Общительные часы Гюйгенса 350 лет спустя

Как общаются друг с другом маятниковые часы.

В 1665 году  Христиан Гюйгенс заметил необычное физическое явление: пара маятниковых часов, повешенных на одной деревянной стене, спустя некоторое время согласовывали такт своего движения, при этом маятники часов начинали двигаться в противофазе – когда один отклонялся влево, другой отклонялся вправо. Такое состояние не пропадало со временем и сохранялось до тех пор, пока у обоих часов хватало энергии на движение. Точного объяснения этому странному поведению часов великий физик  тогда дать не смог, однако высказал предположение, которое подтвердилось  сильно позднее, что за синхронизацию часов отвечают микроколебания деревянной доски, на которой висели его часы. Гюйгенс представил открытый им эффект на заседании Лондонского королевского общества, однако сильного отклика от учёных мужей того времени он не получил – на повестке дня тогда значились куда более важные и интересные, по мнению большинства, проблемы, например, определение мореплавателями долготы во время путешествий. В таком виде проблема синхронизации маятников дошла вплоть до XX века, периодически привлекая внимание отдельных исследователей, но не получая полноценного теоретического объяснения.

Уже в наши дни проблемой синхронизации колеблющихся систем вновь заинтересовались физики и математики, вооружённые вычислительными машинами и знанием теоретической механики. И в качестве объекта исследования выбрали оригинальную систему Гюйгенса: пару механических часов, закреплённых на деревянной доске. Для соответствия условиям 350-летнего  эксперимента, были даже на заказ изготовлены механические часы, которые использовал голландский учёный. Но кроме того, чтобы воссоздать условия эксперимента, современные исследователи поставили себе цель разработать теоретическую модель, которая бы описывала наблюдаемый эффект. Скажем сразу, и в том и в другом удалось добиться положительного результата. Как мы уже говорили, в исходном эксперименте Гюйгенса часы синхронизировались в противофазе, однако это не является обязательным для всех подобных систем. Часы могут синхронизироваться и в фазе и в противофазе – на это влияет целый ряд параметров, например, механическая жёсткость деревянной доски или коэффициент затухания маятника в часах.

От жёсткости доски зависит и ещё один интересный эффект – частота колебаний маятников синхронизированных и несинхронизированных часов отличается на небольшую величину, притом как в большую, так и в меньшую сторону. Более мягкая доска способствует замедлению часов, а более жёсткая – ускорению. В результате синхронизированные часы начинают отсчитывать время с некоторой ошибкой, доходящей до нескольких секунд в час. Теоретическая модель такой системы, которую создали авторы работы, позволила качественно и количественно описать эти непростые взаимоотношения часов, хотя и показала, что «простого» физического объяснения тут дать не получится – на результат в разной степени влияет целое множество параметров. Кстати, подобные сложные колебательные эффекты характерны не только часам, прикрученным к стенам или другим механическим объектам, есть предположения, что некоторые виды эпилептических припадков могут быть спровоцированы синхронизацией отдельных групп нейронов в головном мозге.