Конвертер длины и расстояния Конвертер массы Конвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питания Конвертер площади Конвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептах Конвертер температуры Конвертер давления, механического напряжения, модуля Юнга Конвертер энергии и работы Конвертер мощности Конвертер силы Конвертер времени Конвертер линейной скорости Плоский угол Конвертер тепловой эффективности и топливной экономичности Конвертер чисел в различных системах счисления Конвертер единиц измерения количества информации Курсы валют Размеры женской одежды и обуви Размеры мужской одежды и обуви Конвертер угловой скорости и частоты вращения Конвертер ускорения Конвертер углового ускорения Конвертер плотности Конвертер удельного объема Конвертер момента инерции Конвертер момента силы Конвертер вращающего момента Конвертер удельной теплоты сгорания (по массе) Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему) Конвертер разности температур Конвертер коэффициента теплового расширения Конвертер термического сопротивления Конвертер удельной теплопроводности Конвертер удельной теплоёмкости Конвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излучения Конвертер плотности теплового потока Конвертер коэффициента теплоотдачи Конвертер объёмного расхода Конвертер массового расхода Конвертер молярного расхода Конвертер плотности потока массы Конвертер молярной концентрации Конвертер массовой концентрации в растворе Конвертер динамической (абсолютной) вязкости Конвертер кинематической вязкости Конвертер поверхностного натяжения Конвертер паропроницаемости Конвертер паропроницаемости и скорости переноса пара Конвертер уровня звука Конвертер чувствительности микрофонов Конвертер уровня звукового давления (SPL) Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давления Конвертер яркости Конвертер силы света Конвертер освещённости Конвертер разрешения в компьютерной графике Конвертер частоты и длины волны Оптическая сила в диоптриях и фокусное расстояние Оптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×) Конвертер электрического заряда Конвертер линейной плотности заряда Конвертер поверхностной плотности заряда Конвертер объемной плотности заряда Конвертер электрического тока Конвертер линейной плотности тока Конвертер поверхностной плотности тока Конвертер напряжённости электрического поля Конвертер электростатического потенциала и напряжения Конвертер электрического сопротивления Конвертер удельного электрического сопротивления Конвертер электрической проводимости Конвертер удельной электрической проводимости Электрическая емкость Конвертер индуктивности Конвертер Американского калибра проводов Уровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицах Конвертер магнитодвижущей силы Конвертер напряженности магнитного поля Конвертер магнитного потока Конвертер магнитной индукции Радиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излучения Радиоактивность. Конвертер радиоактивного распада Радиация. Конвертер экспозиционной дозы Радиация. Конвертер поглощённой дозы Конвертер десятичных приставок Передача данных Конвертер единиц типографики и обработки изображений Конвертер единиц измерения объема лесоматериалов Вычисление молярной массы Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

1 наносекунда [нс] = 1E-09 секунда [с]

Исходная величина

Преобразованная величина

секунда миллисекунда микросекунда наносекунда пикосекунда фемтосекунда аттосекунда 10 наносекунд минута час день неделя месяц синодический месяц год юлианский год високосный год тропический год сидерический год сидерический день сидерический час сидерическая минута сидерическая секунда фортнайт (14 суток) десятилетие столетие тысячелетие (миллениум) семилетие восьмилетие девятилетие пятнадцатилетие пятилетие планковское время год (грегорианский) сидерический месяц аномалистический месяц аномалистический год драконический месяц драконический год

О времени подробнее

Общие сведения. Физические свойства времени

Время можно рассматривать двояко: как математическую систему, созданную, чтобы помочь нашему пониманию Вселенной и течения событий, или как измерение, часть структуры Вселенной. В классической механике время не зависит от других переменных и ход времени постоянен. Теория относительности Эйнштейна, наоборот, утверждает, что события, одновременные в одной системе отсчета, могут происходить асинхронно в другой, если она в движении по отношению к первой. Это явление называется релятивистским замедлением времени. Вышеописанная разница во времени значительна при скоростях, близких к скорости света, и была экспериментально доказана, например, в эксперименте Хафеле-Китинга. Ученые синхронизировали пять атомных часов и оставили одни неподвижным в лаборатории. Остальные часы дважды облетели вокруг Земли на пассажирских самолетах. Хафеле и Китинг обнаружили, что «часы-путешественники» отстают от стационарных часов, как и предсказывает теория относительности. Воздействие гравитации, так же, как и увеличение скорости, замедляет время.

