Текст книги "Превращения гиперболоида инженера Гарина"
Автор книги: Ирина Радунская
сообщить о нарушении
Текущая страница: 6 (всего у книги 20 страниц)
В дополнение ко всем неожиданностям, в момент, когда первый резонатор оказывался расстроенным так сильно, что колебания в нем прекращались, колебания во втором продолжались как ни в чем не бывало. Они лишь скачком меняли свою частоту, подлаживаясь теперь уже под настройку не первого, а своего собственного резонатора. Как бы потеряв одного хозяина, они прислушивались к другому.
Можно только удивляться, почему столь неожиданные наблюдения не вызвали большого интереса и лавины исследований. Лишь через год В. Велс попытался объяснить, как это все происходит, а еще через два года Ф. Редер и С. Бикарт повторили эти опыты, допустив, впрочем, некоторые ошибки в своих наблюдениях.
Прошло еще около двух лет, и загадкой двухрезонаторного генератора увлеклись Басов и его сотрудники. Задачу атаковали сразу с двух сторон. Теорию разрабатывал А. Н. Ораевский, бывший дипломник, а в то время аспирант Басова. Наблюдения проводил опытный экспериментатор, в то время кандидат, а потом доктор физико-математических наук Г. М. Страховский со своими аспирантами.
Страховский принадлежит к старшему поколению. Он, пожалуй, ровесник Прохорова. И не уступает ему в росте. Статная фигура спортсмена. Твердая рука. Острый взгляд следопыта, следопыта науки.
Увидев Ораевского впервые и еще не зная, с кем имею дело, я сразу подумала: о, это теоретик! Спокойное, задумчивое выражение лица. Глубокие глаза. Скупые, почти ленивые движения. У доски он преображается. Пишет и орудует тряпкой очень быстро, хотя говорит медленно, четко произнося каждое слово. Кажется, он хочет вбить его в вашу память. Так было, когда к доске выходил дипломник, таков и доктор физико-математических наук.
Он слывет среди физиков глубоким теоретиком. Я думала, что он кончил Московский университет. Там готовят хороших теоретиков. Оказывается, он из Физтеха, как коротко называют Физико-технический институт в Долгопрудной, где физики получают самую серьезную и разностороннюю подготовку. И Ораевский кончал вовсе не как теоретик. В дипломе у него значится «инженер-физик». Только в лаборатории Басова он специализировался в теории, сделал диссертацию по квантовым генераторам, много красивых расчетов по стандартам частоты, по лазерам. Ораевский всегда в центре интересов лаборатории. И вообще особенность теоретиков, работающих с Басовым, в том, что они всегда в лаборатории. Везде теоретики трудятся дома – так, я знаю, принято и у математиков Боголюбова и у учеников Ландау. Басовцы на своих местах с девяти до девяти. Они все время в гуще событий. Экспериментаторы просят что-то рассчитать, дать рецепт технологам, подсчитать примеси, температурные режимы, прикинуть напряжения и токи в схемах. Теоретики здесь нарасхват.
Дружный натиск дал свои плоды. И надо сказать, плоды неожиданные. Читая статьи того времени, я освоилась с мыслью, что пучок активных молекул способен отдать первому резонатору не больше и не меньше, чем половину энергии, запасенной молекулами того «сорта», на частоту которых настроен резонатор. Но когда Басов читал это место в рукописи, он подумал, а потом загадочно сказал:
– Может, и больше…
Значит ли это, что прежний расчет его не удовлетворяет? Сомнение положило начало новым раздумьям, которые прояснили непонятное поведение молекул. Более подробное исследование дало неожиданный результат. Оказывается, под действием электромагнитного поля первого резонатора молекулы начинают вести себя совсем по-новому – они образуют своеобразный коллектив. И этот коллектив бдительно контролирует все акты испускания и поглощения фотона отдельной молекулой. Причем коллектив отдает предпочтение или, можно даже сказать, поощряет акты испускания фотонов и как бы подавляет акты поглощения!
Кстати, возможность такого коллективного состояния молекул еще раньше, без всякой связи с молекулярным генератором, предсказал американский ученый Р. Дики. Он назвал это состояние сверхизлучающим, так как стремление к излучению при этом зависит не от числа молекул, а от квадрата их числа, то есть растет очень быстро.
