Что такое время?
Время — это характеристика нашего мира, которая нужна для того, чтобы описывать порядок и длительность различных явлений.
Мы говорим: «Раньше эта елочка была намного меньше». Раньше — позже — это порядок. Еще мы знаем, например, что цветок растет быстрее дерева. Быстрее — медленнее — это длительность. Для ее определения стали сравнивать различные процессы с некоторыми регулярными явлениями — например, считать, какое количество раз всходило Солнце за время роста цветка, а какое — за время роста дерева. Это сравнение и называется измерением времени. Время — это длящееся бытие, живущий мир.
Главное свойство времени состоит в том, что оно длится, течет непрестанно. Астроном, физик, любой другой специалист (и неспециалист) всегда отмечают с предельно доступной точностью моменты наблюдения: время начала и окончания явления или его продолжительность. Без пометки времени любой готовый результат астрономического наблюдения — рисунок, фото графия, регистрограмма самописца — не имеет практически никакой научной ценности. И наоборот, возрастающая точность измерения времени одних и тех же явлений природы иногда приводит к новым открытиям.
Время необратимо, то есть нельзя изменить порядок уже сделанных ходов, невозможно следствие поставить раньше его причины. Если бы Земля не испытывала никакого внешнего воздействия, тогда и планета вращалась бы вечно, и время Вселенной сделалось бы обратимым, но для этого только было бы надо, чтобы во Вселенной не осталось ничего, кроме вращающегося вокруг своей оси земного шара.
Научное знание строится на отыскании и сравнении сходных предметов и явлений, с тем, чтобы можно было предсказать их поведение в будущем. Сначала человек наблюдал простейшие, самые заметные периодические явления природы: суточное вращение звездного неба, месячное движение Луны и годовое движение Солнца по созвездиям. После этого люди принялись изучать другие повторяющиеся явления: фазы Луны, затмения Луны и Солнца, конфигурации планет — это и стало началом астрономии. Наблюдение небесных повторов оказало сильнейшее воздействие на мировоззрение человека. Но древний человек увидел в спирали времени только замкнутую круговерть — кольцо. Кольцо времен позволяло наглядно представить безграничность времени — вечность.
Еще в каменном веке людям удалось определить продолжительность года в 360–365 дней. Помог им в этом древнейший астрономический прибор гномон, который представлял собой врытый в землю вертикальный столб. Полуденная тень гномона всегда обращена на север, поэтому этот прибор был и первым компасом. А когда от столба прочертили направление на север, он стал первыми часами, показывавшими пока только один час — полдень. Когда вокруг гномона поставили визиры на точки восхода Солнца в День Первой Травы или в День Большой Воды, то получили прицел-календарь, позволяющий узнавать о возвращении даты через год. Правда, в каждой точке горизонта Солнце восходит дважды в году. Например, первый выгон коров на Руси был приурочен к Егорию (7 мая). В той же точке горизонта Солнце появится и 5 августа. Однако май от августа можно отличить и без прибора.
Звездные и солнечные сутки
Солнечные сутки примерно на 4 минуты длиннее звездных, потому что Земля одновременно вращается вокруг оси и обращается вокруг Солнца.
Чтобы самостоятельно определить продолжительность оборота Земли, нужно смастерить визир-прицел из двух гвоздей, вбитых в доску, и установить его на штативе. Далее как можно точнее навести визир на любую звезду, зафиксировать его положение и, отметив и записав время начала наблюдений, оставить прибор неподвижным на сутки. Вместо визира с еще большим успехом можно использовать телескоп или зрительную трубу, так же надежно закрепленные. Через 23 ч 56 мин (это и есть продолжительность оборота Земли — сутки) Земля, сделав оборот вокруг оси, сама нацелит визир на ту же звезду.
Солнечные сутки подобны «лунным». Вследствие движения вокруг Земли Луна каждые сутки смещается на фоне звезд на 13°, и Земля доворачивается до полного оборота относительно Луны еще 50 мин. Вследствие движения Земли вокруг Солнца оно для земного наблюдателя тоже смещается на фоне звезд — на 1° за сутки. А скорость вращения Земли — 1° в 4 мин. Потому-то Земля и завершает оборот относительно Солнца с опозданием на 4 мин.
За сутки звездный и солнечный обороты Земли расходятся на 4 мин, за месяц — на 120 мин за год — на 24 ч. Так же расходятся и часы, отмеряющие звездное и солнечное время. В году звездных суток на одни больше, чем солнечных. И только раз в год, а именно в момент осеннего равноденствия, звездное время совпадает с солнечным.
