Текст книги "Физика времени"
Автор книги: Артур Чернин
сообщить о нарушении
Текущая страница: 4 (всего у книги 20 страниц)
Часы на башне
В XIII веке изобретательные и любознательные мастера Италии строят первые механические часы. Принцип их действия прост. Делается горизонтальный вал с осью. На него наматывается веревка и к ее концу подвешивают гирю. Гиря тянет веревку, та разматывается и вращает вал. Остается приделать к валу стрелку – она будет вращаться и показывать нам время.
Конечно, это только принцип, а на самом деле там были многочисленные колеса, передающие вращение вала к стрелке. Имелись разные хитроумные регуляторы, которые делали вращение вала по возможности более медленным и равномерным.
Механические часы были сооружениями внушительных размеров. Огромные часовые механизмы устанавливали на башнях соборов и дворцов. У Тихо Браге были часы с главным колесом почти метрового диаметра.
В 1404 году механические часы очень больших размеров появились на Спасской башне Кремля. Их построил мастер по имени Лазарь. Там имелось несколько заводных валов с гирями по семи пудов каждая (1 пуд = 16 кг), отдельные валы для стрелок, для боя, для музыки, которую вызванивали 35 различных колоколов.
Старинные механические часы шли с погрешностью до нескольких минут в сутки. Это не слишком большая точность. И, кроме того, за ними требовался постоянный уход – из-за боль-
шого веса валов, колес и других деталей они все время нуждались в наладке, смазке и т. д.
С XV века появились часы, в которых роль веревки с гирей стала играть пружина. Вес часов сразу сильно снизился. В начале XVI века научились делать переносные пружинные часы, которые весили всего 3 или 4 килограмма. Это был прообраз – еще, правда, тяжеловатый – наших нынешних ручных механических часов.
Сначала различные механические часы имели только одну стрелку – часовую. В середине XVI века к ней добавили вторую, минутную, а еще двести лет спустя и третью, секундную.
Маятник Галилея
В 1584 году Галилео Галилей (1564—1642), которому было тогда двадцать лет, сделал замечательное открытие. Рассказывают, что, слушая мессу в соборе, он наблюдал, как мерно раскачивались тяжелые люстры, подвешенные на длинных цепях.
Люстры раскачивались в одинаковом ритме. Они были различной формы и веса, но имели цепи одинаковой длины. Неужели период качаний зависит только от длины цепи и не зависит от формы и веса люстры?
Немедленно был поставлен эксперимент, и вот что установил Галилей.
Два маятника одинаковой длины, один со свинцовым, а другой с пробковым грузом – шариком, качаются в одинаковом ритме, с одинаковым периодом. Период качаний не зависит ни от груза, ни от размаха колебаний*). Качания маятника исключительно равномерны и могут происходить очень длительное время.
*) Нужно только, чтобы этот размах был все же не слишком велик.
Это был один из первых экспериментов в истории новой физики. Но это было и изобретение нового часового механизма. Галилей предложил измерять время путем счета колебаний маятника. Периоды качаний можно делать по выбору достаточно малыми – чем они меньше, тем точнее будет отсчет времени.
Такова физическая идея. Но часы системы Галилея, маятниковые часы, были изготовлены лишь три четверти века спустя, в 1656 году Христианом Гюйгенсом (1629 – 1695), нидерландским механиком, физиком и математиком.
Уже первые маятниковые часы были много точнее колесных. Постепенно, по мере новых усовершенствований в механизме, их точность возрастала все более. Лучшие маятниковые часы позволяют отсчитывать время с великолепной точностью – погрешность их хода не превышает сотых или даже тысячных долей секунды за сутки.
В Государственном астрономическом институте им. П. Н. Штернберга в Москве имеются маятниковые часы, сконструированные в 50-е годы нашего века инженером Ф. М. Федченко. Их точность такова, что за сутки они отстают или уходят вперед не более чем на две или три десятитысячные доли секунды. Эта точность превышает астрономическую точность отсчета времени, о которой мы еще расскажем в этой главе.
Автоколебания
Качания маятника, предоставленного самому себе, могут продолжаться очень долго, но все же рано или поздно они затухают. Это затухание происходит из-за трения в подвесе и сопротивления воздуха. Энергию качаний, теряемую из-за этого, нужно восполнять, чтобы маятник качался так долго, как мы хотим. Для этого в маятниковых часах служили и служат пружины или гири. Поставляя маятнику энергию, они в то же время не сбивают его, не мешают ему качаться с его собственным периодом.
