"Đừng quên đồng hồ!"

TRƯỜNG KVANT

“Đừng quên đồng hồ!”

S. PARNOVSKY

Đây là những gì nhà thơ Andrei Voznesensky, ca sĩ Maxim Leonidov và nhà hát hề Litsedei nói trong bộ phim cũ Làm thế nào để trở thành một ngôi sao. Sẽ tệ thế nào nếu bạn quên? Hãy hỏi các nhà khoa học. Giờ đây, cuộc sống của chúng ta chỉ đơn giản là tràn ngập thông tin về chính xác chúng ta đang ở đâu trong dòng thời gian. Bằng cách bật điện thoại thông minh hoặc máy tính, chúng ta sẽ biết ngay thời gian chính xác và mỗi phút đồng hồ sẽ thay đổi số đọc, được đồng bộ hóa với tín hiệu thời gian chính xác, với dữ liệu từ vệ tinh dẫn đường, với các tiêu chuẩn… Nói tóm lại, với một chiếc đồng hồ đặc biệt chính xác. Các nhà khoa học Nhật Bản đã so sánh tiến độ của các máy đo siêu thời gian tương tự ở chân và trên đỉnh tháp truyền hình Tokyo và một lần nữa xác nhận dự đoán của Albert Einstein rằng tốc độ dòng thời gian của những chiếc đồng hồ này là $различаются.^{1}$ Ở phía trên, thời gian trôi nhanh hơn một chút. Nhưng đã có lúc không ai đếm được từng phút chứ đừng nói đến nano giây. Không có gì và nói chung là không có gì đặc biệt cả. Chúng ta hãy nhớ lại câu nói cổ điển: “Khi D’Artagnan đến gần khu đất trống gần tu viện thì đã đến buổi trưa. Athos đợi ông ta chỉ có năm phút - do đó, D’Artagnan chính xác hoàn hảo và người phán xét nghiêm khắc nhất về luật đấu tay đôi sẽ không có lý do gì để chê trách ông ta.” Và ai không còn hài lòng với “độ chính xác hoàn hảo” với

1 Một nhóm các nhà khoa học do Giáo sư Đại học Tokyo Hidetoshi Katori dẫn đầu vào năm 2020 đã so sánh tiến trình của đồng hồ nguyên tử nhỏ gọn siêu chính xác đặt dưới chân tháp truyền hình Sky Tree và trên đài quan sát ở độ cao 450 mét. Đồng hồ ở độ cao đang chạy nhanh hơn khoảng năm trăm nghìn tỷ so với đồng hồ bên dưới. Trong suốt một ngày, chúng chạy về phía trước khoảng 4,3 nano giây. Trong suốt một năm, sự khác biệt sẽ là 1,6 micro giây.

DOI: https://doi.org/10.4213/kvant20210804

một lỗi kéo dài năm phút trước khi nữ diễn viên Lyudmila Gurchenko hát bài hát cùng tên trong bộ phim “Carnival Night”? Đây là những nhà thiên văn học và hoa tiêu. Họ đã ghi lại thời gian xảy ra nhiều sự kiện thiên văn khác nhau, từ bình minh hoặc hoàng hôn tầm thường đến nhật thực trên Trái đất hoặc trên các vệ tinh của Sao Mộc. Và điều này bắt đầu từ thời rất xa xưa $времена.^{2}$ Những người thủy quân lục chiến đã sử dụng các quan sát thiên văn để xác định vị trí con tàu của họ, tức là để điều hướng. Để xác định kinh độ, họ cũng phải có một chiếc đồng hồ bấm giờ đáng tin cậy, được đặt theo thời gian của một số điểm tham chiếu, chẳng hạn như Đài thiên văn Greenwich gần London. Chỉ để có thứ gì đó để so sánh với giờ địa phương được xác định từ các quan sát thiên văn.

2 Về cái gọi là cơ chế Antikythera, một thứ giống như nguyên mẫu cổ xưa của một chiếc máy tính nguyên thủy để dự đoán các sự kiện thiên văn, được viết trong cuốn sách tuyệt vời của Jo Merchant, “Cơ chế Antikythera. Phát minh bí ẩn nhất thời Cổ đại.”

