Глава пятая. Получение точного времена

"В чем заключается польза такого крайнего усовершенствования искусства измерения? 
Для большей части... законов существуют кажущиеся исключения, 
и это относится в особенности к тем случаям, 
когда наблюдения доходят до какого-либо крайнего предела... 
Почти наверное можно сказать, что подобные исследования приводят не к опровержению закона, 
а скорее к открытию новых фактов и законов, под влиянием которых и возникали кажущегося исключения. 
 
 Мы должны искать наши будущие открытия в шестом десятичном знаке... 
Каждое средство, способствующее точности наблюдений, может явиться средством будущего открытия".

А. А. Майкельсон

В науке довольно часто бывает так, что для получения ответа на самые интересные и важные вопросы оказывается необходимым производить измерения с такой чувствительностью и точностью, которые лежат на пределе или даже за пределом, доступным известным методам и существующим измерительным приборам. Поэтому столь важным оказывается их усовершенствование.

Таких примеров можно привести много, в том числе и в области измерения времени. Рассмотрим среди них наиболее важные и интересные: проблему формирования поверхности Земли и задачу о неравномерности вращения Земли. В первую очередь обсудим вопрос о движении материков.

Проблема формирования поверхности Земли обсуждалась учеными уже давно. В конце XIX века по этому поводу установились определенные взгляды. Между тем в начале нашего века А. Вегенер выступил по этому вопросу с существенно новыми идеями и возникла острая научная полемика, которая не вполне утихла и в наши дни. При этом обсуждались следующие вопросы: как в прошлом складывался лик Земли? Как получилось то расположение материков и та их форма, которые наблюдаются сейчас? Движутся ли материки в настоящее время?

Оказывается, что для ответа на эти вопросы нужны прецизионные измерения долгот ряда пунктов поверхности Земли, а для этого как раз и необходимо уметь определять моменты времени с чрезвычайной точностью.

В данном случае большой интерес представляет и сама задача, и методы ее решения. Поэтому рассмотрим их несколько подробнее.

Плавающие материки

В 1915 г. А. Вегенер предложил новую гипотезу происхождения материков и океанов.

В то время уже существовало несколько теорий формирования лика Земли. Согласно одной из них считалось, что рельеф Земли в основном сформирован морем. Сторонники этой теории получили название нептунистов. Другая группа ученых, так называемых плутонистов, считала, что современный рельеф Земли сформировался в результате действия внутреннего жара нашей планеты и ее вулканической деятельности. Третьи основную роль в формировании рельефа Земли приписывали ее сжатию, происходящему в результате остывания. Теория сжатия (контракции) была подкреплена рядом существенных доказательств и в начале XX века получила решительный перевес над другими теориями. Несмотря на все различия этих теорий, у них есть и общая черта: согласно им суша может вспучиваться и проваливаться, береговые линии могут разрушаться и нарастать, но при этом сами материки остаются неподвижными.

По Вегенеру современный рельеф Земли сформировался в результате перемещения, плавания материков. Вегенер утверждал, что некогда существовал праматерик - пангеа (это название образовано из греческих слов: пан - общий, Геос - Земля). Затем этот праматерик раскололся на части, которые, плывя по раскаленной вязкой магме, подстилающей их, постепенно отошли друг от друга и образовали отдельные материки.

Эта теория подкреплена рядом доказательств. Упомянем некоторые из них.

Геологические доказательства: сходство береговых линий Южной Америки и Африки; Северной Америки и Европы; Антарктиды, Австралии, Индостана и Южной Африки и т. д. Если глобус прикрыть кусочками кальки, вырезать очертания материков, а затем на глобусе же материки из кальки сдвинуть, то совпадение их выступов, выемок и изгибов оказывается поразительно хорошим.

На рис. 16 приведена схема распада первичной суши на современные материки, взятая из книги В. А. Обручева "Основы геологии". Эта схема демонстрирует не только совпадение береговых линий, но и динамику распада.

Рис. 16. Схема распада первичной суши на современные материки

Сопоставление типа и состава горных пород по обе стороны предполагаемого разрыва праматерика тоже дает ряд совпадений. Например, американские залежи каменного угля, как бы совершив скачок через океан, располагаются на непосредственном продолжении европейских.