Измерение времени

Часы определяют текущее время в единицах, меньших чем одни сутки, в то время как календари - это абстрактные системы, представляющие более длительные интервалы времени, такие как дни, недели, месяцы и годы. Самая маленькая единица времени - секунда, одна из семи единиц СИ. Эталон секунды это: «9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133».

Механические часы

Механические часы обычно измеряют число циклических колебаний событий заданной длины, как, например, колебания маятника, совершающего одно колебание в секунду. Солнечные часы отслеживают движение Солнца по небу в течение дня и отображают время на циферблате при помощи тени. Водяные часы, широко использовавшиеся в древности и в средние века, измеряют время при помощи переливания воды между несколькими сосудами, в то время как песочные часы используют песок и аналогичные материалы.

Фонд Long Now в Сан-Франциско разрабатывает 10000-летние часы под названием Clock of the Long Now, которые должны просуществовать и остаться точными на протяжении десяти тысяч лет. Проект направлен на создание простой, понятной и удобной в обращении и ремонте конструкции. В конструкции часов не будут применяться драгоценные металлы. В настоящее время конструкция предполагает обслуживание человеком, включая завод часов. Время отслеживается при помощи двойной системы, состоящей из неточного, но надежного механического маятника и ненадежной (из-за погоды), но точной линзы, которая собирает солнечный свет. На момент написания статьи (январь 2013 года) строится опытный образец этих часов.

Атомные часы

В настоящее время атомные часы - это самые точные приборы измерения времени. Их используют для обеспечения точности при радиовещании, в глобальных навигационных спутниковых системах, и во всемирном измерении точного времени. В таких часах тепловые колебания атомов замедляются путем их облучения светом лазеров соответствующей частоты до температуры, близкой к абсолютному нулю. Счет времени осуществляется с помощью измерения частоты излучения, возникающего в результате перехода электронов между уровнями, причем частота этих колебаний зависит от электростатических сил между электронами и ядром, а также от массы ядра. В настоящее время наиболее распространенные атомные часы используют атомы цезия, рубидия, или водорода. Атомные часы, основанные на цезии - наиболее точные в долгосрочном использовании. Их погрешность составляет менее одной секунды за миллион лет. Водородные атомные часы примерно в десять раз более точны в течение более коротких отрезков времени, до недели.

Другие приборы измерения времени

Среди других измерительных приборов - хронометры, измеряющие время с точностью, достаточной для использования в навигации. С их помощью определяют географическое положение, основываясь на положении звезд и планет. Сегодня хронометр обычно имеется на судах в качестве резервного навигационного устройства, и морские специалисты знают, как пользоваться им в навигации. Однако глобальные навигационные спутниковые системы применяются чаще, чем хронометры и секстанты.

Всемирное координированное время

Во всем мире всемирное координированное время (UTC) используется как универсальная система измерения времени. Оно основано на системе Международного атомного времени (TAI), которая для расчета точного времени использует средневзвешенное время более 200 атомных часов, расположенных по всему миру. С 2012 года TAI на 35 секунд опережает UTC, потому что UTC, в отличие от TAI, использует средние солнечные сутки. Так как солнечный день немного длиннее 24 часов, для координации UTC с солнечным днем к UTC добавляются секунды координации. Иногда эти секунды координации вызывают различные проблемы, особенно в сферах, где используются компьютеры. Чтобы подобные проблемы не возникали, некоторые учреждения, такие как отдел серверов в компании Гугл, вместо секунд координации используют «високосное смазывание» - удлинение ряда секунд на миллисекунды, чтобы в сумме эти удлинения были равны одной секунде.

UTC основано на показаниях атомных часов, в то время как среднее время по Гринвичу (GMT) основано на длине солнечного дня. GMT является менее точным, потому что оно зависит от периода вращения Земли, который непостоянен. GMT широко использовалось в прошлом, но теперь вместо него используют UTC.

Календари

Календари состоят из одного или нескольких уровней циклов, таких как дни, недели, месяцы и годы. Их делят на лунные, солнечные, лунно-солнечные.

Лунные календари

Лунные календари основаны на фазах Луны. Каждый месяц - один лунный цикл, а год - 12 месяцев или 354,37 дней. Лунный год короче солнечного года, и, как следствие, лунные календари синхронизируются с солнечным годом только один раз в каждые 33 лунных года. Один из таких календарей - Исламский. Его используют в религиозных целях и как официальный календарь в Саудовской Аравии.

