§ 8. Измерение промежутков времени.

При выборе единицы промежутка времени можно исходить из продолжительности какого-либо повторяющегося процесса. С древних времен за единицу промежутка времени принимали сутки — продолжительность одного полного поворота Земли вокруг своей оси относительно Солнца. Так как в течение года длительность такого поворота несколько меняется (почти на 1 минуту), то за единицу принимается среднее значение этой величины за год. Сутки делятся на часы, минуты и секунды.

Одна из основных единиц системы СИ — секунда (с) определяется как промежуток времени, равный сумме 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя определенными энергетическими уровнями атома цезия-133. Секунда приблизительно равна 1/86400 средних солнечных суток.

Для устройства часов — приборов для измерения промежутков времени — можно пользоваться самыми различными повторяющимися процессами. В древности пользовались водяными часами, в которых время определялось по количеству воды, перетекшей из одного сосуда в другой (рис. 16). Чтобы воспроизводить один и тот же промежуток времени, пользовались песочными часами, в которых определенное количество песка высыпалось через узкую трубочку (рис. 17). Точность подобных часов невелика.

Рис. 1.6. Водяные часы (клепсидра)

Рис. 17. Песочные часы

Гораздо точнее повторяются различные колебательные процессы, например колебания маятника — груза, подвешенного на нити или на стержне (маятник стенных часов). Если размахи маятника не слишком велики, то период его колебаний (время качания из крайнего положения туда и обратно) практически не зависит от размаха, а определяется только его длиной. Независимость периода качаний маятника от размаха установил итальянский физик и астроном Галилео Галилей (1564—1642), а затем использовал голландский физик и математик Христиан Гюйгенс (1629—1695), создавший в 1657 г. первые маятниковые часы. В маятниковых часах счет колебаний ведется при помощи системы колес: после каждого колебания стрелки часов поворачиваются на определенный угол, так что положение стрелок позволяет отсчитывать прошедший промежуток времени.

Впоследствии были изобретены карманные часы. В карманных часах качающийся маятник заменен колесиком, которое удерживается спиральной пружинкой (так называемый балансир) и колеблется вокруг оси около положения равновесия с постоянным периодом, определяемым свойствами балансира и спиральной пружины. Особенно удобны секундомеры — часы, пускаемые в ход и останавливаемые нажатием кнопки. В них имеется длинная стрелка, совершающая один оборот в минуту, позволяющая отсчитывать по циферблату десятые доли секунды.

После изобретения часов с маятником, а затем с балансиром, все другие типы механических часов вышли из употребления как менее точные. Впрочем, песочные часы применяются еще и теперь, например в медицинской практике для таких лечебных процедур (ванны и т. п.), где всегда нужно отсчитывать только один определенный промежуток времени. Своего рода часами являются и описанные в § 6 капельница и стробоскоп.

Современная техника добивается исключительной точности измерений промежутков времени, используя колебания кварцевых кристаллов (кварцевые часы) или колебания молекул (молекулярные часы). Кварцевые и молекулярные часы позволяют измерять промежутки времени с точностью до миллионных, миллиардных и триллионных долей секунды.