Человек живет днями и ночами, он живет солнечными сутками. Но в любой обсерватории есть часы, которые идут по звездному времени — каждые сутки на 4 мин вперед. Они нужны для организации наблюдений. По нижнему краю звездной карты проставлены часы и минуты. Это — прямое восхождение светил. Прямое восхождение Сириуса — 6 ч 45 мин. Это означает, что в указанное время по звездным часам в любой день года Сириус оказывается точно на юге, на меридиане. Взглянув на звездные часы и на карту, легко сообразить, какие звезды сейчас удобны для наблюдения.
Часовщик может отрегулировать механический будильник, заставив его спешить на 4 мин в сутки, т. е. идти по звездному времени. А в ежегодных астрономических календарях есть таблица «Звездное время в среднюю полночь», позволяющая правильно поставить стрелки звездных часов.
В поисках надежных часов
Уже через 25 лет после изобретения маятниковых часов удалось создать настолько точный часовой механизм, что его с успехом стали использовать для наблюдений в обсерваториях.
Первым его применил английский королевский астроном и первый директор Гринвичской обсерватории Джон Флемстид в 1676 г. при составлении большого звездного каталога «Британская история неба». От Флемстида идет традиция проверки и изучения хода астрономических часов. Он «наблюдал часы», изучая их ход, как наблюдают движение новой планеты.
Любые механические часы, даже если они наилучшим образом отрегулированы, непременно или спешат, или отстают. Кроме того, все часы идут неравномерно: иногда быстрее, иногда медленнее — в зависимости от качки, тряски, температуры, атмосферного давления, загрязнения и старения механизма, настройки и многих других причин. Так что часы надо регулярно проверять, желательно раз в сутки в одно и то же время. Раньше астрономы это делали по звездам, переводя потом звездное время в среднее солнечное, по которому и идут часы. Теперь они пользуются специальными сигналами времени, более точными, чем звуковые сигналы по радио или часы на телеэкране: астрономам нужна точность до тысячных долей секунды. Астрономам-любителям для большей части наблюдений достаточна точность порядка 1 с.
Последним усовершенствованным маятником были часы Федченко, созданные в 1954 г. Их точность составляла 3 ⋅ 10–4 с. Впрочем, часы Федченко появились на свет слишком поздно. В 1939 г. из часов была выброшена главная деталь — механический маятник. С этого года в обсерваториях стали использоваться кварцевые часы. В них роль маятника, т. е. регулятора хода, выполняет кварцевая пластинка, вырезанная из цельного кристалла. Если к ней подвести электрический ток, она начинает колебаться с заданной частотой. Хорошие часы, управляемые кварцевой пластинкой, имеют вариации хода 10–4—10–6 с в сутки. У кварцевых часов, повысивших точность астрономических измерений в 100 раз, есть свой недостаток. Кварцевая пластинка со временем стареет, и это ведет к неуклонному замедлению хода часов примерно на 10–6 с в сутки.
Придуманы и опробованы настроечные часы с другими атомами-маятниками: водородные, рубидиевые, но цезиевые атомные часы пока остаются главными.
Вникнуть в устройство атомных часов труднее, чем понять, как идут ходики. Современные сверхточные часы — сложные электронные приборы. Астрономы должны уметь грамотно пользоваться ими при наблюдениях как за небом, так и за Землей.
Вращение Земли
Веками с вращением Земли люди сверяли ход часов. Когда были созданы часы с фантастически равномерным ходом, появилась возможность проверить: а вращается ли Земля равномерно? Еще Иммануил Кант, развивая Ньютонову теорию приливов, доказал в 1754 г., что вращение Земли должно замедляться. В самом деле, притяжение Луны вздымает в Мировом океане два приливных «горба» — подлунный и противолунный. Земля, вращаясь, проворачивается между ними так, как если бы две громадные волны непрестанно перекатывались навстречу ее вращению. Таким образом, приливы должны тормозить Землю. Два века спустя часы Шорта и кварцевые часы подтвердили правоту Канта.
Более того, оказалось, что Луна в паре с Солнцем вызывают приливы еще и в атмосфере и в земной коре, поскольку под корой тело Земли ведет себя, как жидкость. Дважды в сутки Луна приподнимает людей над центром Земли на 50 см. Все виды приливов в сумме тормозят вращение нашей планеты так, что сутки удлиняются на 3,3 с каждые 100 тыс. лет. Зато другая причина, наоборот, заставляет планету вертеться быстрее — на 1 с за 100 тыс. лет. Эта причина — сжатие, уменьшение объема Земли, вызванное уплотнением вещества в ее недрах (возможно, здесь сказывается и таяние ледников). В результате действия приливов и «утрамбовки» Земли сутки удлиняются на 2,3 с за 100 тыс. лет.
