III.3.3. Измерение времени.

Что есть «время»???.

Как и всякая физическая величина, время количественно характеризуется некоторыми числами. Важно выяснить, с помощью каких принципиальных измерительных операций эти числа могут быть получены и, тем самым, будет установлен точный смысл самих этих чисел.

Обычно под временем в количественном смысле этого слова понимают показания каких-то часов. То есть, говорят не о самом времени, а о промежутке времени между двумя последовательными событиями или моментами времени. Он характеризуется разностью показаний часов в рассматриваемые моменты времени. Даже когда говорят просто о времени, не указывая оба момента, являющиеся границами рассматриваемого промежутка времени, то предполагают, что один из этих моментов фиксирован и условно считается начальным. От него и ведется отсчет времени.

Часы здесь должны пониматься в широком смысле слова, как некоторое тело или систему тел, в которых совершается периодический процесс, служащий для измерения времени. Примерами таких процессов могут и служить колебание маятника с постоянной амплитудой, и вращение Земли вокруг собственной оси относительно Солнца или звезд, и колебания атома в кристаллической решетке, и колебания электромагнитного поля, представляемого достаточно узкой спектральной линией, и пр.

Так, если между какими-либо двумя событиями Земля при вращении относительно звезд сделала один оборот, то говорят, что промежуток времени между этими двумя событиями составляет звездные сутки. Если при этом она совершила 10 оборотов, то соответствующий промежуток времени будет 10 звездных суток, и т.д. Если в течение звездных суток маятник совершил приблизительно 86 164 колебания, то говорят, что период одного колебания составляет одну секунду, и т.д. От звездных суток следует отличать солнечные сутки. Так называется промежуток времени, в течение которого Земля делает один оборот при вращении вокруг собственной оси относительно Солнца. Ввиду того, что Земля движется вокруг Солнца не по круговой, а по эллиптической орбите, это ее движение не совсем равномерно. Это значит, что солнечные сутки изо дня в день несколько изменяются в течение года. Поэтому при измерении времени пользуются, так называемыми, средними солнечными сутками. Они составляют 24 часа = 24×60 = 1440 минут = 1440×60 = 86 400 секунд.

К часам предъявляют требования, чтобы они шли «равномерно». Но что значит, что часы идут равномерно? Говорят, это означает, что периодический процесс, служащий для отсчета времени, должен повторяться через строго одинаковые промежутки времени. Однако убедиться в одинаковости следующих друг за другом промежутков времени можно только в том случае, когда мы уже располагаем равномерно идущими часами. Выйти из этого порочного логического круга можно только путем определения, так как никакого априорного представления о равномерном течении времени не существует, поэтому надо условиться считать какие-то часы по определению равномерно идущими. Такие часы должны рассматриваться как эталонные или основные часы, по которым должны градуироваться все остальные.

В принципе любые часы могут быть приняты как эталонные. Однако так поступать не целесообразно. Эталонные часы должны быть достаточно «хорошими», то есть, прежде всего, обладать высокой воспроизводимостью. Это означает, что если изготовить с возможной тщательностью много «одинаковых» эталонных часов, то они с большой точностью должны идти одинаково, независимо от того, изготовлены ли они одновременно, или между моментами их изготовления прошло длительное время. Например, песочные часы дают несравненно худшую воспроизводимость, чем маятниковые часы. Наилучшая воспроизводимость была достигнута только после изобретения кварцевых, молекулярных и атомных часов.

Наконец, за единицу времени могут быть приняты либо средний тропический год, либо некоторая доля его. Для того чтобы разделить эталон времени — средний тропический год — на равные чести, применяются те или иные часы. Чаще всего часы - это устройство, в котором происходит какой-либо периодический процесс (т. е. процесс, повторяющийся через равные промежутки времени). Сосчитав число периодов процесса, происходящих в часах в течение среднего тропического года, мы можем разделить год на известное число равных частей и пользоваться продолжительностью одного периода, т. е. известной долей среднего тропического года, как единицей времени. За единицу времени в физике принята 1 секунда, составляющая определенную с высокой точностью долю среднего тропического года.

Часы представляют собой, таким, образом, физический прибор, служащий при измерении времени той же цели, какой служит линейка с нанесенными на ней делениями (расстояние между которыми составляет известную долю эталона длины) при измерении длины. Как и всякий физический измерительный прибор, часы должны удовлетворять известным требованиям, и прежде всего происходящий, в них процесс должен быть точно повторяющимся.

Для разделения эталона времени — среднего тропического года — на равные части, кроме часов с маятником, сейчас применяют., другие типы часов, например кварцевые часы, в которых периодическим процессом служат упругие колебания пластинки, вырезанной из пьезоэлектрического кристалла кварца (эти колебания поддерживаются при помощи схемы с электронными лампами). В последнее время были созданы молекулярные и атомные часы, в которых используются периодические колебания, происходящие в атомах или молекулах; чтобы число этих колебаний можно было считать (с помощью специальных электрических устройств), выбирают такие колебания которым соответствуют спектральные линии, лежащие в области радиоволн.