Покадровая съемка. Расцветающий цикламен. Двухнедельный процесс сжат до двух минут.

Солнечные календари

Солнечные календари основаны на движении Солнца и временах года. Их система отсчета - солнечный или тропический год, то есть время, необходимое Солнцу для завершения одного цикла времен года, например, от зимнего солнцестояния до зимнего солнцестояния. Тропический год равен 365,242 дням. Из-за прецессии земной оси, то есть, медленного изменения в положении оси вращения Земли, тропический год примерно на 20 минут короче, чем время, необходимое Земле для одного оборота по орбите вокруг Солнца относительно неподвижных звезд (сидерический год). Тропический год постепенно становится короче на 0,53 секунды каждые 100 тропических лет, поэтому в будущем, вероятно, нужна будет реформа, чтобы синхронизировать солнечные календари с тропическим годом.

Наиболее известный и широко используемый солнечный календарь - григорианский. Он основан на юлианском календаре, который, в свою очередь, основан на старом римском. Юлианский календарь предполагает, что год состоит из 365,25 дней. На самом деле, тропический год на 11 минут короче. В результате этой неточности, к 1582 году юлианский календарь ушел на 10 дней вперед, по сравнению с тропическим годом. Григорианский календарь стали использовать, чтобы исправить это несоответствие, и постепенно он заменил другие календари во многих странах. В некоторых местах, в том числе в православной церкви, до сих пор используют юлианский календарь. К 2013 году разница между юлианским и григорианским календарями составляет 13 дней.

Чтобы синхронизировать 365-дневный григорианский год с 365,2425-дневным тропическим, в григорианском календаре добавляют високосный год длиной 366 дней. Это делается каждые четыре года, за исключением годов, которые делятся на 100, но не делятся на 400. Например, 2000 год был високосным, а 1900 - нет.

Покадровая съемка. Расцветающие орхидеи. Трехдневный процесс сжат до полутора минут.

Лунно-солнечные календари

Лунно-солнечные календари - сочетание лунного и солнечного календарей. Обычно месяц в них равен лунной фазе, и месяцы чередуются между 29 и 30 днями, так как приблизительная средняя длина лунного месяца - 29,53 день. Чтобы синхронизировать лунно-солнечный календарь с тропическим годом, каждые несколько лет к году лунного календаря добавляется тринадцатый месяц. Например, в еврейском календаре тринадцатый месяц прибавляется семь раз в течение девятнадцати лет - это называется 19-летним циклом, или метоновым циклом. Китайский и индуистский календари - также примеры лунно-солнечных календарей.

Прочие календари

Другие типы календарей основаны на астрономических явлениях, таких как движение Венеры, или исторических событиях, таких как смена правителей. Например, японское летоисчисление (年号 нэнго, буквально, название эры), используется в дополнение к григорианскому календарю. Название года соответствует названию периода, который также называется девизом императора, и году правления императора этого периода. При вступлении на престол, новый император утверждает свой девиз, и начинается отсчет нового периода. Девиз императора позже становится его посмертным именем. Согласно этой схеме, 2013 год называется Хэйсэй 25, то есть, 25-й год правления императора Акихито периода Хэйсэй.

Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.

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

Времени-частоты-длины, введенный в действие как государственный в 1992 году, представляет собой сложную техническую систему и состоит из двух частей - Государственного первичного эталона времени, частоты и национальной шкалы времени (ГЭВЧ) и Государственного первичного эталона длины – метр. Первая часть Единого эталона ВЧД, содержащая ГЭВЧ и радиочастотный мост (РОЧМ), необходимый для перевода радиочастот цезиевых атомных часов в оптические частоты лазеров, находится во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ); вторая часть, состоящая из аппаратуры, реализующей Государственный первичный эталон длины – метр, - во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии (ВНИИМ) им. Д.И. Менделеева.

Государственный первичный эталон времени, частоты и национальной шкалы времени (ГЭВЧ) предназначен для воспроизведения и хранения:

1. единицы времени – «атомной» секунды (с);
2. единицы частоты – герца (Гц);
3. шкалы атомного времени - ТА;
4. шкалы координированного времени – UTC.

Воспроизведение единиц времени и частоты (секунды и герца) производится со средним квадратическим отклонением, не превышающим 5*10 -14 , при неисключенной составляющей систематической погрешности менее 10 -14 . Такая точность воспроизведения единиц времени и частоты необходима для решения многих научных и практических задач: осуществления дистанционного управления маневрами космических аппаратов вблизи далеких планет Солнечной системы, достижения высокой точности систем спутниковой навигации GPS и ГЛОНАСС, развития нанотехнологий, роботизированных технических систем и др.