Местное время
Звездное время определяют по взаимному расположению полярной звезды и большой медведицы, а солнечное — по солнечным часам. Солнечные часы почти всегда показывают время, не совпадающее с тем, по которому мы живем, на несколько минут.
Если бы достаточно равномерно вращающийся земной шар также равномерно обращался вокруг Солнца по круговой орбите, а ось Земли была перпендикулярна плоскости орбиты, тогда и Солнце по небу, и его часы на Земле тоже шли бы равномерно. Но, во-первых, Земля движется по эллипсу неравномерно, а во-вторых, наклон земной оси к экватору — это еще одна причина разной продолжительности суток.
Чтобы все сутки в году были одинаковы, люди придумали «среднее Солнце». Это воображаемое Солнце в отличие от настоящего движется вокруг Земли, и притом не по эклиптике, а по небесному экватору. Оно перемещается совершенно равномерно; «выравненное» время, по которому мы живем, называется средним солнечным временем. Если же быть совсем точным, к названиям этих времен надо добавлять слово «местное»: местное звездное время и т. д. Наиболее удобно в обиходе местное среднее солнечное время. Во-первых, оно связано с ритмом день-ночь, а во-вторых, это время — в отличие от истинного солнечного — равномерно и потому приспособлено и для обычных часов.
За всемирное время принято местное среднее солнечное время Гринвичской обсерватории в Лондоне, через которую проведен нулевой меридиан Земли. Все сигналы точного времени соответствуют минутам и секундам всемирного времени. При этом астрономическая Служба времени постоянно следит за неравномерностью вращения Земли по атомным часам и по мере необходимости добавляет, а иногда и отнимает «високосную» секунду в самом конце года, так же, как раз в четыре года в календарь вставляют лишний день — 29 февраля. Поэтому в последней минуте перед Новым годом (по всемирному времени) может быть и 59, и 60, и 61 с. Об этом астрономическая служба оповещает заранее.
В развитие хорошей идеи всемирного времени придумали поясное время. Для этого выбрали 24 главных земных меридиана с долготой 0°, 15°, 30°, 45° и т. д. На каждом из этих меридианов местное время отличается от всемирного на целое число часов, а минуты и секунды совпадают с гринвичскими. От каждого из этих меридианов отмерили влево и вправо по 7,5° и провели границы часовых поясов. На территории такой «мандариновой дольки» время всюду одинаковое и отличается от соседних поясов ровно на час. Нулевой часовой пояс лежит по обе стороны от Гринвичского меридиана. В системе поясного времени, принятой почти во всем мире, все часы показывают одинаковые минуты и секунды, а часовая стрелка при пересечении границы пояса переводится ровно на час вперед или назад в зависимости от направления движения. Во многих развитых странах весной к поясному времени добавляется один час (летнее время), а осенью это час убирается. В России с 2014 г. в большинстве регионов круглый год время на час больше поясного.
Если путешествовать с запада, навстречу Солнцу, то время у путешественника понемногу прибавляется, а если двигаться с востока, следом за Солнцем, то истинное солнечное время течет медленнее. Поэтому для путешествующего вокруг Земли непременно должна быть где-то граница, выпускающая странника в новую дату и день недели. Такая граница была проведена в XIX в. Международная линия смены даты проходит через Берингов пролив между островами Тихого океана от полюса до полюса.
Календарь
Главное назначение календаря — дать простой способ привязывать события к последовательности дней и легко фиксировать в одном и том же сезоне начало года. Если бы календарный год был постоянно равен 365 суткам, его начало всегда опережало бы начало истинного года на 5 ч 48 мин, и день Нового года проходил бы через все времена года за период около 1508 лет. Но такой год, некогда применявшийся в Египте, лишает календарь удобства. Поэтому в календаре чередуются годы продолжительностью 365 дней и 366 (високосные).
В римском календаре, введенном Юлием Цезарем, високосный год включается раз в четыре года. Персы в XI в. делали високосным годом каждый четвертый год семь раз подряд, а восьмой раз заменяли високосным лишь пятый год. В григорианском календаре (по новому стилю) метод несколько менее точен, чем у персов, но позволяет проще переводить годы и века в дни, а это и является одним из главных назначений календаря: он состоит в том, чтобы считать високосным каждый четвертый год, исключая его в конце каждого века, кроме каждого четвертого столетия. Средняя длина григорианского года равна 365,242500 суток, что на 0,0002581 суток — на 22 секунды — длиннее истинного года. Но если, следуя аналогии такого способа, исключать еще один високосный год каждые четыре тысячи лет, то длина года настолько приблизится к его длине, определенной из наблюдений, что можно пренебречь их разностью, учитывая к тому же, что длина года не совсем постоянна.