Журнал «Вокруг Света» №1 за 2004 год

Погода была неважной, но, как только небо очистилось от туч, штурманам удалось определить широту местонахождения. А вот долготу в то время точно измерить не могли… Результатом ошибки в расчетах стало то, что 5 кораблей эскадры в тумане налетели на Гилстонские рифы и 1 600 человек, в том числе адмирал, герой Англо-французской войны, погибли. Эта трагедия стала для Британии страшным потрясением. Вскоре парламент подготовил билль, согласно которому беспрецедентно огромная по тем временам награда размером в 20 тысяч фунтов (что было эквивалентно 150 кг золота) причиталась тому, кто на практике решит проблему определения долготы на море. Но несмотря на то что хронометрический метод определения долготы был известен, награда ждала своего героя 60 лет…

Морские часы были изготовлены в 1735 году йоркширским столяром Джоном Харрисоном. Их точность составляла ± 5 секунд в сутки, и они уже были вполне пригодны для морских путешествий. Однако, оставшись недовольным своим первым хронометром, изобретатель трудился еще почти три десятка лет, прежде чем в 1761-м начались полномасштабные испытания усовершенствованной модели, которая уходила меньше чем на секунду в сутки. Первая часть награды была получена Харрисоном в 1764 году, после третьего длительного морского испытания и не менее длительных канцелярских мытарств. Полностью вознаграждение изобретатель получил только в 1773 году. Испытывал хронометр капитан Джеймс Кук, составивший благодаря ему карту островов Полинезии. В судовом журнале он воздал хвалу детищу Харрисона: «Верному другу – часам, нашему проводнику, который никогда не подводит». С этого момента понятия «навигация» и «время» стали поистине неразлучны.

Гальваника против механики

В начале XIX столетия, совпавшем с бурным развитием технического прогресса, с проблемой хранения времени столкнулись почтовые службы, пытавшиеся обеспечить движение почтовых экипажей по расписанию. В результате они обзавелись возимыми часами. А с появлением железных дорог часы получили в свое распоряжение и кондукторы. Чем активнее развивалось трансатлантическое сообщение, тем насущнее становилась проблема обеспечения единства отсчета времени по разные стороны океана. В этой ситуации возимые часы уже не годились. И тут на помощь пришло электричество, в те времена называемое гальванизмом. Электрические часы решили проблему синхронизации на больших расстояниях – сначала на материках, а потом и между ними. В 1851 году кабель лег на дно Ла-Манша, в 1860-м – Средиземного моря, а в 1865-м – Атлантического океана. А с 1899 года началась эра передачи сигналов точного времени по радио.

На начальной стадии развития электрических часов электроэнергия служила лишь для завода механического ведущего устройства – груза или пружины. Электрические часы, существенно отличающиеся от классических шестеренчатых, сконструировал англичанин Александр Бэйн, изобретатель электромеханического телеграфа. В 1840 году он получил патент на электрические часы, главными деталями которых были обычные механические, приводимые в действие пружиной, зато индикатор времени был уже основан на суммировании электрических импульсов, подаваемых маятником часов. К 1847 году Бэйн завершил работу над действительно электрическими часами, сердцем которых был контакт, управляемый маятником, раскачиваемым электромагнитом. Колебания складывал электромагнитный счетчик, соединенный колесной передачей со стрелками на циферблате.

В начале XX века электрические часы окончательно вытеснили механические в системах хранения и передачи точного времени. Наиболее точными часами, основанными на свободных электромагнитных маятниках, были часы Уильяма Шортта, установленные в 1921 году в Эдинбургской обсерватории. Из наблюдения за ходом трех часов Шортта, изготовленных в 1924, 1926 и 1927 годах в Гринвичской обсерватории, определили их среднесуточную погрешность в 1/300 с, что соответствует ошибке 1 секунда в год. Точность часов со свободным маятником Шортта позволила обнаружить изменения продолжительности суток. И в 1931 году начался пересмотр абсолютной единицы времени – звездного времени, с учетом движения земной оси. Эта ошибка, которой до того пренебрегали, достигала в своем максимуме 0,003 секунды в сутки. Новая единица времени была позднее названа Средним звездным временем. Точность часов Шортта была непревзойденной, вплоть до появления кварцевых часов.

