Секунда
Помните, мы обсуждали такую проблему, что килограмм все тяжелеет и тяжелеет, так вот, оказывается с секундой тоже не все так гладко.
Самые точные наручные или настенные часы грешат против эталонного времени в миллиарды раз. Впрочем, в быту и не нужна точность до долей микросекунды. Но она совершенно необходима в исследовании космоса, для создания систем навигации, управления воздушным движением, повышения качества теле- и радиопередач и многих других целей.
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. Находится оно во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) под Москвой.
Эталон времени — это сложный комплекс, в который входят цезиевые реперы (генераторы, дающие строго определенную частоту) и водородные хранители частоты, хранители шкал времени, приборы для измерения временных интервалов и другая аппаратура. Некоторые составляющие эталона уникальны, например радиооптический частотный мост, который служит для измерения частот излучения лазеров. В мире кроме России такой мост есть только в Канаде, во Франции, в США и Великобритании. Российский государственный эталон времени входит в группу лучших мировых эталонов, его относительная погрешность не превышает 5.10-14, то есть 0,00000000000005 секунды. За полмиллиона лет эталон даст погрешность в одну секунду.
Эталоны для измерения времени должны быть основаны на периодических процессах, период которых постоянен с большой точностью. Первоначально единственным известным процессом такого рода было вращение Земли вокруг своей оси, и единица времени — секунда — определялась как 1/86 400 часть периода этого вращения, то есть суток. Длительность же суток определялась из двух последовательных наблюдений прохождения какого-нибудь небесного светила через плоскость меридиана места наблюдения. Уже древние астрономы убедились в том, что длительность интервала между двумя прохождениями Солнца через плоскость меридиана не совпадает с длительностью интервала, определённого по наблюдениям любой из «неподвижных» звёзд: солнечные сутки оказались на 4 минуты больше звёздных. Это следствие движения Земли по орбите (вращение Земли вокруг оси и её орбитальное движение происходят в одном направлении). Пользоваться звёздным временем неудобно, так как вся наша жизнь связана со сменой дня и ночи, с солнечными сутками. Но определить их продолжительность с большой точностью весьма сложно: во-первых, Солнце слишком «велико»; во-вторых, солнечное излучение нагревает и деформирует точные приборы и, наконец, длительность солнечных суток изменяется в течение года вследствие изменения скорости движения Земли по орбите. Поэтому непосредственное определение периода вращения Земли выполняется по наблюдению звёзд, а для практических целей учитывают разницу между звёздными и солнечными сутками. Так возникло своеобразное положение, при котором мы пользуемся солнечным временем, определяя его по звёздам.
Вследствие изменения продолжительности суток, которые увеличиваются в среднем на 1 мс за век под влиянием приливных сил Луны, было пересмотрено определение секунды. Вместо 1/86 400 части средних солнечных суток ее длительность с 1960 г. определяется как 1/315 569 259 747 часть солнечного (или тропического) года по состоянию на 12 часов эфемеридного времени января 1900 г.
В 1958 г. секунда принята равной 9 192 631 770 ± 20 периодам излучения, соответствующего переходу между уровнями основного состояния атома цезия-133 в отсутствие внешних полей. Самое большое суточное изменение было зарегистрировано 8 августа 1972 г., оно составляло 10 мс и было вызвано самой мощной солнечной бурей, наблюдаемой за последние 370 лет.
Точность цезиевого эталона частоты приближается к 8 частям на 1014, что выше, чем 2 части на 1013 для гелиево-неонового лазера, стабилизированного метаном, и чем 6 частей на 1013 для водородного мазера.
Самой длинной мерой времени является кальпа в индуистской хронологии. Она равна 4320 млн лет. В астрономии космический год есть период обращения Солнца вокруг центра Млечного Пути, он равен 225 млн лет. В позднем меловом периоде (около 85 млн лет назад) Земля вращалась быстрее, в результате чего год состоял из 370,3 суток. Имеются также свидетельства тому, что в эпоху кембрия (600 млн лет назад) год длился более 425 суток.
