Глава сьома. Одиниця часу і еталон часу

"Годинник, що вживаються астрономами, суть не що інше, як сукупність всієї сонячної системи".

Е. Бореля

Годинники - обертається навколо своєї осі Земля

Виміряти будь-яку величину - значить порівняти її з іншою, однорідної їй величиною, прийнятої за одиницю, і знайти чисельне відношення між ними. Наприклад, довжину шматка матерії порівнюють з довжиною метра, тривалість людського життя - з тривалістю року, а результати висловлюють іменованими числами, наприклад: 3,5 м, 21 рік. Будь-яке вимірювання вимагає існування відповідної одиниці виміру, т. Е. Тієї величини, з якої проводиться порівняння. Для проведення вимірювань користуються заходами, що містять певне число обраних одиниць виміру; наприклад, при вимірюванні довжини - лінійками; при вимірюванні ваги - гирями; при вимірюванні часу - годинами, в яких кожне хитання маятника відповідає певному проміжку часу.

Щоб уникнути спотворень результатів вимірювань вже давно вважали за доцільне мати еталон - зразкову міру, з якою порівнюються всі інші. Зрозуміло, і одиниця і еталон повинні володіти повною визначеністю, постійністю, зручними розмірами і відтворюваністю в разі втрати. Виконати всі ці вимоги по відношенню до еталону часу виявилося надзвичайно важко. Ми зараз розповімо про те, в чому полягали ці труднощі і як вчені їх долали.

У давнину у різних народів в якості одиниці вимірювання великих відрізків часу служили проміжки від однієї жнив до іншої, від одного періоду дощів до іншого. Деякі народи відміряли свій рік по першому снігу, інші по появі над їх горизонтом певних сузір'їв і зірок. У ясну ніч на небосхилі видно безліч зірок. Багато з них утворюють окремі групи. Стародавні греки побачили в них зображення людей, тварин, предметів ... і населили небосхил Оріоном і Геркулесом, Близнюками, Терезами та т. Д. Не тільки компоновка сузір'їв, але і ці химерні їх назви збереглися до нашого часу. В давнину вважали, що Земля нерухома, а Сонце і зірки обертаються навколо неї. В результаті реального річного руху Землі навколо Сонця видиме положення зірок щоночі зміщується, а Сонце представляється поступово переміщається по небосхилу від однієї групи зірок до іншої. Таким чином, за рік Сонце обходить дванадцять сузір'їв - Козерога, Водолія, Риб, Овна, Тельця, Близнюків, Рака, Лева, Діву, Ваги, Скорпіона і Стрільця. Ці знаки зодіаку вже давно стали символом перебігу часу.

Природною мірою проміжків часу, більш коротких, ніж рік, здавна були добу. Тривалість доби можна відмірювати різними способами, наприклад, спостерігаючи Сонце або зірки. Щирими сонячними цілодобово називають проміжок часу між двома верхніми положеннями (кульмінаціями) центру видимого диска Сонця. Зоряними цілодобово називають проміжок "часу між двома послідовними і однаковими видимими положеннями зірок. Для визначеності секунда була прив'язана до істинним сонячним діб і визначена як 1/86 400 їх частина.

Чи має ця одиниця визначеність? Так, і зовсім достатню. Сталість? На жаль, немає, або, у всякому разі, сталість абсолютно недостатнє, і в цьому вчені переконалися вже давно. Порівняння моментів часу, визначених на підставі астрономічних вимірів з астрономічним годинником, показало, що тривалість істинних сонячних діб весь час змінюється. У січні-лютому "годинник - обертається навколо своєї осі Земля" - відстають від астрономічних маятникових годин приблизно на секунду на добу, в травні обганяють їх, в липні - серпні знову відстають, а восени, в жовтні - листопаді, знову обганяють.

Яка причина цієї нерівномірності? Які добу вибрати в якості еталонних: весняні або осінні?

