность, а более сложную кривую, которая не остается постоянной не только в разные месяцы года, но меняется ото дня ко дню.

Для избавления солнечных часов от этого недостатка циферблат их стали делать из нескольких линий с делениями, каждая из которых предназначалась для определенного месяца года. Так, например, древнегреческий астроном Аристарх Самосский (конец IV — первая половина III в. до н. э.) для своих солнечных часов выполнил циферблат в форме чаши с прочерченной на ее внутренней поверхности сетью линий, а часы древнегреческого астронома Евдокса (ок. 408 — ок. 355 гг. до н. з.) имели на плоском циферблате очень сложную сеть линий, получивших название «арахнеа», что означает «паук».

Рис. 8. Экваториальные солнечные часы

В дальнейшем астрономы поняли, что для повышения точности солнечных часов их указатель следует направить на полюс мира, т. е. к той точке небесного свода, которая при вращении Земли кажется неподвижной. Если при этом плоскость циферблата расположить параллельно плоскости небесного экватора, т. е. перпендикулярно к стержню, то конец тени стержня станет описывать окружность. Скорость движения тени будет равномерной, и поэтому на таком циферблате расстояния по окружности между часовыми метками (штрихами) окажутся равными, и их можно определить из расчета 360° = 24 ч. Так были созданы экваториальные солнечные часы, в которых доска с циферблатом устанавливалась наклонно к горизонту под углом α = 90° — φ, где φ — географическая широта места установки часов. На них деления нанесены на обеих сторонах циферблата (сверху и снизу), а указатель проткнут насквозь (рис. 8). Так, например, при изготовлении экваториальных солнечных часов для широты φ = 55°47′ угол наклона циферблата должен быть α = 34°13′. В таких часах в течение одной части года (в северном полушарии с марта по сентябрь) тень от стержня падает на циферблат сверху, а в течение другой — снизу, и поэтому часы пригодны для всех дней года. Однако отсчет времени, когда тень падает снизу, затруднителен.

Для устранения этого недостатка солнечные часы стали делать с горизонтально расположенным циферблатом с делениями, нанесенными из расчета tg x = tg t sin φ, где x — угол при центре циферблата между полуденной линией (линией «север — юг») и данным делением, t = T_o — 12 ч — часовой угол Солнца, а φ — географическая широта местонахождения часов. На таком циферблате линия, проходящая через штрихи, соответствующие 6 и 18 часам, будет перпендикулярна к полуденной линии. Указателем в таких часах служит треугольник (рис. 9) с острым углом, равным широте данной местности φ.

Рис. 9. Солнечные часы с горизонтальным циферблатом

Устанавливался он так, чтобы его плоскость была перпендикулярна к плоскости циферблата и совпадала с направлением север — юг, В таких часах скорость перемещения тени от треугольника неравномерна, а поэтому углы на циферблате, соответствующие часовым промежуткам времени, являются неравными.

В древности солнечные часы имели широкое распространение. В Египте за гномон солнечных часов принимали высокие обелиски. Паломники Индии пользовались посохами с вделанными в них миниатюрными солнечными часами.

В 10 г. до н. э. по распоряжению императора Августа (63 г. до н. э. — 14 г. н. э.) в честь победы над Египтом были созданы в Риме большие солнечные часы, гномоном для которых являлся гранитный обелиск высотой около 22 м и массой 250 т. На циферблате этих часов размером 170 на 80 м тень обелиска падала на 12 секторов со знаками зодиака (рис. 10); по часам такого типа определяли не только время суток, но и дату и сезон года [20].

Зодиаком в Древней Греции называли пояс на небосводе, включающий 12 созвездий, расположенных вдоль эклиптики. В глубокой древности пояс зодиака делили на части по 30°; они имели названия тех созвездий, по которым проходила эклиптика. В каждой такой части — знаке зодиака — Солнце при своем годичном движении находилось в течение одного месяца: в знаке Водолея — в январе — феврале, в знаке Рыб — в феврале — марте, в знаке Овна — в марте — апреле, в знаке Тельца — в апреле — мае, в знаке Близнецов — в мае — июне, в знаке Рака — в июне — июле, в знаке Льва — в июле — августе, в знаке Девы — в августе — сентябре, в знаке Весов — в сентябре — октябре, в знаке Скорпиона — в октябре — ноябре, в знаке Стрельца — в ноябре — декабре, в знаке Козерога — в декабре — январе. За время с начала нашей эры точка весеннего равноденствия вследствие прецессии сместилась почти на 30°, и Солнце в декабре — январе проходит по созвездию Стрельца, в январе — феврале — по созвездию Козерога и т. д., но знаки зодиака остаются прежними. Сейчас они практического значения не имеют, в древности же применялись для составления гороскопов.

Рис. 20. Знаки зодиака

В 1278 китайский император Кошу-Кинг, стремясь повысить точность солнечных часов, построил в Пекине гномон, указатель которого по высоте был равен 40 ступеням. В Самарканде узбекский астроном Улугбек (1394–1449), внук известного завоевателя Тамерлана (1336–1405), стремясь увеличить точность определения времени по солнечным часам, воздвиг в 1430 г. гномон, стержень которого достигал высоты в 175 ступеней (около 50 м).

Солнечные часы не требовали завода, они не останавливались и даже «шли» правильнее, чем некоторые нынешние часы, но с двумя существенными оговорками: только в дневное время и в безоблачную погоду. Их продолжали строить вплоть до XVII и даже XVIII в.

Солнечные часы, как стационарные, так и переносные, длительное время широко использовались в общественной практике различными народами нашей страны. Стационарные часы изготовлялись из камня (преимущественно), реже из металла и дерева и, как правило, больших размеров, что позволяло повысить их точность и видеть их на значительном расстоянии. Многие из них сохранились не только в музеях, но и на месте первоначальной их установки.

Переносные солнечные часы, отличающиеся сравнительно небольшими размерами, чаще всего изготовлялись из металла (латуни, бронзы, серебра), дорогих сортов дерева и даже из слоновой кости или черепашьего панциря. Для ориентирования по сторонам света их, как правило, снабжали магнитной стрелкой.

До недавнего времени появление на Руси первых солнечных часов относили к XV в. Однако при ремонте в г. Чернигове Спасо-Преображенского собора, построенного в 1031–1036 гг., был обнаружен декор, неглубокие ниши которого со своеобразным орнаментом представляли, как установил историк Г. И. Петраш, элементы уникальных солнечных часов цилиндрической формы.