Перед отечественной метрологией стоит задача дальнейшего повышения точности воспроизведения единиц времени и частоты, т.к. здесь имеется определённое отставание от мировых уровней .

1. История системной единицы времени - секунды

Первые системы единиц измеряемых величин возникли в Древнем Вавилоне и Древнем Египте и представляли собой не столько системы единиц, сколько системы мер используемых единиц, т.е. тех естественных или искусственных материальных образцов, которые определяют единицу измеряемой величины. Таким мерами были гири определенных достоинств, специально изготовленные тары определенного объема для сыпучих и жидких веществ, части тела человека, имеющие примерно одинаковые линейные размеры и т.п. Общепринятые единицы измерения времени, такие как год, месяц, сутки (день и ночь) хотя объективно имели свои меры в виде вращающейся вокруг своей оси Земли и обращающихся вокруг общих центром масс космических систем Солнце-Земля и Земля-Луна, но это были такие меры, которые не поддавались контролю со стороны государственных чиновников, да к тому же во времена Древних цивилизаций еще не были достаточно хорошо изучены. Что касается более мелких единиц времени, то они были весьма неопределенны и не имели своих мер. В первой научно обоснованной системе единиц физических величин, разработанной научной комиссией Академии наук революционной Франции также еще не было единицы времени.

Впервые единица длительности – секунда – появилась в разработанной Ф. Гауссом в 1832 году системе СГС – сантиметр – грамм – секунда, как третья основная единица системы. И хотя секунда в это время еще не имела меры, уже существовала и добилась значительных успехов созданная в 1676 г. Гринвичская астрономическая обсерватория специально предназначенная для определения и хранения точного времени.

Возможность придать секунде определенную меру возникла в 1929 году, когда Национальное бюро стандартов США начало использовать кварцевые часы. Мерой секунда могло стать определенное число колебаний кварцевого осциллятора, но секунда не была переопределена и ее величина осталась связанной с длительностью суток.

Впервые стабильная мера длительности, позволившая придать секунде определенную меру, возникла с изобретением атомных часов. Такой мерой, по определению Международного комитета по мерам и весам (1967 г.), стала длительность 9 102 631 770 переходов между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

2. История системной единицы длины - метра

Единица длины – метр – впервые появилась во Франции в период Великой французской революции. Специальная комиссия Французской академии наук решила связать единицу длины с естественной мерой - одной десятимиллионной долей четверти Парижского меридиана и назвать эту единицу «подлинным и окончательным метром» (metre vrai et definitive ). С целью получения этой единицы длины были проведены измерения длины дуги Парижского меридиана между Дюнкерком и Барселоной; на основе полученных результатов изготовили образец метра в виде платиновой линейки шириной около 25 мм и толщиной в 4 мм. Эта мера была сдана в архив Французской республики и стала называться «архивным метром». Но по мере повышения точности геодезических и астрономических измерений выяснилось, что длина одной десятимиллионной доли четверти меридиана не остается постоянной величиной. Поэтому «архивный метр» довольно быстро потерял достоинство естественной меры длины и стал рассматриваться как искусственный стандарт единицы длины. Тем не менее «архивный метр» почти столетие прослужил в качестве международного стандарта длины.

В конце XIX столетия решили уточнить этот стандарт. С этой целью было изготовлено 31 эталонов в виде стержней из платино-иридиевого сплава с Х-образным сечением с двумя штрихами, нанесенными при помощи «архивного метра». Наиболее точное соответствие «архивному метру» (в пределах точности измерения) показал эталон № 6 при 0° С и в 1889 году на I Генеральной конференции по мерам и весам его и приняли в качестве прототипа метра. Он хранится в Международном бюро мер и весов в городе Севре (близ Парижа). Из оставшихся 30 эталонов 28 были распределены по жребию между странами, участвовавшими в конференции 1889 года, а два оставлены как «эталон-копия» и «эталон-свидетель». Россия получила два эталона метра: № 11 и № 28. Последний декретом Совнаркома в 1918 году был узаконен в качестве государственного эталона или прототипа метра для СССР. Он хранится (до сих пор) во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева в Санкт-Петербурге и используется только для сравнения с ним вторичных эталонов или эталонов-копий.

