Борьба за точное время

Чередование дня и ночи было, вероятно, тем первым временным ритмом, который заметил первобытный человек. В его жизни играло немалую роль и другое, ритмически повторяющееся явление, - смена времен года. Постепенно возникла необходимость в измерении небольших промежутков времени - долей суток. На первых порах помог обычный гномон. Самая короткая тень от него отмечала полдень. До и после этого момента тени были длиннее, и по их длине можно было судить о времени суток.

Так возникли солнечные часы, известные по крайней мере уже за полторы тысячи лет до нашей эры. Одни из них имели горизонтальный циферблат, каждое деление которого соответствовало часу. Деления эти были неодинаковы, так как перемещение указателя, т. е. тени, происходит неравномерно (рис. 19). В отличие от таких горизонтальных солнечных часов, экваториальные солнечные часы имеют циферблат, лежащий в плоскости небесного экватора (рис. 20). Деления шкалы циферблата этих часов одинаковы, но, к сожалению, такие часы хорошо работают лишь в ту половину года, когда Солнце имеет положительное склонение. Когда же Солнце уходит в южное полушарие неба, тень на циферблат падает снизу, что затрудняет наблюдения. Правда, иногда циферблат экваториальных солнечных часов делают полупрозрачным.

Рис. 19. Горизонтальные солнечные часы

Рис. 20. Экваториальные солнечные часы

Солнечные часы отличались большим разнообразием конструкций и размеров - вспомните обсерваторию в Дели (см. рис. 6). В Индии паломники употребляли миниатюрные переносные солнечные часы, вделанные в посох. С другой стороны, в обсерватории Улугбека действовали солнечные часы высотой около 50 м. До XVII в. солнечные часы широко использовались для измерения времени. В дальнейшем они постепенно превратились в декоративные украшения некоторых зданий.

Что же заставило человека отказаться от солнечных часов? В чем их главный недостаток? Он очевиден: солнечные часы не всегда показывают время. Ночью и в пасмурную погоду они бездействуют. Неудивительно поэтому, что наряду с солнечными часами в древности пользовались и другими способами измерения времени - такими, которые работают, не считаясь с плохой погодой или временем суток. Таковы песочные и водяные часы, употреблявшиеся еще жителями Вавилона и Египта.

Принцип действия у этих часов, в общем, один и тот же. В песочных часах песок пересыпается из одного стеклянного резервуара в другой. Когда пересыпется весь песок, пройдет определенный промежуток времени. До сих пор еще, например, в медицинской практике встречаются песочные часы, рассчитанные на 10, 15, 20 мин. Когда пересыпется вниз весь песок, достаточно перевернуть часы, и они снова "пойдут". Так же действуют и водяные часы - клепсидры. Разница только в том, что в клепсидрах не песок пересыпается, а вода переливается из одного сосуда в другой. Клепсидры, как и солнечные часы, были разных размеров и конструкций. Некоторые из них рассчитывались на небольшие промежутки времени - 15-20 мин.

В древности был хороший обычай. Ставили перед оратором маленькие клепсидры, и он должен был выговорить все, что ему хотелось, за то время, пока вода перельется из одного резервуара в другой. Если оратор слишком увлекался, председатель собрания указывал ему на клепсидру и предупреждал, что его время "истекает". Как часто мы употребляем такие выражения, как "время течет", не сознавая, что когда-то они имели почти буквальный смысл!

И клепсидры, и песочные часы могут показывать время днем, ночью и при любой погоде. Этим они выгодно отличаются от солнечных часов. Есть у них, однако, и много недостатков. Главный из них - неравномерность хода. Пересыпание песка или переливание воды не совершается строго равномерно, поэтому клепсидры и песочные часы измеряют промежутки времени грубо приближенно - с точностью до минут.

С развитием торговли и мореплавания возникла острая необходимость в точных часах, обладавших как можно более равномерным ходом. Этому условию долгое время удовлетворяли механические гиревые и пружинные часы.

Гиревые часы были, по-видимому, изобретены арабами в период их могущества (IX-XI вв.). Около семи веков назад они появляются в Европе. Пружинные карманные часы изобрели в XVI в. В 1658 г. появилась работа знаменитого голландского астронома Христиана Гюйгенса (1629-1695) под названием "Маятниковые часы", где он описывал созданные им часы с маятником.

С ростом точности часов менялся и внешний вид их циферблата. Лишь около 1700 г. стали пользоваться минутной стрелкой - до этого обходились одной часовой. Спустя шесть десятилетий появилась секундная стрелка. Первый хронометр изобрел в 1736 г. английский часовщик Джон Гаррисон, получивший за это премию в 22 500 фунтов стерлингов,- так высоко ценили точное время английские моряки и их правительство. До сих пор столь удобные переносные часы, как хронометр, широко используют в экспедициях и в мореплаваниях. У лучших из них колебания суточного хода не превосходят ±0,3 с.

В каждой крупной современной астрономической обсерватории есть "служба времени", т. е. отдел, занимающийся измерением и хранением точного времени. Астрономические часы помещают в глубокие подвалы, где разными способами стараются сохранить постоянное давление и температуру, чтобы ход часов оставался неизменным.