Всякий часовой механизм содержит в себе три основные части. Во-первых, это колебательная система, которой в часах
Галилея – Гюйгенса служит маятник. Во-вторых, это заводной механизм – гиря или пружина. И в-третьих, это спусковой механизм, который связывает колебательное устройство с заводным механизмом. Эта связь действует так: при определенном положении маятника (или любой вообще колебательной системы) спусковой механизм подталкивает его, сообщает ему толчком энергию из запаса энергии заводного механизма.
Спусковой механизм срабатывает обычно два раза за период и притом вблизи положения равновесия колебательной системы. Для маятника положением равновесия является, очевидно, вертикальное положение. При своих колебаниях он проходит через вертикаль с наибольшей скоростью, и в этот момент следует толчок, который эту скорость еще немного увеличивает. Если заводным механизмом служит гиря, то при каждом толчке гиря опускается на одно и то же расстояние, так что она совершает одну и ту же работу, и колебательная система получает одну и ту же порцию энергии.
В хороших часах не только период колебаний, но и их размах остается все время одинаковым. Размах колебаний называется их амплитудой. У маятника амплитуде соответствуют крайние положения, наибольшие отклонения от вертикали. Амплитуда колебаний не должна зависеть от силы начального толчка, которым запускают часы. Но чтобы они пошли, этот начальный толчок должен быть все же достаточно сильным. Если толчок слишком слаб, то колебательный процесс вообще не установится – колебания быстро прекратятся.
Итак, часы – это устройство, в котором осуществляются колебания с неизменным периодом и амплитудой. И период, и амплитуда колебаний не зависят от силы начального толчка и определяются не ею, а собственными свойствами системы. Такие системы в физике называют автоколебательными.
Часы как автоколебательная система – это, конечно, часы только в собственно техническом смысле слова. В более широком смысле часами может служить любое искусственное или естественное устройство, по которому можно узнавать время.
В главе 1 говорилось, например, о биологических ритмах и биологических часах. Часами может служить любое ритмическое или циклическое явление, если его период выдерживается с достаточным постоянством.
Но даже и цикличность не обязательна. Для отсчета времени подошел бы и вообще любой процесс – естественный или искусственный, если нам хорошо известно, как он развивается со временем. Например, песочные часы или греческие клепсидры – это не циклические устройства. Но как только их градуируют, то есть установят закон поведения во времени, они становятся часами.
Атомные часы
Точность лучших маятниковых часов – это еще не предел точности в современной науке и технике. Самые совершенные современные часы дают возможность измерять время с точностью почти фантастической – до миллиардных долей секунды в сутки. Это не механические, а атомные часы – дитя физики наших дней.
Они используют строго периодические колебания электромагнитных волн, испускаемых атомами и молекулами.
Еще с XIX века физикам было известно, что атомы и молекулы способны излучать электромагнитные волны в очень узких спектральных линиях. Каждой линии спектра соответствует определенная частота или определенный период колебаний вектора электрического поля в электромагнитной волне. Колеблющийся вектор электрического поля волны и сужит «маятником» атомных часов, а излучающие атомы составляют их колебательную систему.
Рекордные по точности атомные часы представляют собой сложные технические устройства, использующие самую совершенную электронную аппаратуру и такие приборы, как, например, лазер. Это необходимо для того, чтобы все атомы, участвующие в работе колебательной системы, излучали волны согласованно, чтобы колебания электрического поля в волне можно было четко и без помех считать и переводить в показания на «циферблате».
После создания атомных часов единицей времени – взамен определенной доли суток или года, как это было прежде – стала «атомная секунда». Это промежуток времени, в течение которого в электромагнитной волне, испускаемой в точно определенной линии излучения атома цезия, произойдет 9 192 631770 колебаний *).
*) О новейших достижениях в этой области см. статью: Басов Н. Г. и др. Миллион лет с точностью до секунды // Наука и жизнь.-1984.-№ 6 и книгу: Завельский Ф. М. Время и его измерение.– М: Наука, 1987.
Модель Вселенной
Вернемся в XIV век. Это был век технических изобретений, которые возникали по всей Европе и сразу же входили в жизнь. Усовершенствование часовых механизмов, сооружение все более сложных часов приняло тогда, как говорят историки, характер всеобщего увлечения.