Палеонтологические и биологические доказательства движения материков заключаются в найденном сходстве растительных и животных форм по обе стороны Атлантического океана. Аналогичное сходство биологи находят и в других частях света.

Сторонники теории неподвижных материков высказывают против теории Вегенера ряд возражений, тоже подкрепленных доказательствами. В первую очередь они указывают на то, что неоткуда взяться силам, достаточно мощным для того, чтобы вызвать столь значительные перемещения материков.

Современные сторонники теории Вегенера уточняют ее во многих пунктах, но безусловно поддерживают в основном - в том, что материки двигались миллионы лет назад и продолжают двигаться и сейчас. Таким образом, экспериментальная проверка современного перемещения материков, естественно, представляет большой научный интерес.

Вегер пишет^*. "Если перемещения материков действительно происходили в течение продолжительного времени, то необходимо без дальнейших доказательств признать, что они продолжаются и в настоящее время; является только вопрос, достаточно ли быстро совершается движение, чтобы при помощи наших астрономических измерений в сравнительно небольшой промежуток времени оно могло обнаружиться". Далее: "Наибольших изменений во взаимном положении следует ожидать между Гренландией и Европой... Менее благоприятны условия определения разницы долгот между Европой и Северной Америкой... Здесь можно ожидать ежегодный прирост расстояния примерно в 1 м".

^* (А. Вегенер, Возникновение материков и океанов, Госиздат, М., 1925, стр. 80. )

В начале нашего века такая проверка, т. е. повторное определение долгот ряда пунктов, производилась несколько раз. При этом соответствующие расчеты показали, что с течением времени долгота одного и того же пункта наблюдения изменяется. Однако некоторые ученые критиковали эти результаты, указывая на несовершенство методов определения долгот и, в частности, на недостаточную точность определения меток времени.

В самом деле, при определении долготы на широте экватора ошибке в отсчете времени на 1 мин соответствует искажение расстояния на 27,6 км, ошибке в 1 сек - искажение на 460 ж и ошибке в 0,001 сек - на 0,46 м. В средних широтах ошибке в определении времени на 0,001 сек соответствует погрешность в определении расстояния, равная 0,25 м.

Если, как предполагал Вегенер, Северная Америка отходит от Европы на 1 м в год, то для того, чтобы обнаружить этот эффект, нужно, производя измерения долготы некоторого пункта с интервалом в несколько лет, в то же время обеспечить точность определения моментов времени порядка тысячных долей секунды. Такой точности в наше время достигнуть уже удалось, однако это оказалось совсем не просто и потребовало немало научной выдумки и труда.

Точное определение долгот требует решения трех вспомогательных задач. Во-первых, получения моментов (или отметок) точного времени с помощью специальных астрономических наблюдений. Этим в обсерваториях занимаются работники служб времени. Второй вспомогательной задачей является определение точного времени в промежутках между астрономическими его определениями. Эта задача, которую можно назвать хранением времени, решается с помощью соответствующих приборов: астрономических часов высокой точности, а в последние годы также с помощью молекулярных и атомных часов.

Получение отметок точного времени и хранение точного времени производятся в ряде обсерваторий и наручных учреждений. Число таких служб времени относительно невелико. Между тем точное время необходимо знать не только в этих обсерваториях, но и в ряде других мест: в научных учреждениях, на кораблях, самолетах, в местах работы экспедиций, и т. д. Поэтому третьей задачей является передача точного времени из тех мест, где его получают и хранят, в те места, где оно необходимо. При этом очень важно, чтобы высокая точность, достигнутая при получении точного времени, не была утрачена при его хранении и передаче. Рассмотрим решения каждой из этих задач.

Получение моментов точного времени

Определение моментов точного времени может быть произведено с помощью астрономических наблюдений Солнца и звезд. Наблюдение звезд дает значительно более точные результаты, поэтому обычно им и пользуются.

