Laikas ant riešo ir ant sienos – kaip gimė laikrodžiai
Žmonės visada stengėsi išmatuoti laiką. Senovės egiptiečiai naudojo saulės laikrodžius, kurie veikė pagal šešėlio judėjimą, o kinai sukūrė vandens laikrodžius – specialius indus, iš kurių vanduo lašėjo pastoviu greičiu. Bet tikrasis proveržis įvyko XIII amžiuje, kai Europoje atsirado pirmieji mechaniniai laikrodžiai.
Pirmieji mechaniniai laikrodžiai buvo didžiuliai – juos statė bažnyčių bokštuose ir miestų aikštėse. Jie neturėjo rodyklių, o tik mušė valandas. Tikslumas? Na, jei per dieną nuklysdavo tik valandą, tai jau buvo gerai. Bet žmonės buvo sužavėti – pagaliau galėjo tiksliau planuoti savo dieną, negu tiesiog žiūrėdami į saulę.
Tikroji revoliucija prasidėjo XV amžiuje, kai vokiečių meistras Peteris Henlein sukūrė pirmąjį kišeninį laikrodį. Tiesa, jis buvo dydžio kaip šiuolaikinis išmanusis telefonas ir svėrė apie pusę kilogramo, bet tai buvo pradžia.
Mechaninių laikrodžių širdis – spyruoklės ir krumpliaračiai
Mechaninis laikrodis – tai tikras inžinerijos stebuklas. Pagrindinė idėja paprasta: reikia energijos šaltinio, mechanizmo, kuris tą energiją padalins į vienodus laiko intervalus, ir sistemos, kuri parodys rezultatą.
Energijos šaltinis gali būti dviejų tipų. Sieniniuose laikrodžiuose dažnai naudojami svoriai – sunkūs metaliniai diskai, kabantys ant grandinės. Gravitacija traukia svorius žemyn, o jų judėjimas sukasi krumpliaračius. Kišeniniuose ir riešo laikrodžiuose naudojama spyruoklė – suvyniotas metalinis juostelis, kuris atsisukdamas atiduoda sukauptą energiją.
Bet kaip užtikrinti, kad ši energija būtų išleidžiama tolygiai? Čia ir slypi mechaninio laikrodžio genialumas – eskapo mechanizmas. Tai sistema iš dviejų pagrindinių dalių: balanso rato (arba švytuoklio) ir eskapo rato su specialiu svirteliu.
Balansas svyruoja pirmyn ir atgal pastoviu ritmu – paprastai 5-10 kartų per sekundę. Kiekvienas svyravimas leidžia eskapo ratui pasisukti tiksliai vienu dantuku. Eskapo ratas sujungtas su krumpliaračių sistema, kuri sumažina sukimosi greitį ir perduoda jį rodyklėms.
Kvarcinio laikrodžio elektroninis pulsas
1969 metai – japonų kompanija „Seiko” pristato pirmąjį komercinį kvarcinio laikrodį „Astron”. Tai buvo tikras šokas laikrodžių pramonei. Mechaniniai laikrodžiai, kuriuos meistravo šimtmečiais, staiga tapo… senoviški.
Kvarcinio laikrodžio pagrindas – mažytis kvarco kristaliukas, ne didesnis už ryžio grūdą. Kvarco savybė unikali: kai pro jį praeina elektros srovė, kristalas pradeda vibruoti tiksliai 32 768 kartus per sekundę. Kodėl būtent toks skaičius? Tai 2 laipsnis 15-uoju – labai patogus skaičius elektronikai.
Laikrodžio mikroschema skaičiuoja šiuos vibracijas. 32 768 vibracijų = 1 sekundė. Mikroschema siunčia signalą žingsniniam varikliukui, kuris pastumia rodykles, arba keičia skaičius skaitmeniniame ekrane.
Kvarcinio laikrodžio tikslumas – apie 15 sekundžių per mėnesį. Palyginkite su mechaniniu, kuris gali nuklysti 15 sekundžių per dieną. O energijos suvartojimas? Paprasta baterija gali maitinti kvarcinio laikrodį 2-5 metus.
Atominio tikslumo era
Jei manote, kad kvarcinis laikrodis tikslus, tai atominis jus nustebins. Pirmasis atominis laikrodis sukurtas 1955 metais Anglijoje, o šiandien jie yra tiksliausi laiko matavimo prietaisai žemėje.
Atominio laikrodžio principas grindžiamas kvantinės fizikos dėsniais. Cezio-133 atomai, paveikti mikrobangų spinduliuote, keičia savo energijos lygį tiksliai 9 192 631 770 kartų per sekundę. Šis skaičius ir tapo oficialiu sekundės apibrėžimu 1967 metais.
Modernus atominis laikrodis nuklysta vos vieną sekundę per 100 milijonų metų. Tai reiškia, kad jei tokį laikrodį būtų paleidę dinozaurų laikais, šiandien jis būtų nukrypęs tik kelias sekundes.