С развитием точных методов интерферометрических измерений появилась идея выразить метр в длине световых волн и в 1927 г. VII Генеральная конференция по мерам и весам постановила считать, что 1 метр равен длине 1 553 164,13 волн красной линии кадмия при определенных условиях (температуре, давлении и т.д.). К 30-м годам ХХ века точность интерферометрических измерений превысила ширину штрихов на эталоне метра и его копиях. В 1960 году XI Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение метра: он стал равен длине 1 650 763,73 волн излучения в вакууме, соответствующей оранжевой линии изотопа криптона с атомным весом 86 (86 Kr ). Эта линия намного уже, чем линия кадмия. Новое определение метра повысило точность эталона в 100 раз. Однако она в относительной мере на четыре порядка ниже точности, достигнутой в эталонах времени. Это, в частности, ограничивало точность измерения скорости света, поскольку скорость света определялась измерением времени распространения света на базисе известной длины, поэтому точность измерения лимитировалась точностью криптонового эталона длины, а не точностью измерения времени.

Путь к повышению точности измерения длины открыло использование изобретённых в 1960-м году лазеров.

Обнаружилось, что газовый лазер на смеси гелия и неона (Не-Nе) может генерировать чрезвычайно узкие спектральные линии (так называемые продольные моды ) - гораздо ýже, чем у криптонового стандарта. Однако частóты этих линий могут «плавать», меняться неконтролируемым образом (например, вследствие изменения длины резонатора). Поэтому, чтобы получить источник света намного лучший, чем криптоновая лампа, необходимо стабилизировать частоту лазерного излучения. Такой стабилизации достигли использованием молекулярных линий поглощения некоторых газов, у которых частота одной из линий поглощения близка к частоте излучения лазера. Например, гелий-неоновый лазер может генерировать на трёх длинах волн: 0,63, 1,15 и 3,39 мкм; при этом линии с длиной волны 0,63 мкм весьма точно соответствует линия поглощения молекулы паров йода J 2 , а линии с длиной волны 3,39 мкм - линия поглощения молекулы метана СН 4 . Ячейку с поглощающим газом помещают внутрь резонатора лазера. Если изменять длину резонатора, настраивая лазерную частоту на центр спектральной линии поглощающего газа, в излучении лазера появляется резонансный пик с предельно узкой шириной спектра. Это состояние непрерывно поддерживает система автоподстройки длины резонатора. Лазеры на Не-Nе/J 2 127 и особенно Не-Ne/CH 4 обеспечивают генерацию очень узких линий излучения со стабильностью частоты того же порядка, что и в стандартах времени. Естественно, возникла мысль об использовании стабилизированных лазеров в качестве стандартов длины вместо криптонового эталона. Этому способствовало ещё одно обстоятельство.

В начале 1970-х годов в США, Англии и СССР были выполнены эксперименты по уточнению скорости света в вакууме с, основанные на независимом измерении частоты ν и длины волны λ высокостабильного лазера (произведение νλ равно с). Обработка результатов этих экспериментов дала значение с = 299 792 458 ± 1,2 м/с с относительной погрешностью 4.10 -9 . До этих экспериментов она была равна 3.10 -7 , то есть измерения скорости света с использованием стабилизированных лазеров повысили точность примерно на два порядка. Но дальнейшее уточнение значения с было невозможно, так как величина 4.10 -9 практически целиком обусловлена недостаточной точностью криптонового эталона длины, сравнением с которым вычислялась длина волны λ. Выход из этого положения оказался довольно неожиданным и оригинальным. Было решено: не будем стремиться уточнять с, а примем полученное значение 299 792 458 м/с за мировую константу. Поскольку скорость связывает расстояние и время, это позволило дать новое определение метра - через единицу времени. И в 1983 году на XVII Генеральной конференции по мерам и весам постановили: «Метр - это расстояние, проходимое светом в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды».

3. Разработка единого эталона времени-частоты-длины

Приведенное выше определение метра полностью отменяет криптоновый эталон длины и вообще делает метр не зависящим ни от какого источника света. Но зато придаёт ему зависимость от размера секунды, а значит, и герца - единицы частоты. Так впервые была установлена связь между длиной, временем и частотой. Эта связь привела к идее о создании единого эталона времени - частоты - длины (ВЧД), основанного на соотношении λ = с/ν, где λ - длина волны излучения стабилизированного лазера, ν - его частота. Плодотворность этой идеи в том, что частоту можно измерить с погрешностью, обеспеченной современным эталоном частоты (скажем, 10 -13 и менее). А так как значение с фиксировано, то и значение λ будет определено с той же погрешностью, что по крайней мере на четыре порядка точнее, чем при использовании прежнего криптонового эталона длины.

