Be tikslaus laiko matavimo negalima apsieiti daugelyje mokslo ir technikos sričių, ypač fizikoje ir astronomijoje. Matuojant radioaktyvių izotopų amžių, susiduriama su ypač trumpais laiko tarpais. Pavyzdžiui, vandenilio-4 izotopo skilimo pusperiodis lygus vienai dešimtmilijardinei sekundės daliai. Tuo tarpu astronomijoje galaktikų amžius matuojamas milijardais metų.

Laiko matavimas prasidėjo nuolatinių dienos ir nakties kaitų stebėjimu. Vėliau laikui matuot: žmonės panaudojo mėnulio fazių keitimosi periodą – mėnesį. Neatsitiktinai sanskrito, graikų, lotynų kalbose mėnesio pavadinimas susijęs su žodžiu „matuoti“. Tačiau mėnulis turi vieną ydą: jo fazių pasikeitimo skaičius per metus truputį didesnis negu 12. Dėl to žemės darbai, religinės šventės, dažnai siejamos su metų laikais, atsidurdavo ne vietoje.

Taip iškilo reikalas fiksuoti saulės metų pradžią. Saulės metų negalima taip ryškiai stebėti, kaip, pavyzdžiui, dienos ar mėnesio pradžią. į pagalbą atėjo saulės laikrodis, kurį sudarė vertikaliai įbestas strypas ir horizontali plokštuma. Pagal šešėlio ilgį vidurdienį jau buvo galima spręsti apie metų laiką ir nustatyti metų pradžią.

1 pav. Saulės laikrodis
Saulės laikrodis

Nors egiptiečiai, babiloniečiai ir kinai saulės kelio stebėjimams pradėjo naudoti daiktų metamą šešėlį dar du tūkst. metų pr. Kr., bet saulės laikrodis (1 pav.) pasirodė tik V-IV a. pr. Kr. Ilgainiui jis tobulėjo.

Aleksandrijos ir Romos laikais valdančiosios klasės atstovai lenktyniaudavo, statydami saulės laikrodžius. Jie buvo šventyklų, cirkų, pirčių neatskiriama puošmena. Tai liudija gausios iškasenos.

2 pav. Kelioninis laikrodis
Kelioninis laikrodis, I a. pr. Kr.

Paminėtini mūsų kišeninių laikrodžių pirmtakai, Vitruvijaus aprašomi I a. pr. Kr. Vieną tokį kelioninį laikrodį matome 2 pav. Jo skersmuo – 52 mm, o plotis – 5 mm. Norint sužinoti laiką, šį laikrodį reikėdavo pro kiaurymę H pakabinti ant siūlo, o kūginę kiaurymę A atsukti į saulę. Saulei tekant ar leidžiantis, šviesi dėmė būdavo taške C. šviesios dėmės padėtis lanko viduje vidurdienį parodydavo net mėnesį. Tam reikalui kampas SCW buvo padalytas į šešias dalis. Esant ilgiausiai dienai, šviesi dėmė vidurdienį būdavo taške S, dienai susilyginus su naktimi, ji nuslinkdavo į tašką B, o, pasidarius trumpiausiai dienai, šešėlis pasiekdavo tašką W. Kitą pusmetį šviesi dėmė grįždavo atgal. Laikrodžio spindulys buvo padalytas į šešias dalis. Jas atitikdavo šešios priešpietinės ir šešios popietinės valandos. Toks laikrodis teisingai rodydavo laiką tik du laipsnius apimančioje geografinėje platumoje, kas maždaug tolygu mūsų respublikos užimamam platumui. Didesnėse platumose jau reikėdavo turėti kitą laikrodį. Vėliau, jį patobulinus, galima buvo panaudoti ir kitur.

Suprantama, kad saulės laikrodžiai nebuvo tikslūs. Tačiau kasdieniniame gyvenime, ypač žemės ūkyje, tenkintasi dar elementaresniu laiko matavimu: jį matuodavo pagal savo paties šešėlio ilgį pėdomis. Laiko neapibrėžtumas atsispindėjo ir tautosakoje. Pavyzdžiui, posakis „laikas – pinigai“ seniau nebuvo žinomas. Seniau sakydavo „skubėk pamažu“ ir pan.

