Как люди начали считать время?

Время не имеет физических единиц в природе. Люди придумали единицы для удобства. Сначала единиц не было. События привязывали к природным циклам. Потом циклы разделили на части. Так появились часы, минуты и секунды. Летоисчисление тоже создано человеком.

Первые ориентиры

Первым ориентиром был день: светлое время сменялось тёмным, и этого уже хватало для самых простых действий. Затем люди стали внимательнее следить за Солнцем: утром оно находилось низко над горизонтом, к полудню поднималось выше, а вечером снова опускалось. Так появились понятия утра, полудня и вечера.

Ночью ориентировались по Луне и звёздам. По их положению и движению по небу можно было примерно определить, сколько времени прошло. Например, Полярная звезда почти неподвижна относительно горизонта, а другие звёзды описывают вокруг неё дуги. Но такой способ давал лишь приблизительную оценку времени.

Лунный цикл стал ещё одним естественным ориентиром: полнолуние, убывание, новолуние и новая Лунапомогали отсчитывать месяцы. Проблема была в том, что лунный месяц длится около 29,5 дня, а солнечный год — около 365,24 дня. Поэтому 12 лунных месяцев короче солнечного года примерно на 11 дней, и календарь постепенно начинал расходиться с сезонами.

Солнечные часы

Солнечные часы появились ещё в глубокой древности. Самый простой вариант — вертикальный стержень, или гномон: Солнце движется по небу, а его тень постепенно меняет положение. Если нанести на поверхность разметку, по кончику тени можно определить время. Первые известные солнечные часы относятся примерно к XV веку до н. э., а позднее египтяне, греки и римляне создали гораздо более сложные конструкции.

Но точность такого способа зависела от положения Солнца и времени года. У простого вертикального гномона траектория тени летом и зимой различается, поэтому для разных сезонов требовалась разная разметка. Кроме того, такие часы работали только при достаточно ярком солнечном свете — ночью или в плотную облачность определить время по ним было невозможно.

Со временем появились более сложные конструкции, в том числе вогнутые чаши, внутри которых тень двигалась по специальным линиям. Такие солнечные часы были точнее и могли учитывать сезонные изменения положения Солнца, но принцип оставался прежним: не часы отсчитывали время — время показывало движение тени.

Водяные и огненные часы

Водяные часы позволили измерять время без Солнца. В простейшей клепсидре вода постепенно вытекала через небольшое отверстие из сосуда, а её уровень опускался по нанесённой шкале. Существовали и обратные конструкции, где сосуд постепенно наполнялся. Позже появились системы с поплавком: он двигался вместе с уровнем воды и через механизм мог показывать время.

Главная проблема была в том, что вода не вытекает с одинаковой скоростью, если меняется её давление: чем выше уровень воды над отверстием, тем сильнее напор. Поэтому более совершенные клепсидры использовали дополнительные резервуары, поддерживавшие постоянный уровень воды, а также механизмы регулировки потока. Несмотря на ограничения, водяные часы были достаточно полезны и применялись, например, в астрономии, военном деле и даже для отсчёта времени судебных выступлений.

Ночью время можно было измерять и огнём. В свечных часах на свече делали отметки и по мере её сгорания отслеживали прошедшие интервалы. Но скорость горения зависела от материала свечи, температуры и других условий, поэтому точность была невысокой. Такие устройства использовали как простой способ отсчитывать время, когда солнечные часы уже не помогали.

Механические часы

Механические часы появились в Европе к концу XIII века. Их главным источником энергии был груз: он медленно опускался под действием силы тяжести и через систему зубчатых колёс приводил механизм в движение. Но возникала проблема: без регулировки груз падал бы всё быстрее. Поэтому изобрели спусковой механизм — устройство, которое не даёт колесу вращаться непрерывно, а отпускает его небольшими равными шагами.

