Глава седьмая. Единица времени и эталон времени

"Часы, употребляемые астрономами, 
суть не что иное, как совокупность всей 
солнечной системы".

Э. Борель

Часы - вращающаяся вокруг своей оси Земля

Измерить какую-либо величину - значит сравнить ее с другой, однородной ей величиной, принятой за единицу, и найти численное отношение между ними. Например, длину куска материи сравнивают с длиной метра, длительность человеческой жизни - с длительностью года, а результаты выражают именованными числами, например: 3,5 м, 21 год. Любое измерение требует существования соответствующей единицы измерения, т. е. той величины, с которой производится сравнение. Для проведения измерений пользуются мерами, содержащими определенное число выбранных единиц измерения; например, при измерении длины - линейками; при измерении веса - гирями; при измерении времени - часами, в которых каждое качание маятника соответствует определенному промежутку времени.

Во избежание искажений результатов измерений уже давно посчитали целесообразным иметь эталон - образцовую меру, с которой сравниваются все остальные. Разумеется, и единица и эталон должны обладать полной определенностью, постоянством, удобными размерами и воспроизводимостью в случае утраты. Выполнить все эти требования по отношению к эталону времени оказалось чрезвычайно трудно. Мы сейчас расскажем о том, в чем заключались эти трудности и как ученые их преодолевали.

В древности у различных народов в качестве единицы измерения больших отрезков времени служили промежутки от одной жатвы до другой, от одного периода дождей до другого. Некоторые народы отмеряли свой год по первому снегу, другие по появлению над их горизонтом определенных созвездий и звезд. В ясную ночь на небосводе видно множество звезд. Многие из них образуют отдельные группы. Древние греки увидели в них изображения людей, животных, предметов... и населили небосвод Орионом и Геркулесом, Близнецами, Весами и т. д. Не только компоновка созвездий, но и эти причудливые их названия сохранились до нашего времени. В древности считали, что Земля неподвижна, а Солнце и звезды вращаются вокруг нее. В результате реального годичного движения Земли вокруг Солнца видимое положение звезд каждую ночь смещается, а Солнце представляется постепенно перемещающимся по небосводу от одной группы звезд к другой. Таким образом, за год Солнце обходит двенадцать созвездий - Козерога, Водолея, Рыб, Овна, Тельца, Близнецов, Рака, Льва, Деву, Весы, Скорпиона и Стрельца. Эти знаки зодиака уже давно стали символом течения времени.

Естественной мерой промежутков времени, более коротких, чем год, издавна были сутки. Длительность суток можно отмерять различными способами, например, наблюдая Солнце или звезды. Истинными солнечными сутками называют промежуток времени между двумя верхними положениями (кульминациями) центра видимого диска Солнца. Звездными сутками называют промежуток "времени между двумя последовательными и одинаковыми видимыми положениями звезд. Для определенности секунда была привязана к истинным солнечным суткам и определена как 1/86 400 их часть.

Имеет ли эта единица определенность? Да, и совершенно достаточную. Постоянство? Увы, нет, или, во всяком случае, постоянство совершенно недостаточное, и в этом ученые убедились уже давно. Сравнение моментов времени, определенных из астрономических измерений с астрономическими часами, показало, что длительность истинных солнечных суток все время меняется. В январе-феврале "часы - вращающаяся вокруг своей оси Земля" - отстают от астрономических маятниковых часов примерно на секунду в сутки, в мае обгоняют их, в июле - августе снова отстают, а осенью, в октябре - ноябре, снова обгоняют.

Какова причина этой неравномерности? Какие сутки выбрать в качестве эталонных: весенние или осенние?

