Зачем нужен високосный год и почему космонавты сверяются с наземными часами? Рассказывают ученые Пермского Политеха

Фото: Jack Hunter, unsplash.com

Почему в году именно 12 месяцев, а в сутках — 24 часа?

— Такой отсчет времени появился у древних цивилизаций — шумеро-вавилонской и египетской. У древних египтян год делился на 3 сезона по 4 месяца каждый, а сутки как раз на 24 часа: по 12 часов на день и ночь. Выбрали именно такие значения, потому что число 12 очень удобно для счета, ведь делится на 2, 3, 4 и 6. Разделение каждого часа на 60 минут, а минуты — на 60 секунд пришло из Древнего Вавилона. Его жители использовали шестидесятеричную систему счисления в математике и астрономии. Кстати, год у них длился 360 дней, — рассказывает Константин Антипьев, кандидат социологических наук, доцент кафедры социологии и политологии Пермского Политеха.
Зачем нужен високосный год?

— Чтобы календарный год совпадал с астрономическим, вводят високосный год. Земля делает один оборот вокруг Солнца за 365 суток 5 часов 46 минут и 48 секунд. Для удобства количество дней округляют до 365. Но если делать так всегда, то через какое-то время календарный год сильно отстанет от астрономического, а вот это уже будет проблемой. Решение о введении високосного года было принято в 1582 году, когда Папа Римский Григорий XIII заказал разработку новой системы календаря. Он получил название григорианского, и теперь его используют большинство стран мира, — отмечает ученый-социолог ПНИПУ.

Но в России пользуются не только им. После того, как глава католической церкви ввел новый календарь, православные христиане остались верны старому юлианскому календарю, из-за чего Рождество (на две недели) и Пасху (на семь недель) празднуют позднее католиков. Юлианскому календарю следуют также Грузинская, Сербская, Македонская и Иерусалимская церкви.

Где и какими часами пользовались в прошлом?

Чтобы узнать дату, использовались разные способы. Например, жрецы в Древнем Риме определяли число, наблюдая за фазами луны. Более примитивно можно было фиксировать дни через зарубки на дереве или узелки на шнурке. В сохранившихся до наших дней племенных культурах даты устанавливают шаманы. Но для определения точного времени нужны, разумеется, часы.

Наиболее удобными были солнечные, их независимо друг от друга использовали разные народы. Принцип работы таких часов прост: солнце в течение дня меняет свое положение, а значит, меняются длина и направление тени. В центре циферблата установлен гномон, тень с которого указывает на время суток. В Древнем Египте жрецы отмеряли время для молитвы по водяным часам. Вода по капельке стекала из одного сосуда в другой по тростниковой трубке, отсчитывая часы. Это было неудобно, так как предполагало периодическое вмешательство человека в процесс.

В средневековой Европе были популярны свечные часы: время отсчитывали по объему сгоревшего воска. Там же широко распространились песочные часы, хотя есть мнение, что они появились еще в Древнем Египте или в Азии. Для таких часов нужно почти идеальное стекло, чтобы песчинки без затруднений скользили по поверхности. И изготовить его было крайне непросто.

— Древние славяне пользовались «живыми» часами. Было замечено, что петухи кричат три раза за ночь: после полуночи, в два часа ночи и рано утром. Кроме того, ориентиром служило солнце. Восход давал понять, что можно отправляться на работу, а закат — что пора заканчивать дела и отдыхать. По аналогии с солнечными часами определяли время по отбрасываемой тени — самые короткие были в полдень. Поколениями наблюдения за природой складывались в устойчивые представления о часах и сутках, — объясняет Константин Антипьев.

Откуда в России взялись автоматические часы?

Механические часы появились в России в 1404 году. Мастер Лазарь Сербин по приказу князя Василия Дмитриевича смонтировал первые башенные часы в Московском Кремле. Они были без стрелок, но имели вращающийся циферблат. И часы обозначали не цифрами, а буквами: арабские цифры пришли к нам гораздо позже. Сложно сказать, были ли они точными, но не имели альтернативы. Часовые механизмы, похожие на современные, привез из Европы Петр I.