Молекулы, находящиеся в сверхизлучающем состоянии, могут излучать до тех пор, пока пучок не излучит всей запасенной в нем энергии! Такое излучение может наблюдаться и при полете молекул в свободном пространстве, только при этом оно будет происходить медленно. Если же пучок молекул, приведенный в сверхизлучающее состояние в первом резонаторе, попадет во второй резонатор, настроенный на подходящую частоту, то сверхизлучение произойдет очень интенсивно. При этом пучок коллективизировавшихся молекул снова излучит ровно столько же, сколько он уже излучил в первом резонаторе, то есть вторую половину первоначально запасенной в нем энергии.
После этих работ стало ясно, что двухрезонаторный молекулярный генератор обладает преимуществом перед обычным молекулярным генератором.
Ведь несмотря на то, что свойства самих молекул чрезвычайно неизменны, частота колебаний молекулярного генератора была далеко не так стабильна, как этого ожидали его создатели. Оказалось, что она определяется не только свойствами молекул, но и настройкой резонатора. А настройка резонатора, к сожалению, не остается постоянной.
Если зимой в лаборатории открывают окна, одним из первых замечает это резонатор и расстраивается. Конечно, его можно держать в теплице, как огуречную рассаду зимой. Для этого существуют термостаты. Но это уже лишние заботы. Можно поступить и иначе. Соорудить резонатор из особого материала, инвара, который слабо реагирует на изменение температуры. Так конструкторы и поступают. И все же полностью изолировать резонатор от внешнего мира нельзя. Ведь молекулярный генератор и создан для того, чтобы транслировать свою «радиопередачу» во внешний мир. И хочешь не хочешь, а через тот же волновод, по которому энергия молекулярного генератора передается потребителю, внешний мир влияет на него, на настройку его резонатора, генерируемую частоту.
Инженеры, естественно, стараются уменьшить этот вредный эффект, ставят специальные развязки, через которые электромагнитная волна способна проходить только в одну сторону и не может пройти в обратную. Однако такие развязки не идеальны. Они уменьшают влияние внешнего мира на резонатор молекулярного генератора, но не изолируют его полностью.
Конечно, читателю уже давно стало ясно, как двухрезонаторный молекулярный генератор помогает справляться с этой трудностью. Ведь в таком генераторе частота зависит только от первого резонатора, а сигнал берется от второго, никак не влияющего на частоту. При этом к первому резонатору не присоединяется никакой волновод. Он в электрическом отношении совершенно изолирован от внешнего мира. Это особенно важно для генераторов, подверженных тряске, вызывающей неизбежные деформации волноводов. Исследования двухрезонаторного молекулярного генератора, проведенные в Физическом институте АН СССР, были вскоре подтверждены работой английских физиков. Но это было лишь одно из направлений развития новой области науки. Впрочем, было бы удивительно, если бы все ограничились одним направлением!
Вскоре после работ Басова и Прохорова молекулярные генераторы заработали в Харьковском институте мер и измерительных приборов, где их применили для периодической проверки кварцевых часов, в Горьковском университете и в других местах Советского Союза.
В СТРАНЕ СЫРА И ЧАСОВ
Молекулярные генераторы и за рубежом переходили из лаборатории в лабораторию. И ученые продолжали находить новые особенности и новые неожиданности, которые в результате упорного труда превращались в новые победы. Один из учеников Таунса, своеобразный и талантливый, К. Шимода, ставший профессором Токийского университета и продолжающий свои исследования в Токио, еще работая с Таунсом, сделал одно тонкое наблюдение. Шимода заметил, что пучок молекул, пролетая сквозь резонатор, излучает энергию не равномерно. Излучение может быть более сильным вначале или же в конце полета и меняться в зависимости от интенсивности пучка и от других причин. Это вызывает сильный неконтролируемый уход частоты. В статье, написанной Шимодой и Таунсом вместе с Вангом, содержалось не только описание неприятного открытия, но и рецепт борьбы с его действием. Они предложили пускать в резонатор одновременно два одинаковых встречных пучка молекул. Конечно, для этого надо было иметь два одинаковых источника и две сортирующие системы, отбирающие из этих пучков активные молекулы. Если все наладить достаточно хорошо, стабильность генератора увеличилась бы в 10–15 раз!
Это было так заманчиво, что в исследования включились ученые из других стран: Швейцарии, Франции, Англии, Канады, Австралии, Чехословакии, ФРГ. Особенно плодотворны они были в Швейцарии.
