Секунда - это то, на что в повседневной спешке мы обычно не обращаем внимания, считая ее чем-то мелким и несерьезным. В то же время мощнейшие умы прошлого трудились над тем, чтобы научиться правильно определять ее длину. Поэтому давайте попробуем более внимательно рассмотреть значение и происхождение этого термина. Ведь он имеет не одно, а сразу несколько толкований.

Что такое время

Рассматриваемое понятие весьма близко связано с такой важной философской и физической категорией, как время. Поэтому, прежде всего, стоит узнать, что это.

Этим словом именуется мера длительности существования всех объектов во Вселенной. Кроме того, это характеристика последовательной смены состояния всех и каждого предмета в процессах (включая сами процессы), их изменение и развитие.

Также время является одной из координат единого пространства-времени, которое рассматривается в рамках теории относительности.

С точки зрения философии этим термином именуется необратимое течение из прошлого в будущее через настоящее.

Секунда - это что такое?

Рассмотрев, что такое время, стоит перейти к секунде. Она является его единицей измерения. Причем используется как в метрической, так и в американской измерительных системах.

Сокращенное обозначение секунды - это строчная литера «с» в кириллице и «s» в латинице. Иногда используется вариант "сек" или "sec", однако лишь немногие его приемлют.

Другие значения термина

Помимо темпоральной единицы измерения рассматриваемое существительное также имеет несколько дополнительных значений:

  • Так называется второй или вторящий музыкальный инструмент в оркестре. Например: флейта-секунда.
  • Также в музыке рассматриваемый термин имеет еще одни способ трактовки. Согласное ему секунда - это вторая ступень звукоряда диатонического и одновременно интервал между его соседними нотами.
  • Кроме всего перечисленного, данный термин является единицей, с помощью которой измеряются плоские углы. В таком случае секунда обозначается значком «""» сверху возле цифры, как степень: 26 "".Такая секунда - это дольная величина угловой минуты (1/60) или углового градуса (1/3600).
  • Иногда рассматриваемое существительное употребляется в художественной речи для обозначения весьма короткого временного промежутка. Например: «Всего секунда прошла, как я отвернулась - и он исчез». Или «Мне показалось, что в эту секунду мое сердце выпрыгнет из груди от счастья». В обоих случаях описываемое происшествие могло длиться дольше или наоборот меньше, чем традиционная единица времени. К примеру, не 1, а 5 секунд. Или наоборот - ее половину, четверть, шестую часть и т.п.
  • Кроме всего прочего, данный термин вместе с единицами длины используется для измерения скорости («V»). В зависимости от системы отличаются используемые единицы длины. Если это Система СГС - V измеряется в сантиметрах на секунду (см/с). Если система СИ - в метрах на секунды скорость измеряется (м/с).

Происхождение изучаемого существительного

Рассматриваемый термин пришел во все современные языки из латыни. Он был образован от слова secund, что значит «второй/вторая» (отсюда в английском языке сохранилось порядковое числительное second). Кстати, в таком значении термин остался в музыке (вторая ступень, второй музыкальный инструмент).

Как же связано числительное и промежуток времени? Очень просто. Дело в том, что в Древнем Риме один час делился дважды на шестьдесят. Первое такое деление (в результате которого выделялись минуты) именовалось prima divisio, а второе - secunda divisio. Образованные таким способом части часа постепенно стали именовать в честь самого способа деления - «секундами».

В средневековой латыни, которая была несколько далека от оригинального языка римлян, начали использоваться другие выражения: pars minuta prima («первая мелкая часть») и pars minuta secunda («вторая мелкая часть»). Речь тоже шла о делении часа на минуты и секунды.

Широкое распространение в качестве названия промежутка времени изучаемое существительное приобрело во всем мире лишь в семнадцатом-восемнадцатом столетиях. Однако в Англии этот термин учеными применялся еще в тринадцатом веке.

История внедрения секунды

На протяжении всей истории науки Древнего Мира при вычислении времени ученые выделяли мелкие промежутки времени. Они позволяли вычислять невидимые глазу процессы вроде химических или физических реакций и т.п.

Первые часы с секундной стрелкой появились уже в шестнадцатом веке. Однако в те годы размер секунды постоянно колебался.