Первым распространённым регулятором стали билянцы (фолиоты) — горизонтальные планки с грузиками на концах, которые покачивались вправо и влево. Каждое движение позволяло зубчатому колесу повернуться всего на один зубец, превращая непрерывное падение груза в последовательность примерно равных интервалов времени. Такие часы могли показывать часы, но были ещё недостаточно точными для минут и секунд.

Настоящий скачок произошёл в XVII веке, когда в часах появился маятник. Его период колебаний при небольших отклонениях определяется главным образом длиной маятника, поэтому он задавал гораздо более стабильный ритм. Введение маятника примерно в 30 раз повысило точность механических часов и стало одним из важнейших переломов в истории измерения времени.

Почему час равен 60 минутам

Час придумали люди — а число 60 досталось нам от древних математиков. Само понятие часа не является природной единицей: сутки постепенно разделяли на части, и разные цивилизации использовали разные системы. В Месопотамии большое влияние получила шестидесятеричная система счисления, унаследованная вавилонянами от более ранних народов. Число 60 оказалось особенно удобным: оно делится на 2, 3, 4, 5, 6, 10, 12, 15, 20 и 30, поэтому с ним легко работать с дробями.

С делением суток на 24 часа всё немного сложнее. Вавилонская традиция действительно связана с 24 частями суток, но представление о том, что именно вавилоняне сразу разделили сутки на 24 привычных нам равных часа, слишком упрощает историю. Долгое время существовали так называемые неравные часы: день и ночь делили отдельно на 12 частей, поэтому летом дневной час был длиннее зимнего. Равные часы постепенно стали стандартом значительно позже, особенно с распространением механических часов.

А вот 60 минут в часе и 60 секунд в минуте действительно связаны с древней шестидесятеричной традицией. Её использовали в астрономии и математике, а затем эта система через греческих и средневековых астрономов закрепилась в измерении времени. Так древняя система счёта пережила тысячи лет и до сих пор тикает на каждом циферблате.

Почему секунда длится именно столько

Секунда когда-то была просто частью суток. До 1960 года её определяли как 1/86 400 среднего солнечного дня: сутки делили на 24 часа, час — на 60 минут, минуту — на 60 секунд. Но Земля вращается не идеально равномерно, поэтому продолжительность солнечных суток немного меняется. Для точных измерений такая основа оказалась недостаточно стабильной.

Поэтому в 1960 году секунду сначала связали с тропическим годом 1900 года, а уже в 1967-м перешли от астрономии к атомной физике. Секунду определили через колебания атома цезия-133: она соответствует 9 192 631 770 периодам определённого атомного перехода.

Получается интересная смена логики: раньше атомная секунда была частью суток, а теперь наоборот — именно секунда является фундаментальной единицей, а минуты и часы выражаются через неё. При этом современная секунда была выбрана так, чтобы максимально точно соответствовать прежней астрономической единице.

Мы придумали точку отсчёта — а потом перестали зависеть от Земли

Летоисчисление понадобилось, чтобы точно фиксировать события: вместо «три зимы назад» можно было назвать конкретный год. Разные цивилизации выбирали свои точки отсчёта — например, годы правления правителей или другие исторические эпохи. В VI веке монах Дионисий Малый предложил считать годы от предполагаемого Рождества Христа, работая над таблицами для расчёта Пасхи. При этом он ошибся в вычислении даты рождения Христа, а в его системе вообще не было нулевого года: после 1 года до н. э. сразу идёт 1 год н. э.

А сегодня даже сама секунда больше не определяется вращением Земли. С 1967 года её связывают с атомом цезия-133: одна секунда — это ровно 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего определённому переходу между энергетическими уровнями атома. Такое определение гораздо стабильнее, потому что вращение Земли немного меняется, а атомный переход можно воспроизводить с чрезвычайно высокой точностью.

Получается парадоксальная история: начали измерять время по Солнцу и Земле, а в итоге эталон секунды нашли внутри атома. Именно сверхточное измерение времени сегодня лежит в основе спутниковой навигации, телекоммуникаций и синхронизации компьютерных систем.

Автор: Алиса Мамакова, ТПУ