3 pav.Platono klepsidra
Platono klepsidra
4 pav. Ktesibijaus klepsidra
Ktesibijaus klepsidra

Greta saulės laikrodžių atskiriems laiko tarpams matuoti buvo naudojami vandens laikrodžiai, vadinami klepsidromis. Juose vanduo būdavo praleidžiamas pro siaurą vamzdelį arba tiesiog lašinamas lašais. Apie praėjusį laiką būdavo sprendžiama pagal ištekėjusio arba pritekėjusio vandens kiekį. Kinijoje ir Indijoje klepsidros pasirodė gilioje senovėje. Egipte jos buvo naudojamos XVI a. pr. Kr. Platonas (IV a. pr. Kr.) savo akademijos kieme turėjo įsirengęs didžiulę klepsidrą, kuri ne tik rodydavo laiką, bet rytais pažadindavo ir jo mokinius. Platono žadinamojo laikrodžio veikimo principas parodytas 3 pav. Į viršutinį indą iš klepsidros lašėdavo vanduo. Rytmetį jis pasiekdavo viršutinio indo viduryje įtaisytą vamzdžio galą, sudarydavo sifoną ir vienu ypu išsipildavo į apatinį indą. Suspaustas oras, išeidamas iš apatinio indo pro specialų švilpuką, sukeldavo garsinį signalą. Aleksandrijos mechanikas Ktesibijus II a. p. m. e. klepsidrą patobulino. Jis prie kamščio pritvirtino figūrėlę, kuri, kylant inde vandens lygiui, kildavo aukštyn ir rodydavo valandas (4 pav.).

 


 

Kaip ir saulės laikrodis, taip ir klepsidra dažnai buvo kartu ir architektūrinė puošmena. Europoje ji gyvavo iki XVIII a., kol jos neišstūmė švytuoklinis laikrodis. Klepsidrą seniau plačiai naudodavo kalboms apriboti susirinkimuose, teismuose, sargybų pamainų laikui nustatyti kariuomenėje, saulės laikrodžių valandoms suvienodinti ir kt. Be to, ji parodydavo laiką ir naktį, ir ūkanotą dieną.

XIV a. pasirodė špindeliniai mechaniniai laikrodžiai, turintieji iki XVI a. tik vieną rodyklę. Jie irgi nebuvo tobuli, darydavo per parą ne mažesnę kaip 15 min. paklaidą. Tai buvo daugiausia bokštiniai laikrodžiai. Tik XVI a. pradžioje Niurnbergo šaltkalvis P. Henleinas, vietoj svorio panaudojęs plieninę spyruoklę, padarė špindelinį laikrodį, kuris jau tilpo kišenėje. 1657 m. olandų mokslininkas Hiuigensas sukonstravo švytuoklinį laikrodį. Pastarasis buvo daug tikslesnis už špindelinį. Pagaliau 1715 m. pasirodė ankerinis laikrodis. Nuo to meto laikrodžio konstrukcija iš esmės nebepasikeitė. Keitėsi tik jo matmenys, apipavidalinimas, tikslumas ir kt.

Dabar ankeriniai laikrodžiai per parą nenukrypsta daugiau nuo tikro laiko kaip 30-45 s. Laikrodžio tikslumas daugiausia priklauso nuo spyruoklės sukamojo momento pastovumo. Ką tik prisukto laikrodžio spyruoklės sukamasis momentas yra didesnis, ir laikrodis eina greičiau, negu spyruoklei baigiant išsisukti. Sukamojo momento pastovumui išlaikyti dabar yra sukonstruoti savaime prisisukantieji laikrodžiai. Juos prisuka rankos judesių energija. Tačiau prisukimo mechanizmas užima nemaža vietos, ir laikrodis yra gerokai storesnis.