Положення, в яке потрапили астрономи, кілька нагадує те, в якому опинився один мандрівник, коли він захотів виміряти довжину спійманої їм змії-анаконди. Об'єкт вимірювання - жива змія - не бажав залишатися нерухомим до зберігати свою довжину незмінною. Навпаки, чудова анаконда то звивалася в кільця, то розтягувалася і відверто норовила втекти. Десять з гаком людей притиснули її руками і колінами до землі, але вона продовжувала звиватися. Прикладаючи до неї стрічку своєї рулетки, мандрівник, звичайно, і не думав про те, що довжина стрічки теж не зовсім постійна і може змінюватися від натягу, погоди і часу. В даному випадку він мав рацію. Чи не тому, що довжина цієї стрічки дійсно була незмінною, а тому, що для тих вимірів, які він виробляв, похибки, пов'язані зі зміною її довжини на частки міліметра, були пренебрежимо малі.

Тепер уявімо собі таку парадоксальну ситуацію: мандрівник втратив свою рулетку і як еталон довжини застосовує ... живу анаконду. Коли він прикладає її до об'єктів вимірювання, то вона звивається і змінює свої розміри. До того ж з плином часу вона зростає.

На жаль, еталон часу, побудований на добовому обертанні Землі, трохи схожий на анаконду. Правда, змія змінює свої розміри на кілька відсотків, а тривалість доби змінюється лише на частки відсотка, але і вимоги в цих випадках різні. Мандрівника цілком влаштовувало визначення довжини анаконди з точністю до декількох сантиметрів або навіть десятка сантиметрів. Для сучасних вчених в цілому ряді випадків помилка в визначенні часу навіть на частки секунди є неприпустимо великий.

Пошуки найкращого еталону часу

Для того щоб поліпшити еталон часу, належало перш за все розібратися в причинах його "зміїного" поведінки, т. Е. Причини нерівномірності обертання Землі. Одна з них полягає в тому, що орбіта Землі являє собою не коло, а еліпс, в одному з фокусів якого знаходиться Сонце. Внаслідок цього Земля виявляється то ближче до Сонця, то далі від нього і відповідно рухається то швидше, то повільніше. Тому тільки сонячний годинник точно показують сонячний час. Жодні механічний годинник не в змозі точно слідувати за цими нерівномірними змінами.

Труднощі, пов'язані з використанням як еталон тривалості істинних сонячних діб, астрономам були ясні. Тому деякі з них це питання ретельно вивчали і висували різні пропозиції про поліпшення еталона часу. Зрештою астрономи вирішили, що краще за все користуватися середніми сонячними цілодобово, або "середнім Сонцем", При цьому середнє Сонце умовно представляється рухаються по небу абсолютно рівномірно протягом усього року.

Швидкість руху Землі по її еліптичній орбіті описується другим законом Кеплера, і таким чином зв'язок між середнім і істинним сонячним часом може бути точно розрахована.

Для того щоб при астрономічних обчисленнях можна було в будь-який момент перейти від середнього до істинного сонячного часу, складається рівняння часу, що дає величину добавки в хвилинах, яку потрібно алгебраїчно скласти із середнім сонячним часом, щоб отримати справжнє.

Рівняння часу складається у вигляді таблиць або графіка (рис. 28), що дозволяють легко проводити потрібний перерахунок. У рівнянні часу позитивна поправка досягає найбільшої величини (+ 14,5 хвилини) десь у середині лютого, негативна (- 16,3 хвилини) - близько початку листопада. Чотири рази на рік - 15 квітня, 14 червня, 1 вересня і 24 грудня - поправка звертається в нуль, т. Е. Середній сонячний час збігається з істинним.

Перехід від секунди, заснованої на годиннику "обертається навколо своєї осі Земля", до секунді, прив'язаною до годинника "Земля, обертається навколо Сонця", був відповідним чином узаконений. У 1956 р Міжнародним Комітетом мір і ваг була прийнята наступна резолюція: "В силу повноважень, отриманих від десятої Генеральної конференції з мір та ваг в її резолюції № 5, Міжнародний комітет мір і ваг ... вирішує: секунда є частина 1/31556925 , 9747 тропічного року для 1900 р січня 0 о 12 годині ефемеридного часу ". *

* ()

Нагадаємо, що тропічним роком називають проміжок часу між двома послідовними проходженнями центру Сонця через точку весняного рівнодення. Вказівка ​​на ефемеридних час говорить про те, що тривалість року слід визначати з спостережень Місяця і планет, так як такі вимірювання точніше визначень моментів часу за Сонцем і зірками. Посилання на певну дату року, прийнятого за основу при визначенні еталонної секунди, враховує мінливість тривалості тропічного року.

