Физика того, почему первые часы в Америке вышли из строя

Dec 05, 2023

На протяжении почти трех столетий самым точным способом отслеживания времени человечеством были маятниковые часы. С момента своего появления в 17 веке до изобретения кварцевых часов в 1920-х годах маятниковые часы стали основным продуктом домашней жизни, позволяя людям организовывать свое расписание в соответствии с общепринятым стандартом. Первоначально изобретенные в Нидерландах Кристианом Гюйгенсом еще в 1656 году, их ранние конструкции были быстро усовершенствованы, чтобы значительно повысить их точность, и вскоре для маятниковых часов стало обычным делом показывать время с точностью до примерно 2 секунд в день. .

Но когда первые часы с маятником были привезены в Америку, произошло нечто странное. Часы, которые прекрасно работали для определения точного времени в Европе, изначально были синхронизированы с известными астрономическими явлениями, такими как закат/восход солнца и заход/восход луны. Но всего через неделю или две, проведенные в Америке, стало ясно, что часы отбивают время должным образом. Первые часы в Америке потерпели полную неудачу, но это только начало истории, которая произвела революцию в нашем понимании физики и гравитации на планете Земля.

На протяжении тысячелетий у учёных не было лучшего метода измерения времени, чем древние солнечные часы. Но начиная с начала 1600-х годов научные исследования качающегося маятника — и, в частности, наблюдение Галилея о том, что период маятника определяется исключительно его длиной — привели к идее, что маятник теоретически можно использовать в качестве часов. Это не будет зависеть от толщины самого маятника, массы гири на его конце или от угла, под которым маятник был поднят; в тот период имела значение только длина маятника. Галилей обсудил эту идею в 1637 году, и хотя он умер в 1642 году, идея не только жила, но и повлияла на поколение ученых, только-только вступивших в свои права.

В 1656 году, работая в Нидерландах, Христиан Гюйгенс изобрел самые первые работающие маятниковые часы, которые были одновременно примитивными и революционными во многих отношениях. В течение следующих нескольких десятилетий были внесены усовершенствования, которые еще больше улучшили маятниковые часы, в том числе:

Все эти нововведения были сделаны до 1700 года: замечательный набор достижений за короткий промежуток времени. Самый большой оставшийся «источник ошибок», который возникал в этих маятниковых часах, был связан с изменениями температуры: длина маятника увеличивалась или уменьшалась по мере того, как материалы, из которых они были сделаны, термически расширялись или сжимались в зависимости от температуры. Разработав маятник с температурной компенсацией, в котором период колебаний не менялся так же, как и температура, маятниковые часы могли быть точны всего лишь до нескольких секунд в неделю. Первые часы, построенные в Америке, не появятся в течение многих десятилетий после этого достижения, и поэтому первые попытки определить время в Америке будут опираться на устройства, импортированные из Европы.

Именно здесь возникла большая загадка хронометража: когда первые маятниковые часы были привезены из Европы в Америку. Часы, изготовленные и откалиброванные в Нидерландах, были исключительно точны. Время заката/восхода солнца и луны/восхода луны было точным в течение нескольких недель, при этом звезды восходили и заходили в пределах минуты от прогнозируемого времени без какой-либо необходимости в дальнейшей калибровке, пока не прошел примерно полный месяц.

Но по прибытии в Америку часы завелись, начали тикать, и в очень короткий срок все пошло наперекосяк.

Согласно этим новым часам, в течение одной недели люди заметили, что Солнце и Луна не восходили и не заходили в предсказанное время. Более того, несоответствие с каждым днем ​​становилось все хуже. Хотя в то время предполагалось, что часы будут точны с точностью до 2 секунд в день или около 15 секунд в неделю, было замечено, что они шли медленнее более чем на 30 секунд в день. К концу первой недели оно отклонилось примерно на 4–5 минут, что является крайне неприемлемой ошибкой.