Сначала было достаточно замечать повторяющиеся процессы: день сменяет ночь, Солнце движется по небу, времена года приходят примерно в одно и то же время. Земледельцу нужно было понимать, когда сеять, мореплавателю — ориентироваться по небесным светилам, а жрецам — рассчитывать время ритуалов и астрономических событий.
Постепенно наблюдения за природными циклами превратились в систему счёта.
Первые часы: тень, вода и песок
Разные цивилизации независимо друг от друга придумывали способы измерять время с помощью того, что было под рукой: движения тени, течения воды, пересыпания песка или горения материала.
Солнечные часы: от столба до гномона
Самый очевидный способ следить за временем — посмотреть, куда падает тень. Первые известные египетские теневые часы относятся примерно к XVI веку до нашей эры. Вертикальный столб отбрасывал тень, и по её направлению и длине можно было понять, где находится Солнце.
Позже эту идею стали использовать в более сложных конструкциях. В солнечных часах с размеченным циферблатом специальный указатель — гномон — отбрасывал тень на поверхность с делениями. Положение тени показывало время суток.
Водяные часы: время без Солнца
Проблему солнечных часов решали водяные, или клепсидры. Древнейшие свидетельства их использования относятся к Египту и Вавилону и датируются примерно XVI веком до нашей эры.
Принцип был прост: вода вытекала из сосуда через отверстие, а по изменению её уровня определяли, сколько времени прошло.
Клепсидра могла работать ночью и в помещении, выручая там, где солнечные часы не помогали. Водяные часы пригодились судьям, ораторам и военным — например, чтобы отмерять продолжительность речи или другого действия.
У ранних клепсидр была своя проблема: вода не всегда вытекала с одинаковой скоростью. Поэтому их точность оставалась ограниченной.
Песочные и огневые часы: отмерить нужный интервал
Песочные часы решали уже немного другую задачу. Они отмеряли заданный промежуток: например, час или несколько минут. Самое раннее достоверное изображение такого прибора — фреска Амброджо Лоренцетти «Аллегория доброго правления», написанная в 1338 году в Сиене. Письменное упоминание морских песочных часов относится примерно к 1345 году.
Особенно полезными они оказались на кораблях: качка мешала использовать водяные часы, а песок продолжал пересыпаться из одной колбы в другую. Когда он заканчивался, устройство просто переворачивали.
Существовали и огневые часы. Время по ним определяли по скорости горения свечи или верёвки с узлами: каждый сгоревший участок соответствовал определённому промежутку.
Механические часы: шестерёнки меняют распорядок дня
Первые механические часы появились в Европе в конце XIII века. Это были большие конструкции с гирями: гиря опускалась под действием силы тяжести и приводила в движение систему шестерёнок.
Точность таких часов была невысокой: они позволяли приблизительно ориентироваться во времени, так как не давали возможности надёжно отсчитывать минуты. Поэтому обычно у них была только часовая стрелка или вообще использовался бой для обозначения часов. Скорость механизма регулировал спусковой механизм, который поочерёдно останавливал и отпускал зубчатое колесо, не позволяя ему вращаться слишком быстро.
Ещё в конце XI века китайский учёный Су Сун создал в Кайфэне сложную башню с водяными часами и астрономическими функциями. Потом уже в Европе башенные часы устанавливали на соборах и ратушах, и их бой слышал весь город.
Маятник Гюйгенса: часы становятся точнее
Чтобы понять, как часы научились идти точнее, нужно разобраться с их главным элементом — спусковым механизмом, или эскапементом. Он дозирует передачу энергии от гири или пружины к механизму. Каждый «тик» — это один небольшой шаг зубчатого колеса. Без спуска колёса просто прокручивались бы под действием накопленной энергии.
В 1656 году нидерландский учёный Христиан Гюйгенс построил первые работающие маятниковые часы. Он использовал маятник как регулятор хода. Период колебаний маятника зависит прежде всего от его длины и ускорения свободного падения. Благодаря этому маятник задавал механизму гораздо более стабильный ритм.
Позже точные механические часы стали важны и для навигации. В XVIII веке морские хронометры помогли решить одну из главных проблем эпохи — определять долготу в открытом море.
Карманные и наручные часы: время становится личным
Большие башенные часы нельзя было взять с собой. Для создания компактного механизма понадобилось заменить гиревой привод пружинным. Закрученная пружина накапливала энергию и постепенно отдавала её часовому механизму. Это позволило уменьшить размер устройства и сделать его переносным.
Карманные часы появились в XVI веке. Теперь человеку не нужно было искать ближайшую башню или ориентироваться по церковному колоколу: время можно было носить с собой.
Первые современные наручные часы появились в XIX веке. Массовое распространение они получили позже — в том числе благодаря Первой мировой войне. Военным было удобнее посмотреть время на запястье, чем доставать устройство из кармана, особенно во время управления техникой или ведения боя.
Параллельно точные морские хронометры использовали для навигации. Если знать точное время на Гринвичском меридиане и сравнить его с местным временем, можно определить долготу корабля.
Кварцевые и атомные часы: когда важны уже не минуты
В XX веке часы стали гораздо точнее. На смену механическим регуляторам пришли кварцевые резонаторы, а затем атомные часы.
Кварцевый резонатор: вибрация вместо маятника
Механические часы задают ритм с помощью маятника или баланс-колеса. Эти детали подвержены влиянию температуры, положения часов и износа.
В кварцевых часах ритм задаёт кристалл кварца. Под действием электрического сигнала кристалл кварца начинает колебаться со стабильной частотой. Электронная схема считает колебания и преобразует их в сигнал для стрелок или цифрового дисплея.
Первый такой механизм появился в 1927 году, а массовым стал во второй половине XX века.
Атомные часы: как измерять время с невероятной точностью
Атомные часы используют свойства атомов. С 1967 года секунда в Международной системе единиц определяется через атом цезия-133: одна секунда — это длительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего этому переходу.
Цезий даёт настолько стабильный частотный эталон, что атомные часы стали основой современной системы измерения времени. При этом в лабораториях уже существуют оптические часы, которые потенциально могут быть ещё точнее.
Атомное время используется в спутниковой навигации, телекоммуникациях и компьютерных сетях. Например, GPS рассчитывает положение устройства по сигналам спутников, синхронизированных с помощью атомных часов.
Заключение
Сначала люди смотрели на Солнце и звёзды, потом измеряли течение воды и движение песка. Затем появились механизмы, которые научились поддерживать собственный ритм. Маятник и кварцевый резонатор сделали часы точнее, а атомные часы превратили измерение времени в задачу атомной физики. Вот и получается, что за цифрами на экране телефона стоит целая история.