Из сохранившихся документов известно, что в 1614 г. царь Михаил Федорович приобрел у московского купца солнечные часы, а позднее в XVII в. «часы солнечные писаны красками» были установлены в дворцовом комплексе Измайлово (под Москвой). Сохранились солнечные часы и в селе Коломенском (подмосковная усадьба русских царей), установленные примерно в то же время. В начале XVIII в. пользовались солнечными часами, укрепленными на колокольне собора Святогорского монастыря, но время их установки не известно.

Наши соотечественники, ходившие по северным морям, использовали так называемые «матки», представляющие подобие переносных солнечных часов, снабженных компасом, что позволяло ориентироваться на море. Свидетельством широкого использования нашими моряками солнечных часов различного устройства являются найденные советскими учеными в 1940 г. па северном берегу Таймырского полуострова шесть солнечных часов, оставленных там в 1617 г. русской торгово-промышленной экспедицией.

В Ленинградском музее Арктики и Антарктики хранятся трое солнечных часов, обнаруженных при раскопках в городе Мангазее в Сибири. В документе, впервые опубликованном М. И. Беляевым в 1952 г., отмечается, что в «росписи товарам», перевозившимся «вниз по Лене и морем на Индигирку реку и на Колыму и в иные сторонние реки», упомянуты «тринадцать маток в костях».

Среди имущества, оставленного известным деятелем просвещения Феофаном Прокоповичем (1681–1736), обнаружено несколько солнечных часов, которыми он пользовался на своей обсерватории недалеко от Петергофа (ныне Петродворец), и на обсерватории Л. Д. Меньшикова (1673–1729), производя астрономические наблюдения.

Большое внимание солнечным часам уделяли Петр I (1672–1725) и государственный деятель Я. В. Брюс (1670–1735); они лично изготовили несколько часов, которыми пользовались в астрономической обсерватории, находившейся между Петергофом и Ораниенбаумом (ныне Ломоносов), и в обсерватории князя А. Д. Меньшикова они же и организовали подготовку часовых мастеров. Недавно реставрированы солнечные часы, установленные в свое время на здании бывшего кадетского корпуса (на Васильевском острове в Ленинграде), построенном в 1738–1753 гг. Сохранились до нашего времени и два мраморных верстовых столба (бывших Царскосельской и Петергофской дорог) с солнечными часами, представляющими квадратные мраморные плиты с часовыми шкалами и гномоном, а в г. Пушкине (под Ленинградом) находятся и теперь обелиски с солнечными часами. Более совершенные солнечные часы, учитывающие изменение высоты Солнца в течение дня, демонстрировались в 1879 г. на Совете Московского университета известным этнографом Е. И. Якушиным (1826–1905), полученные им из Ярославской губернии (см. книгу «Солнечные часы и календарные системы народов СССР»). До 40-х годов нашего века сохранялось несколько солнечных часов, установленных в разное время в парках Ленинграда и его окрестностей. Немало солнечных часов было сооружено в XVII–XVIII вв. в разных городах, селах, деревнях нашей страны, особенно в Сибири и северных районах. Оригинальные солнечные часы на тумбе были построены в 1833 г. в г, Таганроге перед лестницей, ведущей к морю; они сохранились до наших дней. Много их было в Москве и ее окрестностях. Так, например, часы сохранились на зданиях Историко-архивного института, Новодевичьего монастыря (построен в 1525 г.), в музее-усадьбе Архангельское… На территории дома-музея отца русской авиации Н. Е. Жуковского (1847–1921) в деревне Глухово Владимирской области сохранилась каменная тумба с солнечными часами, которыми он пользовался до 1919 г.

В 1795 г. князь Г. А. Потемкин (1739–1791) основал в местечке Дубровке в Белоруссии фабрику по изготовлению солнечных часов, переведенную в том же году в село Купавна под Москвой; в ней из крепостных готовились мастера солнечных часов.

Самые последние солнечные часы в нашей стране были построены в 1947 г. к 800-летию Москвы на площадке Московского планетария. Часы показывают московское время с мая по сентябрь.

В связи с 750-летием города Шяуляй (ЛитССР) в нем создается архитектурно-скульптурный ансамбль — триада «Время — Солнце — Стрелок», отмеченный Золотой медалью Академии художеств СССР, разработанный А. Черняускасом, Р. Юрелой, А. Вишнюнасом и С. Кузмой. Центральная часть ансамбля — площадь, вымощенная брусчаткой и являющаяся циферблатом солнечных часов с числами, 12, 3 и 6, символизирующими год основания города (1236). Стрелкой часов служит железобетонная 18-метровая колонна с позолоченной фигурой стрелка.

Интерес к солнечным часам проявляется в разных странах и в наше время. Так, например, в ГДР насчитывается 1150 солнечных часов; из них около 500 таких «хронометров» используются и теперь, а другие сохраняются как культурно-исторические памятники. В Чехословацкой Социалистической Республике сохранилось несколько десятков часов-памятников; они несли свою службу до конца XVI в., а некоторые используются и сейчас. К последним относятся часы на фасаде Шварценбергского дворца, в саду бывшего Страговского монастыря.

Из-за отсутствия электроэнергии во время блокады Ленинграда в 1941–1944 гг. по инициативе В. И. Прянишникова были установлены солнечные часы на краю газона у Большого проспекта и Девятой линии на Васильевском острове. Ими пользовались до окончания Великой Отечественной войны.

В полдень солнечного дня и теперь в Ленинграде можно проверить часы на участке улицы Герцена от арки Главного Штаба до Невского проспекта, так как этот участок улицы расположен точно по полуденной линии (см. в книге «Солнечные часы…»).

Рис. 11. Песочные часы

Песочные часы. В дальнейшем были изобретены песочные часы. Ими можно было пользоваться в любое время суток и независимо от состояния погоды. Их чаще делали в виде двух воронкообразных стеклянных сосудов, поставленных один на другой (рис. 11). Верхний заполнялся песком до определенного уровня. Продолжительность высыпания песка в нижний сосуд и служила мерой времени. Такие часы делали не только из двух, но и из большего числа сосудов. Так, например, в одних часах, состоявших из четырех сосудов, первый сосуд опоражнивался за 15, второй — за 30, третий — за 45 минут, а четвертый — за 1 час. Затем сосуды поворачивались специально приставленным к ним человеком и вновь отсчитывали время, а обслуживающее их лицо отмечало прошедшие часы.