Как единица измерения промежутков времени в точных науках секунда впервые была использована в 1832 г. Подобная идея принадлежала немецкому математику Карлу Фридриху Гауссу.

Однако чтобы данное нововведение было принято прочими учеными мужами, понадобилось еще тридцать лет, по истечению которых Британская Научная Ассоциация постановила всем своим членам использовать эту единицу измерения времени.

В дальнейшем, вслед за Англией, вся Европа постепенно перешла на секунды. Первыми это сделали страны, у которых активно развивалась наука. Ведь для проведения различных экспериментов необходимо было знать точное время с секундами. Особенно если учесть, что к концу девятнадцатого века ученые всего мира активно изучали молекулярную и атомную химию и физику. А, как известно, некоторые соединения способны существовать и не распадаться всего несколько секунд. Чтобы иметь возможность их выделить и изучить, нужно было четко знать время их "жизни".

В будущие годы рассматриваемая единица стала столь популярной, что постепенно была включена во многие системы измерения:

  • СГС (сантиметр - грамм - секунда);
  • МКС (метр - килограмм - секунда);
  • МКСА или система Джорджи (метр - килограмм - секунда - ампер) и другие.

Стоит отметить, что тогда еще применялась солнечная секунда, вычисляемая по солнечным суткам.

Секунда атомного времени

К средине ХХ в. ученые экспериментально доказали, что Земля вращается вокруг своей оси и Солнца не всегда равномерно, как это считалось ранее.

Она то замедляется, то наоборот ускоряется в виде нерегулярных скачков. Из-за этого в разные периоды времени величина секунд могла отличаться. Чтобы исправить это упущение, виднейшие математики и физики пытались вычислить средний солнечный год или же составить таблицы изменения его длины.

Однако в дальнейшем ситуация решилась более простым способом. В начале шестидесятых в качестве эталона для стали применять не солнечные сутки и их дольные единицы, а атомные.

Они измерялись при помощи так называемых атомных часов. Этот прибор вычислял время, ориентируясь на колебания, связанные с реакциями, происходящими в атомах и молекулах.

С помощью подобного нововведения было изменено определение размера одной секунды. Начиная с 1967 г. и по сей день данная величина равна 9 192 631 770 плюс/минус 20 периодам излучения от элемента цезий-133 при температуре, равной 0 Кельвинов, без воздействия внешних полей.

Стоит отметить, что современная атомная секунда немного короче, нежели предшествующая ей солнечная. Однако особого влияния на более крупные единицы времени эта разница не оказала.

Минуты, часы и сутки

Являясь единицей измерения времени, секунда соотносится с такими понятиями, как минуты, часы и сутки.

Стоит обратить особое внимание на то, что в данном случае действует не десятичная система исчисления, а шестидесятеричная. Согласно ей одна минута равна 60 секундам, а один час - 3600 секундам (60 минут).

Поскольку в сутках не шестьдесят, а всего двадцать четыре часа, то получается, что в них 86400 секунд.

При желании можно соотнести рассматриваемую величину с более крупными единицами вроде недели (604800 с), месяца (2 678 400 с или 2592000 с), года (31 557 600 с, если речь идет о 365,25 днях). Однако числа получаются слишком большими и неудобными для расчетов.

Кратные единицы секунды в системе СИ

Помимо календарных единиц рассматриваемый термин также соотносится с системой СИ и ее элементами. Поскольку она строится на десятеричном методе исчисления, то приведенный выше способ перевода секунд в минуты или часы не приемлем для СИ. Чтобы найти кратные единицы, нужно умножать не на шестьдесят, а на десять.

Давайте рассмотрим наиболее известные кратные единицы секунды. Чаще всего в вычислениях в физике и астрономии применяются килосекунды (10 3), мегасекунды (10 6), гигасекунды (10 9) и терасекунды (10 12).

Реже - петасекунды (10 15), эксасекунды (10 18), зеттасекунды (10 21) и иоттасекунды (10 24).

Также учеными выделены декасекунды (10 1) и гектосекунды (10 2), однако на практике они почти никогда не используются.

Дольные единицы

Хотя секунда сама по себе весьма крохотная, в системе СИ из нее выделяются еще меньшие дольные единицы.