Наиболее точными маятниковыми астрономическими часами являются часы Шорта и Федченко. Первые из них за сутки изменяют ход не более чем на 0,001 с в ту или другую сторону. Часы Федченко еще точнее - суточные колебания их хода не превосходят ±0,0003 с!

Самыми точными современными часами долгое время были кварцевые часы, в которых использовали высокую стабильность колебаний кварцевой пластинки в переменном электрическом поле. Они в сотни раз точнее маятниковых часов, и колебание их суточного хода не превышает миллионной доли секунды. Именно при помощи кварцевых часов впервые удалось открыть и изучить неравномерность вращения Земли.

С 1964 г. международным эталоном точного времени стали считать атомные часы. В них мерилом времени служат колебания электромагнитной волны, которую излучает атом цезия. Секундой считают время, за которое происходит 9 192 631 770 таких колебаний. Как и кварцевые часы, атомные часы, или атомо-хроны, как их иногда называют, никак не связаны с вращением Земли. Точность их хода поразительна- ошибка в одну секунду "набегает" за десятки тысяч лет! Более равномерного процесса современная техника не знает.

И все-таки истоки времени находятся в космосе! Даже сверхточные атомохроны приходится сопоставлять с астрономическими явлениями, так как жизнь челове-. чества до сих пор во многом определяется суточным и годовым ритмом. Не вдаваясь в подробности, рассмотрим астрономические принципы измерения времени.

Основная единица (сутки) определяется как время полного оборота Земли вокруг оси. Продолжительность этой единицы, очевидно, равна промежутку времени между двумя последующими верхними кульминациями одной и той же звезды. Такой период времени называется звездными сутками, которые делятся на часы, минуты и секунды. Время, отсчитываемое подобным способом, называют звездным временем.

Так как на небесной сфере Солнце движется среди звезд по эклиптике в сторону с запада на восток, то полный оборот Земли вокруг оси относительно Солнца не будет равен звездным суткам. Каждый раз Солнце отстает от тех звезд, с которыми кульминировало в предыдущую полночь. Поэтому солнечные сутки оказываются примерно на 4 мин длиннее звездных. Время, отсчитываемое подобным образом по наблюдаемому, "истинному" Солнцу, называется истинным солнечным временем.

Определенное неудобство, однако, связано с тем, что Солнце по эклиптике движется неравномерно (так как Земля с неодинаковой угловой скоростью обращается вокруг Солнца). Кроме того, эклиптика наклонена к небесному экватору, и потому проекции суточного пути Солнца на экватор в разные дни года неодинаковы. Из-за этих двух причин величина истинных солнечных суток в течение года все время меняется. Это неудобно, и поэтому астрономы ввели в обиход "среднее Солнце" - воображаемую точку, которая движется по экватору и притом равномерно. Положение "среднего Солнца" по отношению к "истинному" Солнцу астрономы рассчитывают, зная движение Земли вокруг Солнца. Отсюда по истинному солнечному времени можно вычислить среднее солнечное время, непосредственно связанное с показанием наших часов.

Из трех "времен" - звездного, истинного солнечного и среднего солнечного - первые два могут определяться из наблюдений, а последнее- только по часам, контролируемым астрономическими наблюдателями.

Так как Земля есть вращающийся шар, на каждом меридиане существует свое местное время. В целях практического удобства земной шар разбили на 24 пояса и договорились в пределах данного пояса всем жить по времени - среднего меридиана данного пояса. Это общее для всех жителей одного пояса время называется поясным. В Советском Союзе, кроме того, введено еще декретное время, опережающее поясное на 1 ч. В последние годы жители нашей Родины на лето переводят стрелки часов еще на 1 ч вперед. Делается это для экономии электроэнергии без каких-либо существенных практических неудобств. Итак, на вопрос, какое время показывают наши часы, следует отвечать "декретное средне-солнечное время соответствующего часового пояса".

Для измерения больших промежутков времени сутки оказываются слишком малой единицей масштаба, и вместо нее астрономы используют гораздо более крупную единицу, называемую тропическим годом.

Тропическим годом называется промежуток времени между двумя последовательными прохождениями центра Солнца через точку весеннего равноденствия.

Точка весеннего равноденствия смещается относительно звезд (из-за прецессии). Однако это смещение крайне медленное: всего 50" дуги в год. Поэтому тропический год мало отличается от периода обращения Земли вокруг Солнца относительно звезд.

Основная проблема счета больших промежутков времени, т. е. календаря, связана с тем, что продолжительности тропического года и суток несоизмеримы: их отношение может быть выражено только приближенно. Напомним, что с точностью до десятых долей секунды тропический год содержит 365 суток 5 часов 48 минут 46,1 секунды. Между тем в любой системе календаря необходимо, чтобы календарный год содержал целое число суток.

Во времена Юлия Цезаря (I в. до н. э.) был использован следующий способ: продолжительность тропического года посчитали приближенно равной 365 суткам 6 часам или 365 ¼ суток. Тогда календарный год можно принять равным 365 суток. Ошибка, составляющая ¼ суток, за 4 года накопится в 1 сутки, и эти "лишние" сутки надо прибавить к последнему, четвертому году, положив его равным 366 суткам.