Песочные часы широко использовались на кораблях — так называемые «корабельные склянки», которые служили морякам для установления времени смены вахт и отдыха. В XIII в. сыпучую массу для песочных часов приготовляли из смеси песка и мраморной пыли, прокипяченной с вином и лимонным соком, повторяя эту операцию до десяти раз и снимая при этом появляющуюся накипь. Такая смесь сыпучего материала позволяла несколько увеличить точность определения времени. Теперь песочные часы широко используются преимущественно в медицинской практике.

Рис. 12. Огненные часы

Огненные часы. Более удобными и не требующими постоянного надзора были огненные часы, имевшие широкое распространение.

Одни из огненных часов, которыми пользовались рудокопы древнего мира, представляли собой глиняный сосуд с таким количеством масла, которого хватало па 10 часов горения светильника. С выгоранием масла в сосуде рудокоп заканчивал свою работу в шахте.

В Китае для огненных часов из специальных сортов дерева, растертого в порошок, вместе с благовониями приготовляли тесто, из которого делали палочки разной формы или чаще длинные, в несколько метров спирали (рис. 12). Такие палочки (спирали) могли гореть месяцами, не требуя обслуживающего персонала.

Известны огненные часы, представляющие одновременно и будильник (рис. 13). Для таких часов, а они впервые появились в Китае, к спирали или палочкам в определенных местах подвешивались металлические шарики, которые при сгорании спирали (палочки) падали в фарфоровую вазу, производя громкий звон.

Европейский вариант огненных часов, которыми особенно часто пользовались в монастырях, представлял собой свечи, на которых наносились метки. Сгорание отрезка свечи между метками соответствовало определенному промежутку времени.

Однако точность огненных часов, независимо от их конструкции, была весьма низка и во многом зависела от состояния окружающей среды — доступа свежего воздуха, ветра и других факторов.

Рис. 13. Огненные часы-будильник

Водяные часы. Более совершенными являлись водяные часы, которые в отличие от огненных не требовали систематического возобновления. Водяные часы были известны и широко использовались в Древнем Египте, Иудее, Вавилоне, Китае. В Греции их называли «клепсидрами» («воровками воды»).

Первые водяные часы представляли сосуд с отверстием, из которого вода вытекала за определенный промежуток времени. Так, например, в Африке, где ощущался недостаток воды, человек, ведавший ее распределением («укиль-эль-ма»), пуская воду на поле крестьянина, одновременно заполнял и сосуд. По истечении воды из сосуда прекращалась подача воды на поле крестьянина; ее пускали на поля другого земледельца.

В последующем создавались водяные часы самой различной конструкции, и определение времени по таким часам производилось по скорости вытекания воды из одного сосуда в другой. Сосуды имели метки, которыми пользовались для отсчета промежутков времени. Клепсидры использовали не только в быту (особенно ночью), но и для регламентации времени выступления ораторов в общественных собраниях и судах, при разводе караулов и в других случаях.

Точность определения времени по солнечным, песочным, огненным и водяным часам не превышала нескольких минут и даже десятков минут в сутки, чего, впрочем, было достаточно для экономических и общественных запросов того времени.

Своеобразные ручные «водяные» часы с высокой точностью хода созданы в наше время в Техасском университете (США). Источником энергии для них является подсоленная вода. Один раз в неделю несколько капель воды пускаются в специальное отверстие. Рекламируется безотказная работа часов в течение десяти лет, если вода будет в часах постоянно.

§ 11. Механические часы

По мере развития производительных сил, роста городов повышались требования к приборам для измерения времени, с помощью которых можно было бы регулировать хозяйственную, культурную и научную деятельность не только городов, но и целых стран. Для решения этой задачи в конце XI — начале XII вв. были изобретены механические часы с колесами и гирями, ознаменовавшие собой целую эпоху. К. Маркс писал Ф. Энгельсу 26 января 1863 г.: «Часы — это первый автомат, употребленный для практических целей. На их основе развилась вся теория производства равномерного движения» [21]. На создание механических часов в современном понимании было затрачено огромное количество энергии, знаний, остроумия и искусства.

Изобретение чисто механических часов, первое упоминание о которых относится к византийским источникам конца VI в. н. э., некоторые авторы приписывают Пацификусу из Вероны (IX в.), а другие — папе Сильвестру II (X в.) (в прошлом монаху Герберту), который якобы сделал башенные часы с гирями для г. Магдебурга (ныне в ГДР) [22]. Лишь спустя четыре столетия появились часы, в которых вращение колес осуществлялось с помощью шпинделя — валика, вращающегося под действием подвешенного к нему груза. Эти часы до XVI в. имели только часовую стрелку, а точность их хода не превышала четверти часа в сутки. Они уже имели в основном все узлы современных настенных часов.

Оригинальные гиревые шпиндельные часы-куранты с движущимися фигурами были установлены в 1354 г. в Страсбурге (Франция) на здании собора. Они имели указатели среднего солнечного и звездного времени, вечный календарь с праздниками, показывали время восхода и захода Солнца, фазы Лупы и затмения. Известны часы, установленные в XII в. на 97-метровой колокольне собора святого Ромбо в Брюсселе. Они связаны автоматически с системой знаменитых 49 колоколов с «малиновым» звоном. В Стокгольме каждый район города имеет свои куранты.

Однако весьма заметный шаг вперед в создании механических часов сделал Галилео Галилей (1564–1642), открывший явление изохронности маятника при малых колебаниях, т. е. независимости периода колебаний от амплитуды. Это послужило ему основанием для предложения в 1640 г. конструкции маятниковых часов, в которых колебания маятника и их счет производились автоматически. Эта конструкция осуществлена не была [23].

Изобретателем современных маятниковых часов принято считать физика Христиана Гюйгенса (1629–1695), предложившего их в 1657 г. и усовершенствовавшего в 1673 и в 1675 гг. Гюйгенс применил вместо шпиндельного устройства баланс, что позволило значительно увеличить точность хода часов.

Большой известностью пользуются часы, установленные на башне ратуши на Староместской площади в Праге. Два их циферблата, расписанных выдающимся чешским художником И. Манесом, украшены знаками зодиака и движущимися фигурами. Их создал, как утверждает легенда, знаменитый астроном и математик Ганус из Ружи. Чтобы нигде не было часов красивее этого чудесного творения, их создателя якобы ослепили.

Весьма оригинальны башенные часы в г. Шумене (Болгария) с молоточками и двумя колоколами, издающими бой 144 раза в сутки (каждые 10 минут!). На мраморной плите у основания башни часть древней турецкой надписи гласит: «На этих часах Венера будет маятником, Вселенная — колесом, а божье Солнце — звонком…».