При получении моментов точного времени с помощью звездных наблюдений нужно учесть, что звездные сутки короче солнечных. Причина этого заключается в том, что Земля наряду с суточным вращением вокруг своей оси совершает еще и годичное обращение вокруг Солнца. Вследствие этого видимое движение Солнца таково, что промежуток времени между двумя последовательными кульминациями Солнца удлиняется на 3 мин 56 сек, что составляет 2 часа в месяц, или сутки в год. Поэтому звездные сутки оказываются соответственно на 3 мин 56 сек короче солнечных.

Действительно, наблюдая звезды несколько ночей подряд, можно легко заметить, что звезды, сохраняя неизменным свое расположение, восходят каждую ночь всё раньше. Это происходит как раз вследствие того, что звездные сутки короче солнечных. Поскольку известно соотношение между звездным и солнечным временем, то переход от одного к другому не вызывает никаких затруднений.

При звездных наблюдениях для получения отметок времени требуемая высокая точность достигается применением специальных методов и приборов. Такие наблюдения производятся с помощью "пассажного инструмента" (рис. 17), представляющего собой телескоп, в окуляре которого имеется крест нитей. Прибор состоит из трубы, которую можно поворачивать и устанавливать в нужном направлении, и круга с градусными делениями. При этом для удобства наблюдения оптическая система сделана так, что независимо от наклона вращающейся трубы наблюдатель всегда смотрит в горизонтальную трубу.

Рис. 17. Пассажный инструмент

Пассажный инструмент устанавливается точно вдоль меридиана. Определение моментов времени производится путем наблюдения прохождения изображений звезд через нить окуляра. В окуляре натянуты две горизонтальные нити, ограничивающие среднюю часть поля зрения, и одна вертикальная нить, проходящая через середину окуляра. Измерение заключайся в том, что наблюдатель отмечает момент прохождения изображения звезды через вертикальную нить. Вот эта, казалось бы, простая операция и является основным источником снижения точности результатов измерений. Та высокая точность, которая в последние годы достигнута в определении отметок точного времени, главным образом основана на усовершенствовании именно этой операции.

Еще недавно отметки точного времени получали по методу "глаз-ухо". Для этого наблюдатель, установив трубу пассажного инструмента так, чтобы изображение наблюдаемой звезды попало между горизонтальными нитями, по расположенным поблизости часам на слух начинал отсчитывать секунды. Одновременно он же следил глазом за перемещением изображения звезды в окуляре прибора. Заметив, на каких секундах изображение звезды было справа и слева от вертикальной нити, наблюдатель может оценить, в какой момент времени произошло искомое событие - прохождение изображения звезды через вертикальную нить окуляра прибора.

Точность определения моментов этим методом сильно зависит от натренированности наблюдателя и оказывается порядка десятых долей секунды.

Несколько удобнее метод регистрации моментов с помощью клавиши. При работе по этому методу с помощью специального устройства на движущейся ленте периодически печатаются показания астрономических часов. В момент прохождения звезды через вертикальную нить окуляра пассажного инструмента наблюдатель нажимает на клавишу. При этом замыкается контакт электрического реле и на движущейся ленте отпечатывается П-образный знак рядом с метками от астрономических часов. По их взаимному расположению и находят значения моментов точного времени.

Оба эти метода довольно несовершенны. Отмечая момент прохождения светила через нить окуляра, различные наблюдатели в зависимости от своего характера и темперамента ошибаются по-разному: один всегда немного запаздывает, другой всегда несколько торопится. По этому поводу Дж. Уитроу приводит следующий поучительный пример: "В 1796 г. астроном Ройал Маскелин уволил своего ассистента Киннебрука из-за того, что последний, казалось, был неточен в своих наблюдениях звездных смещений. Приблизительно двадцатью годами позднее Бесселю пришло в голову, что разница между наблюдениями двух астрономов могла быть обусловлена личными особенностями. В настоящее время общепризнано, что даже лучшие наблюдатели обычно отмечают прохождение звезды через фиксированное перекрестие астрономического инструмента немного раньше или немного позже на величину, которая варьирует от одного наблюдателя к другому и называется личным уравнением"^*.

^* (Дж. Уитроу, Естественная философия времени, Изд. "Прогресс", М" 1964.)