Положение, в которое попали астрономы, несколько напоминает то, в котором оказался один путешественник, когда он захотел измерить длину пойманной им змеи-анаконды. Объект измерения - живая змея - не желал оставаться неподвижным к сохранять свою длину неизменной. Напротив, великолепная анаконда то свивалась в кольца, то растягивалась и откровенно норовила удрать. Десять с лишним людей прижали ее руками и коленями к земле, но она продолжала извиваться. Прикладывая к ней ленту своей рулетки, путешественник, конечно, и не думал о том, что длина ленты тоже не совсем постоянна и может меняться от натяжения, погоды и времени. В данном случае он был прав. Не потому, что длина этой ленты действительно была неизменной, а потому, что для тех измерений, которые он производил, погрешности, связанные с изменением ее длины на доли миллиметра, были пренебрежимо малы.

Теперь представим себе такую парадоксальную ситуацию: путешественник потерял свою рулетку и в качестве эталона длины применяет... живую анаконду. Когда он прикладывает ее к объектам измерения, то она извивается и меняет свои размеры. К тому же с течением времени она растет.

Увы, эталон времени, построенный на суточном вращении Земли, немного похож на анаконду. Правда, змея меняет свои размеры на несколько процентов, а длительность суток меняется лишь на доли процента, но и требования в этих случаях различные. Путешественника вполне устраивало определение длины анаконды с точностью до нескольких сантиметров или даже десятка сантиметров. Для современных ученых в целом ряде случаев ошибка в определении времени даже на доли секунды является недопустимо большой.

Поиски лучшего эталона времени

Для того чтобы улучшить эталон времени, надлежало прежде всего разобраться в причинах его "змеиного" поведения, т. е. причинах неравномерности вращения Земли. Одна из них заключается в том, что орбита Земли представляет собой не круг, а эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце. Вследствие этого Земля оказывается то ближе к Солнцу, то дальше от него и соответственно движется то быстрее, то медленнее. Поэтому только солнечные часы точно показывают солнечное время. Ни одни механические часы не в состоянии точно следовать за этими неравномерными изменениями.

Трудности, связанные с использованием в качестве эталона длительности истинных солнечных суток, астрономам были ясны. Поэтому некоторые из них этот вопрос тщательно изучали и выдвигали различные предложения об улучшении эталона времени. В конце концов астрономы решили, что лучше всего пользоваться средними солнечными сутками, или "средним Солнцем", При этом среднее Солнце условно представляется движущимся по небосводу совершенно равномерно в течение всего года.

Скорость движения Земли по ее эллиптической орбите описывается вторым законом Кеплера, и таким образом связь между средним и истинным солнечным временем может быть точно рассчитана.

Для того чтобы при астрономических вычислениях можно было в любой момент перейти от среднего к истинному солнечному времени, составляется уравнение времени, дающее величину добавки в минутах, которую нужно алгебраически сложить со средним солнечным временем, чтобы получить истинное.

Уравнение времени составляется в виде таблиц или графика (рис. 28), позволяющих легко производить нужный пересчет. В уравнении времени положительная поправка достигает наибольшей величины ( + 14,5 минуты) около середины февраля, отрицательная ( - 16,3 минуты) - около начала ноября. Четыре раза в год - 15 апреля, 14 июня, 1 сентября и 24 декабря - поправка обращается в нуль, т. е. среднее солнечное время совпадает с истинным.

Рис. 28. График уравнения времени

Переход от секунды, основанной на часах "вращающаяся вокруг своей оси Земля", к секунде, привязанной к часам "Земля, вращающаяся вокруг Солнца", был соответствующим образом узаконен. В 1956 г. Международным Комитетом мер и весов была принята следующая резолюция: "В силу полномочий, полученных от десятой Генеральной конференции по мерам и весам в ее резолюции № 5, Международный комитет мер и весов... решает: секунда есть часть 1/31556925,9747 тропического года для 1900 г. января 0 в 12 часов эфемеридного времени".^*

^* (Г. Д. Бурдун, Единицы физических величин, Изд. Комитета стандартов, М, 1967.)

Напомним, что тропическим годом называют промежуток времени между двумя последовательными прохождениями центра Солнца через точку весеннего равноденствия. Указание на эфемеридное время говорит о том, что длительность года следует определять из наблюдений Луны и планет, так как такие измерения точнее определений моментов времени по Солнцу и звездам. Ссылка на определенную дату года, принятого за основу при определении эталонной секунды, учитывает непостоянство длительности тропического года.