Башенные часы в г. Бернбурге (ГДР), установленные в 1875 г. на местной ратуше, имеют 23 циферблата, по которым и теперь можно определить точное время многих столиц мира, расположение планет Солнечной системы, а одна из стрелок, указывающая дату, совершает полный оборот за четыре года.

На одной из башен близ Сан-Франциско установлены часы, которые каждый час издают звук, напоминающий мычание коровы, а в полдень и в полночь слышится мычание целого стада. Одни из самых больших часов в Европе недавно установлены во Франции на здании одного из железнодорожных вокзалов в г. Сен-Кристоф; диаметр их циферблата равен 10 м. Известны уникальные часы весом 16 т, находящиеся на площади Александерплац в столице ГДР и показывающие всемирное время.

Португалец Аманду Жозе Рибейру создал механические часы весом 150 кг размером с телефонную будку, в которых использованы сочетания 16 тыс. букв и цифр, позволяющие определять также день недели и дату пасхи; они указывают фазы Луны, содержат термометр и барометр и могут служить будильником.

В России первыми механическими часами также были башенные, создававшиеся руками собственных часовых мастеров и получившие распространение в XV–XVII вв. Первые из них были сделаны в 1404 г. для Московского Кремля монахом Лазарем Сербиным. По предположению историков, первые куранты на Спасской башне были установлены примерно в 1491 г., вскоре после ее постройки. В летописях XVI в. уже упоминаются и часовых дел мастера, обслуживавшие эти часы. В 1624 г. механик Галоуэй установил на Спасской башне механические часы-куранты вместо прежних, а в конце XVII в. такие часы появились еще на трех башнях Московского Кремля.

В 1706 г. на Спасской башне были установлены новые часы, сделанные по заказу Петра I в Голландии, с циферблатом из 12 чисел. В том же году циферблат был переделан русскими мастерами, но эти часы по неизвестной причине со временем пришли в полную негодность. Вместо них установили большие куранты, обнаруженные в 1763 г. в Грановитой палате. После отступления армии Наполеона из Москвы часы были восстановлены Я. Лебедевым, за что ему присудили почетное звание Мастера Спасских часов. В 1851–1852 гг. были произведены ремонт и модернизация часов, выполненные известными мастерами, выходцами из Голландии, братьями Иваном и Николаем Бутенопами [24].

Механизм часов Московского Кремля — главных часов нашей страны — размещен на трех этажах башни; они имеют один основной колокол, отбивающий полные часы, и десять четвертных колоколов. Механизм этих часов до нашего времени трижды обновлялся. Два раза в день часы заводят и проверяют точность их хода по передаваемым сигналам.

Во время Семилетней войны Петр I распорядился все колокола перелить на пушки, но по сохранившейся легенде не тронул колокола курантов на колокольне Софийского собора в Вологде, так как ему понравилось искусное исполнение на них звонарем мелодии «Камаринской». В настоящее время эти куранты, являясь украшением города, служат эталоном времени. Гири курантов подтягиваются специальным воротом.

Более 100 лет назад были сооружены башенные часы в монастыре в Верколе, перевезенные в 30-х годах в Карпогоры (Архангельская обл.) и установленные на деревянном здании. Вот уже более 20 лет они издают мелодичный перезвон и указывают довольное точное время; они отремонтированы шофером З. Кокориным, который осуществляет постоянный контроль над ними.

На башне железнодорожного вокзала в г. Риге установлены куранты весом в 4 т, а в г. Ижевске находятся миниатюрные куранты с «малиновым» звоном, изготовленные механиком П. Лучинкиным по образцу курантов, сделанных им в свое время для старинной башни завода «Ижмаш», смотрителем которого он был.

В Ленинграде на башне одного из зданий Всесоюзного научно-исследовательского института им. Д. И. Менделеева (в прошлом Палата мер и весов) установлены самые точные механические часы города. Это единственные часы, которые за весь период блокады не останавливались ни на минуту. Они ежедневно приводятся в движение многопудовой гирей, поднимаемой специальным воротом, что самоотверженно выполнял старейший рабочий института И. Ф. Федотов, работавший еще с Д. И. Менделеевым.

В октябре 1917 г. В. Д. Бонч-Бруевич ‘(1873–1955), желая точно зафиксировать время взятия Зимнего дворца революционными массами, обратился из Смольного по телефону в Палату мер и весов к дежурившему там матросу, который со слов ученого — хранителя Палаты — сообщил: «Один час сорок минут двадцать две секунды». Показания часов на башне были сверены с показаниями находившихся в Палате часов службы времени.

Самыми молодыми курантами в нашей стране являются созданные В. Струковым и его сыном электронно-механические часы-гибрид, установленные в Воронеже на башне гостиницы «Воронеж» к четырехсотлетию города (1977 г.). Их циферблаты, обращенные на три стороны, показывают не только часы и минуты, но и секунды. Они отличаются высокой точностью хода: в любое время года за месяц они уходят вперед или отстают не более чем на шесть секунд; каждые полчаса они издают мелодичный звон, напоминающий перезвон колоколов, а в ночное время их громкий бой автоматически отключается специальным электронным устройством. Оригинальные часы установлены на башне «Кариллон» в городе Зальцбурге (Австрия): часы суток на них показывает большая стрелка, а минуты — маленькая, что вводит в заблуждение туристов.

Самые молодые электронные куранты оригинальной конструкции установлены на крыше высотной гостиницы «Йошкар-Ола» в столице Марийской АССР. Они сделаны студентами Марийского политехнического института под руководством заведующего кафедрой П. Лаврентьева. Каждые 15 минут над городом плывет одна из 18 мелодий, заложенных в памяти часов.

Но самые оригинальные часы — чудо-куранты конструкции В. М. Кальмансона — установлены над входом в Государственный ордена Трудового Красного Знамени Центральный театр кукол в Москве. Над циферблатом часов помещен большой петух, вокруг которого расположены двенадцать домиков. Каждый отбиваемый час петух сопровождает громким пением, поворачиваясь и хлопая крыльями. Одновременно с этим открывается один из домиков, из которого выходит кукла. Когда же часы отбивают двенадцать часов, открываются двери всех домиков, из них выходят медведь, козел, сова, ворона, заяц, лиса, обезьяна, кот, баран, поросенок, коза и волк и танцуют под музыку.