Неравномерность суточного вращения и орбитального движения Земли не позволяет создать строго равномерные шкалы времени. Поэтому была введена ещё одна шкала — эфемеридное время, названное позже динамическим временем. Под ним понимают аргумент в дифференциальных уравнениях движения тел Солнечной системы в гравитационном поле. Это равномерно текущее время используют при определении эфемерид (элементов кеплеровой орбиты) спутников.
Любое время измеряют при помощи часов. После того как Галилей создал теорию маятника, а Гюйгенс изобрёл вращающийся балансир, появились маятниковые часы. И вскоре лучшие из них позволили обнаружить систематическое замедление суточного вращения Земли, вызванное океаническими приливами.
После изобретения кварцевых часов, в которых роль колебаний маятника играют упругие колебания кварцевых пластинок под действием электрического напряжения (пьезоэффект), было установлено, что и при учёте регулярного замедления длительность суток всё же непостоянна — она может изменяться в обе стороны на тысячные и даже сотые доли секунды.
К середине XX века стало ясно, что точность лучших часов превзошла точность нашего природного эталона времени — суток. Возможности астрономических методов измерения времени оказались исчерпанными.
Принципиально новые и более точные методы измерения времени пришли из радиоспектроскопии и квантовой электроники.
Каждый атом или молекула избирательно поглощает или излучает не только свет, но и радиоволны определённой длины волны λ, или частоты f, которые характеризуются непревзойдённым постоянством. Это позволило создать квантовые стандарты частоты, а следовательно, и времени (вспомним, что частота — величина, обратная периоду, то есть времени одного колебания) и построить шкалу атомного времени AT, задаваемую конкретным атомным или молекулярным эталоном.
Шкала АТ практически совершенно равномерна. В ней единицей измерения служит атомная секунда — промежуток времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 (133Cs). Другими словами, за атомную секунду совершается число периодов колебаний цезиевого генератора, равное его частоте, составляющей 9 192 631 770 Гц (~ 9,2 Ггц). Стабильность этой частоты очень высока (то есть относительная нестабильность Δf/f, где Δf — уход частоты, очень мала). Кроме цезиевого в качестве стандартов частоты используют также рубидиевый и водородный генераторы (последний наиболее стабилен, см. таблицу).
Существует Международное атомное время ТАI (от французского названия Temps Atomic International). Оно устанавливается на основе показаний атомных часов в различных метрологических учреждениях в соответствии с приведённым выше определением атомной секунды.
Так как шкалы AT и UT не согласуются между собой, введена промежуточная шкала, называемая всемирным координированным временем UTС (Universal Time Coordinated). Это атомное время, которое корректируется на 1 с, когда его расхождение с UT1 превышает 0,5 с. Коррекция производится в последнюю секунду 30 июня или 31 декабря либо в обе даты.
Приведённое выше определение атомной секунды принято международными организациями в 1967 году, и в том же году на основе этого определения в СССР был создан новый Государственный эталон времени и частоты. Современный его вариант включает в себя цезиевый и водородный генераторы и обеспечивает хранение и воспроизведение секунды и герца с погрешностью, близкой к 1·10-14.
Да, и еще напомню вам о том, что Международная служба вращения Земли сообщает, что 30 июня 2015 года к времени UTC будет добавлена очередная секунда координации. Это означает, что день 30 июня 2015 года будет длиться на одну секунду больше, чем обычно:
…
2015 Июнь 30, 23ч 59м 59с
2015 Июнь 30, 23ч 59м 60с
2015 Июль 1, 0ч 0м 0с
…
Начиная с 1 июля 2015 года Международное атомное время (TAI) будет отличаться от Всемирного координированного времени (UTC) на 36 секунд.
UTC является международным стандартом, на основании которого вычисляется локальное («местное» или гражданское) время в различных часовых поясах. Время UTC «идёт» синхронно с международным атомным временем — TAI. Эталон атомного времени имеет чрезвычайно высокую стабильность, у него нет суточных или вековых колебаний, и его высокая точность не изменяется со временем. Именно в стабильности и точности атомных часов кроется проблема, которая делает их применение не совсем удобным для человека.