Указанная выше ошибка может доходить до 0,1 сек и составляет личное уравнение наблюдателя, учитываемое при точных измерениях. Дело, однако, осложняется тем, что даже один и тот же наблюдатель в начале и в конце своей работы и при наблюдении звезд различной яркости делает различные ошибки. Между тем при решении ряда научных задач ошибка в 0,1 сек оказывается недопустимо большой.

Для снижения личной ошибки наблюдателя был разработан контактный микрометр - прибор, при работе с которым от человека уже не требуется столь быстрой реакции. В контактном микрометре вертикальная нить укреплена на салазках, которые передвигаются при вращении барабанчика с контактами. Это устройство помещено в зрительной трубе и скреплено с окуляром. Наблюдатель должен совместить изображение звезды с вертикальной нитью, а затем вращать барабанчик с такой скоростью, чтобы удержать это изображение на вертикальной нити.

В первых конструкциях контактного микрометра вращение барабанчика производилось от руки, в более поздних - с помощью электромотора. При этом наблюдатель лишь регулировал скорость вращения вала мотора так, чтобы изображение звезды удерживалось в нужном положении, а метки времени автоматически отпечатывались на ленте при соответствующих положениях барабанчика. Таким образом удалось снизить погрешность наблюдений до 0,02-0,03 сек.

Дальнейшее повышение точности регистрации моментов прохождения звезд через меридиан было достигнуто с помощью хроноскопов, печатающих хронографов, осциллографов и фотоэлектрических устройств.

Хроноскоп состоит из синхронного мотора, редуктора и нескольких дисков, вращаемых мотором с разной скоростью. Диски зачернены и на них процарапаны цифры. Под дисками расположена неоновая лампочка, связанная с часами так, что она дает кратковременные периодические вспышки света. Все устройство работает так, что наблюдатель в окошке хроноскопа видит три "вспыхивающие" цифры и таким образом может отмечать время с точностью до 0,001 сек.

Еще более удобным для отсчета моментов времени оказался печатающий хронограф. Прибор состоит из синхронного мотора, связанного с точными часами, редуктора и вращающихся дисков с выпуклыми цифрами. Этот прибор при приходе сигнала печатает на ленте цифры, соответствующие минутам, секундам и долям секунды, и позволяет отмечать моменты времени с точностью до 0,001 сек.

Оба эти прибора - хроноскоп и печатающий хронограф- являются механическими устройствами, содержащими более или менее тяжелые движущиеся части, обладающие заметной инерцией. Поэтому достигнуть с их помощью более высокой точности измерения моментов времени не удалось. В дальнейшем для этой цели был применен шлейфовый осциллограф.

Шлейфовый осциллограф тоже содержит движущиеся части, однако столь легкие, что их инерция оказывается очень малой. В этом приборе легкая рамка и миниатюрное зеркальце подвешены на тонких нитях так, что для их поворота требуется очень небольшое усилие-. На рамку навита тончайшая проволока и она расположена в поле постоянного магнита. Кроме того, в приборе имеются: источник света, фотопленка и лентопротяжное устройство для передвижения фотопленки с определенной скоростью. При прохождении электрического тока по проволоке создается усилие, поворачивающее рамку, а с ней и зеркальце. При этом световой зайчик смещается. Таким образом удается отмечать кратковременные сигналы тока с довольно хорошей точностью. Так, например, если скорость движения пленки составляет 5 м/сек, то смещению пленки на 1 мм соответствует промежуток времени лишь в 0,0002 сек. Между тем измерять смещение пленки можно с точностью до долей миллиметра.

Шлейфовый осциллограф позволил довести точность определения моментов времени до десятитысячных долей секунды. Однако при массовых наблюдениях он оказался неудобным из-за большой длительности и трудоемкости обработки результатов измерений.