Неравномерность вращения Земли

Довольно скоро ученым стало ясно, что введением "среднего Солнца" ошибки в измерении времени были значительно уменьшены, но вовсе не устранены полностью. Между тем, если эталон, т.е. образцовая мера, с которой сравниваются все остальные, сам не постоянен, то результаты измерений вообще теряют определенность. Естественно, что ученые деятельно занялись изучением и уточнением всех неравномерностей вращения Земли и поисками их причин. В этом отношении им многое уже удалось сделать, в особенности в последнее время, когда службы времени оснащены молекулярными и атомными астрономическими часами высокой точности.

В настоящее время известны три вида изменений угловой скорости вращения Земли вокруг своей оси: 1) вековое постепенное замедление, 2) периодические сезонные изменения продолжительности суток и 3) непериодические (скачкообразные) изменения скорости вращения Земли.

Основной причиной векового замедления вращения Земли вокруг своей оси является приливное трение. По У. Манку и Г. Макдональду при этом имеет место следующая ситуация: "Если океан обладает конечной вязкостью или если Земля не ведет себя как абсолютно твердое тело, то лунный и солнечный приливы сдвигаются по фазе. Максимум подъема или опускания воды в данном месте запаздывает во времени относительно времени прохождения Луны (или Солнца) через местный меридиан. Гравитационное притяжение выпуклостей асимметрично относительно линии центров и приводит к появлению момента, тормозящего вращение Земли".

Это постепенное (вековое) уменьшение скорости вращения Земли было исследовано путем сопоставления данных о солнечных затмениях, происходивших в древности, с соответствующими значениями места и времени этих же затмений, вычисленными в наше время. Правда, таких данных осталось от древности не очень много и точность их невелика, однако с их помощью все же удалось выяснить величину векового замедления вращения Земли. Спенсер Джонс показал, что в течение последних 2000 лет замедление составляло 0,0023 сек за каждые сто лет, а за последние 250 лет - 0,0014 сек за 100 лет. Таким образом, само это замедление тоже непостоянно.

Периодические (сезонные) изменения угловой скорости вращения Земли изучены рядом ученых путем сопоставления моментов времени, полученных из астрономических измерений, с отметками времени, даваемыми астрономическими часами. Чтобы по возможности повысить точность измерений и исключить систематические ошибки, обязанные тому или другому экземпляру часов, на каждой обсерватории, ведущей службу времени, метки времени получают от группы астрономических часов как среднее значение из их показаний. Желая еще более повысить точность и достоверность анализа сезонной нерегулярности вращения Земли, Н. Н. Парийский сопоставил данные различных служб времени и за разные периоды времени. Указанные исследования показали, что сезонная нерегулярность вращения Земли вокруг своей оси имеет годичный период и достигает около 0,001 сек.

Причину сезонной нерегулярности вращения Земли различные ученые связывают с влиянием свободной нутации вследствие трехосности земного эллипсоида, сезонным перераспределением давления на поверхности Земли, приливными деформациями полугодичного периода, сезонными изменениями снегового покрова Антарктиды.

Непериодические (скачкообразные) изменения скорости вращения Земли были открыты по наблюдениям нерегулярностей движения Луны (С. Ньюкомб и Э. Браун) и нерегулярностей движения планет и Солнца (В. де-Ситтер и Г. С. Джонсон). Довольно хорошее совпадение этих нерегулярностей между собой привело ученых к выводу о том, что находящийся на Земле наблюдатель обнаруживает такой эффект лишь потому, что на самом деле имеют место соответствующие нерегулярности вращения Земли. Отмечены скачкообразные изменения скорости вращения Земли, доходящие до 0,0034 сек.

Использовав данные астрономических измерений за последние несколько сот лет, астрономы провели сравнение эфемеридного времени (основанного на измерении положений Луны и планет) с временем, которое показывают часы - вращающаяся Земля. График рис. 29 представляет результаты этих исследований и довольно наглядно демонстрирует, сколь причудливо изменялась угловая скорость вращения Земли за последние столетия.