В 90-х годах XVIII в. русский механик-самоучка, изобретатель И. П. Кулибин (1735–1818), вошедший в историю также как мастер часовых дел, создал оригинальную конструкцию карманных часов [25] размером несколько меньше гусиного яйца, содержащих более 1000 деталей. В них вмонтирован механизм, исполняющий в полдень гимн, сочиненный самим Кулибиным. Он же создал и «планетные» карманные часы, которые кроме времени в секундах показывают времена года, месяцы и дни недели, фазы Луны, восход и заход Солнца. Известны и настенные часы И. П. Кулибина, которыми он пользовался [26].

Японская фирма «Кесио» выпустила настольные электронные часы трех модификаций с картинками. На панели этих часов, где высвечивается время, через каждый час появляется изображение дельфина, играющего мячом, совы с мигающими глазами и ветряной мельницы. Другая японская фирма «Ситезен» выпускает часы, которые в ответ на вопрос хозяина показывают не только время, но и по команде голосом выполняют 31 операцию, например показывают дату и время в пунктах, расположенных в двух различных часовых поясах.

Во второй половине 80-х годов на лужайке токийского парка «Хибия» были установлены «вечные» часы, циферблатом которых служит горизонтальная плита, а механизм приводится в действие энергией солнечных батарей. Большой интерес вызывают настольные «Часы населения», изготовленные фирмой «Сейко инструментс». Кроме времени суток, дней недели, месяцев и года они показывают общую численность населения на Земле и в странах — членах ООН. Часы созданы в связи с рождением пятимиллиардного жителя планеты и отражают изменение числа жителей в каждую минуту в соответствии с прогнозами экспертов ООН. В 1987 г. директор Фонда ООН для деятельности народонаселения вручил часы генеральному секретарю ООН Пересу де Куэльяру.

Интерес к коллекционированию уникальных часов не прекращается. Так, например, за исключительно высокую цену в 1,87 миллиона швейцарских франков на аукционе в Женеве в 1983 г. были приобретены часы, сделанные в 1650 г. замечательным часовщиком Ж. Кремсдорфом. Их корпус и циферблат покрыты эмалью, а цифры украшены бриллиантами. В 1987 г. на торговой ярмарке в г. Базеле (Швейцария) демонстрировались трое наручных механических часов, все детали которых сделаны вручную англичанином Д. Даниэла; самые дешевые из них оценены в 160 000 долларов. На Тайване большое внимание посетителей ярмарки 1987 г. привлекли часы гигантских размеров из дерева, предназначенные для украшения интерьера дома. В том же 1987 г. в Турине (Италия) проходила интересная ярмарка-выставка под девизом «Честь часам», в которой приняли участие 65 итальянских организаций и частных лиц, представивших «Синьоров времени» — так в Италии называют часы. Такие «часовые встречи» предполагается проводить регулярно и сделать их международными.

В последние годы швейцарские часовщики изыскивают необычные материалы: например, у часов модели «Рокуог» корпус сделан из гранита, а у модели «Метеорит» циферблат — из настоящего метеоритного железа. Недавно в этой же стране появились часы без циферблата и стрелок; их механизм заключен в герметическую трубку, и они показывают время при нажатии кнопки. Недавно здесь же были выпущены часы специально для женщин, механизм которых можно вставлять в пуговицы, броши, серьги. Несмотря на неудобство пользования часы имеют большой спрос.

В частной коллекции часовщика Ф. Фельдмана (Дрезден, ГДР) собрано 500 часов преимущественно немецких, швейцарских и французских мастеров; старейшими из них являются карманные часы 1780 г., а самыми новыми — механический хронометр, сделанный в ГДР в 80-х годах нашего века. В Венском музее часов демонстрируются более тысячи различных по конструкции и назначению хранителей времени. Среди них привлекает внимание посетителей уникальный механический астрономический календарь, сделанный в Австрии в 1815 г. Пользуется известностью частная коллекция римского тележурналиста Алессандро ди Паоло, в которой собраны экземпляры всех известных в XVIII–XX вв. часов.

Но самыми популярными механическими часами и теперь являются часы с кукушкой. Они, как гласит легенда, были изобретены в 1720 г. (по другим данным — в середине XVI в. немецким механиком А. Кеттером) в Германии, чтобы развеселить принцессу печального нрава. Одни из первых часов с кукушкой находятся в частной коллекции в г. Циттау (ГДР), где собрано более 500 механических часов и среди них часы, изготовленные в 1470 г. русскими мастерами из дерева, а также различные «ходики» и специальные часы для курьеров. В последнее время в США появились механические часы, в которых кукушка не просто высовывается, а выходит из дверцы наружу.

В Центральном военно-историческом музее (Ленинград) экспонируются часы двухметровой высоты, сделанные крепостным крестьянином Ярославской губернии Л. С. Нечаевым в 1837–1851 гг. Они привлекают внимание массивным необычной конструкции маятником и множеством циферблатов, по которым можно определять не только время, но и год, месяц, число, день недели, продолжительность дня и ночи, увеличение и уменьшение дня (в минутах и секундах), восход и заход Солнца и Луны, а также узнать, простой год или високосный. В верхнем дугообразном вырезе основного циферблата с восходом Солнца появляется двигающийся по этому вырезу металлический диск-светило, который прячется с заходом Солнца. Его восход и заход сопровождаются мелодиями русских народных песен.

В 1848 г. раздался мелодичный звон часов-курантов с полуметровым циферблатом, установленных на городском соборе в г. Чермоз (Пермская обл.), с указателем чисел месяца и фаз Луны. Эти часы созданы умельцем Егоркой Епишкиным, рабочим листопрокатного Чермозского завода — сыном приписанного к заводу крепостного.

В 1851 г. крепостной Василий Рысов сделал часы-куранты, установленные на 66-метровой колокольне в г. Слободском (Кировская обл.), которыми жители пользуются и теперь. В краеведческом музее этого города собрана интереснейшая и очень богатая коллекция механических часов, и среди них особое внимание привлекают часы талантливых вятских умельцев.

Большое удивление вызывают часы, сделанные вятским краснодеревщиком Семеном Бронниковым из дерева и отличающиеся изяществом и точностью хода. Их корпус и футляр сделаны из капа, стрелки — из жимолости, волосок и пружины — из закаленного бамбука, а весь механизм и циферблат — из пальмы. Таких часов было сделано несколько экземпляров, и они хранятся в музеях разных городов нашей страны и в Оружейной палате Московского Кремля. В музее экспонируются также часы-календарь, показывающие не только время, но и названия месяцев, дней недели, число месяца и фазы Луны. Руками русских мастеров создавались механические часы самых различных видов и назначений. Например, известны настольные часы, сделанные М. Перхиным. Они представляют собой золотую вазу с букетом лилий, вырезанных из матового белого оникса. В них циферблатом служит равномерно движущееся эмалевое кольцо с римскими цифрами, а стрелка закреплена неподвижно перед ним.