Швейцария не только страна гор и сыра, но и страна часовщиков. Города и деревни Швейцарии ютятся в горных долинах, зажатых между скалистыми хребтами и снежными вершинами. Поэтому в Швейцарии нет ни очень крупных городов, ни больших заводов. Заводы и заводики, расположенные в мелких городах и в сельской местности, разбросаны по всей стране.
Исторически сложилось так, что часовым ремеслом занялись преимущественно мастера, живущие вокруг Невшательского озера. В этих же краях постепенно возникла и часовая промышленность. Со временем Невшатель стал столицей швейцарских часовщиков.
В предгорьях над городом располагается Невшательская обсерватория, одной из задач которой издавна стало определение точного времени по наблюдениям небесных светил. Эта столь важная для часовой промышленности работа была одной из обязанностей молодого астронома доктора Бонаноми. Бонаноми одним из первых понял значение молекулярного генератора для тех, кто занимается определением точного времени. Он увлекся этой идеей. Но астрономическая обсерватория неподходящее место для работ, связанных с созданием новых сложных приборов. Для этого нужны сотрудники, станки, деньги.
Горы амфитеатром спускаются к Невшательскому озеру. Внизу, недалеко от берега, расположен Невшательский университет. Казалось, что для новой сложной работы доктор Бонаноми изберет университет. Но университет университету рознь, а Невшательский университет уделял очень мало внимания физике. Не больше, чем это требовалось для общего образования филологов, медиков и богословов.
К счастью, вблизи от университета швейцарские часовые фирмы создали на коллективных началах (редчайший в капиталистическом мире случай) исследовательский институт. Институт изучал все, что относится к теории, конструкции и технологии часового производства. Здесь интересовались всем, что относится к измерению времени.
Естественно, что доктор Бонаноми, спустившись с астрономических высот, предпочел полуподвальные помещения в правом крыле часового института. Правда, в этом институте и директор и другие сотрудники почитали механику, кинематику механизмов и технологию металлов. Но они понимали, что в давно устоявшуюся страну часовщиков непреодолимо вторгаются кванты.
Вскоре к Бонаноми присоединились И. де Принс и П. Карташоф, отец которого давно переселился в Швейцарию из царской России. Эта группа наглядно доказала, что знаменитое суворовское «не числом, а умением» относится и к области науки. Здесь проводили тонкие исследования спектра молекул аммиака и изучали стабильность частоты молекулярного генератора, предлагали и проверяли различные способы увеличения его точности.
Радиоинженеры давно знали, что для неискаженного приема сложных телевизионных или радиолокационных сигналов полезно заменять обычные резонансные контуры системой двух или даже трех связанных контуров. Бонаноми и его сотрудники решили применить этот опыт в молекулярном генераторе. Они присоединили к резонатору молекулярного генератора второй такой же резонатор. Он располагался рядом с первым, но пучок молекул в него не попадал. И тем не менее он не был лишним. Задачей второго резонатора было пассивное воздействие на первый с тем, чтобы, как говорят ученые, их общая резонансная характеристика стала более пологой и меньше влияла на частоту генератора. Несмотря на простоту, это небольшое усовершенствование дало заметный эффект.
В борьбе за точное время каждая крупица качества была на вес золота. И ученые ухитрялись добывать их из интимных различий родственных частиц. Например, протона и нейтрона. Они давно досадуют на то, что спектр излучения молекул аммиака очень сложен. И винят в этом ядро азота, входящего в аммиак. Это ядро состоит из семи протонов и семи нейтронов. Вот если бы там было их не семь, а восемь, говорят физики, все было бы иначе. Спектр был бы куда проще, и возни с молекулярным генератором было бы меньше.
И в этом действительно есть резон.
Возьмите для сравнения электронные оболочки атомов. Во внешних электронных оболочках атомов так называемых инертных газов всегда содержится по 8 электронов. Для атомов это идеал, большего им не нужно. Так возникает химическая инертность этих газов. Они не стремятся к соединению с другими элементами, довольные тем, что имеют. Если же во внешней электронной оболочке атома содержится только 7 электронов, атом стремится прихватить недостающий электрон у других элементов, что влечет за собой его большую химическую активность. Отсюда «жадность» галогенов, особенно фтора и хлора.