Нерівномірність обертання Землі

Досить скоро вченим стало ясно, що введенням "середнього Сонця" помилки у вимірі часу були значно зменшені, але зовсім не усунуті повністю. Тим часом, якщо еталон, тобто зразкова міра, з якою порівнюються всі інші, сам не постійний, то результати вимірювань взагалі втрачають визначеність. Природно, що вчені активно зайнялися вивченням і уточненням всіх неравномерностей обертання Землі і пошуками їх причин. В цьому відношенні їм багато вже вдалося зробити, особливо останнім часом, коли служби часу оснащені молекулярними і атомними астрономічним годинником високої точності.

В даний час відомі три види змін кутової швидкості обертання Землі навколо своєї осі: 1) вікове поступове уповільнення, 2) періодичні сезонні зміни тривалості доби та 3) неперіодичні (стрибкоподібні) зміни швидкості обертання Землі.

Основною причиною вікового уповільнення обертання Землі навколо своєї осі є приливної тертя. За У. Манку і Г. Макдональд при цьому має місце наступна ситуація: "Якщо океан володіє кінцевою в'язкістю або якщо Земля не поводиться як абсолютно тверде тіло, то місячний і сонячний припливи зсуваються по фазі. Максимум підйому або опускання води в даному місці запізнюється в часі щодо часу проходження Місяця (або Сонця) через місцевий меридіан. Гравітаційне тяжіння опуклостей асиметрично щодо лінії центрів і призводить до появи моменту, гальмуючого обертання Землі ".

Це поступове (вікове) зменшення швидкості обертання Землі було досліджено шляхом зіставлення даних про сонячні затемнення, що відбувалися в давнину, з відповідними значеннями місця і часу цих же затемнень, обчисленими в наш час. Правда, таких даних залишилося від давнини не дуже багато і точність їх невелика, проте з їх допомогою все ж вдалося з'ясувати величину вікового уповільнення обертання Землі. Спенсер Джонс показав, що протягом останніх 2000 років уповільнення становило 0,0023 сек за кожні сто років, а за останні 250 років - 0,0014 сек за 100 років. Таким чином, саме це уповільнення теж не постійно.

Періодичні (сезонні) зміни кутової швидкості обертання Землі вивчені поруч вчених шляхом зіставлення моментів часу, отриманих з астрономічних вимірів, з відмітками часу, що даються астрономічним годинником. Щоб по можливості підвищити точність вимірювань і виключити систематичні помилки, зобов'язані тому чи іншому примірнику годин, на кожній обсерваторії, яка веде службу часу, мітки часу отримують від групи астрономічних годин як середнє значення з їх свідчень. Бажаючи ще більше підвищити точність і достовірність аналізу сезонної нерегулярності обертання Землі, Н. Н. Парийский зіставив дані різних служб часу і за різні періоди часу. Зазначені дослідження показали, що сезонна нерегулярність обертання Землі навколо своєї осі має річний період і досягає близько 0,001 сек.

Причину сезонної нерегулярності обертання Землі різні вчені пов'язують з впливом вільної нутації внаслідок тривісна земного еліпсоїда, сезонним перерозподілом тиску на поверхні Землі, приливними деформаціями піврічного періоду, сезонними змінами снігового покриву Антарктиди.

Неперіодичні (стрибкоподібні) зміни швидкості обертання Землі були відкриті за спостереженнями нерегулярностей руху Місяця (С. Ньюкомб і Е. Браун) і нерегулярність руху планет і Сонця (В. де-Сіттер і Г. С. Джонсон). Досить гарний збіг цих нерегулярностей між собою привело вчених до висновку про те, що знаходиться на Землі спостерігач виявляє такий ефект лише тому, що насправді мають місце відповідні нерегулярності обертання Землі. Відзначено стрибкоподібні зміни швидкості обертання Землі, що доходять до 0,0034 сек.