В Государственном Объединенном историко-революционном музее г. Иванова экспонируются единственные в мире универсальные астрономические часы, являющиеся искусством рук парижского механика Альберта Биллете, сделанные в 1873 г. Они показывают одновременно около ста различных переменных величин, индексов и наименований: движение Земли и других планет вокруг Солнца, видимое суточное движение Солнца, Луны и звезд северного полушария. Другая часть часов состоит из механических календарей, показывающих летосчисление по григорианскому, юлианскому, еврейскому и магометанскому календарям (см. гл. 3). В третьей их части на 37 циферблатах просчитывается поясное время для разных городов Европы, Азии, Южной и Северной Америки, Африки и Австралии, время восхода и захода Солнца, продолжительность дня и ночи, даты равноденствий и некоторые другие астрономические величины. После восстановления их в 1943 г. доцентом Ивановского педагогического института А. В. Потоцким они продолжают идти до сих пор.

В Музее этнографии и художественного промысла АН УССР (г. Львов) на выставке, открытой в 1974 г., экспонируется более 300 башенных, каминных, настольных, настенных, карманных и ручных часов, созданных в разных странах. Здесь особое внимание посетителей привлекают бронзовые часы, изготовленные четыре века назад. На их корпусе пять циферблатов, по которым кроме времени суток можно определить фазы Луны, месяц и дни недели и другие данные.

В Музее г. Клайпеды (ЛитССР) собраны разнообразные песочные, солнечные и механические часы всевозможных размеров и назначений, разных времен и народов, начиная с созданных в XV–XVII вв. тульскими мастерами и кончая часами отечественных заводов нашего времени. Среди них особенно примечательны часы XVI в., на циферблате которых нанесена шкала с фазами Луны, знаками зодиака; ими пользовались мореплаватели того времени.

С 1967 г. в г. Ангарске открыта постоянная выставка, содержащая более 150 старинных механических часов, изготовленных русскими мастерами, и все они действующие. Здесь экспонируются и часы, побывавшие в космосе на борту станции «Салют-6» вместе с летчиком-космонавтом, дважды Героем Советского Союза Г. М. Гречко.

Богатая частная коллекция, содержащая 500 механических часов различных марок и видов — немецких, французских, итальянских, английских, швейцарских и других фирм, собрана В. А. Чубатовым в г. Колчинске (Омская обл.).

Интересна коллекция старинных часов корабельного механика из Таллина А. Прокопчука, насчитывающая около 150 экземпляров; среди них особенно примечательны настольные часы английского мастера Елефа Дейтона и оригинальные карманные часы XVII в.

Ярославский музей-заповедник в последние годы пополнился оригинальными настольными механическими часами, изготовленными в начале XVIII в. и представляющими редкий образец декоративного прикладного искусства. При их оформлении использованы литье, резьба, чеканка и инкрустация медью по черепаховому панцирю. Там же находятся долго молчавшие, но теперь действующие часы середины XVIII в., недавно отремонтированные врачом Р. Фоминым и дополненные им декоративной маятниковой стрелкой.

В 1986 г. во Владимиро-Суздальском музее-заповеднике открыта коллекция хранителей времени под девизом «Tempus fugit» (время бежит), включающая более 500 действующих часов.

В одном из залов Политехнического музея в Москве размещена наиболее полная в СССР коллекция самых различных часов, представленная в их историческом развитии. В нее включены «стражи времени» от первых примитивных до самых сложных современных автоматических механизмов, созданных в разное время. Среди ее экспонатов особого внимания заслуживают различные часы русских мастеров. Так, например, уникальные часы с годовым заводом, имеющие 14 циферблатов, показывающих кроме времени дня месяцы, числа и дни недели, время захода и восхода Солнца, фазы Луны. На создание этих часов потребовалось 25 лет. Весьма оригинальные часы, сделанные в 1885 г. крестьянином Ф. Т. Скородубовым из дерева, проволоки и гвоздей с гирями из четырехпудовых камней. Выдающимся свидетельством развития науки и техники являются часы знаменитого украинского мастера Н. С. Сядристого, представляющие стрекозу в натуральную величину, сделанную из стекла и золота, в один глаз которой вмонтированы самые миниатюрные в мире электронные часы. В 1985 г. коллекция музея пополнилась оригинальными напольными часами, отдельные детали ходовых частей которых представляют копию кремлевских курантов. Для повышения точности этих часов мастер И. Бутеноп, о котором мы уже говорили, использовал достижения техники хронометрии середины XIX в. и внес собственные усовершенствования.

В России первые астрономические часы были созданы механиком Т. И. Волосковым (1712–1806), сыном ржевского (бывшая Тверская губ.) купца, отличавшиеся высокой для своего времени точностью хода. Часы содержали, по словам автора, «в совокупности все то, что соединено в природе непрерывной связью». Часы представляли сложный и весьма остроумный механизм, удивлявший современников конструкцией и точностью хода. В них одно колесо обращалось вокруг оси только один раз за четыре года. Они имели несколько циферблатов и показывали с точностью до секунд не только местное время, но и время во всех точках земного шара, месяцы года, положение Солнца, Луны и звезд. Ими долгое время пользовались астрономы, например, при вычислении координат звезд. На циферблате часов были надписи: «Луна по небу летит», «Земной шар светит», «Ржевский купец Терентий Иванович Волосков». Часы Т. И. Волоскова были как бы составлены из прежде сконструированных им часов, на одних из которых показывалось положение Солнца на небосводе, на других, кроме часов и минут, — число месяца (с 28 днями в феврале простого и 29 днями в феврале високосного годов), а на третьих — изменение фаз Луны. До 1941 г. астрономические часы Волоскова экспонировались в Ржевском краеведческом музее; в период оккупации они исчезли.

В начале XX в. в России широкое распространение на астрономических обсерваториях получили одномаятниковые механические часы Рифлера, предложенные им в конце XIX в., и двухмаятниковые часы Шорта, созданные в Великобритании в 1920 г. Один из маятников, называемый «свободным» или «первичным», заключен в медный цилиндр с откачанным из него воздухом. Случайные погрешности в суточном ходе таких часов не превышали нескольких тысячных долей секунды.