В 1933 г. Н. Н. Павлов в Пулкове для получения моментов времени разработал фотоэлектрический метод регистрации прохождения звезд через меридиан. Этот метод оказался плодотворным, получил дальнейшее развитие и в настоящее время применяется на многих обсерваториях. При работе по этому методу в пассажном инструменте вместо сетки с вертикальными и горизонтальными нитями устанавливается визирная решетка, представляющая собой непрозрачную пластинку с узкими параллельными прозрачными щелями. Решетка установлена так, что изображение звезды с течением времени перемещается перпендикулярно к щелям и время от времени пересекает их. В современных устройствах такого рода позади решетки устанавливается фотоумножитель- прибор, который даже очень слабые вспышки света преобразует в достаточно заметные сигналы тока. Так как в решетке сделан ряд щелей, то при перемещении изображения звезды в поле зрения прибора следует ряд кратковременных электрических сигналов. Эти сигналы передаются на записывающее устройство и в нем сопоставляются с метками времени от астрономических часов.

Таким образом достигается автоматизация отсчета моментов в самом ответственном месте всей процедуры их определения. Человеческий глаз сравнительно быстро утомляется, фотоумножитель может работать годами. Некоторые люди всегда торопятся, а другие всегда запаздывают. На яркие предметы человек реагирует быстрее, чем на тусклые. Работоспособность, быстрота и правильность реакции человека зависит от его настроения, спокойствия.

Однако опрометчиво было бы думать, что фотоэлектрический автомат лишен недостатков. Более того, его недостатки в некоторой мере даже сходны с человеческими, а его достоинства кое в чем уступают человеческим. Только после того как удалось эти достоинства сохранить и усилить, а недостатки уменьшить или исключить, описываемый прибор действительно смог дать требуемую высокую точность и надежность.

В частности, оказалось, что даже небольшое свечение неба очень мешает фотоэлектрическому устройству зарегистрировать слабую звезду. Ведь это свечение проходит через всю щель, а изображение звезды занимает лишь малую ее часть. Когда наблюдения ведет человек, то он сам настраивает свой глаз так, чтобы видеть лишь нужный участок поля зрения. Одиночный фотоумножитель этого делать не может. Чтобы справиться с этой трудностью, была собрана электрическая схема, состоящая из двух фотоумножителей, включенных навстречу друг другу. Когда они оба воспринимают светлый фон неба, то их сигналы взаимно погашаются. Если же изображение звезды попадает на один из них, то компенсации не происходит и возникает сигнал тока.

Простое фотоэлектрическое устройство, состоящее из фотоумножителя, усилителя и регистратора, так же как и человек, быстрее реагирует на яркую звезду, чем на слабую. Это происходит потому, что регистратор является "пороговым" устройством и срабатывает лишь тогда, когда приходящий к нему сигнал достигает определенной величины.

Поясним это. Для образования электрического сигнала, его усиления и распространения требуется определенное время, которое зависит от устройства прибора. При этом сигналы от ярких и тусклых звезд формируются за одинаковое время, но получаются соответственно разной величины. Так вот, если для срабатывания регистратора нужно, чтобы сигнал от слабой звезды достиг своей максимальной величины, а сигнал от яркой - лишь половины своей максимальной величины, то естественно, что регистрирующее устройство сработает несколько раньше при наблюдении более яркой звезды. Введение в устройство специальной компенсации позволило устранить и этот недостаток фотоэлектрического автомата. Лишь после этих (и еще нескольких) усовершенствований фотоэлектрический прибор стал отмечать моменты прохождения звезд через меридиан во много раз лучше, чем человек, и позволил довести точность этих измерении до десятитысячных долей секунды.

Обычно при получении отметок точного времени делается не одно, а несколько измерений. Для этого выбирается серия так называемых фундаментальных звезд. Результаты этих измерений представляют, так сказать, сырой материал. Они должны пройти еще довольно длинную обработку. Во-первых, вводятся поправки, учитывающие различные инструментальные ошибки. Учитывается наклон горизонтальной оси прибора, учитывается уклонение прибора от меридиана (азимут инструмента), и в результаты измерений вносят соответствующие поправки.