Самые известны из них - миллисекунды (10 -3), микросекунды (10 -6) и наносекунды (10 -9).

Чуть реже используются пикосекунды (10 -12), фемтосекунды (10 -15), аттосекунды (10 -18), зептосекунды (10 -21) и иоктосекунды (10 -24).

И почти неприменимы на практике - децисекунды (10 -1) и сантисекунды (10 -2).

Секу́нда (обозначение: s, с) - единица измерения времени, одна из основных единиц СИ и СГС. Одна секунда - это интервал времени, равный 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения внешними полями. В истории развития секунды несколько этапов. Ранее единицу определяли исходя из солнечных суток, так как продолжительность суток меняется, то определяли сутки 1с=1/86400 солнечных средних суток. Средними солнечными сутками называется интервал времени между двумя последовательными верхними кульминациями «среднего солнца». «Среднее солнце» - это воображаемая точка, которая обходит небесный свод, двигаясь равномерно по небесному экватору за такой же промежуток времени, что и истинное Солнце, движущееся неравномерно по эклиптике.

Определение секунды, связанное со средними солнечными сутками, обладает существенным недостатком. Как показали наблюдения, суточное вращение Земли вокруг своей оси, на котором основано определение средних солнечных суток, подвержено колебаниям, закономерности которых пока еще не установлены и учету не поддаются. Известно, что за последнюю треть XIX в. продолжительность суток увеличилась на 0,007 с, а за первую треть XX в.- уменьшилась на 0,005 с. С 1934 г. продолжительность суток увеличивается. Из-за возникшей в связи с этим неточностью в определении секунды пришлось отказаться от эталона единицы времени, связанного с суточным вращением Земли.

В качестве эталона времени был принят тропический год, т. е. промежуток времени между двумя последовательными прохождениями Солнца через точку весеннего равноденствия. Но так как тропический год вообще величина непостоянная (продолжительность его уменьшается на полсекунды за столетие), то в качестве эталона надо было принять продолжительность какого-нибудь определенного года. За такой год был принят 1900 год, начинавшийся для гринвического меридиана в полдень 1 января 1900 г.

В целях дальнейшего повышения точности воспроизведения единицы времени и частоты XII Генеральная конференция по мерам и весам и Международный комитет мер и весов в 1965 г. приняли для временного применения определение секунды, основанное на атомном эталоне частоты. В декларации Международного комитета сказано, что этот «эталон представляет собой переход между сверхтонкими уровнями F=4 , М=0 и F=3, M=0 основного состояния 2s1/2, атома цезия-133, не возмущенного внешними полями, и что частоте этого перехода приписывается значение 9 192 631 770 герц». Из такого определения эталона следует, что секунда - это время, в течение которого совершается 9 192 631 770 переходов между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Воспроизведение секунды осуществляется в цезиевом эталоне частоты, принцип действия которого состоит в следующем. Если атомам цезия сообщить тепловые скорости около 200 м/с и пропустить пучок таких атомов в вакуумной камере через высокочастотное поле, то при определенной частоте этого поля, близкой к собственной частоте атомов, происходит их ионизация. Улавливая ионы с помощью особого детектора и измеряя создаваемый ими ток, можно по максимуму силы этого тока установить частоту поля, при которой наступает резонанс и которой соответствует определенная линия поглощения. Частота линий поглощения с помощью особой системы сравнивается с частотой кварцевых часов.

Государственный первичный эталон времени и частоты содержит: 1) водородные и кварцевые генераторы; 2) делители частоты; 3) аппаратуру для сличения частот; 4) аппаратуру для приема и регистрации радиосигналов.

В 1997 году Международное бюро мер и весов уточнило, что в этом определении фигурирует атом цезия, который покоится при нулевой абсолютной температуре. В новейших моделях цезиевых часов (их называют фонтанными) это требование почти идеально реализуется с помощью лазерного охлаждения атомов.

Единица осталась той же, но найден другой способ се воспроизведения. Воспроизведение осуществляется атомно-нулевыми часами. Благодаря сигналам точного времени и частоты, передаваемых по телевизору, радио и другим каналам связи, единица времени и частоты воспроизводимой государственным первичным эталоном стали доступны для всех пользователей. После государственных эталонов в поверочной схеме расположены эталоны копий и рабочие эталоны (квантовые, перевозные часы).