Однако эталон частоты, задающий атомную секунду, - цезиевый генератор, частота которого лежит в радиодиапазоне. И чтобы измерить частоту лазера ν сравнением с эталонной частотой, надо осуществить переход эталонной частоты в оптический диапазон, то есть умножить её до оптических значений. Однако эталонная частота имеет нецелочисленную величину и неудобна для преобразований. Поэтому обычно вместо цезиевого генератора используют более низкочастотный кварцевый генератор с удобным значением частоты, например 5 Мгц. Но такой генератор имеет гораздо меньшую стабильность частоты и сам по себе служить эталоном не может. Необходимо стабилизировать его частоту по цезиевому стандарту, придав ему такую же стабильность.

Это осуществляется при помощи схемы фазовой автоподстройки частоты. Низкая частота кварцевого генератора f кв увеличивается радиотехническими средствами в некоторое число (n) раз и в смесителе вычитается из частоты цезиевого эталона f эт. Подбором конкретных значений n и f кв разностную частоту (f эт - nf кв) можно сделать приблизительно равной частоте кварцевого генератора: (f эт - nf кв) = f кв.

Сигнал разностной частоты (f эт - nf кв) после усиления поступает на один вход фазового детектора, а на другой его вход подаётся сигнал частоты f кв от кварцевого генератора. На выходе фазового детектора возникает напряжение, величина и знак которого зависят от отклонения разностной частоты от частоты f кв. Это напряжение поступает на блок управления частотой кварцевого генератора, сдвигая её до тех пор, пока она не станет точно равной разностной частоте. Другими словами, любая расстройка частот (f эт - nf кв) и f кв вызывает появление управляющего сигнала, сводящего эту расстройку к нулю, благодаря чему частота кварцевого генератора автоматически поддерживается неизменной и её стабильность оказывается практически равной стабильности цезиевого эталона. Теперь можно осуществлять передачу этой частоты в оптический диапазон.

Для этой цели используется радиооптический частотный мост (РОЧМ), в котором при помощи многозвенной цепочки различных СВЧ-генераторов и промежуточных лазеров субмиллиметрового и инфракрасного диапазонов выполняется последовательное умножение эталонной частоты 5 МГц до значений 1014 Гц. Так создаются эталоны частоты в оптическом диапазоне - оптические стандарты частоты. В качестве таких стандартов утверждены пять стабилизированных газовых лазеров.

Следовательно, эталон длины, воспроизводящий метр в его новом определении, реализуется при помощи атомного (цезиевого) эталона времени и частоты, дополненного РОЧМ. Этот комплекс и представляет собой единый эталон ВЧД. При этом характерно, что размеры всех единиц - единицы времени (секунды), частоты (герца) и длины (метра) - задаются всего двумя природными константами: резонансной частотой перехода в атоме цезия-133 и скоростью света в вакууме.

В последнее время найдена более перспективная возможность создания единого эталона ВЧД, связанная с разработкой фемтосекундных «оптических часов», способных служить также «оптическим метром» («Наука и жизнь» № 9, 2003 г.). При этом отпадает необходимость в цепочке передачи благодаря генерированию высокостабильной «оптической гребёнки» в чрезвычайно широком диапазоне спектра. Такая гребёнка, воспринимаемая как белый свет, возникает при прохождении фемтосекундных импульсов от лазера на сапфире с титаном через оптическое волокно со специально созданной микроструктурой. Подробности о такого рода разработках можно найти в нобелевской лекции Дж. Холла, опубликованной на русском языке под названием «Определение и измерение оптических частот: перспективы оптических часов - и не только» (УФН, 2006, № 12).