Використавши дані астрономічних вимірів за останні кілька сот років, астрономи провели порівняння ефемеридного часу (заснованого на вимірюванні положень Місяця і планет) з часом, яке показують годинник - обертається Земля. Графік рис. 29 представляє результати цих досліджень і досить наочно демонструє, наскільки вигадливо змінювалася кутова швидкість обертання Землі за останні століття.

У 1952 р Е. А. Холмберг запропонував надзвичайно цікаву гіпотезу, згідно з якою нинішня тривалість земної доби встановилася в результаті спільної дії океанських і атмосферних припливів. Про океанських припливах ми вже говорили. Природа атмосферних припливів полягає в наступному! Сонце, діючи на атмосферу Землі, викликає зміна барометричного тиску. При добовому обертанні Землі зона зміненого тиску обходить навколо всієї земної кулі. При цьому над кожною цією точкою Землі максимум тиску атмосфери настає на дві години раніше проходження через меридіан Сонця або антісолнца. Тому ці зони зміненого тиску або атмосферні припливи викликають прискорення обертання Землі.

Океанські припливи уповільнюють обертання Землі, а атмосферні прискорюють. Між цими двома парами сил встановлюється нежорстке динамічна рівновага і в різні геологічні епохи мають місце ухилення від нього в різні сторони. В даний час тривалість доби кілька велика для рівноваги і океанський уповільнюючий момент сил перевершує прискорює атмосферне момент, так що в загальному обертання Землі сповільнюється.

Новий еталон часу - атомний годинник

Простеживши спроби вчених поліпшити еталон часу "годинник - обертається Земля", можна побачити, як з огляду на різні фактори, астрономи неодноразово його підправляли і поряд з цим розкривали все нові і ще більш тонкі його нерівномірності. Від справжніх сонячної доби вони перейшли до тропічного році і середнім сонячним доби, потім врахували сезонні нерівномірності обертання Землі, ввели визначення моментів по ефемеридних часу і т. Д. Тим часом цей еталон часу залишався як і раніше звивається змією анакондою.

Чи можна взагалі відмовитися від еталону "годинник - обертається Земля" і використовувати для цієї мети будь-якої інший тип годинника?

При відповіді на це питання потрібно врахувати, що, якщо для зберігання часу важлива стабільність роботи годин, то від еталону часу поряд зі стабільністю потрібно ще і хороша відтворюваність в разі втрати. До тих пір поки нас задовольняла як еталон часу обертається навколо своєї осі Земля або Земля, обертається навколо Сонця, питання про відтворюваності в разі втрати ні актуальним. Чи не тому, що ці системи вічні, а тому, що при їх катастрофі не залишиться і нас.

Як тільки піднімається питання про використання в якості еталону часу годин, зроблених людиною (який би процес не лежав в їх основі), т. Е. Використання приладу, виявляється необхідним враховувати можливість псування або втрати такого пристрою. Таким чином, еталон часу повинен володіти не тільки достатньою точністю, але і достатньою відтворюваністю.

Для наочності розглянемо, якою мірою цим вимогам задовольняють всі відомі нам типи годин.

Пісочні, водяні, вогненні годинник стародавнього світу дають похібку порядку десятків хвилин на добу и є Занадто грубими для того, щоб служити Еталон годині. До того ж у разі Втрата даного бланках такого Годинник зовсім безнадійно намагатіся точно его Відтворити. Невелікої Зміни ширини горла пісочного годинник або якості піску Досить для істотної Зміни показань цього Годинник. Так само йде справа і з вогненними і водяними годинниками: невеликої зміни їх розмірів досить для того, щоб значно змінити їх показання.

Колісні годинник з їх громіздкими деталями дають похибку в кілька хвилин в добу-Хід цього годинника залежить від розміру і ваги деталей, тертя, змащення і т. Д. Ні щодо точності, ні щодо відтворюваності вони не годяться для того, щоб служити еталоном часу.

Похибка показань сучасних астрономічних маятникових і кварцових годин становить всього тисячні і десятитисячні частки секунди в добу. Але вимоги до точності вимірювання часу настільки зросли, що для нас при вирішенні деяких наукових і технічних завдань помилки сучасних астрономічних годин на тисячні частки секунди в добу, ймовірно, більш незручні і неприємні, ніж помилки в кілька хвилин для древніх.

