О точности эталонных часов

Мы живём в пространстве и времени. Необходимость измерения времени появилась ещё в древности. Измерение – это сравнение измеряемой величины с другими такими же величинами, которые называют «единица измерения». Такая единица должна быть чётко определена и неизменна – быть эталоном.

Эталоны создаются наукой, которая называется метрология. Эталоном времени является секунда. Как определяется эталон, как проверяют точность времени? У современной метрологии есть ответы на эти вопросы.

Что такое эталон времени

Эталоном времени называют научную единицу измерения времени, воспроизводимую первичным эталоном с максимальной точностью. Эталонной единицей времени считается секунда. В процессе поиска неизменной единицы измерения у учёных возникло много сложностей. В основе эталона для измерения времени лежат периодические процессы с постоянным периодом и с большой точностью.

Изначально единственным таким известным процессом было вращение Земли вокруг своей оси. Было принято решение определять единицу времени (секунду) как 1/86 400 часть периода этого вращения (суткок). Что касается длительности суток, то их длину определяли двумя последовательными наблюдениями прохождения какого-либо небесного светила через плоскость меридиана наблюдения. Ещё в древности астрономы были уверены, что длительность интервала между двумя прохождениями Солнца через плоскость меридиана не совпадает с длительностью интервала, определённого по наблюдениям за любой «неподвижной» звездой. Звёздные сутки на 4 минуты меньше, чем солнечные. Использовать звёздное время было неудобно, так как постоянно менялись дни и ночи, а также солнечные сутки.

Определить продолжительность солнечных суток с высокой точностью – сложная задача ввиду того, что Солнце слишком большое; к тому же в результате солнечного излучения нагреваются и деформируются точные приборы. Поэтому, чтобы определить период вращения Земли используются звёзды и разница между звёздными и солнечными сутками.

В дальнейшем было доказано, что продолжительность солнечных суток зависит от приливов и отливов, поэтому поиски эталонного времени были продолжены учёными. На новом этапе для проведения измерений использовался тропический год, что позволило добиться более точных результатов.

Одна секунда приравнивалась 1/31556925,9447 тропического года. На основе этих разработок учёными были представлены маятниковые и кварцевые часы. В маятниковых часах используется маятник, измеряющий время периодом колебаний, в кварцевых часах – колебательной системой является кристалл кварца. Кварцевые часы были точнее, чем природный эталон, поэтому оставалась потребность в изобретении новых способов измерения. Учёные продолжили работы над разработкой квантового генератора и молекулярного хронометра. Так, для вычисления эталонной единицы начал использоваться атомный метод.

Атомные часы

При помощи эталонных атомных часов время определяется колебаниями, связанными с процессами на молекулярном и атомном уровне. Особенность их работы заключается в том, что при определённых условиях атомы испускают электромагнитные волны с одинаковой частотой. Общепринятым стандартом стал атом цезия-133. Устройству отведена важная роль в навигации, так как без него было бы невозможным установление местоположения транспортных средств, ракет, а также использование спутниковой связи. Конструктивно атомные часы включают генератор, дискриминатор, а также комплекс электроники.

При создании атомных часов применяются только атомы определённого вида, на которые не влияют внешние воздействия (к примеру – магнитное поле). Из подходящих атомов – атом кальция, цезия, рубидия. Первичный стандарт – переход атома цезия. Любые другие атомы сравниваются с цезием и являются вторичными.

О точности эталонных часов

Для эталонных часов была разработана шкала времени – AT. Но этот прибор может выдавать некоторые погрешности. Поэтому используют Международное атомное время – TAI, определяемое сравнением показаний атомных часов, установленных в разных метрологических учреждениях в разных странах мира.

Существует примерно 400 таких часов. За счёт сравнения их показателей проверяется точность эталонного времени. Эталоны единиц измерения хранятся во Франции (Севр), где расположено Международное бюро мер и весов. Там же проводятся исследования и работы в области метрологии, обеспечивается существование единой измерительной системы. За счёт регулярного сравнения атомных и эталонных часов специалисты выполняют анализ данных и при необходимости вносят в показания определённые корректировки.

UTC – понятие, под которым воспринимается всемирное координированное время. Этот стандарт применяется для регулировки часов во всём мире. В его основе лежит система измерения TAI, но при этом, UTC принято считать более удобным для повседневной жизни. Корректировка времени UTC осуществляется 1-2 раза в год за счёт прибавления 1 секунды.