Эталон времени - особенный. Все остальные эталоны вводятся в действие периодически, для сличения с ними вторичных и рабочих эталонов. Но эталон, хранящий шкалу времени, нельзя остановить, как нельзя остановить время. Он работает всегда. Есть такой афоризм: время - очень простое понятие, пока вы не пытаетесь объяснить его кому-нибудь. С полным основанием эти слова можно отнести и к эталону времени. Меньше всего он напоминает часы, а оборудование и научные подразделения, которые обеспечивают эксплуатацию эталона, занимают большое здание.

В России главный эталон времени находится во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) под Москвой, это сложный комплекс, в который входят дающие строго определенную частоту генераторы, водородные хранители частоты, хранители шкал времени, приборы для измерения временных интервалов и другая аппаратура. Некоторые составляющие эталона уникальны, например радиооптический частотный мост, служащий для измерения частот излучения лазера. Кроме России такие мосты есть только в США, Канаде, Франции и Великобритании. Российский госэталон времени входит в группу лучших мировых эталонов, его относительная погрешность не превышает 5х10 -14 , т.е. 0,000000000000005 сек, что позволяет накопить погрешность не более 1 секунды за полмиллиона лет.

По материалам сайтов: wikipedia.org; www.omedb.ru; www.internet-school.ru; www.inventors.ru; www.astrocentr.ru

С древних времен человек пытался понять, что такое время. И, разумеется, измерить его. Чего только не придумали люди за многие столетия — от водяных, песочных и солнечных часов до астрономических и механических. Большинство из них не были слишком точными, но это никого всерьез не беспокоило. Все изменилось в эпоху Великих географических открытий: для морской навигации позарез требовались точные часы, поскольку ошибка в определении местоположения приводила к потере кораблей, людей и товаров. В XVIII веке сразу несколько морских держав (Испания и Португалия, Голландия, Франция и Великобритания) учредили крупные денежные премии за создание точных часов, которые можно было использовать для навигационных измерений. Британскую премию выиграл часовщик-самоучка Джон Харрисон, который сконструировал часы со среднесуточным уходом в две секунды (это при том, что часы тогда считались особо точными, если имели минутную стрелку), что приводило к навигационной ошибке всего в десять морских миль.

От солнечной секунды до маятника

Промышленная и научная революция также требовали точного измерения времени. Первым общепринятым эталоном секунды стало ее астрономическое определение, согласно которому 1 с равна 1/86 400 солнечных суток. Позднее выяснилось, что Земля вращается не совсем равномерно, и определение уточнили — «средних солнечных суток». Потом стало ясно, что в связи с замедлением вращения Земли (в основном за счет воздействия приливных сил со стороны Луны) такая секунда слишком нестабильна для эталона, и определение сменили. Новая секунда, введенная в 1957 году, базировалась на эфемеридах, то есть орбитальном движении Земли вокруг Солнца, и определялась как 1/31 556 925 9747 доля продолжительности конкретного (1900-го) тропического года. Но хотя этот эталон был более стабильным, чем солнечная секунда, он практически применялся только в астрономии, поскольку воспроизводить его в лаборатории было весьма затруднительно.


Среднемесячный уход современных кварцевых наручных часов составляет обычно несколько секунд. Производители оснащают некоторые модели системой автоматической коррекции по радиосигналам точного времени (работает в некоторых странах) или даже по сигналам спутников GPS. А в 2011 году американская компания Symmetricom представила сверхкомпактные атомные часы в размере микрочипа SA.45s Quantum Chip Scale Atomic Clock (CSAC) — 4х3,5х1,1 см и массой всего 35 г, CSAC потребляет всего 0,1 Вт и обеспечивает точность в 10^(−11)−10^(−12) (уход примерно в 1 секунду за 3−30 тысяч лет). На основе этого чипа можно изготовить наручные атомные часы, хотя, конечно, основная область его использования — это создание автономных (без синхронизации с GPS) сверхточных генераторов частоты, нужных для военных, научных, промышленных и других применений.