Siekiant sumažinti detalių skaičių, sukonstruotas rankinis elektromechaninis laikrodis. Jis neturi prisukimo mechanizmo, spyruoklės, ankerinio paleidėjo. Srovės impulsai tiesiog paduodami per kontaktus iš miniatiūrinės baterijos į balanso apvijas. Toks laikrodis tikslesnis, tačiau gerokai brangesnis už paprastą.

Visi čia suminėti mechaniniai laikrodžiai turi balansą – tai į vieną, tai į kitą pusę besisukiojantį smagratį. Balansas svyruoja 2,5-3 kartus per sekundę. Jis turi tam tikrų trūkumų – susidaro nemaža trintis guoliuose, o, surenkant laikrodį, sunku balanso svorio centrą sutapatinti su jo sukimosi ašimi. Todėl pradėta ieškoti tobulesnės švytavimo sistemos. Dėmesį patraukė kamertonas. Jis neturi trinties taškų, jam nereikia balansavimo. Tokiu būdu kamertono virpesiai yra žymiai pastovesni už balansinę švytuoklę. Bandomųjų rankinių laikrodžių kamertonai yra iki 25 mm ilgio. Kamertonas gauna energiją virpesiams palaikyti iš 1,3 V baterijos. Jo paklaida per mėnesį ne didesnė kaip 1 min. Kasdieniniame gyvenime tokio laikrodžio tikslumo jau pilnai pakanka. Tačiau tiksliems moksliniams darbams atlikti, raketų trajektorijoms apskaičiuoti tokio tikslumo nepakanka. Pasirodė, kad specialiai pagaminta kvarco plokštelė duoda pastovesnius virpesius, negu kamertonas. Kvarco plokštelės pagrindu pagamintas laikrodis per 30 metų „paklysta“ tik 1 s. Tačiau, laikui bėgant, kvarco plokštelėje pasireiškia struktūros pakitimai, vadinami „kvarco senėjimu“. Nuo to pradeda keistis ir virpėjimo dažnumas. Vadinasi ir toks (5 pav.) laikrodis nėra ilgaamžis.

Reikėjo sukurti aukšto stabilumo laikrodį, kurio pastovusis parametras būtų mažiau priklausomas nuo išorės sąlygų. Mokslininkai apsistojo ties atomu. Jei sudėtingos plokštelės sensta, tai atomas senti negali. Pereinant atomams iš sužadintos būklės į normalią, išspinduliuojama labai stabilaus dažnumo energija. Mokslininkams pavyko sukurti atominį laikrodį, kuris daro 1 s paklaidą tik per 300 metų! Pavyzdžiui, atominiu laikrodžiu nustatyta, kad per 1959 m. pirmąjį pusmetį Žemės sukimasis aplink ašį sulėtėjo, nuo to vidutiniškai para pailgėjo viena tūkstantąją sekundės dalimi. Tačiau, kuriant atominį laikrodį, susiduriama su dideliais techniniais sunkumais, ne veltui jis pramintas „laiko fabriku“.

Dar didesniu stabilumu pasižymi radioaktyvių medžiagų gama-spinduliavimas. Apskaičiuota, kad, panaudojus gama-spinduliavimą, būtų galima pagaminti laikrodį, kuris 1 s paklaidą padarytų per 30 mln. metų. Tačiau šiuo metu dar neišspręsta tokio laikrodžio gamybos problema.

Nepaprastai tikslūs laikrodžiai darosi vis reikalingesni audringai besivystantiems mokslui ir technikai. Pavyzdžiui, aukšto stabilumo prietaisais galima būtų nesudėtingomis sąlygomis patikrinti A. Einšteino reliatyvumo teorijos išvadą, kuri tvirtina, kad dideliais greičiais skriejantis kosmonautas pasensta vėliau už Žemės gyventojus.

Vaitkus J. Laikas ir laikrodžiai// Mokslas ir gyvenimas.– 1965.– Nr. 1.– P. 9-10.