ШКОЛА В «КВАНТЕ»
«Не забудьте про часы!»
С.ПАРНОВСКИЙ
Так утверждают поэт Андрей Вознесенский, певец Максим Леонидов и театр клоунады «Лицедеи» в старом фильме «Как стать звездой». А насколько будет плохо, если забыть? Спросим у ученых. Сейчас нашу жизнь просто пронизывает информация о том, где именно мы находимся в потоке времени. Включив смартфон или компьютер, мы немедленно узнаем точное время, и каждую минуту часы меняют свои показания, синхронизированные с сигналами точного времени, с данными навигационных спутников, с эталонами… Короче, с особо точными часами. Японские ученые сравнили ход подобных суперхронометров у подножия и на вершине токийской телебашни и в очередной раз подтвердили предсказание Альберта Эйнштейна о том, что скорости течения времени у этих часов На вершине время течет немного быстрей. Но было время, когда никто не считал минуты, не говоря уже о наносекундах. Было нечем и, вообще говоря, особо незачем. Вспомним классику: «Когда д’Артаньян подходил к пустырю, находившемуся подле монастыря, пробило полдень. Атос ожидал его всего пять минут – следовательно, д’Артаньян был безукоризненно точен и самый строгий судья в законах дуэли не имел бы повода упрекнуть его». А кого перестала устраивать «безукоризненная точность» с
1 Группа ученых во главе с профессором Токийского университета Хидетоси Катори в 2020 году сравнила ход компактных сверхточных атомных часов, помещенных у подножия телевышки «Небесное дерево» и на смотровой площадке на высоте 450 метров. Часы на высоте шли примерно на пять стотрилионных быстрее, чем часы внизу. За сутки они убегали вперед примерно на 4,3 наносекунды. За год разница составила бы 1,6 микросекунды.
DOI: https://doi.org/10.4213/kvant20210804
ошибкой в пять минут задолго до того, как актриса Людмила Гурченко спела одноименную песню в фильме «Карнавальная ночь»? Это были астрономы и мореплаватели. Они фиксировали время, когда происходят разные астрономические события, начиная от банальных восхода или захода солнца и кончая затмениями на Земле или на спутниках Юпитера. И началось это в очень давние Мореплаватели использовали астрономические наблюдения для того, чтобы определить положение своего корабля, т.е. для навигации. Для определения долготы им надо было иметь еще и надежный хронометр, выставленный по времени какой-то реперной точки, например Гринвичской обсерватории возле Лондона. Просто для того, чтобы было с чем сравнить определенное из астрономических наблюдений местное вре-
2 Про так называемый антикитерский механизм, нечто вроде древнего прообраза примитивного компьютера для предсказания астрономических событий, написано в замечательной книге Джо Мерчант «Антикитерский механизм. Самое загадочное изобретение Античности».
26
КВАН T 2021/№8
мя. Как из этих данных можно получить долготу, прекрасно объясняется, например, в книге Жюля Верна «Таинственный остров». Предположим, что корабельный хронометр ошибается на пять минут. Тогда долгота будет определена с ошибкой в 5 15 c. Для корабля, плывущего возле экватора, это соответствует 75 морским милям, приблизительно 140 километрам. В другой океан не заплывем, но мимо небольшого острова с пиратским кладом промажем. Да и на рифы или мель сесть можно. Откуда появились 15 c при расчете? За 24 часа Земля делает один оборот, т.е. поворачивается на 360q. Тогда за час она повернется на 15q, или на 15 c за минуту. На самом деле на корабле в идеале должно быть не менее трех хронометров. Почему? Попробуйте догадаться сами. Если не хотите, то посмотрите Сейчас есть и более надежные средства узнать свое положение на нашей планете. Но точный эталон времени пригодится и в космосе на борту спутника. Так, два американских спутника, получившие название Gravity Probe, использовали его для проверки общей теории относительности (ОТО), а российский Радиоастрон – для того, чтобы в связке с наземными антеннами образовать космический радиоинтерферометр с беспрецедентным разрешением до миллионных долей угловой секунды. В древности самые надежные и бесплатные часы были основаны на движении Солнца и звезд по небосводу, т.е. с видимым проявлением вращения Земли. Пусть небо иногда и покрыто тучами, все равно никакие периодические явления, вроде пения петуха или желания выпить у корабельного боцмана, не могли конкурировать с такими часами по точности определения времени. А если рядом нет, к примеру, регулярного гейзера с постоянным интервалом времени между выбросами струй, то можно организовать что-то с постоянным периодом или изменяющееся с приблизительно постоянной скоростью. Мы знаем водяные часы, свечи и лампы, используемые для отсчета времени. Но ни один из этих методов не может даже отдаленно сравниться по точности с самыми при-
3
Если на корабле два хронометра и их показания отличаются, то не ясно, какой из них врет. Если их три, то два из них покажут приблизительно одинаковое время.
митивными механическими часами с маятником. И ключевыми здесь являются слова «с маятником». Просто механические часы могли иметь неплохую точность, но она существенно улучшилась после того, как в Европе в XIII веке придумали первый, еще примитивный анкерный (он же спусковой) механизм, более надежно обеспечивающий постоянство средней скорости хода. Затем девятнадцатилетний Галилео Галилей в 1583 году во время службы в Пизанском соборе обратил внимание на раскачивание люстры. Используя собственный пульс в качестве прибора для отсчета времени, он обнаружил, что период колебаний маятника почти не зависит от амплитуды этих колебаний. Применив новое знание к практике, известный ученый Христиан Гюйгенс усовершенствовал часы – в 1657 году он получил голландский патент на конструкцию маятниковых часов. Более того, часы реально работали и обеспечивали превосходную для того времени точность хода. Это открыло дорогу их массовому производству и применению. Заметим, что Гюйгенс не ограничился маятником, в котором точка перемещается по окружности. Существует кривая, описывающая профиль углубления, в котором период колебаний материальной точки никак не зависит от амплитуды. Она называется циклоидой, а за это свое свойство получила дополнительное прозвище «таутохрона» – от переведенного на греческий язык слова «равновременная». Название «циклоида» придумал Галилей (во Франции эту кривую сначала называли рулеттой). Гюйгенс не только установил таутохронность циклоиды, но и придумал, как заставить подвешенный на нитке груз колебаться именно по циклоиде. Об этом и многом другом он написал в своей книге «Маятниковые часы» (точнее, «Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica», короткие названия тогда были не в моде), вышедшей в 1673 году. Можно долго рассказывать, как постепенно усовершенствовали часы, добиваясь того, чтобы их показания были надежными, не подверженными внешним воздействиям. Достаточно упомянуть, что точный и надежный морской хронометр был придуман в Великобритании только в 1735 году. Было