Гораздо большее распространение на практике получили старые добрые маятниковые часы, конструкция которых базировалась на классических трудах Галилео Галилея. К началу XX века, пройдя три столетия эволюции, конструкции таких часов достигли достаточного совершенства, чтобы обеспечить измерение интервалов времени с относительной погрешностью порядка 10 -7 , что соответствует среднегодовому уходу в единицы секунд. Такую точность обеспечивали часы, созданные британским инженером Уильямом Шортом в 1921 году. Часы с циферблатом и стрелками, приводимыми в движение секундным маятником, синхронизировались с помощью электрической цепи по второму, эталонному секундному маятнику, который качался в колбе с разреженной атмосферой. В СССР эти часы были значительно усовершенствованы физиком и механиком Феодосием Федченко, который в 1950-х во Всесоюзном научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) создал механизм АЧФ (Астрономические часы Федченко) с изохронным маятником, обеспечивавший точность порядка 10 -8 (секунда за десять лет). Эти часы (наряду с появившимися в то время кварцевыми) использовались в практических целях до 1980-х, еще несколько десятилетий после того, как в 1967 году было введено новое определение секунды. Новая секунда перестала быть привязана к каким-либо астрономическим измерениям, а стала равна 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры изотопа цезия-133.

Атомный маятник

Идею использовать атомы в качестве стабильного маятника выдвинул лорд Кельвин в 1879 году. Правда, тогда технология еще не обеспечивала возможность ее реализации, поэтому первые эксперименты начались только через 60 лет. В 1940 годах американские физики из Колумбийского университета под руководством Исидора Раби экспериментировали с цезием-133, а в Национальном бюро стандартов разработали свой эталон на основе аммиака, который, впрочем, по точности уступал кварцевым осцилляторам. Решающий шаг сделал Норман Рэмси из Гарвардского университета, предложивший концепцию «разнесенных осциллирующих полей», которая легла в основу атомных часов, а самому Рэмси принесла Нобелевскую премию за 1989 год.


Цезиевые атомные часы первого поколения, а точнее — их главная часть, сверхточный генератор (репер), представляли собой длинную вакуумную трубу, в которую с помощью тепловой пушки выстреливался пучок атомов цезия-133. Атом цезия может находиться в одном из двух энергетических состояний, и восьмиполюсный магнит на входе отсеивал одно из них. Далее пучок пролетал через резонатор Рэмси, где пучок микроволн, настроенных на частоту перехода между этими состояниями, переводил часть атомов в другое состояние. На выходе из трубы магнит отсеивал часть атомов, которые не изменили своего состояния, а остальные направлял на детектор. Изменяя частоту микроволн, можно добиться того, чтобы как можно больше атомов изменяло свое состояние при пролете резонатора, и в момент достижения максимума эта частота будет в точности соответствовать частоте перехода в атоме цезия, равной 9 192 631 770 Гц (этот процесс похож на настройку радиоприемника, когда вы крутите ручку, добиваясь максимальной громкости и чистоты сигнала).



«Точность подобных часов может достигать порядка 10 -14 , — объясняет Виталий Пальчиков, заместитель начальника Главного метрологического центра государственной службы времени и частоты (ГМЦ ГСВЧ, входит в состав ВНИИФТРИ) по научной работе. — Более точными такие часы сделать нельзя, потому что процесс происходит при комнатной температуре, и тепловое движение атомов приводит к появлению эффекта Доплера, то есть уширению резонансной линии до 100 Гц. Для повышения точности нужно охладить атомы до низких температур, и такой способ был придуман. Его в свое время предложил советский физик Владилен Летохов, а позднее его идею развили Чу, Коэн-Таннуджи и Филлипс, за что в 1997 году получили Нобелевскую премию по физике. Метод лазерного охлаждения заключается в том, что атомы взаимодействуют с двумя лазерными лучами, имеющими перпендикулярную поляризацию, и испытывают ряд переходов, отдавая энергию и замедляясь, то есть охлаждаются до нескольких сотен микрокельвинов — это называется Сизифово охлаждение». В 1997 году Международное бюро мер и весов уточнило определение секунды: атом цезия должен покоиться при температуре, близкой к абсолютному нулю, и вскоре в мире появились первые часы фонтанного типа.