Как видно, нечто подобное присуще и атомным ядрам. Например, ядро кислорода, содержащее 8 протонов и 8 нейтронов, имеет очень упорядоченную структуру, отчасти напоминая этим симметричную электронную оболочку инертных газов. А вот ядро обычного азота, содержащее на один протон и один нейтрон меньше, чем кислород, уже в высшей степени несимметрично. Подобно электронной оболочке галогенов. Причина явно кроется в седьмых протонах и нейтронах, не имеющих пары внутри ядра. Ядро изотопного азота, содержащего наряду с семью протонами уже восемь нейтронов, гораздо симметричней, чем ядро обычного азота с его семью нейтронами. Ядро изотопного азота более похоже на симметричное ядро кислорода, чем на ядро обычного азота. Поэтому и спектр излучения молекул аммиака, содержащего не обычный, а изотопный азот, более прост, чем спектр аммиака, в который входит обычный азот.
И что самое поразительное – тонкие исследования вполне четко уловили разницу в работе молекулярного генератора, использующего простой аммиак или его изотоп. Они показали, что в результате даже столь ничтожного различия ядер молекулы аммиака, содержащие обычный азот или его изотоп, по-разному ведут себя в электрическом поле квадрупольного конденсатора. И это заметно сказывается на работе прибора. Так, ничтожные колебания напряжения, приложенного к сортирующему молекулы конденсатору, влияют на интенсивность пучка активных молекул обычного аммиака гораздо сильнее, чем в случае изотопного аммиака. Тот реагирует меньше. По-разному это сказывается и на частоте колебаний. Молекулярный генератор, работающий не на обычном, а на изотопном аммиаке, оказывается в 10–15 раз стабильнее. В 10 раз!
И эту десятку физики получили за счет одного лишнего нейтрона в ядре атома азота! Нейтрон – и десятикратное улучшение результатов. Никто, кроме физиков, даже химики, не может и мечтать отличить изотопный азот от обычного или аммиак с изотопным азотом от простого аммиака. Как глубоко должны были ученые проникнуть в глубины материи, чтобы чувствовать себя хозяином в атомном ядре!
Это все очень тонкие вещи, скрытые в ядрах атомов, но, поскольку ученые используют атомы как детали в своих новых приборах, необходимо во всех тонкостях знать строение и свойства этих деталей. Когда не работает большой прибор, его зачастую приходится разбирать до винтика. Атомные приборы приходится разбирать до нейтронов и протонов. Да еще делать это мысленно! Зато такие мысленные операции объясняют с первого взгляда непонятные капризы уникальных приборов. Так случилось и на этот раз.
И все-таки изотопный аммиак не решил всех проблем. Он очень дорог. Конечно, его можно применять в отдельных случаях, но для широкого распространения молекулярного генератора надо было найти другой метод увеличения его стабильности. К счастью, физики уже достаточно много знали о характере и склонностях объекта своего внимания, поэтому им пришлось искать недолго. Одна из множества спектральных линий обычного аммиака – та, которая имеет индекс (3, 2), – случайно обладает такой же простотой, что и спектральные линии дорогого изотопного аммиака. Ученые немедленно воспользовались этой находкой. Они изготовили резонатор, настроенный на частоту этой спектральной линии, и генератор заработал. Правда, при этом мощность генератора заметно уменьшилась, но стабильность частоты все же существенно возросла.
Физики здесь уподобились селекционерам, выводящим новый сорт. Те всегда взвешивают, что важнее – морозостойкость, продуктивность, вкус?
Физики стремились к большей стабильности. Они получили ее. А мощность в данном случае играет второстепенную роль. Молекулярные генераторы никогда и не претендовали на пьедестал сильнейшего. Борьба идет за точность работы, за точность отсчета времени, и началась она тогда, когда молекулярных генераторов не было и в помине.
ЛЮСТРА И АТОМ
Великий Галилей во время церковной службы обратил внимание на то, что одна из больших люстр собора качается, причем качается очень регулярно. Сравнив ритм ее колебаний с биением своего сердца, он убедился в том, что период движения люстры не зависит от ее размахов. Это побудило Галилея заняться изучением законов качания маятников. Он установил, что период маятника зависит от его длины. Из этих наблюдений родились маятниковые часы.