Кроме того, была найдена возможность повышения точности цезиевого эталона времени. Ещё в 1997 году Международное бюро мер и весов подчеркнуло, что в определении атомной секунды фигурирует атом цезия, который покоится при температуре абсолютного нуля (по шкале Кельвина) . В новейших модификациях цезиевых часов (которые называют фонтанными) это условие почти идеально достигается путём лазерного охлаждения атомов. С использованием такого метода в американском Национальном институте стандартов и технологии (NIST) были построены эталонные цезиевые часы , обеспечивающие относительную точность воспроизведения единицы времени - секунды - порядка 3.10 -16 (уход часов составляет 1 секунду за 70 миллионов лет ). Но ещё более перспективны стандарты частоты, основанные на переходах в ионах ртути, иттербия или стронция , излучающие не в микроволновом, а в оптическом диапазоне. Точность отдельных лабораторных разработок таких оптических часов уже сейчас достигает 2.10 -15 , а в принципе они могут обеспечить точность воспроизведения единиц времени и частоты на уровне 10 -17 -10 -18 . К такой точности вплотную подошли японские исследователи. В экспериментальном образце стронциевых оптических часов, разработанном в Токийском университете группой Хидетоси Катори, ионы стронция находятся в оптической ловушке на перекрестье шести лазерных лучей, под воздействием которых они удерживаются в «энергетических ямах», почти не взаимодействуя и излучая свет исключительно стабильной частоты. Точность стронциевых часов в тысячу раз превосходит точность цезиевых, используемых сегодня в качестве эталона времени и частоты. Предполагают, что вскоре эталон будет заменён и применение таких сверхточных оптических часов позволит соответственно увеличить точность единого эталона времени - частоты - длины.

Использованная литература: Голубев А. В погоне за точностью… частоты-длины//Наука и жизнь. 2009. № 12.

Ильгиз А. Хасанов

"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.

Единица времени

Эталон времени. Краткая историческая справка. Условия хранения эталона – секунды. Уравнения связи. Использование эталона времени для определения частоты и скорости.

Время – это физическая категория, поэтому его определение должно исходить из определенных законов физики утверждаю, что период вращения Земли должен оставаться постоянным с очень высокой степенью точности. Этот факт можно использовать для определения основной единицы времени, которая называется средними солнечными сутками. Кроме того, согласно законом физики, период колебаний пластинки кристалла в генераторе с кварцевой стабилизацией частоты должен оставаться постоянным, если не меняются температура и другие внешние условия. Таким образом, на основе электронного генератора можно сделать очень точные часы. То же можно сказать о частоте колебаний атомов в молекуле. И действительно атомные часы, которые «считают» эти колебания, являются самыми точными часами в мире. Основная единица времени, применяемая как в английской, так и в метрической системах, - это секунда.

1 секунда [с] первоначально определялась, как 1/86400 часть средних солнечных суток. При современном уровне измерений времени обнаружилось, что длительность средних солнечных суток изменяется от года к году. Точность определения секунды необходимо было увеличить, и в 1960 г. было принято ее определение:

1 с = 1/31556925,9747 часть тропического года, начавшегося в полдень 31 декабря 1899 г., т.е., определенного тропического года на рубеже XIX и XX веков.

В настоящее время на XIII Генеральной конференции по мерам и весам в 1967 году принято спектральное определение секунды:

Эталон секунды, основанный на переходах в нейтральных атомах стронция

В стронциевых оптических часах ионы стронция помещены в оптическую ловушку на перекрестье шести лазерных лучей. Под воздействием электромагнитных волн лазеров ионы прочно «сидят» в энергетических ямах, слабо взаимодействуя друг с другом и излучая голубой свет с частотой около 429 терагерц. Стронциевые часы в тысячу раз точнее цезиевых, используемых сегодня как эталон времени и частоты. Возможно, вскоре эталон будет заменен.

