Но наблюдать за звёздами можно только по ночам, да и то лишь в ясную погоду. А как быть в промежутках между этими наблюдениями? Ведь современная наука предъявляет очень высокие требования к точности определения времени. Во многих случаях, например в геодезии [6]) и кораблевождении, необходимо знать время с ошибкой не более чем в сотую, а иногда и тысячную долго секунды. Значит, необходимы очень точные часы, которые в промежутках между астрономическими наблюдениями показывали бы время с ничтожной погрешностью.
От чего же зависит точность часов? Почему одни часы точнее других?
Взгляните на стенные часы, ну хотя бы на обычные ходики. Прежде всего вам бросится в глаза качающийся маятник. Это очень важная часть часового механизма — она управляет ходом часов. Маятник особым образом связан со стрелками часов: при каждом его качании стрелки передвигаются на определённую часть окружности циферблата.
Движение маятника поддерживается пружиной или гирями. Заводя пружину или поднимая гирю, мы затрачиваем определённую энергию. Но энергия эта не пропадает даром — она накапливается пружиной. Заведённая пружина медленно раскручивается, а поднятая гиря опускается. При этом запасённая ими энергия передаётся маятнику и раскачивает его, не давая остановиться.
Отведите в сторону маятник незаведённых часов и отпустите его. Размах колебаний будет понемногу уменьшаться — энергия, которую мы первоначально передали маятнику, расходуется на трение в точке подвеса и на сопротивление окружающего воздуха. Но сосчитайте, сколько колебаний делает маятник, скажем, за четверть минуты. Легко убедиться, что число колебаний остаётся почти неизменным даже тогда, когда размахи маятника заметно уменьшатся.
Число колебаний в единицу времени, или, как говорят, его собственная частота, зависит от длины маятника. Чем длиннее маятник, тем медленнее он раскачивается, то есть тем меньше его собственная частота. Но мы знаем, что при изменении температуры все тела расширяются или сжимаются. Изменяется и длина маятника. Значит, часы, показывающие точное время при какой-нибудь одной температуре, будут спешить или отставать при другой температуре.
Таким образом, от качества маятника, от того, насколько его длина меняется при изменении температуры, зависит в основном точность часов.
В самых точных — эталонных — часах (хранителях времени), по которым узнают время в промежутках между астрономическими наблюдениями, маятник сделан из специального сплава — инвара, что в переводе с латинского означает «неизменный». Длина подобного маятника, а следовательно, и частота, с которой он колеблется, почти не зависят от температуры.
Чтобы на ход эталонных часов не влияло атмосферное давление, их помещают в цилиндр, из которого затем откачивается воздух (рис. 29).
Чтобы такие часы не испытывали толчков, их опускают глубоко под землю, в специальные подвалы.
Благодаря всем этим мерам точность часов — хранителей времени — очень высока — за сутки они «уходят» или отстают всего лишь на тысячную долю секунды.
По эталонным часам поверяются образцовые часы — хронометры (от греческого слова «хронос» — время), суточная погрешность которых составляет примерно 0,1 секунды. По хронометрам производится поверка всей массы остальных часов.
Рис. 29. Эталонные часы.
Ежедневно через мощные радиовещательные станции передаются сигналы точного времени. В нашей стране эти сигналы состоят из двух звуковых «тире» и одной «точки», которая с погрешностью примерно 0,1 секунды отмечает определённый момент времени (например, 19 часов, 00 минут, 00 секунд).
Широко распространена также передача сигналов времени по телефону. Позвоните по определённому номеру (в различных городах он неодинаков), и вы услышите голос, называющий часы и минуты. Вы «разговаривали» с особым звуковоспроизводящим аппаратом, который управляется хронометром.
С помощью электрических устройств хронометры могут также управлять ходом сотен других часов, связанных с ними проводами. Такие часы есть в любом крупном городе. Их стрелки движутся скачками, повинуясь ежеминутным электрическим сигналам, поступающим от хронометров.
Но в некоторых случаях даже эталонные часы оказываются недостаточно точными. Во многих астрономических и геофизических исследованиях необходимо определять время с меньшей погрешностью. А как ни пытались ещё более улучшить маятниковые часы, ничего не получилось. Их возможности были исчерпаны.
И тогда учёные создали так называемые кварцевые часы, работающие по иному принципу. В кварцевых часах вы не найдёте ни пружины, ни гирь, ни мерно раскачивающегося маятника. Как же они действуют?