Вскоре Британское адмиралтейство объявило конкурс на часы, способные указывать точное время на борту корабля в условиях качки, – задача, недоступная маятниковым часам.
Премию получил Гюйгенс, более известный как создатель волновой теории света. Он изобрел вращающийся маятник с пружинкой – балансир, который тикает в миллионах хронометров, карманных и наручных часах.
Поколения часовщиков улучшали конструкцию часов, повышали их точность. Современные карманные и наручные часы лучших марок ошибаются не больше, чем на секунду в сутки. Морские хронометры отсчитывают время с погрешностью не более нескольких секунд в месяц. Специальные астрономические часы теперь снабжаются электрическим приводом, а их маятник качается в герметическом футляре, из которого откачан воздух. Ошибка таких часов не превышает одной секунды за год.
Это пока предел возможностей механических часов. Даже призвав на помощь электричество, механики не смогли продвинуться дальше в борьбе за точность отсчета времени.
Следующий шаг сделали радиоспециалисты. Это были А. Шайбе в Германии и Л. Эссен в Англии. Они создали кварцевые часы. Далеко не все здесь было новым. И до них радиоинженеры умели увеличивать стабильность частоты ламповых генераторов радиоволн, заменяя в них один из колебательных контуров пластинкой кварца. Но Шайбе не только научился делать очень хорошие кварцевые пластины, но соединил свой генератор со специальными радиосхемами, игравшими роль зубчатых передач в механических часах. Эти схемы преобразовывали высокую частоту колебаний кварцевого генератора в низкую частоту, пригодную для вращения маленького синхронного моторчика. Моторчик двигал стрелки, подобные стрелкам обычных часов. Кварцевые часы Эссена отличались, пожалуй, только тем, что он применял вместо кварцевых пластин – кольца, особым образом вырезанные из кристаллов кварца.
Кварцевые часы сразу превзошли лучшие маятниковые часы. Они работали так точно, что с их помощью удалось обнаружить неравномерность суточного вращения Земли. Это привело ученых ни больше ни меньше как к пересмотру представлений о роли часов!
Со времен Ньютона, знаменитые законы которого объединили астрономию с механикой, время стало таким же элементом науки, как пространство. Ученые исследовали движение небесных тел, работу механизмов – словом, все, с чем они имели дело в пространстве и во времени. Мир размещался в едином беспредельном пространстве, в котором подобно огромной реке текло единое время.
Три века в науке существовал строгий порядок, и почти три века люди не могли обнаружить ни малейшего отступления от этого порядка. Но в конце прошлого века Максвелл внес в учение об электричестве и магнетизме такую же ясность, как это сделал Ньютон для механики. Максвелл объединил учение о свете и. учение об электричестве. Из его теории следовала необходимость существования электромагнитных волн, длина которых в миллионы раз больше длины световых волн. Из его теории вытекало также существование эфирного ветра. Теория говорила, что эфир должен увлекать за собой электромагнитные волны так же, как воздушные потоки уносят с собой звук. Никто не думал тогда, что эфирный ветер унесет навсегда ньютоновское абсолютное время.
Теория предсказывает, а эксперимент… Что же сказал эксперимент?
Эксперимент, выполненный Герцем, действительно привел к открытию электромагнитных волн длиной в несколько десятков сантиметров (длина волны света измеряется десятыми долями микрона – десятитысячными долями сантиметра). Вскоре Попов применил герцевские волны для связи. Родилось радио, а электромагнитные волны длиной от миллиметров до километров получили название радиоволн. Так эксперимент подтвердил одно из предсказаний теории Максвелла.
Осталось подтвердить второе. Но эксперимент, выполненный блестящим американским физиком Майкельсоном, не обнаружил предсказанного эфирного ветра. Может показаться, что в этом нет ничего особенного. Нужно только поставить более точный опыт – и теория будет подтверждена полностью. Однако все было не так-то просто.
Отрицательный опыт Майкельсона стал первым ударом колокола, возвестившим о кризисе старой физики и предстоящем рождении новой. Дело в том, что Майкельсон был первоклассным экспериментатором и достигал выдающейся точности. Его филигранный опыт обнаружил, что теория Максвелла, считавшаяся непогрешимой, не соответствует реальному миру.
Опыт – высший судья науки. Конечно, ни один судья не гарантирован от ошибок. Но не в этом случае. Здесь ошибка не превышала одной миллионной.