— Сперва автоматические часы появились в монастырях: монахам важно знать, когда осуществлять молитву, а праздная трата времени считалась грехом. Потом часы стали распространяться в городах, на зданиях ратуш и торговых площадях. Торговые сделки назначались на конкретное время, к которому и подходили покупатели. Поэтому городские часы делали «с боем», чтобы все знали точное время. Наручные часы, которые позволили «индивидуализировать» время, стали массовым явлением только в 20 веке, — рассказывает Константин Антипьев.

У каких часов самая маленькая погрешность?

Об этом рассказал Вадим Шарифулин, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры прикладной физики ПНИПУ. Самыми точными часами считаются атомные. В основе их работы лежат атомы цезия-133, которые из одного состояния нужно перевести в другое. Делается это так: магнитной ловушкой вылавливаются атомы в первичном состоянии, которые затем подвергаются микроволновому излучению именно той частоты, которая позволит им перейти во вторичное состояние. Когда волна совершает 9 192 631 770 колебаний, проходит ровно одна секунда. И если у лучших механических часов погрешность измеряется минутами в год, то у атомных — лишь секундой за сотню миллионов лет.

Но и атомные часы могут ошибаться, а время — идти быстрее или медленнее?

— До начала 20-го века ученые считали, что время абсолютно и непрерывно, идет с одинаковой скоростью в любой точке пространства и не зависит ни от каких физических процессов. Затем появилась Теория относительности, сформулированная Альбертом Эйнштейном, откуда следовало, что и время относительно и зависит от системы отсчета. Например, вы едете на автомобиле где-то в районе экватора. Относительно автомобиля ваша скорость равна 0 км/ч, относительно дороги – 60 км/ч, относительно земной оси вы вращаетесь со скоростью 1670 км/ч, относительно Солнца - со скоростью 108000 км/ч, — объясняет Нина Любимова, старший преподаватель кафедры прикладной физики ПНИПУ.

Согласно специальной теории относительности, время имеет особые свойства: оно может растягиваться, сжиматься, останавливаться и, теоретически, даже поворачивать вспять. Наравне с длиной, шириной и высотой, это позволяет рассматривать его как четвертое измерение единого времени-пространства. Его часто изображают в виде чего-то плоского и мягкого – например, листа резины. Когда на него бросают тяжелый шар, материал прогибается и растягивается. Образуется вмятина или гравитационный колодец, создаваемые в пространстве-времени такими массивными объектами, как, например, Солнце. Космические объекты не притягивают друг друга, подобно противоположным электрическим зарядам, – они просто движутся по прямым, которые искривлены под влиянием массы. В искривленном пространстве-времени длина отрезка меньше, чем в плоском, а значит, в условиях гравитации время идет быстрее.

Когда нужно связаться с человеком, живущим на другом полушарии, достаточно просто согласовать время. Мы привыкли, что время везде идет с одной скоростью, и продолжительность часа везде одинаковая. По специальной теории относительности, это связано тем, что все мы находимся в одной системе отсчета (на поверхности Земли) и не движемся относительно друг друга со скоростью света. Поскольку все точки поверхности Земли равноудалены от ее центра, сила гравитационного поля везде практически одинаковая.

— А вот на земной орбите ситуация меняется. Например, GPS-спутник движется относительно поверхности Земли со скоростью порядка 12000 км/ч. На нем находятся бортовые атомные часы, которые в сравнении с земными, согласно специальной теории относительности, запаздывают на 7 мкс в день, а из-за эффектов общей теории относительности — спешат на 45 мкс. То есть для спутника день длится на 38 микросекунд дольше, чем для земных объектов. Разница небольшая, но этого достаточно, чтобы ошибиться с местоположением спутника на 10 км. Поэтому навигационные спутники регулярно сверяются с наземными часами, — добавляет Нина Любимова.