Таким образом, в юлианском, или, как его иначе называют, старом, календаре каждый четвертый год считался "високосным", содержащим 29 дней в феврале. Договорились високосными считать те годы, номера которых без остатка делятся на 4 (например, 1980, 1984, 1988, 1992 гг.).

Юлианский календарь, или старый стиль, долгое время считался у европейских народов образцовым календарем. Правда, юлианский год, равный 365 суткам 6 часам, отличался от тропического года на 11 минут 13,9 секунды.

Сначала этой ошибкой пренебрегали, но к XVI в. н. э. она увеличилась до 10 суток, и расхождение юлианского календаря с астрономическими явлениями (в частности, моментом наступления весны) стало слишком разительным.

Чтобы исправить положение, римский папа Григорий XIII произвел календарную реформу. По его указанию в 1582 г. после 4 октября было пропущено сразу 10 суток и следующий день назвали 15 октября. А чтобы впредь ежегодная ошибка в 11 минут 13,9 секунды не накапливалась более чем до 1 дня (ведь за 400 лет эта ошибка достигает приблизительно трех лишних суток), было решено три високосных года в течение 400 лет считать простыми. Договорились, что простыми будут последние годы столетий, в которых число сотен не делится на 4 нацело (в старом календаре эти годы были високосными). Следовательно, 1600 г. считался високосным, а 1700, 1800 и 1900 г.- простыми. Поэтому в настоящее время разница между новым григорианским календарем и старым юлианским календарем достигла уже 13 суток. Вот почему новый стиль сейчас опережает старый стиль на 13 суток.

Преимущества нового календаря очевидны. Средняя продолжительность календарного года в этом календаре очень мало отличается от длины тропического года - ошибка в 1 сутки накапливается в этом календаре только за 3300 лет.

Зная звездное время, можно определить прямое восхождение звезд. Когда точка весеннего равноденствия в верхней кульминации проходит через небесный меридиан, считают, что такой момент соответствует 0 часов звездного времени. От этого момента и ведется счет звездным часам, минутам и секундам. Угол отклонения точки от небесного меридиана, выраженный в часовой мере, равен звездному времени в данный момент. Когда, скажем, точка заходит, звездное время равно 6 ч (90°), при ее восходе - 18 ч (270°), в нижней кульминации - 12 ч (180°).

Нетрудно сообразить (рис. 21), что звездное время в данный момент равно прямому восхождению тех звезд, которые проходят через верхнюю кульминацию. Прямое восхождение Солнца можно вычислить по его склонению и углу наклона эклиптики к экватору. А тогда, зная эту величину, легко найти прямое восхождение других звезд. Делается это так.

Рис. 21. Звездное время и прямое восхождение. Экваториальные координаты светила М обозначены буквами α и δ

Выбирают три-четыре десятка настолько ярких звезд (близких к эклиптике), чтобы их можно было наблюдать днем в пассажный инструмент. Сначала определяют момент кульминации Солнца, затем опорной звезды. Разность между этими двумя моментами, очевидно, равна разности прямых восхождений обоих светил. Отсюда и находят с возможно большей точностью прямое восхождение опорной звезды, предварительно вычислив прямое восхождение Солнца. Склонения звезд определяют по их высоте в кульминации. Зная экваториальные координаты опорных звезд, подобным же способом (но с меньшей точностью) находят координаты множества других звезд.

Так в принципе создаются звездные каталоги - едва ли не главная продукция астрометристов. Немалую помощь оказывает фотография - на негативах координаты звезд определять по ряду причин легче, чем на небе. В наиболее точных, так называемых фундаментальных звездных каталогах кроме экваториальных координат указывают и другие характеристики звезды. Подобные каталоги по существу являются фундаментальной системой отсчета в астрометрии.

В 1845 г. был опубликован первый фундаментальный Пулковский каталог. Как и последующие Пулковские звездные каталоги, он является непревзойденным образцом точности измерений. Самым обширным из фундаментальных каталогов остается пока "Общий каталог" Босса, содержащий сведения о 33 342 звездах. Кроме фундаментальных каталогов издаются "Обозрения неба", содержащие приближенные координаты множества звезд. Таково, например, "Боннское обозрение", составленное в 1859-1887 гг. Имеются в распоряжении астрономов и каталоги других объектов, скажем, туманностей и звездных скоплений. В лучших современных каталогах координаты звезд приводятся с ошибкой ±0,20".

На основе каталогов создаются звездные карты, атласы и глобусы, ныне используемые главным образом в учебных целях. В 1949-1956 гг. на Паломарской обсерватории (США) было получено 1758 фотографий неба в синих и красных лучах. Фотографический Паломарский атлас неба содержит изображения не только звезд, но и множества галактик - далеких звездных систем. Именно по этим фотографиям известный советский астроном Б. А. Воронцов-Вельяминов изучил морфологию галактик и открыл удивительнейшие подробности в их строении.

Астрометрия может показаться несколько скучной и суховатой. Но не забывайте - это та основа, с которой начиналась астрономия и без которой до сих пор невозможно ее существование.