И Майкельсон и другие ученые многократно повторяли этот опыт в различных вариантах и лишь увеличивали точность, с которой установлен факт расхождения теории и эксперимента. Они не могли обнаружить ни малейшего дуновения эфирного ветра. И нет-нет, а у кого-нибудь из них да появлялось крамольное сомнение: полноте, существует ли вообще это порождение фантазии Максвелла? Не выдумка ли это? А выдумка, надо сказать, была красивой и соблазнительной. В науке не часто рождаются такие вот «летучие голландцы», которые пригрез-ятся вдруг гению и будоражат потом не одно поколение ученых-мечтателей, пока трезвый опыт или расчет не изгонит его со страниц истории.
Эфирный ветер! Эфир физиков не имел ничего общего с тем эфиром, который применяется при хирургических операциях или в химчистке для вывода жирных пятен. Эфир физиков – это эфир поэтов, эфир древних мыслителей, нечто нематериальное, неуловимое – символ пустого пространства. Эфир физиков – это гипотетическая среда, в которой распространяются свет и радиоволны, – словом, все электромагнитные волны, предсказанные теорией Максвелла. Ничем другим этот эфир и не должен был проявлять себя. Этим он ставил себя вне опыта и даже вне здравого смысла.
Воздух, в котором распространяются звуковые волны, ведет себя иначе. Все живое, кроме некоторых бактерий, дышит им. Мы можем откачать воздух из сосуда, тогда внутри сосуда исчезнут и всякие звуки. Мы можем охладить воздух и превратить его в жидкость. Мы можем изменить его состав, сжигая в нем горючие вещества. При этом одна часть воздуха – кислород – исчезает. То есть воздух можно «пощупать», взвесить, уничтожить, создать. Ничего подобного сделать с эфиром (даже теоретически!) было нельзя. Словом, воздух материален, а эфир нет. Это нечто такое, с чем наука никогда раньше не имела дела. Впрочем, разве только теплород? И надо сказать, сходство оказалось роковым, эфир разделил судьбу теплорода. Они оба оказались просто курьезом.
Но прежде чем ученые убедились в этом, они делали все возможное, чтобы поймать эфирный ветер. И казалось, сделать это нетрудно. Ведь стоя на Земле, несущейся по своей орбите сквозь эфир, мы должны заметить ее движение так же, как слепой человек может определить движение парохода с палубы или поезда с платформы открытого вагона. И так же, как обыкновенный ветер несет с собою пыль – и песок, эфирный несет с собой световые волны. И, заметив, как меняется их скорость, можно таким, правда косвенным, способом доказать существование самого эфирного ветра. Вот на что рассчитывали экспериментаторы.
Сейчас трудно найти человека, который не знал бы, к чему привел опыт Майкельсона. В 1905 году Эйнштейн, исходя из того, что опыт Майкельсона доказал отсутствие эфирного ветра и обнаружил новое свойство природы – независимость скорости света от движения источника, создал теорию относительности. Оказалось, что течение времени в движущихся телах зависит от их скорости и именно это делает невозможным обнаружение эфирного ветра. Впрочем, теория относительности сделала ненужным для науки само понятие эфира. Эфир полностью перешел во владение поэтов. А фантасты получили в подарок вполне реальную, хотя пока технически не реализуемую, возможность «омоложения» при дальних космических полетах.
Прошло еще около десяти лет, и Эйнштейн сделал следующий шаг. Скорее это был огромный скачок. Он создал новую теорию, ее называют теперь теорией тяготения. Из этой теории следовало, что время зависит не только от скорости движения, но и от близости больших тел. Например, вблизи Солнца время течет медленнее, чем вдали от него. Великий и неизменный поток ньютоновского абсолютного времени был заменен живой рекой, задерживающей свой бег у массивных звезд и спокойно струящейся в пустом пространстве.
Сколь ни значительны изменения в представлении о времени, вытекающие из работ Эйнштейна, они не коснулись способов измерения времени. Как и миллионы лет назад, люди измеряли время по Солнцу и звездам, а Эйнштейн лишь научил их, как пересчитывать время, измеренное на Земле, ко времени, текущему на других планетах и звездах. При этом часы, как и в старину, нужны только для того, чтобы делить сутки на все более и более мелкие части. И сегодня мы, так же как египтяне в древности, делим день и ночь на двенадцать частей, посвящая каждую не богам, как делали они, а своим современным заботам.