Любопытные часы изготовил в середине XIV века мастер Дж. де Донди из Падуи. Это были не просто часы, а то, что называли астрариумом. Конечно, они показывали время и притом с довольно высокой точностью. Но это еще не все. Астрариум воспроизводил перемещение Солнца, Луны и планет по небесной сфере. И все это в полном соответствии с астрономическими знаниями той эпохи.
Это была вполне удавшаяся попытка построить действующую модель Вселенной, то есть это было воспроизведение Вселенной в действии посредством часового механизма.
Нужно помнить, что в те времена законы движения планет – законы Кеплера – еще не были открыты. Вместо этого имелась описательная система мира, созданная Птолемеем (90—160 годы нашей эры), великим астрономом древности, жившим в Александрии. Она удачно описывала видимые движения планет, но была чрезвычайно сложной и громоздкой.
Согласно Птолемею, планеты двигались по окружностям, центры которых в свою очередь перемещались вдоль других окружностей и т. д. Движение каждой планеты представляло собою сложение нескольких одновременных круговых движений. Эти круговые движения назывались эпициклами.
Птолемей считал, что «наблюдаемые небесные явления воспроизводятся неизменными круговыми движениями». В простейшем случае нужно считать, что Солнце движется вокруг Земли по большой окружности, а планета обращается по малой окружности, центром которой служит Солнце. Но для объяснения всех деталей и тонкостей в видимом движении планет нуж– нужно было добавлять новые окружности – эпициклы. Всего их было для объяснения движений Солнца, Луны и пяти известных тогда планет – Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера и Сатурна.
Система была неестественно громоздкой, и вся ее сложность проистекала из того, что Птолемей, как и другие астрономы вплоть до Коперника, считал Землю неподвижной. Земля
находилась у него в центре мироздания. Поэтому систему Птолемея называют геоцентрической.
Но нужно отдать должное системе Птолемея – это была первая и весьма полная система мира, которая с немалой пользой служила людям на протяжении четырнадцати веков.
Многочисленные цепляющиеся друг за друга колеса астрариума воспроизводили эпициклы Птолемея. А вся эта часовая машина представляла собою систему Птолемея «в металле», как говорят инженеры.
Модели Вселенной, подобные астрариуму, наглядным и очевидным образом представляли любому человеку устройство Вселенной.
Система Птолемея – это тоже модель Вселенной. Но в отличие от астрариума, она воспроизводит мир в теоретическом виде – в виде чисел, таблиц, графиков. Она позволяет вычислять наперед пути небесных светил и эти предсказания проверяются потом наблюдениями.
В современной науке тоже строятся модели Вселенной или, как еще говорят, космологические модели. Они описывают уже не Солнечную систему с ее планетами, а весь мир звезд и галактик, ставший доступным астрономическим наблюдениям. Эти модели имеют теоретический, физико-математический характер. Модель Вселенной, созданная в 1922—24 годах в Петрограде замечательным советским математиком и механиком А. А. Фридманом (1888—1925) лежит в основе современной космологии – науки о Вселенной как целом. О ней мы подробно расскажем в главе 10.
Астрономические часы
Часы мастера из Падуи показывают Солнечную систему в действии. Но и Солнечная система в свою очередь – это наши надежные, неизменно действующие часы. А главные наши часы – это сама Земля.
Вращение Земли, регулирующее во времени всю нашу жизнь, совершается с большой равномерностью. Его даже считали идеально периодическим, ибо не замечали никаких признаков замедления или ускорения.
Впервые в абсолютной точности этих естественных часов усомнился Ньютон. А в 1754 году Иммануил Кант (1724—1804), знаменитый философ и космогонист предположил, что вращение Земли может замедляться из-за морских приливов и отливов. Приливы обязаны действию Луны на земной океан: тяготение Луны вызывает подъем воды по линии Земля – Луна в обе стороны.
Вращение Земли и движение Луны непрерывно поворачивают эту линию и заставляют приливную волну бежать по океану вслед за Луной. Академик А. А. Михайлов, астроном Пулковской обсерватории, сравнил приливные выступы в океане с тормозными колодками на колесе трамвая *). Эти «колодки»
привязаны к Луне незримыми нитями тяготения и из-за этого они действительно притормаживают вращение Земли. Как колодки тормозят колесо трением о него, так и приливная волна, набегая на отмели и заливая берег, тормозит Землю.
*) См. книгу: Михайлов А. А. Земля и ее вращение. – М.: Наука, 1984.-Вып. 35.-(Б-чка «Квант»).