Государственный первичный эталон единицы времени и частоты В 1967 г. на XIII ГКМВ было принято новое определение единицы времени - секунды как промежутка времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями (F = 4, mF = 0) и (F= 3, mF = 0) сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия - 133 при отсутствии внешних возмущающих полей. Государственный первичный эталон единиц времени и частоты является самым сложным из всех эталонов. В его состав входит большой комплекс аппаратуры, каждое звено которого представляет весьма сложное техническое устройство.Эталон в целом предназначен для воспроизведения и хранения:1) единицы времени - "атомной" секунды (с);2) единицы частоты - герца (Гц);3) шкалы атомного времени - TA;4) шкалы координированного времени - UTC . Воспроизведение единицы времени (и частоты) в соответствии с ее определением осуществляет в эталоне специально созданная, уникальная по своим характеристикам установка-цезиевый репер частоты- реализующая с наивысшей точностью принцип цезиевой меры частоты Государственный эталон времени и частоты обеспечивает воспроизведение размеров единиц времени 10-14, при не ис-žи частоты (секунды и герца) со средним квадратическим отклонением, не превышающим 5 ключенной составляющей систематической погрешности менее 10-14. Эталон соответствует определению единицы времени-секунды как интервала времени, в течение которого совершается 9192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями (F= 4, тF= 0 и F= 3, тF = 0) основного состояния атома цезия-133 в отсутствие внешних полей. Принцип действия эталона заключается в следующем. Атомы цезия-133 испаряются цезиевой печью при температуре около 400 К и со скоростью 20 км/с попадают в неоднородное поле первого магнита, которое направляет к центру установки атомы с квантовым числом F = 4 и рассеивает все остальные частицы. В центре установки расположена система из 1-го и 2-го резонаторов, где на атомы цезия действует высокочастотное магнитное поле, создаваемое кварцевым генератором. При настройке частоты генератора в резонанс с частотой квантового перехода возникает лавинообразный процесс перехода атомов цезия от уровня F = 4 к уровню F = 3. Затем атомы цезия попадают в неоднородное поле второго сортирующего магнита, которое фокусирует на детекторе атомы с уровнем F = 3 и рассеивает все другие. Создаваемый детектором ток ионизации достигает максимума при совпадении частоты кварцевого генератора с частотойквантового перехода. При неравенстве этих частот уменьшается ток ионизации, что служит сигналом для автоматической подстройки частоты генератора. В состав эталона входят два цезиевых квантовых стандарта частоты и 4 водородных стандарта частоты. Входящие в состав эталона водородные реперы частоты имеют другой принцип действия, основанный на резонансном излучении с меньшей частотой (1 420 405 751,8 Гц). Они выполняют роль эталона-копии и позволяют долгое время хранить однажды установленный с помощью первичного (цезиевого) репера размер секунды, не прибегая к его частому включению. Однако все реперы воспроизводят значение частоты, определяющей размер секунды, лишь периодически. Хранители частоты - это непрерывно работающие меры (кварцевые плюс квантовые), обеспечивающие формирование и хранение шкал времени. Основная шкала, хранимая эталоном - шкала равномерного атомного времени - ТА. Это равномерная шкала интервалов с фиксированным нулем отсчета. Размер ее секунды соответствует определению 1967г. Шкала никак не связана с вращением Земли, с ее положением в пространстве. Наряду с ней существует группа неравномерных шкал времени, связанных с положением Земли в пространстве и калибруемых по результатам астрономических и радиоастрономических наблюдений: шкала всемирного времени UT0, длительность секунды в которой равна средней солнечной секунде. шкала всемирного времени UT1, которая отличается от UT0 поправкой на колебания полюсов·Земли: UTI = UT0 + Δλ. шкала всемирного времени UT2, которая отличается от UTI поправкой на сезонную неравномерность вращения Земли: UT2 = UT1 + ΔTs. Шкалы ТА и UT постепенно и постоянно расходятся. Чтобы максимально устранить последствия этого, введена шкала координированного времени UTC. Секунда UTC равна секунде ТА, а начало счета может меняться ровно на 1 секунду с первого числа каждого месяца (предпочтительно 1 января или 1 июня) в 0 часов по шкале UT2 с тем, чтобы расхождения между UTC и UT2 не превышали бы 0,9 секунды. Практически поправка вводится раз в год - 1 января. Шкала UTC (точнее, ее национальная версия UTC-SU) также поддерживается эталоном времени и частоты России. Именно шкала UTC-SU используется для передачи сигналов времени через радио- и телевизионные каналы. Постепенно точность «горизонтальных» цезиевых реперов перестала удовлетворять требованиям науки и техники. Выход был найден в разработке нового репера, получившего полуофициальное название "фонтан". В нем атомы цезия движутся вертикально со скоростями порядка единиц сантиметров в секунду (применяется так называемое лазерное охлаждение). При таких скоростях уже можно пренебрегать эффектом Допплера и рядом других мешающих факторов. В результате можно ожидать значений относительной погрешности порядка 1·10-16. Главным недостатком нового репера является очень большая стоимость, от 500000 до миллиона долларов. На сегодня работают три «фонтана»: французский, американский и германский. На очереди четвертый - российский. Комплекс аппаратуры Государственного первичного эталона хранится и применяется во ВНИИФ-ТРИ, где он размещен в пяти термостатных комнатах и четырех аппаратных залах. Аппаратура размещенана специальных фундаментах, развязанных от корпуса здания, и экранирована от внешних магнитных полей Температура в термостатных комнатах в течение года изменяется не более чем на 4°С, в течение суток - неболее 0,2°С. Влажность колеблется в пределах 70±10%.