Zegary - Świat nauki i techniki

Przez długie wieki wyznaczanie czasu nie wydawało się ludziom potrzebne. Wprawdzie już w starożytności egipscy i arabscy astronomowie określali liczbami pory dnia i nocy i od tych czasów przyjęto podział doby na dwa okresy po 12 godzin. W starożytności podział ten był niedokładny, gdyż jak wiemy, długość dnia i nocy zmienia się wraz z porami roku. W strefach podzwrotnikowych zmiany te są jednak niewielkie.

Przez długi czas dzień zaczynano liczyć „od zera” wraz ze świtem. Dopiero później, zorientowano się, że lepiej zacząć liczyć dzień wtedy, gdy wszyscy głęboko śpią, bo gdy ludzie zaczynali swoją aktywność przed świtem, nie wiadomo było jak określać datę, na przykład, transakcji handlowej tuż przed otwarciem targu.

Czas dnia określano najczęściej zegarem słonecznym, na którym cień wskazywał linie opisane godzinami. Konstrukcje te rozwinęły się w średniowieczu, gdy w VII wieku papież nakazał, aby zegary słoneczne umieszczać na ścianach kościołów.

W tamtych wiekach nie wymagano zbyt dużej dokładności wyznaczania czasu a i zegary słoneczne jej nie zapewniały. Cień rzucany przez Słońce wynika z obrotów Ziemi, ale nie tylko. Ziemia obraca się wprawdzie bardzo równomiernie, i do niedawna jej obroty były wzorcem czasu. Jednak na skutek krążenia Ziemi po elipsie, raz dalej od Słońca i wolniej, raz bliżej i szybciej, cień na tarczy zegara słonecznego spóźnia się i przyspiesza w granicach pół godziny.

Różne chińskie i arabskie wynalazki zegarów wodnych, ogniowych, piaskowych były wykorzystywane sporadycznie i to raczej do alarmów (budzików) i odmierzania przedziałów czasu, a nie pory dnia. Dopiero w czasach Renesansu, po opisaniu przez Galileusza zasad ruchu wahadła, zaczęto zamieniać niepraktyczne i „niedziałające” w pochmurne dni zegary słoneczne – na zegary mechaniczne.

Galileusz zauważył, że poruszające się wahadło ma okresy wahań niezależne od wielkości wychyleń. Wahadło o długości około 1 metr (99.5cm) ma okres wahań 1 sek. Każde wychylenie pozwala na przesunięcie o „ząbek” kółka mechanizmu i jednocześnie wahadło dostaje lekkiego „kopnięcia” malutką porcją energii ze sprężyny lub opadającego ciężarka.

W przenośnych i w mniejszych zegarkach mechanicznych rytm czasu najczęściej odmierzany jest przez wahadło torsyjne, czyli kółko obracające się lewo – prawo połączone ze sprężyną. Zegary mechaniczne trzeba było co kilka dni „nakręcać”, uzupełniając ich magazynek energii. Są też takie konstrukcje, które nakręcają się „same”, rozszerzalnością materiałów (różnica temperatury noc – dzień) lub swobodnymi ruchami ręki (słynny Rolex).

Przez kilkadziesiąt lat w USA były popularne zegary elektryczne. Jak wiadomo, prąd w sieci pulsuje 60 razy na sekundę i jest to bardzo kontrolowane i stabilne. Małe silniczki obracały się w rytm zmian prądu a przekładnie zębate przenosiły ten ruch na wskazówki zegara (lub na opadające klapki z liczbami). W Europie sieć nie jest tak stabilna, a w dodatku ma inną częstotliwość (50Hz) i te super-dokładne zegarki amerykańskie przysyłane w paczkach przez rodziny, włączane w Europie, spóźniały się o 10 minut na godzinę. W Stanach też były zawodne, gdyż po chwilowym wyłączeniu prądu, trzeba było je na nowo ustawiać.

Rewolucja konstrukcji zegarów nastąpiła w latach 70. wraz z postępem elektroniki. Opracowano generatory kwarcowe – bardzo stabilnie drgające kryształki kwarcu. Minerał ten ma taką zaletę, że kurczy się i rozszerza (drga) pod wpływem napięcia elektrycznego. Drgając też wytwarza na swoich ściankach niewielkie napięcie elektryczne (jest to tak zwane zjawisko piezoelektryczne). Wystarczy to drgające napięcie wzmocnić i podać z powrotem na kryształ a będzie on ciągle drgał. Energia do tego drgania jest dostarczana z baterii wystarczającej na kilka lat.

Odpowiednio ukształtowane cienkie kryształy kwarcu drgają z dużą częstotliwością kilkadziesiąt – kilkaset tysięcy razy na sekundę (a nawet dużo więcej) a ich zaletą jest utrzymywanie tych drgań z dużą dokładnością, która niewiele zależy od temperatury. W wykonaniu standardowym kryształki te mogą utrzymywać stabilność drgań z dokładnością kilku drgań na milion a w wykonaniu specjalnym jeszcze kilkadziesiąt razy dokładniej. Jest to dokładność nie do pobicia w stosunku do konstrukcji mechanicznych. Drgania są zliczane w układach elektronicznych i przekazywane na wyświetlacze cyfrowe lub za pomocą silniczka krokowego na tradycyjne wskazówki.

