Вимірювання часу є одним з найважливіших завдань будь-якої науки, що займається явищами в просторі і часі. Розглянемо ситуацію в цій галузі.
Кант у всякому разі мав рацію, коли він представляв час як відбиту людським розумом форму споглядання. Це споглядання безперервно. Але безперервність ніколи не несе з собою власної міри; отже, щоб виміряти час, треба внести в нього систему заходів *). Можна, наприклад, довільно встановити позначки часу, нумеруя удари, в той час як будь-хто стукає кулаком по столу. Якщо з'єднують з кожним подією номер одночасного з ним удару, то тим самим встановлюється тимчасова послідовність подій за допомогою ряду чисел.
*) Ланцюг має свою міру в собі: можна нумерувати її ланки; для того ж, щоб виміряти абсолютно однорідну нитку, треба покласти поруч з нею масштаб і віднести до неї її поділу.
Звичайно, такий вимір часу недостатньо вже для багатьох цілей повсякденному житті; при його допомоги не можна, наприклад, встановити залізничне розклад. Останнє має керуватися рухом паровозів, що підкоряється певним законам природи, а вищезгадане визначення часу не має ніякого відношення до цих законів. Таким чином, метою вимірювання часу повинна бути зв'язок з законами природи і саме такий зв'язок, щоб вона задовольняла вимогам науки, в якій закони природи можуть бути сформульовані найбільш простим чином.
Ця думка, якщо придивитися, лежить в основі давніх піщаних і водяних годин. Встановлюють, що такий процес, як проходження певної кількості піску або води через отвір, триває завжди однаковий час; наскільки подібне твердження задовольняє цілі - повинен вирішити досвід. Але подібний годинник зупиняються після проходження всієї маси піску або води; потрібне втручання, щоб знову пустити в хід, і це втручання впливає на вимір часу. Те ж відноситься до употреблявшимся в середні століття годинах з гирею, в яких для вимірювання часу служило уповільнене тертям повітря падіння гирі, а також до простого маятника, період коливання якого Галілей зробив мірою часу. Відкриття Галілеєм незалежності періоду від амплітуди коливань було великим досягненням, хоча на противагу його думку ця незалежність є лише наближеною; вона має місце лише в разі малих переміщень.
Вирішальний крок для створення годин в сучасному сенсі зробив 1657 р Християн Гюйгенс (1629-1695) - той самий, який відкрив кільце Сатурна і з яким ми в подальшому ще багато раз зустрінемося. Він ввів принцип «зворотного зв'язку» *) останній термін ми запозичуємо, правда, з виробленого лише в 1906 р дослідження Е. Румера **) щодо порушення електричних коливань.
**) Відкриття Румера відносилося до іскровим передавачів. У 1913 р Форест і майже одночасно з ним Мейснер ввели зворотний зв'язок для передавачів, що працюють на електронних лампах, що мають в даний час набагато більше значення.
При будь-якому пристрої годинник складається з трьох важливих частин. По-перше, вони мають джерело коливань, здебільшого у вигляді маятника або спіралі; період коливань дає міру часу. Але коливання неминуче повинні поступово затухати слідом ствие опору тертя, якщо не буде підводитися весь час нова енергія руху. Тому другою суттєвою складовою частиною годин є. джерело енергії, який нагромаджує енергію або у вигляді пружної енергії напруженої пружини, або у вигляді потенційної енергії піднятої гирі; в нових конструкціях застосовується іноді електрична батарея. Третьою і головною частиною є апарат, який доставляє цю енергію джерела коливань; він повинен це зробити так, щоб не порушувати період коливань, і при цьому джерело коливань сам повинен визначати моменти часу, коли потрібно доставка енергії. В цьому і полягає сутність зворотного зв'язку, яка вперше з'явилася в годиннику Гюйгенса як з маятником, так і зі спіраллю. Але при всіх конструкціях необхідно час від часу знову підводити енергію. Однак це втручання в принципі не заважає ходу годин. Таким чином, можна сказати, що подібний годинник в основному вимірюють час безперервно.
Звичайно, техніка годин все вдосконалювалася. Вимоги точності, яким сьогодні задовольняють кожні більш-менш хороший годинник, були за часів Гюйгенса недосяжні. Особливо важливим було винахід В. А. Маррісоном в 1929 р кварцових годин, вдосконалених надалі А. Шайбі і У. Адельсбергером. У цьому годиннику джерелом коливань є кварцовий стрижень, який робить близько 100 000 коливань в секунду і внаслідок п'єзоелектричних властивостей кварцу пов'язаний зворотним зв'язком з електричною батареєю. Їх хід постійний з точністю до 1/1000 секунди за день.
Щоб пристосувати вимір часу до суспільного життя, до сих пір годинник калібрують по відношенню до обертання Землі відносно нерухомих зірок. Зоряний день укладається між двома проходженнями однієї і тієї ж зірки через меридіан, а середній сонячний день, який ми поділяємо на 24 години (по 60 хвилин в годині і 60 секунд в хвилині), на 1/365 довше. Істинний сонячний день, який вимірюється між двома проходженнями сонця через меридіан, змінюється протягом року; тому все сонячний годинник показують відхилення до 1/4 години в порівнянні з правильно йдуть механічними годинами. Фізика, заснована на вимірі часу механічними годинами, пояснює це відхиленнями траєкторії Землі від кола і нахилом площини екліптики *). Фізика, яка хотіла б в основу виміру часу поставити фактичний сонячний день, стала б перед здивованим питанням, чому всі штучні годинник в своєму ході виявляють узгоджуються річні коливання.
*) Це означає, що земна вісь НЕ перпендикулярна до площини руху Землі, а нахилена на 23 ° по відношенню до нормалі.
Зрозуміло, можна розглядати тільки як гіпотезу положення про те, що період обертання Землі годиться для калібрування годин, т. Е. Що швидкість обертання Землі постійна при вимірюванні часу за допомогою інших хороших годин. Існують два методи перевірки цієї гіпотези. Узгоджуються свідчення хороших кварцових годин вказують, очевидно, на зміни часу обертання, які вимірюються тисячними частками секунди. Але набагато вірніше буде порівняння з рухом Місяця і внутрішніх планет. Час, визначений за обертання Землі, протягом двох останніх століть відрізнялося на 30 секунд (то в бік відставання, то в бік прискорення) від часу, яким користуються для фізичного розуміння цього руху. Щоб відповідати своєї мети, вимір часу Повинно проводитися по «планетних годинах» як найбільш точним *).
*) В. М е у е r m a n n, Die Schwankungen unseres Zeitmasses. Ergebn. d. exakten Naturwissenschaften 7, 92 (1928).
При всіх цих роздумах ми відволікалися від того, що будь-які з розглянутих годин рухаються разом із Землею навколо Сонця, а також беруть участь в добовому обертанні навколо земної осі. Теорія відносності вчить, як обчислити потрібну в зв'язку з цим рухом особливу поправку; але при сучасній точності вимірювань ця поправка може не враховуватися.