Крім того, в разі втрати даного зразка маятникових або кварцових астрономічних годин абсолютно безнадійно навіть по найточнішим кресленнями намагатися зробити інші, точно подібні з першими. Мізерно малого відмінності в довжині маятника або розмірах кварцової пластинки або навіть невеликий неоднорідності матеріалів, з яких вони зроблені, досить для того, щоб вийшло відмінність в ході годин. Справа при цьому ускладнюється ще й тим, що з плином часу деталі годин спрацьовуються, старіють.

Таким чином, ні грубі пісочний годинник, ні найкращі астрономічні митників і кварцові годинники внаслідок недостатньої точності і неможливості їх точного відтворення не годяться в якості первинних еталонів часу.

Вже давно стало ясно, як багатообіцяючим щодо точності і відтворюваності може бути застосування в вимірювальної техніки атомних процесів. Коли величезні заводи випускають стандартну продукцію: автомобілі, годинники і т. Д., То за зовнішнім виглядом здається, що всі автомобілі однієї серії, всі годинники одного типу точно однакові між собою, але це тільки так здається. З десятків тисяч однотипних автомобілів кожен чимось відрізняється від іншого; серед сотень тисяч однотипних годин, зроблених з одних і тих же матеріалів, немає двох абсолютно однакових, і тому кожні доводиться регулювати окремо. У світі великих тел (макросвіті) немає двох абсолютно однакових речей. Навпаки, в світі малих тіл (мікросвіті) панує одноманітність. Чи не в результаті грубості наших вимірювальних приладів, а принципово не можна відрізнити один електрон від іншого електрона або один протон від іншого протона. Атоми, що складаються з однакового числа елементарних частинок: електронів, протонів, нейтронів, також виявляються точно однаковими. Молекули, що представляють собою з'єднання декількох атомів, виявляються абсолютно однаковими, якщо тільки однакові число, комбінація і будова атомів, що входять до їх складу.

Ці настільки очевидні переваги атомних систем щодо сталості їх параметрів вже давно навели вчених на думку про створення еталонів, заснованих не так на розміри Землі і швидкості її обертання, а на атомних процесах.

Відносно сталості коливань атомних і молекулярних систем і слабкої залежності частоти цих коливань від зовнішніх умов переваги микросистем над макросистемами величезні. Якщо маятниковий годинник, нічого в них не змінюючи, перенести з одного міста в інший, наприклад з Москви до Ташкента, то внаслідок одного лише відмінності прискорення сили тяжіння в цих пунктах правильність ходу годинника порушиться, а помилка складе кілька хвилин на добу. Навпаки, якщо систему, в якій відбуваються атомні коливання, перенести не з одного міста в інший, а навіть з однієї планети нашої сонячної системи на іншу, то і в цьому випадку зміна Частоти коливань буде мізерно мало. Тільки в деяких ділянках нашої Галактики, наприклад на білому карлику, супутнику зірки Сіріус, щільність якого в 30 000 разів більше щільності води, а сила тяжіння в 1000 разів більше, ніж на Сонце, і в 30 000 разів більше, ніж на Землі, зміна частоти електромагнітних коливань, випромінюваних атомами, стало б помітним. Маятник, який на Землі робить одне коливання в секунду, на супутнику Сиріуса за той же час зробив би 140 коливань, а частота коливань, що випускаються атомами цезію або молекулами аміаку, при перенесенні з Землі на супутник Сіріуса змінилася б трохи менше, ніж на соту частку відсотка.

Які ж з астрономічних годин, заснованих на молекулярних і атомних коливаннях, найбільш доцільно вибрати в якості нового еталону часу?

У шістдесятих роках це питання детально обговорювалося вченими, а в 1964 р Міжнародний Комітет з питань мір і ваг прийняв рішення про введення нового фізичного еталона часу, вибравши в якості такого астрономічні атомно-променеві цезієві годинник. Таким чином, одиниця часу отримала нове визначення: секунда - це проміжок часу, протягом якого відбувається 9 192 631 770 коливань електромагнітної хвилі, що випускається атомом цезію-133, за відсутності зовнішніх електромагнітних полів, при переході його з одного стану в інший між двома надтонкими рівнями енергії (які позначені індексами: 2Sl / 2, F = 0, М = 0 і 2S1 / 2, F = 3, М = 0).