Рис. 29. Разница между эфсмеридным временем и временем, которое показывают часы - вращающаяся Земля

В 1952 г. Е. А. Холмберг предложил чрезвычайно интересную гипотезу, согласно которой нынешняя продолжительность земных суток установилась в результате совместного действия океанских и атмосферных приливов. Об океанских приливах мы уже говорили. Природа атмосферных приливов заключается в следующем! Солнце, действуя на атмосферу Земли, вызывает изменение барометрического давления. При суточном вращении Земли зона измененного давления обходит вокруг всего земного шара. При этом над каждой данной точкой Земли максимум давления атмосферы наступает на два часа раньше прохождения через меридиан Солнца или антисолнца. Поэтому эти зоны измененного давления или атмосферные приливы вызывают ускорение вращения Земли.

Океанские приливы замедляют вращение Земли, а атмосферные ускоряют. Между этими двумя парами сил устанавливается нежесткое динамическое равновесие и в различные геологические эпохи имеют место уклонения от него в различные стороны. В настоящее время продолжительность суток несколько велика для равновесия и океанский замедляющий момент сил превосходит ускоряющий атмосферный момент, так что в общем вращение Земли замедляется.

Новый эталон времени - атомные часы

Проследив попытки ученых улучшить эталон времени "часы - вращающаяся Земля", можно увидеть, как, учитывая различные факторы, астрономы неоднократно его подправляли и наряду с этим вскрывали всё новые и еще более тонкие его неравномерности. От истинных солнечных суток они перешли к тропическому году и средним солнечным суткам, затем учли сезонные неравномерности вращения Земли, ввели определение моментов по эфемеридному времени и т. д. Между тем этот эталон времени оставался по-прежнему извивающейся змеей анакондой.

Можно ли вообще отказаться от эталона "часы - вращающаяся Земля" и использовать для этой цели какой-нибудь другой тип часов?

При ответе на этот вопрос нужно учесть, что, если для хранения времени важна стабильность работы часов, то от эталона времени наряду со стабильностью требуется еще и хорошая воспроизводимость в случае утраты. До тех пор пока нас удовлетворяла в качестве эталона времени вращающаяся вокруг своей оси Земля или Земля, вращающаяся вокруг Солнца, вопрос о воспроизводимости в случае утраты не был актуальным. Не потому, что эти системы вечные, а потому, что при их крушении не останется и нас.

Как только поднимается вопрос об использовании в качестве эталона времени часов, сделанных человеком (какой бы процесс ни лежал в их основе), т. е. использовании прибора, оказывается необходимым считаться с возможностью порчи или утраты такого устройства. Таким образом, эталон времени должен обладать не только достаточной точностью, но и достаточной воспроизводимостью.

Для наглядности рассмотрим, в какой мере этим требованиям удовлетворяют все известные нам типы часов.

Песочные, водяные, огненные часы древнего мира дают погрешность порядка десятков минут в сутки и являются слишком грубыми для того, чтобы служить эталонами времени. К тому же в случае утраты данного образца таких часов совершенно безнадежно пытаться точно его воспроизвести. Небольшого изменения ширины горла песочных часов или качества песка достаточно для существенного изменения показаний этих часов. Так же обстоит дело и с огненными и водяными часами: небольшого изменения их размеров достаточно для того, чтобы значительно изменить их показания.

Колесные часы с их громоздкими деталями дают погрешность в несколько минут в сутки- Ход этих часов зависит от размера и веса деталей, трения, смазки и т. д. Ни в отношении точности, ни в отношении воспроизводимости они не годятся для того, чтобы служить эталоном времени.

Погрешность показаний современных астрономических маятниковых и кварцевых часов составляет всего тысячные и десятитысячные доли секунды в сутки. Но требования к точности измерения времени настолько возросли, что для нас при решении некоторых научных и технических задач ошибки современных астрономических часов на тысячные доли секунды в сутки, вероятно, более неудобны и неприятны, чем ошибки в несколько минут для древних.