Часовые фонтаны

«Они действительно похожи на фонтан, — говорит Виталий Пальчиков. — Облако атомов цезия, охлажденное до очень низких температур, захватывают в оптическую ловушку и подбрасывают с помощью лазерных лучей через СВЧ-резонатор. А потом лазеры отключаются, и атомы под действием силы тяжести медленно падают вниз сквозь этот же резонатор. В качестве селектора и детектора используется еще один лазер, взаимодействующий с облаком холодных атомов. Такой генератор имеет точность порядка 3−5 10 -16 , то есть 1 секунда за 300 млн лет, и сейчас используется практически во всех основных метрологических центрах в различных странах мира, у нас во ВНИИФТРИ два таких фонтана. Точность этих часов сейчас пытаются повысить. Основной источник нестабильности частоты фонтана — это чернотельное излучение оборудования, и его пытаются либо убрать за счет криогенного охлаждения, как это делают в американском Национальном институте стандартов (NIST), либо, как это делаем мы и французские исследователи, путем моделирования и учета соответствующих поправок».


Разработки и открытия, которые в настоящее время применяются в атомных часах, принесли своим авторам четыре нобелевские премии. Норман Рэмси в 1989 году получил высшую научную награду за изобретение метода разнесенных осциллирующих полей; Стивен Чу, Клод Коэн-Таннуджи и Уильям Филлипс в 1997 году — за разработку метода лазерного охлаждения атомов; Джон Холл и Теодор Хенш в 2005 году — за сверхточную лазерную спектроскопию (методы преобразования оптических частот — радиочастотный мост), Серж Арош и Дэвид Вайнленд в 2012-м — за методы манипуляции и измерения параметров отдельных атомов.

Фонтанный генератор — это главная, но не единственная часть эталона времени и частоты. «Это так называемый репер, своеобразный камертон, который может в любой момент воспроизвести величину единиц измерения, — поясняет Игорь Норец, начальник отдела эксплуатации государственного первичного эталона единиц времени, частоты и национальной шкалы времени ГМЦ ГСВЧ. — Он не работает постоянно, а лишь включается время от времени. А для поддержания непрерывной шкалы времени используются хранители частоты — водородные СВЧ-генераторы (мазеры). На долговременных интервалах порядка суток их частота дрейфует, но по хорошо известному закону, и это можно учесть при расчете национальной шкалы. В нашем ГМЦ ГСВЧ таких хранителей девять. Производит их Нижегородский научно-исследовательский приборостроительный институт «Кварц», и это, пожалуй, самые точные в мире водородные генераторы. В итоге российская шкала является одной из пяти самых точных в мире — наряду с немецкой (PTB), двумя американскими (USNO, NIST) и шкалой Парижской обсерватории. Отклонения от международной шкалы составляют не более 5 нс».


Оптические стандарты

Дальнейшее совершенствование эталона связано в первую очередь с разработкой оптических стандартов частоты. «В новых эталонах будут использоваться не переходы на радиочастотах, а оптические. Их частоты на много порядков выше, а значит, выше точность, — говорит Сергей Слюсарев, начальник отдела оптических стандартов частоты ВНИИФТРИ. — Такие оптические стандарты уже разрабатываются во многих исследовательских институтах, в том числе и у нас, они основаны на взаимодействии лазерного излучения с отдельными атомами или ионами алюминия, стронция или ртути, захваченными в магнитооптические ловушки. Уже сейчас существуют отдельные экспериментальные образцы с точностью воспроизведения частоты порядка 10 -17 -10 -18 . Скорее всего, в 2020-х годах состоится переход на такие стандарты, что повысит точность временной шкалы на один-два порядка».

«Каждые десять лет требования потребителей к точности часов возрастают на порядок, то есть в десять раз, — говорит Виталий Пальчиков. — Зачем нужны такие точные часы

В первую очередь для той же самой задачи, для которой они понадобились триста лет назад: для навигации. И не только спутниковой. Часы на базе оптических эталонов многое дадут и науке, и промышленности. Они достаточно точны, чтобы их можно было использовать для прямых гравиметрических измерений, — а это принципиально новый подход к навигации, поиску полезных ископаемых, да и вообще изучению нашего мира».

"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.

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.

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: 2 S l/2 , F = 0, М = 0 и 2 S 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.