Предсказанное Кантом замедление вращения Земли было обнаружено и надежно измерено только в середине нашего века. Оказалось, что из-за этого продолжительность суток увеличивается приблизительно на 0,0015 секунды за сто лет.
Так оценивается точность хода астрономических часов «Земля». Погрешности, связанные с постепенным слабым замедлением вращения Земли, очевидно, незначительны с точки зрения всех наших повседневных дел, да и большинства нужд техники и науки *). Астрономические часы служили прекрасным образцом и эталоном точного хода для любых часов во все времена, пока 25 – 30 лет назад не появились атомные часы с их исключительно высокой точностью. Именно по атомным часам удается контролировать вращение Земли и регистрировать в нем даже самые незначительные отклонения от равномерности.
*) Время, измеряемое по вращению Земли вокруг ее оси, принято называть всемирным. Можно вести отсчет времени и по орбитальному движению Земли вокруг Солнца; в этом случае говорят об эфемеридном времени.
Часы «Пульсар»
В 1967 году астрономы Кембриджского университета (Англия) открыли на небе импульсные источники излучения, которые получили название пульсаров. Астрономия и до этого знала немало звезд, блеск которых так или иначе меняется. Некоторые из них (так называемые цефеиды) обнаруживают довольно регулярные периодические изменения блеска. Попеременное усиление и ослабление яркости происходит у этих звезд с периодом от нескольких дней до года. Это тоже астрономические часы, хотя и с не очень высокой точностью хода.
Пульсары резко выделяются среди всех переменных звезд. Дело не только в том, что они излучают импульсы как в видимом свете, так и в радио диапазоне и в диапазоне рентгеновского и гамма-излучения. Важнее всего два замечательных обстоятельства.
Во-первых, периоды пульсаров очень коротки. Типичный период – всего 1 секунда. Но есть и рекордсмены: пульсар в созвездии Лисички имеет период 1,5 миллисекунды.
Во-вторых, период следования импульсов выдерживается у пульсаров с поразительной точностью. У некоторых из них сколько-нибудь заметные изменения периода могут накопиться лишь за миллионы лет. Это самые точные естественные часы.
Как выяснилось, пульсары представляют собой очень компактные звезды с радиусом всего 10—15 километров**). Как и Земля, они вращаются вокруг своей оси, но это очень быстрое вращение. Звезда-пульсар в созвездии Лисички совершает 667 оборотов в секунду.
**) Эти звезды состоят главным образом из нейтронов, и потому их так и называют нейтронными. См. о них, например, в книге." Чернин А. Д. Звезды и физика.—М.: Наука, 1985.– Вып. 38. – (Б-чка «Квант»).
Эффект пульсаций возникает из-за того, что пульсары испускают излучение не сразу во все стороны, а узким пучком.
И этот пучок, как луч прожектора, вращается вместе со звездой. Раз за период луч пробегает по Земле и тогда наши приемники регистрируют сигнал.
Сколь бы строго ни соблюдался период пульсаров, они и другие астрономические и вообще естественные часы все же уступают по точности рукотворным атомным часам, в которых воплотились достижения современной науки и техники.
Когда-то слова «астрономическая точность» означали максимальную, почти недостижимую в жизни точность. Сейчас вместо этого приходится говорить «атомная точность» – на то и атомный век.
ГЛАВА 4
АБСОЛЮТНОЕ ВРЕМЯ
Самое значительное научное достижение эпохи Возрождения – это учение Коперника (1473—1543). Взамен дальнейших попыток усовершенствования геоцентрической системы Птолемея, предпринимавшихся вплоть до его времени, Коперник предложил хорошо известную теперь всем идею: Солнце находится в центре планетной Системы, а Земля и остальные планеты обращаются вокруг него.
Прежде всего, система мира стала от этого много проще, понятнее и естественнее. В гелиоцентрической системе Коперника все стало на свои места. Но не менее важно и то, что это было торжество новых взглядов на природу, на Землю и небеса, свободных от церковных догм и предрассудков в науке. Это был поворот от умозрений к конкретному опыту, прямым астрономическим наблюдениям. С этого начались замечательные успехи естественных наук нового времени. У их колыбели вместе с Коперником стояли Галилей и Ньютон.
На этом новом пути стало возможным создание механики, физического учения о механических движениях. Мы называем сейчас механику Галилея и Ньютона классической; она дала первую научную теорию времени.