Часы аналогичной конструкции были сделаны по проекту Ф. М. Федченко на ленинградском заводе «Эталон» со «свободным» маятником, изготовленным из инвара (сплава стали и никеля), который почти не реагирует на изменения температуры, давления воздуха и различные вибрации. Часы длительное время использовались на астрономических обсерваториях и были достаточно точными; их суточная вариация хода не превышала ± (0,003–0,004) секунды.

В 1986 г. часовщик X. Пекли (ФРГ) создал оригинальные часы-комбайн с астрономическим хронометром: они показывают время любого часового пояса, восход и заход Солнца, фазы Луны и ведут счет дней и недель.

§ 12. Кварцевые и атомные часы

Наблюдения Солнца, планет и звезд дают возможность определять вековые колебания периода вращения Земли. Однако астрономов интересуют и короткопериодические колебания.

При нынешнем развитии науки и техники необходима точность измерения времени до тысячных и даже миллионных и миллиардных долей секунды.

Повышение требований к точности определения времени необходимо, например, в системах автоматического управления производственными и технологическими процессами в промышленности и на всех видах транспорта, при изучении сверхбыстрых процессов, происходящих в атомном ядре, при установлении эффективности технических средств связи между континентами, при запусках космических аппаратов и космических полетах. По сверхточному времени сверяются результаты на станциях оптического наблюдения за искусственными спутниками Земли и во многих других случаях. Даже такой далеко не полный перечень подтверждает широкие и разносторонние сферы применения приборов для определения точного времени и показывает, насколько обширен круг задач, выполняемых с их помощью. Решение таких задач требует и более точных часов, чем выпускаемые для этих целей заводом «Эталон».

Более точными часами, пришедшими на смену маятниковым в 30-е годы, были кварцевые часы. В них взамен маятника использовались упругие пьезоэлектрические колебания пластинок кварца, т. е. деформации этих пластинок при подведении к их граням переменного электрического тока. Такие колебания кварца обладают при определенных условиях абсолютной стабильностью, не зависящей от силы земного тяготения, землетрясений и других явлений природы.

Кварцевые часы, погрешность хода которых не превышает микросекунды за день, применяются в качестве первичных для электронной станции в Гамбурге, гарантирующей синхронную работу всех электронных часов, включенных в систему; станция может управлять сетью, состоящей примерно из 20 000 вторичных электронных часов.

Завод художественных часов в Москве начал выпуск кварцевых настенных часов с кукушкой, отличающихся высокой точностью хода.

Часовая промышленность СССР освоила выпуск наручных электронно-кварцевых часов, отличающихся высокой точностью хода; за сутки они могут отстать или уйти вперед не более чем на две секунды.

После разработки академиками Н. Г. Басовым и Л. М. Прохоровым в 1954 г. генераторов высокостабильных колебаний [27] были созданы часы, маятником в которых служат колебания молекул аммиака. Такие часы называют «квантовыми» или «атомными», а иногда «молекулярными». Они позволяют получать «атомные секунды». Время, отсчитываемое по таким часам, называют атомным. 24 атомных часа составляют атомные сутки, содержащие 86 400 атомных секунд, которые не связаны ни с вращением Земли, ни с временем, определяемым астрономически.

Исследования показали возможность достижения точности хода атомных часов до миллионной доли секунды в сутки, т. е. они могут отстать на одну секунду от времени, определяемого астрономически, лишь за 500 000 лет. Работу таких часов, представляющих комплекс сложных приборов, контролирует квантовый генератор. Атомные часы хранятся во Всесоюзном Ордена Трудового Красного Знамени НИИ физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) под Москвой. Они и являются центром времени и частоты СССР; их официальное название «Государственный первичный эталон времени и частоты». Для таких часов — хранителей точного времени, установленных в глубоком подвале, обеспечивается специальный режим; им необходим абсолютный покой. Их оберегают от колебаний температуры, влажности, давления, от вибрации и других внешних воздействий; даже незначительные колебания гасятся специальной конструкцией их фундамента. Это от них идут шесть коротких сигналов, передаваемых в нашей стране каждый час по радио: информация о точном времени, которую ежедневно слышат миллионы людей.

Высокая точность атомных часов позволила по разности всемирного и атомного времени определить сезонные неравномерности вращения Земли, что является причиной нестабильности в длительности суток, в годовом и полугодовом периодах, составляющие соответственно 0,0005 и 0,0003 секунды. Установлено, что, например, в июле сутки короче апрельских и ноябрьских примерно па 0,001 секунды. Однако, несмотря на высокую точность атомного счета времени, необходимость во времени, определяемом астрономически, сохраняется при решении ряда задач астрономии, геодезии и других наук.

Однако развитие научно-технической революции потребовало определения времени с еще большей точностью, стимулируя этим работы по совершенствованию Государственного первичного эталона времени и частоты. Поэтому с 1983 г. в СССР пользуются новым первичным эталоном времени, основу которого составляют два метрологических цезиевых репера частоты, из которых каждый воспроизводит «размер» секунды в системе СИ. Этот эталон по своим метрологическим характеристикам значительно превосходит эталон 1967 г., а по точности — все известные стандарты частоты; он входит в число трех лучших первичных эталонов времени и частоты мира.

В последние годы учеными Института теплофизики Сибирского отделения АН СССР созданы еще более точные часы. В них «маятник» заменен единственным в мире стабильным лазером. Он производит миллион миллиардов колебаний — ритмических световых вспышек в одну секунду времени, а часы с таким «маятником» — оптические часы — характеризуются погрешностью хода в одну секунду за 10 миллионов лет [29]. На основе такого лазера представляется возможным создать единый эталон времени — частоты — длины, понимая под последним метр как «длину пути, проходимого плоской электромагнитной волной в вакууме за 1/299 792 485 секунды». Такое определение метра было рекомендовано в 1983 г. Консультативным комитетом Международного бюро мер и весов. Хотя такой эталон, такие часы находятся еще в стадии совершенствования, но «…все же они уже живут не в мечтах, не в планах, а в реальности, «в железе» [30].

Во Франции в портовом городе Гавре установлены новые часы гигантских размеров, показывающие, как считают жители города, самое точное время на Земле и аналога которым нет в мире, или, во всяком случае, во Франции. Они допускают отставание на одну секунду за 250 000 лет, что достигается благодаря «атомному синхронизатору». Их специальное устройство принимает, посредством спутниковой связи, постоянные сигналы одной из обсерваторий Швейцарии, располагающей атомными часами.