26

KVAN T 2021/Số 8

Tôi. Kinh độ có thể thu được từ những dữ liệu này như thế nào đã được giải thích một cách hoàn hảo, chẳng hạn như trong cuốn sách “Đảo bí ẩn” của Jules Verne. Giả sử đồng hồ bấm giờ của con tàu lệch đi 5 phút. Khi đó kinh độ sẽ được xác định với sai số 5 15 s. Đối với một con tàu đi gần xích đạo, khoảng cách này tương ứng với 75 hải lý, khoảng 140 km. Chúng ta sẽ không đi đến một đại dương khác, nhưng chúng ta sẽ bỏ lỡ một hòn đảo nhỏ với kho báu của cướp biển. Có, và bạn có thể mắc cạn trên các rạn san hô hoặc mắc cạn. 15 c đến từ đâu trong phép tính? Trong 24 giờ Trái đất thực hiện một vòng, tức là quay 360q. Sau đó trong một giờ nó sẽ quay 15q, hay 15 c mỗi phút. Trên thực tế, một con tàu lý tưởng nhất phải có ít nhất ba đồng hồ bấm giờ. Tại sao? Hãy thử đoán cho chính mình. Nếu bạn không muốn thì hãy xem $примечание.^{3}$ Hiện tại có nhiều phương tiện đáng tin cậy hơn để tìm ra vị trí của bạn trên hành tinh của chúng ta. Nhưng một tiêu chuẩn thời gian chính xác cũng sẽ hữu ích trong không gian trên vệ tinh. Do đó, hai vệ tinh của Mỹ, được gọi là Gravity Probe, đã sử dụng nó để kiểm tra thuyết tương đối rộng (GTR), và Radioastron của Nga, kết hợp với các ăng-ten trên mặt đất, đã sử dụng nó để tạo thành một giao thoa kế vô tuyến không gian với độ phân giải chưa từng có lên đến một phần triệu giây cung. Vào thời cổ đại, những chiếc đồng hồ tự do và đáng tin cậy nhất dựa trên chuyển động của Mặt trời và các ngôi sao trên bầu trời, tức là có biểu hiện rõ ràng về chuyển động quay của Trái đất. Ngay cả khi bầu trời đôi khi bị mây che phủ, vẫn không có hiện tượng định kỳ nào, chẳng hạn như tiếng gà gáy hay việc người chèo thuyền muốn uống nước, có thể cạnh tranh với một chiếc đồng hồ như vậy về độ chính xác trong việc xác định thời gian. Và nếu không có gần đó, chẳng hạn như mạch nước phun thông thường có khoảng thời gian không đổi giữa các lần phun tia, thì bạn có thể sắp xếp thứ gì đó có chu kỳ không đổi hoặc thay đổi ở tốc độ gần như không đổi. Chúng ta biết đồng hồ nước, nến và đèn dùng để đo thời gian. Nhưng không có phương pháp nào trong số này thậm chí có thể so sánh từ xa về độ chính xác với hầu hết các phương pháp

3

Nếu có hai chiếc đồng hồ bấm giờ trên một con tàu và số đọc của chúng khác nhau thì không rõ chiếc nào đang nói dối. Nếu có ba trong số chúng, thì hai trong số chúng sẽ hiển thị gần như cùng một lúc.

đồng hồ cơ nguyên thủy có con lắc. Và từ khóa ở đây là “với một con lắc”. Chỉ một chiếc đồng hồ cơ mới có thể có độ chính xác tốt, nhưng nó đã được cải thiện đáng kể sau khi cơ chế neo (hay còn gọi là bộ thoát) nguyên thủy đầu tiên được phát minh ở châu Âu vào thế kỷ 13, cơ chế này đảm bảo tốc độ trung bình không đổi một cách đáng tin cậy hơn. Sau đó, Galileo Galilei, mười chín tuổi, vào năm 1583, khi đang phục vụ tại Nhà thờ Pisa, đã nhận thấy sự đung đưa của một chiếc đèn chùm. Sử dụng xung của chính mình làm thiết bị đo thời gian, ông phát hiện ra rằng chu kỳ dao động của con lắc gần như không phụ thuộc vào biên độ của những dao động này. Áp dụng kiến ​​thức mới vào thực tiễn, nhà khoa học nổi tiếng Christiaan Huygens đã cải tiến đồng hồ - năm 1657, ông nhận được bằng sáng chế của Hà Lan cho thiết kế đồng hồ quả lắc. Hơn nữa, chiếc đồng hồ thực sự đã hoạt động và cung cấp độ chính xác tuyệt vời vào thời điểm đó. Điều này đã mở đường cho việc sản xuất và sử dụng hàng loạt chúng. Lưu ý rằng Huygens không tự giới hạn mình vào một con lắc trong đó một điểm chuyển động quanh một đường tròn. Có một đường cong mô tả mặt cắt của một vết lõm trong đó chu kỳ dao động của một điểm vật chất không phụ thuộc bất kỳ cách nào vào biên độ. Nó được gọi là cycloid, và vì tính chất này, nó nhận được biệt danh bổ sung là “tautochrone” - từ từ “bằng thời gian” được dịch sang tiếng Hy Lạp. Cái tên “cycloid” được phát minh bởi Galileo (ở Pháp, đường cong này lần đầu tiên được gọi là roulette). Huygens không chỉ thiết lập tính đồng thời của cycloid mà còn tìm ra cách làm cho một tải treo trên một sợi dây dao động dọc theo cycloid. Ông đã viết về điều này và nhiều hơn nữa trong cuốn sách “Đồng hồ quả lắc” (chính xác hơn là “Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demoes hình học”, những tựa sách ngắn lúc đó không còn là mốt), xuất bản năm 1673. Chúng ta có thể tiếp tục về cách đồng hồ dần dần được cải tiến, đảm bảo rằng số liệu của chúng đáng tin cậy và không chịu ảnh hưởng từ bên ngoài. Chỉ cần đề cập rằng một chiếc đồng hồ bấm giờ hàng hải chính xác và đáng tin cậy chỉ được phát minh ở Vương quốc Anh vào năm 1735.