Галилей
Галилей родился почти на целый век позже Коперника. Ему суждено было привести идею о гелиоцентрической системе к полному признанию. Физический эксперимент и астрономические наблюдения были его стихией, и они щедро наградили его самыми блестящими открытиями.
В 1610 году Галилей направил на небо изобретенный им новый инструмент – телескоп, и открытия немедленно последовали одно за другим. Галилей обратил телескоп к Млечному пути и установил, что это не сплошная белесоватая полоса света, а совокупность множества звезд. Так была открыта наша Галактика – звездная система, насчитывающая сотни миллиардов звезд, одной из которых является наше Солнце.
Наблюдая в телескоп Юпитер, Галилей открыл четыре его больших спутника. Это были луны Юпитера, и наша Луна оказалась, таким образом, уже не единственным спутником в Солнечной системе.
Настоящим триумфом Гелиоцентрической системы Коперника стало открытие Галилеем фаз Венеры. С этого времени сомнения в системе Коперника окончательно отпали, ибо смена
фаз Венеры с полной очевидностью указывала на ее вращение вокруг Солнца.
Хорошо известны физические эксперименты, которые производил Галилей. Мы уже говорили об экспериментах с маятниками, из которых родилась идея маятниковых часов. Эксперименты со свободным падением тел дали представление о важнейших свойствах земного притяжения, о законах движения под действием притяжения. Галилей установил, что вертикальная скорость любого свободно падающего тела возрастает в поле тяжести пропорционально времени. Все тела, независимо от их массы, размеров, формы, падают с одинаковым ускорением*).
*) Три столетия спустя Эйнштейн увидел в этом один из самых фундаментальных принципов физики (см. главу 8).
Глубокие размышления над различными видами движений в окружающем нас мире привели Галилея к принципу относительности. В современной формулировке его можно кратко выразить следующим образом:
Во всех лабораториях, которые движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно, движение тел происходит по одинаковым законам.
Относительность
Галилей разъяснял это положение различными наглядными примерами. Вот путешественник в закрытой каюте спокойно плывущего корабля. Он не замечает никаких признаков движения. Если в каюте летают мухи, они отнюдь не скапливаются у задней ее стенки, а свободно летают по всему объему. Если подбросить мячик прямо вверх, он упадет прямо вниз, а не отстанет от корабля, не упадет ближе к корме.
Из принципа относительности следует, что между покоем и движением – если оно равномерно и прямолинейно – нет никакой принципиальной разницы. Разница только в точке зрения.
Например, путешественник в каюте корабля с полным основанием считает, что книга, лежащая на его столе, покоится. Но человек на берегу видит, как корабль плывет, и он имеет все основания считать, что книга движется и при том с той же скоростью, что и корабль. Так движется ли на самом деле книга или покоится?
На этот вопрос нельзя, очевидно, ответить просто «да» или «нет». Спор между путешественником и человеком на берегу был бы пустой тратой времени и слов, если каждый из них настаивал бы только на своей правоте и отрицал точку зрения партнера. Они оба правы, и чтобы согласовать позиции, им нужно только признать, что книга покоится относительно корабля и движется вместе с кораблем относительно берега.
Этот вывод полностью согласуется со здравым смыслом и с любым экспериментом, который мы пожелали бы провести, чтобы это проверить.
Каюта корабля – это одна из лабораторий, о которых идет речь в нашей формулировке принципа относительности, а берег – другая. Лабораторией можно считать любое место, любое помещение, в котором мы находимся, когда производим наблюдения или эксперименты. Лаборатория – это то, относительно чего наблюдается у нас движение или покой, с чем мы связываем свою точку зрения. И слово относительность в названии принципа Галилея не скрывает в себе ничего, так сказать, особенного; оно не имеет никакого иного смысла, кроме того, который мы вкладываем в утверждение о том, что движение или покой – это всегда движение или покой относительно чего-то, что служит нам лабораторией.
Рассуждая о книге, путешественнике, корабле, мы взяли для определенности конкретную ситуацию и произвели то, что Эйнштейн называл мысленным экспериментом. Это воображаемый опыт, который мы можем производить «в уме», не прибегая ни к каким приборам, оборудованию или инструментам. От этого сила и убедительность наших выводов ничуть не страдают. Напротив, мы можем получать таким путем надежные и к тому же довольно общие выводы, которые сами по себе, очевидно, не зависят от конкретных (и в этом смысле случайных) условий мысленного эксперимента. И вот вывод Галилея: движение и покой относительны.