Так уж сложилось, что наиболее привычным для большинства людей является время, основанное на движении Солнца (или других астрономических объектов, например, звёзд) по небесной сфере. Однако, скорость вращения Земли вокруг собственной оси постоянно изменяется. Во-первых, эта величина не совсем равномерна на коротких промежутках (от суток до столетий, эта неравномерность вызывается различными климатическими и геологическими процессами), а во-вторых, приливное ускорение, вызываемое Луной, постоянно замедляет вращение Земли, укорачивая земные сутки примерно на 2,3 мс в столетие.
Как уже отмечалось выше, UTC использует строго равномерную шкалу атомного времени. Для того, чтобы максимально приблизить UTC к шкале времени, основанной на суточном вращении Земли, в UTC периодически приходится вносить секунды координации — подобно тому, как в високосный год добавляются одни сутки. Существенная разница этих процессов заключается в том, что заранее рассчитать момент ввода секунды координации из-за колебаний скорости вращения Земли невозможно. По этой причине решение о применении секунды координации принимается Международной службой вращения Земли (IERS) на основании астрономических наблюдений. Добавление секунды производится в конце суток 31 декабря или 30 июня таким образом, чтобы UTC отличалось от среднесолнечного времени (точнее, всемирного времени UT1) не более, чем на 0,9 с.
Впервые дополнительная секунда была добавлена в UTC 30 июня 1972 года. Теоретически, скорость вращения Земли может измениться так, что понадобится вводить и отрицательную секунду (то есть вычесть её из UTC), однако с 1972 года использовались только положительные секунды координации.
Воздействие приливного ускорения и вызываемое им замедление скорости вращения Земли потребует вводить секунды координации в будущем всё чаще и чаще. Однако невозможность точного расчёта или предсказания очередного момента, когда потребуется вносить дополнительную секунду создаёт ряд проблем — например, сбои в работе операционных систем при некорректной обработке добавленной секунды или невозможность точного расчёта будущего времени UTC на срок свыше 6 месяцев. Для таких сфер деятельности, как навигация, транспорт, телекоммуникации, энергетика, подобные ошибки могут оказаться крайне критичными. В последнее время высказывается мнение о необходимости отмены добавления секунд координации, и их замены суммарным добавлением одного часа, который будет применяться около 1 раза в 6000 лет. Ожидается, что окончательное решение по этому вопросу будет принято Международным союзом электросвязи (International Telecommunication Union, ITU) в 2015 году.
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. Находится оно во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) под Москвой.
Эталон времени — это сложный комплекс, в который входят цезиевые реперы (генераторы, дающие строго определенную частоту) и водородные хранители частоты, хранители шкал времени, приборы для измерения временных интервалов и другая аппаратура. Некоторые составляющие эталона уникальны, например радиооптический частотный мост, который служит для измерения частот излучения лазеров. В мире кроме России такой мост есть только в Канаде, во Франции, в США и Великобритании. Российский государственный эталон времени входит в группу лучших мировых эталонов, его относительная погрешность не превышает 5.10-14, то есть 0,00000000000005 секунды. За полмиллиона лет эталон даст погрешность в одну секунду.
А вот история этого вопроса:
Эталоны для измерения времени должны быть основаны на периодических процессах, период которых постоянен с большой точностью. Первоначально единственным известным процессом такого рода было вращение Земли вокруг своей оси, и единица времени — секунда — определялась как 1/86 400 часть периода этого вращения, то есть суток. Длительность же суток определялась из двух последовательных наблюдений прохождения какого-нибудь небесного светила через плоскость меридиана места наблюдения. Уже древние астрономы убедились в том, что длительность интервала между двумя прохождениями Солнца через плоскость меридиана не совпадает с длительностью интервала, определённого по наблюдениям любой из «неподвижных» звёзд: солнечные сутки оказались на 4 минуты больше звёздных. Это следствие движения Земли по орбите (вращение Земли вокруг оси и её орбитальное движение происходят в одном направлении). Пользоваться звёздным временем неудобно, так как вся наша жизнь связана со сменой дня и ночи, с солнечными сутками. Но определить их продолжительность с большой точностью весьма сложно: во-первых, Солнце слишком «велико»; во-вторых, солнечное излучение нагревает и деформирует точные приборы и, наконец, длительность солнечных суток изменяется в течение года вследствие изменения скорости движения Земли по орбите. Поэтому непосредственное определение периода вращения Земли выполняется по наблюдению звёзд, а для практических целей учитывают разницу между звёздными и солнечными сутками. Так возникло своеобразное положение, при котором мы пользуемся солнечным временем, определяя его по звёздам.