Кроме того, в случае утраты данного образца маятниковых или кварцевых астрономических часов совершенно безнадежно даже по самым точным чертежам пытаться сделать другие, точно сходные с первыми. Ничтожно малого различия в длине маятника или размерах кварцевой пластинки или даже небольшой неоднородности материалов, из которых они сделаны, достаточно для того, чтобы получилось различие в ходе часов. Дело при этом осложняется еще и тем, что с течением времени детали часов срабатываются, стареют.

Таким образом, ни грубые песочные часы, ни самые лучшие астрономические маятниковые и кварцевые часы вследствие недостаточной точности и невозможности их точного воспроизведения не годятся в качестве первичных эталонов времени.

Уже давно стало ясно, сколь многообещающим в отношении точности и воспроизводимости может быть применение в измерительной технике атомных процессов. Когда огромные заводы выпускают стандартную продукцию: автомобили, часы и т. д., то по внешнему виду кажется, что все автомобили одной серии, все часы одного типа точно одинаковы между собой, но это только так кажется. Из десятков тысяч однотипных автомобилей каждый чем-то отличается от другого; среди сотен тысяч однотипных часов, сделанных из одних и тех же материалов, нет двух совершенно одинаковых, и поэтому каждые приходится регулировать отдельно. В мире больших тел (макромире) нет двух совершенно одинаковых вещей. Напротив, в мире малых тел (микромире) царит единообразие. Не в результате грубости наших измерительных приборов, а принципиально нельзя отличить один электрон от другого электрона или один протон от другого протона. Атомы, состоящие из одинакового числа элементарных частиц: электронов, протонов, нейтронов, также оказываются точно одинаковыми. Молекулы, представляющие собой соединение нескольких атомов, оказываются совершенно одинаковыми, если только одинаковы число, комбинация и строение атомов, входящих в их состав.

Эти столь очевидные преимущества атомных систем в отношении постоянства их параметров уже давно навели ученых на мысль о создании эталонов, основанных не на размерах Земли и скорости ее вращения, а на атомных процессах.

В отношении постоянства колебаний атомных и молекулярных систем и слабой зависимости частоты этих колебаний от внешних условий преимущества микросистем над макросистемами огромны. Если маятниковые часы, ничего в них не изменяя, перенести из одного города в другой, например из Москвы в Ташкент, то вследствие одного только различия ускорения силы тяжести в этих пунктах правильность хода часов нарушится, а ошибка составит несколько минут в сутки. Наоборот, если систему, в которой совершаются атомные колебания, перенести не из одного города в другой, а даже с одной планеты нашей солнечной системы на другую, то и в этом случае изменение Частоты колебаний будет ничтожно мало. Только в некоторых участках нашей Галактики, например на белом карлике, спутнике звезды Сириус, плотность которого в 30 000 раз больше плотности воды, а сила тяжести в 1000 раз больше, чем на Солнце, и в 30 000 раз больше, чем на Земле, изменение частоты электромагнитных колебаний, излучаемых атомами, стало бы заметным. Маятник, который на Земле делает одно колебание в секунду, на спутнике Сириуса за то же время сделал бы 140 колебаний, а частота колебаний, испускаемых атомами цезия или молекулами аммиака, при переносе с Земли на спутник Сириуса изменилась бы несколько меньше, чем на сотую долю процента.

Какие же из астрономических часов, основанных на молекулярных и атомных колебаниях, наиболее целесообразно выбрать в качестве нового эталона времени?

В шестидесятых годах этот вопрос детально обсуждался учеными, а в 1964 г. Международный Комитет по вопросам мер и весов принял решение о введении нового физического эталона времени, выбрав в качестве такового астрономические атомно-лучевые цезиевые часы. Таким образом, единица времени получила новое определение: секунда - это промежуток времени, в течение которого происходит 9 192 631 770 колебаний электромагнитной волны, испускаемой атомом цезия-133, в отсутствие внешних электромагнитных полей, при переходе его из одного состояния в другое между двумя сверхтонкими Уровнями энергии (которые обозначены индексами: ²S_l/2, F = 0, М = 0 и ²S_1/2, F = 3, М = 0).