Хотя все живое соразмеряется с видимым движением Солнца, измерять время по Солнцу неудобно. Оно слишком велико и светит слишком ярко. Наблюдать за такой «стрелкой» трудно. И астрономы решили: лучше выбрать за стрелку небесных часов какую-нибудь звезду и отсчитывать время по ее видимому движению. Например, считать за сутки время между двумя высшими положениями этой звезды на небосводе.
Точность при этом увеличилась, но возникла новая трудность – часы, отрегулированные по звездам, идут иначе, чем сверенные по Солнцу. Солнечные часы идут медленнее, чем звездные. И разница составляет 4 минуты в сутки. Так что, вздумай мы жить по звездным часам, нам пришлось бы со временем спать днем и бодрствовать ночью. (Это происходит из-за вращения Земли по ее орбите вокруг Солнца, приводящего к видимому движению Солнца по небосводу.)
Но законы Ньютона, а затем и теория Эйнштейна увязали время, измеряемое по вращению Земли вокруг оси (звездное время), с солнечным временем, учитывающим также движение Земли по орбите. Длительные наблюдения позволили определить отношение средних солнечных суток к звездным суткам. Получилось очень неудобное число – 1,0027378118868. Но очень надежное. Неточна здесь только четырнадцатая цифра. Это число учитывает даже такие «детали», как изменение скорости Земли на различных участках ее орбиты.
Но недаром Майкельсон говорил, что в наш век открытия лежат за шестым знаком точности. Как только точность кварцевых часов перевалила за восьмой знак, оказалось, что вращение Земли вокруг ее оси, которое считалось воплощением равномерного течения времени, непостоянно! Великолепная четырнадцатизначная точность, о которой мы только что говорили, получена не только усреднением солнечных суток, но и усреднением звездных, которые до того казались идеально постоянными.
Впрочем, обнаружив неравномерность вращения Земли, астрономы вспомнили, что их предшественники еще в прошлом веке замечали неувязки между вычисленными положениями Луны и планет и их видимым положением. Чтобы объяснить расхождения, они предлагали различные весьма сложные теории; причем для каждого вновь открываемого расхождения приходилось создавать новую, не связанную с прежними гипотезу. Правда, какие-то намеки на закономерность в этих беспорядках наводили ученых на мысль о том, что они вызваны общей причиной. Но никому в голову не приходило искать эту причину в нерегулярности вращения Земли. Это казалось слишком дерзким.
Теперь, когда неравномерность суточного вращения стала бесспорным фактом, все затруднения, о которых мы говорили, разом исчезли, а многочисленные гипотезы стали ненужными.
При помощи кварцевых часов удалось заметить много новых фактов. Оказалось, что, помимо давно известного замедления скорости вращения Земли из-за приливного трения (это замедление очень равномерно и составляет 0,001 секунды за 100 лет и уже давно учитывается астрономами), существуют периодические и даже беспорядочные вариации длительности суток. Ученые установили, что периодические вариации вызваны тем, что сила приливов зависит от сочетания положения Луны и Солнца. Это вызывает изменение длительности суток с периодом от полумесяца и месяца до 9 и 18 лет. Беспорядочные, но заметные при помощи кварцевых часов нарушения равномерности суточного вращения Земли вызываются и мощными движениями атмосферы, и влиянием вспышек солнечного излучения на движение заряженных частиц, окружающих Землю, и сложными движениями земной коры, а может, и более глубоких ее слоев, и какими-то еще. неведомыми причинами.
Во всяком случае, ученые убедились: суточное вращение Земли, измеряемое по видимому положению звезд, не может быть основой счисления времени.
Астрономы попытались выйти из положения, приняв за основу измерения времени годичное движение Земли вокруг Солнца. Они вычисляют его с огромной точностью, основываясь попросту на законах Ньютона и его абсолютном времени. Тут оно не подводит. Теория относительности привела лишь к очень малым поправкам, доступным наблюдению только для планеты Меркурий. Движение Земли по ее орбите очень стабильный процесс, и он уже некоторое время служит основой секунды. Правда, за увеличение стабильности пришлось заплатить уменьшением точности измерений. Мы оказались сидящими на стрелке этих новых астрономических часов, и определить точное положение стрелки, затрачивающей на обход циферблата целый год, дело нелегкое.