Вследствие изменения продолжительности суток, которые увеличиваются в среднем на 1 мс за век под влиянием приливных сил Луны, было пересмотрено определение секунды. Вместо 1/86 400 части средних солнечных суток ее длительность с 1960 г. определяется как 1/315 569 259 747 часть солнечного (или тропического) года по состоянию на 12 часов эфемеридного времени января 1900 г.
В 1958 г. секунда принята равной 9 192 631 770 ± 20 периодам излучения, соответствующего переходу между уровнями основного состояния атома цезия-133 в отсутствие внешних полей. Самое большое суточное изменение было зарегистрировано 8 августа 1972 г., оно составляло 10 мс и было вызвано самой мощной солнечной бурей, наблюдаемой за последние 370 лет.
Точность цезиевого эталона частоты приближается к 8 частям на 1014, что выше, чем 2 части на 1013 для гелиево-неонового лазера, стабилизированного метаном, и чем 6 частей на 1013 для водородного мазера.
Самой длинной мерой времени является кальпа в индуистской хронологии. Она равна 4320 млн лет. В астрономии космический год есть период обращения Солнца вокруг центра Млечного Пути, он равен 225 млн лет. В позднем меловом периоде (около 85 млн лет назад) Земля вращалась быстрее, в результате чего год состоял из 370,3 суток. Имеются также свидетельства тому, что в эпоху кембрия (600 млн лет назад) год длился более 425 суток.
Неравномерность суточного вращения и орбитального движения Земли не позволяет создать строго равномерные шкалы времени. Поэтому была введена ещё одна шкала — эфемеридное время, названное позже динамическим временем. Под ним понимают аргумент в дифференциальных уравнениях движения тел Солнечной системы в гравитационном поле. Это равномерно текущее время используют при определении эфемерид (элементов кеплеровой орбиты) спутников.
Любое время измеряют при помощи часов. После того как Галилей создал теорию маятника, а Гюйгенс изобрёл вращающийся балансир, появились маятниковые часы. И вскоре лучшие из них позволили обнаружить систематическое замедление суточного вращения Земли, вызванное океаническими приливами.
После изобретения кварцевых часов, в которых роль колебаний маятника играют упругие колебания кварцевых пластинок под действием электрического напряжения (пьезоэффект), было установлено, что и при учёте регулярного замедления длительность суток всё же непостоянна — она может изменяться в обе стороны на тысячные и даже сотые доли секунды.
К середине XX века стало ясно, что точность лучших часов превзошла точность нашего природного эталона времени — суток. Возможности астрономических методов измерения времени оказались исчерпанными.
Принципиально новые и более точные методы измерения времени пришли из радиоспектроскопии и квантовой электроники.
Каждый атом или молекула избирательно поглощает или излучает не только свет, но и радиоволны определённой длины волны λ, или частоты f, которые характеризуются непревзойдённым постоянством. Это позволило создать квантовые стандарты частоты, а следовательно, и времени (вспомним, что частота — величина, обратная периоду, то есть времени одного колебания) и построить шкалу атомного времени AT, задаваемую конкретным атомным или молекулярным эталоном.
Шкала АТ практически совершенно равномерна. В ней единицей измерения служит атомная секунда — промежуток времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 (133Cs). Другими словами, за атомную секунду совершается число периодов колебаний цезиевого генератора, равное его частоте, составляющей 9 192 631 770 Гц (~ 9,2 Ггц). Стабильность этой частоты очень высока (то есть относительная нестабильность Δf/f, где Δf — уход частоты, очень мала). Кроме цезиевого в качестве стандартов частоты используют также рубидиевый и водородный генераторы (последний наиболее стабилен, см. таблицу).
Существует Международное атомное время ТАI (от французского названия Temps Atomic International). Оно устанавливается на основе показаний атомных часов в различных метрологических учреждениях в соответствии с приведённым выше определением атомной секунды.