Кроме этих, вводят также поправку на аберрацию света. Явление аберрации света получается вследствие того, что и свет и Земля движутся с определенными скоростями. Скорость света - 300 000 км/сек, скорость годичного Движения Земли вокруг Солнца - 30 км/сек. Свету от звезды, попавшему в объектив нашего телескопа, нужно некоторое, хотя и очень небольшое время для того, чтобы пройти расстояние от объектива до окуляра телескопа. За это время телескоп вместе с Землей перемещается на некоторое небольшое расстояние. Для того чтобы при этом свет от звезды все же попал в окуляр, нужно слегка наклонить трубу телескопа в направлении движения Земли. Через полгода Земля движется относительно звезд в обратном направлении и поправка на аберрацию меняет свой знак. Таким образом, поправка на аберрацию света учитывает добавочный наклон трубы, получающийся вследствие движения Земли.

Наконец, из ряда наблюдений серии звезд выводится среднее значение и оценивается величина погрешности этого результата. Полная средняя ошибка в определении времени получается порядка 0,010-0,015 сек.

В последние годы астрономы для определения моментов времени все чаще применяют фотографическую зенитную трубу (рис. 18 и 19). Этот астрономический прибор состоит из двухлинзового объектива 1, установленного с помощью подшипников 2 на трубе 3. Труба расположена строго вертикально и закреплена на массивном каменном основании. Внизу расположено зеркало 4, представляющее собой слой ртути - так называемый ртутный горизонт. Вверху, под объективом, установлена небольшая фотографическая пластинка 5. Фотопластинка закреплена в кассете и обращена эмульсией вниз.

Рис. 18. Фотографическая зенитная труба

Рис. 19. Схема устройства фото* графической зенитной трубы, а) Ход лучей, б) кассета с фотопластинкой

Лучи света от наблюдаемой звезды, пройдя объектив, попадают на ртутный горизонт и, отразившись от него, собираются на фотопластинке. Экспозиция длится 10- 30 сек. При этом фотопластинке придается такое движение, что на ней изображение звезды получается точечным. Для того чтобы определить момент прохождения звезды через меридиан, ее фотографируют четыре раза. Первый раз - несколько ранее прохождения ее через меридиан, второй раз - тоже до прохождения через меридиан, но предварительно повернув объектив вместе с фотопластинкой на 180° относительно вертикальной оси. Перед третьей экспозицией объектив с фотопластинкой еще раз поворачивается на 180° и съемка производится уже после прохождения звезды через меридиан. Затем объектив снова поворачивается на 180° и производится четвертая экспозиция. Таким образом получаются четыре точечных изображения звезды, и несложное геометрическое построение позволяет определить на фотопластинке точку, в которой находилось бы изображение звезды, *если бы съемка была произведена в момент прохождения звезды через меридиан.

При проведении всех этих измерений положение фотопластинки связывается с показаниями астрономических часов. Для этого обычно пользуются вспомогательным устройством, которое с помощью неоновой лампочки и диафрагмы со щелью позволяет впечатывать на ту же фотопластинку метки времени в виде черточек.

Как и всякое экспериментальное устройство, фотографическая зенитная труба не лишена недостатков, например: ей доступна лишь очень узкая зона обзор (меньше 1°); обработка фотографических изображений, получаемых в результате измерений, является довольно трудоемкой. Однако она имеет и ряд существенных преимуществ по сравнению с пассажным инструментом, например отсутствие ошибок за счет неточного определения наклона прибора, исключение личной ошибки наблюдателя. Так как в фотографической зенитной трубе съемка полностью автоматизирована, то во время измерений наблюдателю нет необходимости находиться рядом, а это позволяет исключить еще и такой источник погрешности, как влияние тепла наблюдателя на измерительный прибор.

В настоящее время с помощью фотографической зенитной трубы в определении моментов времени удалось достигнуть точности еще более высокой, чем при работе с пассажным инструментом.

На каждой обсерватории, ведущей службу времени, обычно имеется несколько измерительных приборов и значения моментов времени выводятся как средние из их показаний. Однако данные отдельных обсерваторий все же несколько отличаются друг от друга, поэтому их направляют в Международное бюро времени, которое по ним получает сводные моменты как средние значения результатов отдельных служб времени. Затем вводятся некоторые поправки. Исправленные сводные моменты и принимаются за истинные значения моментов времени.