Предтеча высокоточности

В 1918 году были впервые построены часы, которые использовали свойства кварцевого резонатора. В 1937-м кварцевые часы, разработанные Льюисом Эссеном, были установлены в Гринвичской обсерватории, их точность составляла около 2 мс/ сутки. А в 1944-м международные сигналы времени в виде шеститочечных сигналов Би-би-си генерировались с помощью кварцевых часов, точность которых возросла уже до 0,1 мс/сутки.

Во второй половине ХХ века пришла пора часов электронных. В них место электрического контакта занял транзистор, а в роли маятника выступил кварцевый резонатор.

Сегодня именно кварцевые резонаторы в наручных часах, персональных компьютерах, стиральных машинах, автомобилях, сотовых телефонах формируют время нашей жизни.

Атомный эталон

Новый толчок в развитии устройств для измерения времени был дан физиками-атомщиками. В 1964 году двое советских ученых – Н.Г. Басов и А.М. Прохоров – и американец Чарльз Таунс получили Нобелевскую премию по физике за работы по развитию микроволновой спектроскопии. А в 1949-м были построены первые атомные часы, где в качестве источника колебаний выступил не маятник и не кварцевый генератор, а сигналы, связанные с квантовым переходом электрона между двумя энергетическими уровнями атома. Эта электромагнитная волна, то есть фотон радиоизлучения, характеризуется очень высокой стабильностью энергии и частоты колебаний.

Поскольку атомы могут как отдавать, так и поглощать фотоны, первые атомные часы действовали по принципу поглощения фотонов атомами аммиака, но так как на практике они оказались не очень точны, к тому же громоздки и дороги, то широкого распространения не получили. Тогда было решено обратиться «за помощью» к другому химическому элементу – цезию, атомы которого при надлежащем выборе условий способны поглощать электромагнитные волны с частотой 9192 МГц. Используя это его свойство, Джон Шервуд и Роберт Мак-Кракен создали первый цезиевый пучковый резонатор, а в 1955-м появились первые атомные часы на основе атомов цезия. Помимо него, в атомных часах также используются атомы водорода и рубидия.

Вообще же, со времени изобретения атомных часов их точность повышалась в среднем вдвое каждые 2 года, и хотя предела совершенству в этом вопросе не видно и по сей день, в 1967 году было решено перейти на атомный эталон времени. И вот почему. О том, что вращение Земли замедляется, ученые знали давно, но в какой-то момент выяснилось, что величина этого замедления – непостоянна, да и определить закономерности вариаций скорости вращения Земли не представляется возможным. И это значительно затрудняло работу астрономов и хранителей Времени. В настоящее время Земля вращается с замедлением примерно на 2 миллисекунды за 100 лет. При этом сезонные и 10-летние колебания длительности суток также достигают тысячных долей секунды. Поэтому на очередном этапе развития общества точность Гринвичского среднего времени – общепринятого с 1884 года мирового эталона, определение которого основывалось на среднем солнечном времени, – стала недостаточной.

Принимая во внимание это обстоятельство, международный Комитет по мерам и весам в 1954 году предложил определение секунды как 1/31 556 925,9747 доли тропического года на 1 января 1900 года в 12 часов звездного времени. И лишь в 1967-м состоялся переход от столь неудобного и неуточняемого определения секунды к атомному эталону времени. Сегодня секунда – это промежуток времени, точно равный 9 192 631 770 периодам излучения, который соответствует переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома Цезия 133.

Переход к атомному времени поставил следующий вопрос – что будет, если атомные часы сломаются? Так родилась концепция групповых стандартов – «ансамбля часов». Три комплекта обеспечивают независимую оценку стабильности, четвертые – на случай поломки. Более того, при определенном алгоритме измерений у ансамбля часов можно получить лучшие характеристики.

На сегодняшний момент в качестве шкалы времени используется Всемирное Координированное Время (UTC, Universal Time Coordinated), основанное на определении секунды через квантовый резонанс в атоме цезия (Cs133). За UTC не стоят никакие «материальные» часы». Эта шкала формируется Международным бюро мер и весов (BIPM) путем объединения данных лабораторий хранения времени различных стран, а также данных Международной службы вращения Земли (IERS). Точность UTC почти в миллион раз выше, чем астрономическое Гринвичское среднее время. Ошибка, свойственная атомным часам при определении секунды, составляет менее ± 0,3 нс за сутки, что эквивалентно одной секунде за 10 миллионов лет.