Цей вибір обгрунтований тим, що астрономічні аміачні молекулярні годинник, засновані на поглинанні високочастотного електромагнітного випромінювання, мають меншу точність і значно гіршу відтворюваність. Окремі екземпляри молекулярних аміачних годин давали кілька різні свідчення і для узгодження потребували спеціальної калібрування.

Астрономічні молекулярні годинник, засновані на використанні аміачного квантового генератора, показали дуже високу стабільність. Але згодом було помічено залежність їх показань від тиску залишкових газів в трубці генератора і від величини електромагнітних полів. Таким чином, виявилося, що кожен екземпляр такого годинника може дуже точно зберігати час, але різні їх екземпляри дають дещо різні свідчення. Отже, за критерієм відтворюваності вони виявилися незадовільними.

Тим часом цезієвий атомно-променевої стандарт має не тільки дуже високою точністю, але і прекрасною відтворюваністю. Окремі екземпляри такого годинника, виготовлені в різних країнах, при їх взаємної перевірки і звіряння дали добре збігаються свідчення, а систематичний дрейф цього годинника (т. Е. Поступовий відхід показань) виявлений не був.

Проте не виключено, що найближчим часом цезієвий атомно-променевої стандарт буде замінений іншим. Однак не тому, що в ньому виявилися які-небудь недоліки, а тому, що параметри астрономічних годин, заснованих на водневому квантовому генераторі, виявилися істотно кращими. У деяких міжнародних наукових організаціях вже обговорювалося питання про доцільність переходу на водневий стандарт частоти і часу.

Квантові стандарти частоти і часу, завдяки їх високій точності, дозволили на новій основі підійти до вирішення низки, так би мовити, "старих" завдань, наприклад, до питання про нерівномірність обертання Землі. До недавнього часу вивчення неравномерностей обертання Землі мало першорядне значення для уточнення еталону часу.

З тих пір як був введений новий еталон часу, заснований на атомних коливаннях, в цьому необхідність відпала. Однак виявилося, що вивчення цих неравномерностей як і раніше дуже цікаво і важливо, але вже з іншої причини. Справа в тому, що особливості обертання Землі залежать від її структури і ряду процесів, що відбуваються всередині неї, а також поблизу від її поверхні. Таким чином, вивчення неравномерностей обертання Землі може служити для з'ясування структури самої Землі. Роботи Н. Н. Парійського показали плідність такого напрямку досліджень.

Новий еталон часу не має ні добових, ні сезонних, ні вікових коливань. Він не старіє. До того ж він має достатню визначеністю, точністю і відтворюваністю. Таким чином, переваги нового зразка, часу, заснованого на атомних коливаннях, в порівнянні зі старим, прив'язаним до обертання Землі, величезні.

Однак застосування атомного еталона часу висуває нову проблему: що робити в разі зупинки такого годинника? Адже відрахувати час настільки ж точно можуть лише інші такі ж години. Для подолання цих труднощів в центрах служби часу встановлені групи атомного годинника. Це дає можливість взаємної перевірки окремих екземплярів годинників, а в разі зупинки будь-яких з них інші забезпечують безперервність відліку точного часу.

Таким чином досягається не тільки висока точність, але і достатня надійність безперервного відліку часу атомними годинниками.

Введення ВОЗАК - всесвітньої системи єдиного часу - поряд з точністю і безперервністю відліку часу також успішно вирішило завдання про передачу точного часу в усі місця земної кулі. У зв'язку з цим у багатьох країнах вже здійснено перехід на новий відлік часу.

З 1972 р Радянський Союз, як і ряд інших країн, розлучився з секундою, заснованої на русі Землі навколо Сонця, і перейшов на нову систему всесвітнього координованого часу, що спирається на роботу групи атомного годинника міжнародного центру ВОЗАК.

Купити дзеркало eichholtz.