Измерять, отсчитывать, сверять время необходимо во многих случаях жизни, в самых разных видах деятельности — науке, технике, производстве, в быту. Помогают нам в этом многочисленные и разнообразные приборы, имеющие общее название — часы.
Самыми первыми были солнечные часы. Простейшие из них представляли собой палку, вертикально воткнутую в землю, и циферблат с начерченными на земле делениями. В течение дня, пока солнце движется по небосводу, тень от палки перемещается от деления к делению, подобно стрелке на современных часах. Так можно довольно точно узнавать время дня.
Для отсчета определенных промежутков времени были изобретены песочные часы. Делали их обычно в виде двух сосудов, соединенных друг с другом узким горлышком. Мерой служило время, за которое песок полностью пересыпался из верхнего сосуда в нижний.
На подобном принципе устроена работа водяных и огненных часов. Время в водяных часах определялось по скорости вытекания воды из одного сосуда в другой, а в огненных — по скорости сгорания какого-нибудь предмета: свечи, шнура, деревянной палочки.
Изобретение механических часов некоторые историки приписывают Пацификусу из Вероны (начало IX в.), а другие — монаху Герберту, ставшему впоследствии папой Сильвестром II. Он сделал башенные часы с гирями для города Магдебурга в 996 г. В России первые башенные часы установлены в 1404 г. в Московском Кремле монахом Лазарем Сербиным. Все эти часы имели примерно одинаковую конструкцию. На горизонтальный вал намотана веревка с гирей на конце. Гиря тянет веревку и вращает вал. Через систему колес с зубцами вращение вала передается основному, так называемому храповому колесу, соединенному со стрелками — указателями времени. Если гире дать возможность опускаться свободно, то вал будет вращаться ускоренно. Поэтому в часах необходим регулятор равномерного вращения храпового колеса. Очень хорошим регулятором оказался маятник — груз, подвешенный на тонком стержне. Его важное свойство — равномерность качаний — одним из первых подметил в конце XVI в. итальянский ученый Галилей. С помощью специального механизма — анкера — маятник соединили с зубьями храпового колеса так, что за одно колебание маятника колесо могло повернуться на один зуб.
Изобретателем современных механических часов по праву считается нидерландский ученый X. Гюйгенс, который в 1657 г. применил маятник в качестве регулятора хода часов.
Позднее веревку с грузом, приводящим механизм в движение, заменила более совершенная пружина. Маятник сменился балансом — маленьким маховым колесом, которое колеблется около положения равновесия, вращаясь то в одну, то в другую сторону. Так появились карманные, а потом и наручные часы.
В лучших механических часах в наши дни неточность хода очень мала: не более 0,0001 с за сутки. Изобретатели продолжают искать все новые пути для увеличения точности часов.
На смену механическим часам пришли электронные. Взамен колебаний маятника или баланса стали использовать, например, упругие колебания кристалла кварца. Если к противоположным поверхностям кварцевой пластинки подвести переменный электрический ток, кристалл начнет совершать колебания, причем частота колебаний кварца отличается высоким постоянством. Это позволило создать очень точные кварцевые электронные часы, в которых радиотехнический генератор вырабатывает высокочастотный ток, а кварцевый кристалл играет роль маятника, поддерживая строгое постоянство колебаний тока. Функции «шестерен» выполняют различные электронные схемы. Проходя через них, ток преобразуется и подводится к электродвигателю, который и вращает стрелки часов. Высокая стабильность частоты колебаний обеспечивает равномерность движения стрелок и погрешность не более 1 мкс.
Тем не менее даже кварцевые часы имеют существенные недостатки. Главные из них — зависимость колебаний кварца от температуры окружающей среды и изменение частоты колебаний с течением времени.
В борьбе за точность ученые создали молекулярные часы, в которых используют способность определенных молекул поглощать и излучать электромагнитные колебания строго определенной частоты. Еще более точными «хранителями времени» оказались атомы некоторых элементов, например цезия. Неточность хода атомных цезиевых часов составляет 1 с за 10 000 лет. Но и этот показатель удалось превзойти с помощью квантовых часов, в которых используются электромагнитные колебания водородного квантового генератора. Такие часы обладают неточностью в 1 с за 100 000 лет!
Существуют и так называемые радиоактивные часы. С их помощью ученые измеряют очень большие промежутки времени — тысячи, сотни тысяч и даже миллионы лет. Например, возраст археологической находки или какой-нибудь горной породы. Принцип измерения основан на законе радиоактивного распада ядер химических элементов. Различные элементы распадаются с разной скоростью. Например, период полураспада (количество атомов уменьшается вдвое) урана-238 равен 4,5 млрд. лет, урана-235 — 700 млн. лет, а углерода-14 — «всего» 5500 лет. Сравнивая соотношение тех или иных элементов в изучаемом образце со скоростями их распада, ученые могут определить возраст исследуемого объекта в интервале от сотен до миллиардов лет.