Этот выбор обоснован тем, что астрономические аммиачные молекулярные часы, основанные на поглощении высокочастотного электромагнитного излучения, имеют меньшую точность и значительно худшую воспроизводимость. Отдельные экземпляры молекулярных аммиачных часов давали несколько различные показания и для согласования нуждались в специальной калибровке.

Астрономические молекулярные часы, основанные на использовании аммиачного квантового генератора, показали очень высокую стабильность. Однако обнаружилась зависимость их показаний от давления остаточных газов в трубке генератора и от величины электромагнитных полей. Таким образом, оказалось, что каждый экземпляр таких часов может очень точно хранить время, но различные их экземпляры дают несколько разные показания. Следовательно, по критерию воспроизводимости они оказались неудовлетворительными.

Между тем цезиевый атомно-лучевой стандарт обладает не только очень высокой точностью, но и прекрасной воспроизводимостью. Отдельные экземпляры таких часов, изготовленные в разных странах, при их взаимной проверке и сличении дали хорошо совпадающие показания, а систематический дрейф этих часов (т. е. постепенный уход показаний) обнаружен не был.

Тем не менее не исключено, что в ближайшее время цезиевый атомно-лучевой стандарт будет заменен другим. Однако не потому, что в нем обнаружились какие-либо недостатки, а потому, что параметры астрономических часов, основанных на водородном квантовом генераторе, оказались существенно лучше. В некоторых международных научных организациях уже обсуждался вопрос о целесообразности перехода на водородный стандарт частоты и времени.

Квантовые стандарты частоты и времени, благодаря их высокой точности, позволили на новой основе подойти к решению ряда, так сказать, "старых" задач, например, к вопросу о неравномерности вращения Земли. До недавнего времени изучение неравномерностей вращения Земли имело первостепенное значение для уточнения эталона времени.

С тех пор как был введен новый эталон времени, основанный на атомных колебаниях, в этом необходимость отпала. Однако оказалось, что изучение этих неравномерностей по-прежнему очень интересно и важно, но уже по другой причине. Дело в том, что особенности вращения Земли зависят от ее структуры и ряда процессов, происходящих внутри нее, а также вблизи от ее поверхности. Таким образом, изучение неравномерностей вращения Земли может служить для выяснения структуры самой Земли. Работы Н. Н. Парийского показали плодотворность такого направления исследований.

Новый эталон времени не имеет ни суточных, ни сезонных, ни вековых колебаний. Он не стареет. К тому же он обладает достаточной определенностью, точностью и воспроизводимостью. Таким образом, преимущества нового эталона, времени, основанного на атомных колебаниях, по сравнению со старым, привязанным к вращению Земли, огромны.

Однако применение атомного эталона времени выдвигает новую проблему: что делать в случае остановки таких часов? Ведь отсчитать время столь же точно могут лишь другие такие же часы. Для преодоления этой трудности в центрах службы времени установлены группы атомных часов. Это дает возможность взаимной проверки отдельных экземпляров часов, а в случае остановки каких-либо из них другие обеспечивают непрерывность отсчета точного времени.

Таким образом достигается не только высокая точность, но и достаточная надежность непрерывного отсчета времени атомными часами.

Введение ВОЗАК - всемирной системы единого времени - наряду с точностью и непрерывностью отсчета времени также успешно решило задачу о передаче точного времени во все места земного шара. В связи с этим во многих странах уже осуществлен переход на новый отсчет времени.

С 1972 г. Советский Союз, как и ряд других стран, расстался с секундой, основанной на движении Земли вокруг Солнца, и перешел на новую систему всемирного координированного времени, опирающуюся на работу группы атомных часов международного центра ВОЗАК.