На здании же крупного культурного центра («Центра Помпиду») в Париже установленные несколько лет назад электронные часы беспрерывно отсчитывают секунды, оставшиеся до 2000 года. На индикаторе этих часов, предназначенных отметить начало XXI века, 0 секунд будет в ночь с 31 декабря 1999 г. на 1 января 2000 г., в то время как это должно быть на год позднее, так как XXI век начинается 1 января 2001 г.

Японская фирма «Сэйко инструменте» создала оригинальные «часы-магнитофон» на жидких кристаллах с двумя блоками памяти, воспроизводящие голос человека в течение 8 секунд.

В настоящее время на мировом рынке наблюдается значительное перепроизводство наручных часов. Поэтому конкурирующие фирмы создают часы, которые не только отличаются размерами и материалами, из которых изготовлен корпус, но содержат и дополнительные, кроме часового механизма, устройства — калькуляторы, пульсомеры, влагомеры и др.

§ 13. Международная служба времени

Решение ряда научных и технических задач требует знания точного времени. Так, например, многолетние тщательные измерения расстояния между одними и теми же пунктами, находящимися в Европе и в Северной Америке, позволили установить изменение этого расстояния. Оказалось, что материки сближаются, и скорость этого сближения на широте 45° составляет около 65 см в год. Такому смещению материков соответствует изменение местного времени на 0,002 секунды, что подтверждает необходимость измерения времени в отдельных случаях <например, для определения долготы места) с очень высокой точностью.

Точное определение долгот точек, расположенных на нашей планете, требует решения двух вспомогательных задач: проведения специальных астрономических наблюдений Солнца или звезд и приема передачи точного времени (без потери при этом точности) из тех мест, где его получают и хранят с помощью высокоточных часов.

Получение моментов точного времени производилось до недавнего времени в астрономических обсерваториях их службами времени. Изобретение радио коренным образом изменило характер и методы работ служб времени. Уже первые опыты по передаче сигналов точного времени по радио, произведенные в начале XX в., показали необходимость создания международной организации для координации подачи радиосигналов времени и определения их погрешностей. В 1912 г. по предложению Бюро долгот в Париже состоялась международная конференция представителей 16 стран, на которой был избран специальный комитет под председательством академика О. А. Баклунда (1846–1916), в то время директора Пулковской обсерватории, но мировая война 1914 г. прервала работу этого комитета. И только в 1919 г. на конференции в Брюсселе был создан Международный астрономический союз — MAC [31], и одним из первых решений Специальной комиссии этого союза было учреждение в Париже постоянно действующего Международного Бюро времени (МБВ), деятельность которого началась с 1 января 1920 г.; в его задачу входит координация работ и обобщение результатов всех служб времени мира.

§ 14. Служба времени СССР

Теперь точное время узнают преимущественно по радио. Когда радио не было, часы выверяли у часовщиков, которые сверяли время на телеграфе.

В 1863 г. впервые точное время, определенное в Пулковской обсерватории из астрономических наблюдений, было передано по проводам в Главную петербургскую телеграфную контору, с часами которой сверялось время во всех телеграфных учреждениях России.

В нашей стране обеспечение потребностей народного хозяйства высокоточным временем и эталонными частотами осуществляет Государственная служба времени и частоты СССР, эталонная база которой включает первичный эталон, хранящийся в ВНИИФТРИ, и ряд вторичных эталонов, находящихся в различных городах СССР.

В нашей стране организация служб времени, которая теперь представляется Государственной комиссией единого времени и эталонных частот СССР, по существу началась только после Великой Октябрьской социалистической революции. Началом ее организации надо считать регулярные, начиная с 1 декабря 1920 г., ежедневные трансляции радиосигналов точного времени через Петроградскую радиостанцию «Новая Голландия» вначале в 19 часов 30 минут, а с июля 1921 г. — в 19 часов по всемирному времени, поступающих от астрономических часов Пулковской обсерватории. С мая 1921 г. сигналы точного времени передавались через Октябрьскую радиостанцию г. Москвы ежедневно в 22 часа по всемирному времени.

В 1924 г. был создай Междуведомственный комитет службы времени при Пулковской обсерватории, начавшей с 1925 г. выпуск бюллетеней с расписанием передач сигналов точного времени как отечественными, так и зарубежными радиостанциями с точностью примерно в несколько сотых долей секунды.

С 1952 г. передачи сигналов времени и частоты осуществляются через целую сеть коротковолновых и длинноволновых радиостанций от высокоточных часов через специальную аппаратуру, что значительно повысило точность таких передач.

В СССР службы времени были созданы в Ташкентской астрономической обсерватории (1928 г.), в Государственном астрономическом институте им. П. К. Штернберга в Москве (1929 г.), а затем в Харькове (1935 г.), Николаеве (1938 г.), Ленинграде (1947 г.), Риге (1951 г.), Иркутске (1953 г.), Новосибирске (1957 г.) и других местах. В настоящее время в СССР действуют 12 служб времени.

В начале Великой отечественной войны некоторые службы времени (Пулковская, Харьковская и др.) прекратили свою работу, а службы времени Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга (ГАИШ) и при Центральном научно-исследовательском институте геодезии, аэросъемки и картографии (ЦНИИГАиК) были эвакуированы — первая в Свердловск, а вторая в Джамбул КазССР и вместе с Ташкентской службой времени, не прекращавшей свою деятельность, проводили всю работу по обеспечению точным временем всех запросов страны.

С 1964 г. службы времени ГАИШ и ЦНИИГАиК были преобразованы в одну объединенную Службу времени в Москве.

В 1948 г. функции Междуведомственного комитета перешли к Междуведомственной комиссии единой службы времени при Комитете по делам мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР, преобразованной в Государственную комиссию единого времени и эталонных частот СССР и Центральное научно-исследовательское бюро единой службы времени, в задачу которых входят решение вопросов, относящихся к передаче сигналов точного времени, координация работ различных ведомств в области служб времени и решение вопросов, касающихся поясной системы счета времени — границ часовых поясов на территории СССР. На очереди решение вопроса, связанного с единым временем как для земных, так и для космических приборов, а для этого эталоном времени, как предполагают специалисты, могут стать сигналы нейтронных звезд — пульсаров, по которым должны проверяться сверхточные земные часы.

Передачи службой времени сигналов времени на любые расстояния с высокой точностью позволяют легко сравнить получаемые результаты каждой из них с аналогичными результатами других служб времени.

Примечания:

Ленин В. И. Полн. собр. соч. — Т. 18.— С. 181.

Энгельс Ф. Анти-Дюринг. — М.: Госполитиздат, 1948.— С. 49.

Источник