Obecnie żadne, nawet najdroższe zegarki mechaniczne nie są bardziej dokładne i niezawodne od starannie skonstruowanych zegarków kwarcowych, których produkcja kosztuje kilkanaście dolarów.

Porównując obserwacje astronomiczne z laboratoryjnymi zegarami kwarcowymi, których dokładność jest częścią sekundy na rok, stwierdzono, że obroty Ziemi zmieniają się i generalnie zwalniają. Jest to spowodowane ruchami magmy we wnętrzu Ziemi i przypływami morskimi wywoływanymi przez Księżyc. Aby czas astronomów i czas wyznaczany wzorcowymi zegarami nie rozbiegał się z upływem lat, co pewien czas do wskazań wzorcowych zegarów dodawana jest 1 sekunda.

Z niewiadomych przyczyn w 2000 roku Ziemia przyspieszyła i przez kilka lat dodawanie sekundy nie było potrzebne. Teraz jednak wszystko wróciło do poprzedniej normy i w tym roku (2008) usłyszymy, że 31 grudnia trwał o sekundę dłużej niż inne dni

Naukowcy wynaleźli jeszcze dokładniejsze metody pomiaru czasu niż zegary kwarcowe. Są to tak zwane „zegary atomowe”. Atomowe dlatego, że rytm czasu odmierzany jest przez drgania w atomach (najczęściej cezu), a mówiąc dokładniej, przez przeskoki elektronów związanych z atomami. Zegary atomowe są instalowane w wielu laboratoriach, a około 300 z nich, uznanych za najprecyzyjniejsze, uśrednia się i wyznacza Międzynarodowy Czas Atomowy (TAI –Temps Atomique International). Niepewność wyznaczanego tak czasu jest rzędu sekundy na 30 milionów lat.

Ostatnio „atomowe” wzorce cezowe zminiaturyzowano do wielkości zielonego groszku i niedługo usłyszymy, że będzie można za grube tysiące kupić i nosić swój „atomowy zegarek”. Termin może nie nowy, gdyż w wielu domach wisi na ścianie lub stoi przy łóżku „atomowy zegarek” kupiony za 20 – 30 dolarów. Niektórzy już od kilku lat noszą naręczne „atomowe”. Są to jednak tylko „zegary radiowo – kwarcowe”, gdyż ustawiane są w nocy sygnałem radiostacji nadającej z Gór Skalistych (Fort Collins) zakodowane instrukcje. Później w czasie dnia napędzane są „tradycyjnym” drganiem wbudowanego kwarcu. Podobne radiostacje pracują w kilku innych miejscach na świecie.

Ponieważ sygnał czasu może być odbierany w różnych strefach, należy „poinformować” nasz zegarek atomowy, w której strefie przebywamy. Zmiany czasu letni – zimowy, zegarek odczytuje też z sygnału. Ale Arizona nie zmienia czasu i należy zegarek o tym też „powiadomić”.

Nowsze telefony komórkowe dostają wskazania czasu z radiostacji strefowych (cell). Ma to tę zaletę, że przylatując na lotnisko, gdzie telefon automatycznie „wpisuje się” do lokalnej sieci, mamy już uaktualnione wskazania. Podobnie uaktualniane są wskazania zegarów wkomponowanych w telefony stacjonarne, sygnałem dołączanym w przerwie pomiędzy dzwonkami. Tu spotkała mnie ostatnio niespodzianka.

Na początku listopada, wieczorem poprzedzającym zmianę czasu, cofnąłem zegarek w telefonie–budziku o przepisową godzinę, wiedząc, że mogę trochę dłużej spać. Rano budzik zadzwonił jednak zbyt wcześnie i zobaczyłem, że poka
zuje „stary czas”. Dopiero po chwili zorientowałem się, że przed nocą ktoś do mnie zatelefonował i razem z dzwonkiem pojawił się sygnał przestawiający zegarek na jeszcze prawidłowy „wieczorny” czas. Później już nikt nie dzwonił i czas na telefonie-budziku pozostał po staremu.

W obecnych czasach jesteśmy otoczeni zegarami, i dokładna znajomość czasu nie sprawia kłopotu. Nawet teraz, pisząc ten felieton, widzę na dole ekranu komputera upływający czas i ze środy wskazanie przeskoczyło na Thursday.

Wielu ludzi przestało nosić zegarki mając w kieszeni bardzo dokładne wskazanie czasu na telefonie komórkowym. Dla niektórych zegarek na ręce jest jednak traktowany jak jubilerska ozdoba. Stąd niebotyczne, niczym innym nieuzasadnione ceny „firmowych” zegarków. W centrum Warszawy, w najbardziej prestiżowym lokalu, sprzedawane są zegarki po kilkanaście tysięcy. A za rogiem „takie same” pokątni sprzedawcy oferują poniżej 100 złotych (i tak o wiele za drogo).

Na koniec przytoczę zasłyszaną rozmowę dwóch „byznesmenów”. – Popatrz, ten zegarek udało mi się kupić w małym sklepiku w Szwajcarii za 10 tysięcy. – Czym chcesz mi zaimponować – mówi drugi. – Gdybyś kupił taki sam w Londynie za 50 tysięcy funtów, to miałbyś się czym chwalić.
(ami)