Atominiuose laikrodžiuose naudojamos įvairios technologijos. Cezio fontano laikrodžiai „šaudo” atomus aukštyn ir matuoja jų virpesius, kol jie krinta žemyn. Optiniai laikrodžiai naudoja šviesos spindulius, kad „pagautų” ir išlaikytų atomus vienoje vietoje.
GPS ir interneto laiko sinchronizacija
Šiuolaikiniame pasaulyje tikslus laikas – ne prabanga, o būtinybė. Finansų rinkos, telekomunikacijos, internetas – visa tai veikia tik tada, kai visi prietaisai rodo tiksliai tą patį laiką.
GPS palydovai – tai skraidantys atominio tikslumo laikrodžiai. Kiekvienas palydovas turi keturis atominius laikrodžius ir nuolat transliuoja tikslų laiką. Jūsų išmanusis telefonas, automobilio navigacija, net kai kurie kompiuteriai nuolat sinchronizuojasi su GPS signalais.
Internete veikia NTP (Network Time Protocol) sistema – serverių tinklas, kuris platina tikslų laiką. Kai jūsų kompiuteris prisijungia prie interneto, jis automatiškai patikrina laiką ir, jei reikia, pakoreguoja. Šis procesas vyksta fone, todėl jo nepastebite.
Bankai naudoja dar tikslesnius laiko serverius. Kai perkate akcijas internetu, sandoris turi būti pažymėtas tiksliu laiku iki mikrosekundės. Priešingu atveju galėtų kilti ginčų dėl to, kuris sandoris buvo sudarytas anksčiau.
Išmanieji laikrodžiai – kompiuteris ant riešo
Apple Watch, Samsung Galaxy Watch, Garmin – šiuolaikiniai išmanieji laikrodžiai yra maži kompiuteriai, kuriuose laiko rodymas tėra viena iš daugelio funkcijų.
Viduje rasite procesorių (dažnai dviejų ar keturių branduolių), operatyviąją atmintį, duomenų saugyklą, GPS imtuvą, širdies ritmo sensorių, akselerometrą, giroskopą, magnetometrą. Kai kurie modeliai turi net LTE ryšį – gali skambinti be telefono.
Laiko tikslumas? Išmanieji laikrodžiai sinchronizuojasi su telefonu, o telefonas – su mobiliojo ryšio tinklais arba internetu. Rezultatas – tikslumas iki sekundės dalių.
Baterijos problema išlieka. Mechaninis laikrodis veiks be energijos šaltinio kelis šimtmečius (jei jį suksite), kvarcinis – kelerius metus, o išmanusis laikrodis reikalauja kasdieninio krovimo. Bet funkcionalumas… 1970 metais tokį prietaisą būtų pavadino mokslinės fantastikos stebuklu.
Ateities laikrodžiai ir kvantiniai šuoliai
Laikrodžių technologijos nestoja vietoje. Optiniai atominio laikrodžiai jau dabar 100 kartų tikslesni už tradicinius cezinius. Mokslininkai eksperimentuoja su kvantiniais laikrodžiais, kurie galėtų būti dar tikslesni.
Praktinis pritaikymas? Tikslesnio laiko matavimas padės tobulinti GPS navigaciją – vietoj kelių metrų tikslumo galėsime pasiekti centimetrų tikslumą. Tai revoliucionizuos autonominių automobilių technologijas, robotikos sritį, net geologinius tyrimus.
Nešiojamų laikrodžių srityje ateitis priklauso nuo baterijų technologijų. Grafeno baterijos, kietakūnės baterijos, net kinetinės energijos surinkimas iš rankos judėjimo – visa tai gali pailginti išmaniųjų laikrodžių veikimo laiką.
Kai kurie gamintojai eksperimentuoja su holografiniais ekranais, kurie projektuotų laiką tiesiai į orą virš riešo. Kiti kuria laikrodžius, integruotus į odą – maži implantai, kurie rodytų laiką ant odos paviršiaus.
Laikas teka, technologijos keičiasi
Nuo saulės laikrodžių iki kvantinių – žmonijos kelionė laiko matavimo srityje atskleidžia ne tik technologijų raidą, bet ir mūsų santykį su laiku. Mechaniniai laikrodžiai išmokė mus tiksliau planuoti dieną, kvarcinio – vertinti tikslumą, o išmanieji pavertė laiką tik viena iš daugelio informacijos rūšių.
Šiandien ant jūsų riešo gali tikti daugiau skaičiavimo galios, nei turėjo NASA, siųsdama žmogų į Mėnulį. Bet ar tai padaro mus laimingesnius? Galbūt kartais verta sustoti, pažvelgti į seną mechaninio laikrodį ir pasiklausyti jo ramaus tik-tak ritmo. Juk laikas – tai ne tik skaičiai ekrane, bet ir gyvenimo ritmas, kurį mes patys sau kuriame.
Technologijos keičiasi, bet laiko esmė lieka ta pati – tai vienintelis išteklius, kurio negalime pasigaminti daugiau. Nesvarbu, ar matavote jį saulės šešėliu, ar atominiu laikrodžiu – kiekviena sekundė yra vienodai vertinga.