Станислав Михаль
Часы. От гномона до атомных часов
Предлагаемая читателю книга чешского инженера, известного автора книг о часах Станислава Михаля посвящена истории часов и приборов измерения времени — одной из основных физических величин.
Время наряду с пространством составляет сущность нашего мира, образует арену общественно-исторической деятельности людей, является основным предметом их познания. С осознанием понятия времени связаны такие глубокие личные переживания каждого человека, как осознание безвозвратности прошлого, мимолетности настоящего, непознаваемости будущего. Наши возможности движения и изменения, воспитания и развития, размеры утраченных нами или открывающихся перед нами возможностей, весь тот опыт, из которого в конечном счете состоит наша жизнь, тесно связаны со временем.
Так же как человек не может освободиться от времени или управлять им, он не может жить, действовать, развиваться — быть человеком без ориентации во времени, без синхронизации своего поведения с изменениями окружающей среды, с поведением других людей и иных объектов. Показательно, что природа, создавшая человека, скупо отбирая в процессе естественного отбора лишь то, что необходимо для его существования и развития, снабдила его, как и большинство других живых организмов, специальным биологическим механизмом для ориентировочной интуитивной оценки времени — так называемыми биологическими часами.
Несовершенство этих естественных часов заставило человека придумывать и создавать искусственные устройства, более эффективно выполняющие функции измерения времени, — различные часы и другие приборы времени.
Мы все что-то знаем о часах. Почти у каждого современного человека, с детских лет окруженного различными образцами часовой техники и с годами неизбежно познающего какие-то отдельные факты их истории, применения, устройства и т.п., как правило, в конце концов складывается о часах более глубокое представление, чем первое расхожее мнение о них, как об удобных бытовых приборах, позволяющих упорядочить, а иногда и украсить нашу жизнь. Однако за исключением специалистов мы имеем обычно лишь некоторое общее представление о часах как о первых измерительных устройствах, сыгравших заметную роль в истории материальной культуры человечества, в развитии искусств и ремесел.
Нам мало что известно о их выдающейся роли в возникновении и развитии не только таких важных отраслей техники, как точная механика и прецизионное приборостроение, но и всего современного станочного производства, ведущего свою историю от первого делительного устройства и токарного станка часовых дел мастера XVIII в., об их роли в становлении таких научных дисциплин, как механика, теория колебаний и теория автоматического регулирования, об их роли в создании навигационных устройств, начавших «эпоху великих географических открытий».
Мало кто знает, что часы являются сегодня самым массовым измерительным прибором — их годовое производство в мире превышает 300 млн штук, а измерение времени — самым массовым измерением: ежедневно на земном шаре производится несколько десятков миллиардов таких измерений. Кроме того, измерение времени является в наши дни и самым точным видом измерений: предельная точность измерения времени определяется сейчас немыслимо малой величиной — погрешностью порядка 1·10–11 %, или 1 с за 300 тыс. лет. Даже обычные бытовые часы с погрешностью 20 с в сутки (≈0,02%) сравнимы по точности с образцовыми измерительными приборами в других видах измерений, например в электроизмерениях.
Еще менее известна вторая, столь же фундаментальная сторона часовой техники, уходящая своими корнями в ту же глубокую историю и имеющая столь же важное и всестороннее значение в наши дни — использование часов в качестве средств программно-временного управления.
Действительно, роль часов в истории автоматики и автоматического управления носит, даже формально, основополагающий характер. Сам термин «автомат», заимствованный из греческого языка и означающий дословно «самодвижущееся устройство», был введен впервые в XVIII в. для обозначения движущихся механических игрушек, управляемых по определенной временной программе часовым механизмом. Так, еще в середине прошлого века в энциклопедическом словаре автоматами назывались «...такие машины, которые подражают произвольным движениям и действиям одушевленных существ. В частности, называют андроидом машину, производящую движения, похожие на человеческие». Последнее наименование (андроид) возникло от имени популярных швейцарских часовщиков того времени Пьера-Жака Дро и его сына Анри, прославившихся изготовлением наиболее сложных и эффективных автоматических часовых игрушек такого рода, состоящих подчас из групп людей и животных, весьма точно воспроизводящих целые сцены: люди читают, играют на музыкальных инструментах, пишут несколько фраз, собаки бегают и лают и т.п. (наглядное представление о таких устройствах дают, например, известные часы «Павлин» в ленинградском Эрмитаже).
Время рождения термина «автомат» не было, однако, временем рождения первых таких автоматов — история не только обычных часов, но и управляющих ведет свою родословную из глубины веков. Еще задолго до появления механических часов, в эпоху водяных часов, клепсидр, и солнечных часов — гномонов, в Европе раннего средневековья, еще раньше — в античном мире, и еще раньше — в Древнем Китае и Египте наряду с часами, указывающими время, создавались и действовали часы, управляющие свершением в заданный момент тех или иных действий, связанных главным образом с отправлением религиозных ритуалов и приписываемых действию «божественных сил»: «сами собой» открывались в определенный момент двери храмов, зажигались огни, звонили колокола и т.п.
Судьба управляющих часов, как и многих других великих и невеликих изобретений, родившихся раньше своего времени, складывалась трудно и порой нелепо — наше время, время автоматов, было еще далеко. Однако все началось с этого.
Если не считать особо практическими применениями указанные религиозные «чудеса» и светские развлечения, то, по-видимому, впервые управляющие часы стали с пользой работать на человека в качестве будильников, конструкция которых по своей идее приблизилась к современной лишь с момента создания в XV в. н.э. первого известного механического будильника с сигнальным колоколом. До этого будильники были более разнообразны и более суровы в способах подъема спящих — известен, например, будильник Леонардо да Винчи, построенный на базе большой водяной клепсидры и в заданный момент с помощью специального рычага переворачивающий постель со спящим на ней владельцем будильника.
Сегодняшние применения управляющих часов практически столь же необозримы, как и современные области использования обычных часов и приборов измерения времени. Трудно назвать такую сферу человеческой деятельности, в которой эти устройства не находили бы того или иного применения. Это — программно-временное управление основным и вспомогательным оборудованием в самых различных отраслях промышленности, аналогичные системы в разных областях сельскохозяйственного производства (для управления ирригационными сооружениями, дождевальными установками, системами микроклимата), программно-временное управление научными экспериментами (автоматическими научными приборами, установками, станциями и системами), программно-временное управление движением транспорта — обычного и специального (трубопроводного, канатного, транспортерного), программное управление автоматическими метеостанциями, радиотрансляторами, космическими лабораториями а так далее — вплоть до управления многочисленными приборами, помогающими в быту.
Медицина и здравоохранение, различные виды спорта, радиовещание и телевидение, большинство других сфер социальной и культурной жизни общества строят свою деятельность и развиваются, измеряя и контролируя время.
В своей совокупности обычные и управляющие часы, измерительные и управляющие приборы времени автоматически или с помощью людей обеспечивают совместную синхронную работу сотен тысяч различных производств, средств транспорта, систем связи и энергоснабжения, обеспечивая согласованную по времени работу народного хозяйства, ритмичность экономики страны. Более того, часы и приборы времени поддерживают и контролируют ритм жизни общества, обслуживая его как в целом, так и любые его группы, позволяя им ориентироваться и управлять своим поведением во времени.
Сказанное определяет и тот естественный интерес, который должна вызвать тема этой книги, а также широкий круг ее возможных читателей — она практически предназначена для каждого из нас.