Так как шкалы AT и UT не согласуются между собой, введена промежуточная шкала, называемая всемирным координированным временем UTС (Universal Time Coordinated). Это атомное время, которое корректируется на 1 с, когда его расхождение с UT1 превышает 0,5 с. Коррекция производится в последнюю секунду 30 июня или 31 декабря либо в обе даты.
Приведённое выше определение атомной секунды принято международными организациями в 1967 году, и в том же году на основе этого определения в СССР был создан новый Государственный эталон времени и частоты. Современный его вариант включает в себя цезиевый и водородный генераторы и обеспечивает хранение и воспроизведение секунды и герца с погрешностью, близкой к 1·10-14.
Да, и еще напомню вам о том, что Международная служба вращения Земли сообщает, что 30 июня 2015 года к времени UTC будет добавлена очередная секунда координации. Это означает, что день 30 июня 2015 года будет длиться на одну секунду больше, чем обычно:
…
2015 Июнь 30, 23ч 59м 59с
2015 Июнь 30, 23ч 59м 60с
2015 Июль 1, 0ч 0м 0с
…
Начиная с 1 июля 2015 года Международное атомное время (TAI) будет отличаться от Всемирного координированного времени (UTC) на 36 секунд.
Что это такое и зачем это нужно?
UTC является международным стандартом, на основании которого вычисляется локальное («местное» или гражданское) время в различных часовых поясах. Время UTC «идёт» синхронно с международным атомным временем — TAI. Эталон атомного времени имеет чрезвычайно высокую стабильность, у него нет суточных или вековых колебаний, и его высокая точность не изменяется со временем. Именно в стабильности и точности атомных часов кроется проблема, которая делает их применение не совсем удобным для человека.
Так уж сложилось, что наиболее привычным для большинства людей является время, основанное на движении Солнца (или других астрономических объектов, например, звёзд) по небесной сфере. Однако, скорость вращения Земли вокруг собственной оси постоянно изменяется. Во-первых, эта величина не совсем равномерна на коротких промежутках (от суток до столетий, эта неравномерность вызывается различными климатическими и геологическими процессами), а во-вторых, приливное ускорение, вызываемое Луной, постоянно замедляет вращение Земли, укорачивая земные сутки примерно на 2,3 мс в столетие.
Как уже отмечалось выше, UTC использует строго равномерную шкалу атомного времени. Для того, чтобы максимально приблизить UTC к шкале времени, основанной на суточном вращении Земли, в UTC периодически приходится вносить секунды координации — подобно тому, как в високосный год добавляются одни сутки. Существенная разница этих процессов заключается в том, что заранее рассчитать момент ввода секунды координации из-за колебаний скорости вращения Земли невозможно. По этой причине решение о применении секунды координации принимается Международной службой вращения Земли (IERS) на основании астрономических наблюдений. Добавление секунды производится в конце суток 31 декабря или 30 июня таким образом, чтобы UTC отличалось от среднесолнечного времени (точнее, всемирного времени UT1) не более, чем на 0,9 с.
Впервые дополнительная секунда была добавлена в UTC 30 июня 1972 года. Теоретически, скорость вращения Земли может измениться так, что понадобится вводить и отрицательную секунду (то есть вычесть её из UTC), однако с 1972 года использовались только положительные секунды координации.
Воздействие приливного ускорения и вызываемое им замедление скорости вращения Земли потребует вводить секунды координации в будущем всё чаще и чаще. Однако невозможность точного расчёта или предсказания очередного момента, когда потребуется вносить дополнительную секунду создаёт ряд проблем — например, сбои в работе операционных систем при некорректной обработке добавленной секунды или невозможность точного расчёта будущего времени UTC на срок свыше 6 месяцев. Для таких сфер деятельности, как навигация, транспорт, телекоммуникации, энергетика, подобные ошибки могут оказаться крайне критичными. В последнее время высказывается мнение о необходимости отмены добавления секунд координации, и их замены суммарным добавлением одного часа, который будет применяться около 1 раза в 6000 лет. Ожидается, что окончательное решение по этому вопросу будет принято Международным союзом электросвязи (International Telecommunication Union, ITU) в 2015 году.
Комментарии2
