Коллектив Авторов - Цифровой журнал «Компьютерра» № 102
Но и физики, и лирики, и даже всезнающие философы сходятся на том, что время нужно измерять. И очень точно. Зачастую от точности измерения зависит не только то, сколько минут придётся томиться влюблённому в ожидании опаздывающей половинки, но и сугубо утилитарные вещи, на которых держится наша цивилизация: спутниковая связь и навигация, электроснабжение, координация действий в таких сложнейших транспортных и коммуникационных системах, как авиалинии, железнодорожный транспорт и глобальные компьютерные сети. Малейшая ошибка тут способна обернуться катастрофой. Доля секунды может стать новым мировым рекордом или спасти чью-то жизнь. Главное — узнать её, измерить и действовать вовремя и наверняка.
Хронометрирование — одно из древнейших искусств, которые человечество оттачивало веками. Пытливые умы без устали искали и продолжают искать способы измерять время с максимально возможной точностью. И если до недавней поры они обращали свои взоры к небесам, вопрошая о точном времени космические объекты, то сегодня учёные измеряют время, вглядываясь в структуру атома и разрабатывая всё более совершенные атомные часы.
Думается, никто не будет оспаривать простую истину: измерить время можно, только рассматривая какое-либо периодическое событие. Благодаря восходам и закатам мы делим нашу жизнь на дни и годы. Студенты отмеряют семестры «от сессии до сессии», а несбыточные желания люди традиционно связывают с непериодическими событиями («когда рак на горе свистнет», например, и тому подобное).
Источники периодических событий обычно называют резонаторами. Согласно закону сохранения энергии (которая затрачивается на каждое периодическое событие), резонатор сам по себе существовать не может — ему необходим источник энергии. В случае периодического движения по нашему небосводу планет и звёзд это гравитационная энергия, для маятника в механических часах — это кинетическая энергия пружины, ну а будильник в вашем смартфоне «питается» аккумулятором.
Система «резонатор — источник энергии» именуется осциллятором. Именно благодаря ему у людей появляется возможность измерить время. Осциллятор порождает периодическое событие с определённой частотой f, которая является обратной величиной периода его колебаний T-f=1/T. Несложные математические манипуляции позволяют трансформировать эту формулу в вид, удобный для измерения времени, — T=1/f. Таким образом, единица времени может быть получена путём изменения частоты работы осциллятора.
Но тут возникает проблема, связанная с точностью осциллятора. Стоит пружине, питающей маятник, ослабнуть, и частота, с которой он раскачивается, станет другой. Значит, изменится и период колебаний, который мы принимаем за единицу времени. Выходит, «тик-таки» только что заведённых часов вовсе не такие, как «тик-таки» часов с заканчивающимся подзаводом. Мы начинаем опаздывать, потому что другие осцилляторы порождают другие периоды колебаний.
Расхождение частоты осциллятора относительно его номинала в хронометрии называют мерой неопределённости частоты и обозначают Δf.
Что же мы делаем, чтобы не опаздывать (или не торопиться — осцилляторы-то могут и вперед убегать)? Правильно: смотрим телевизор и слушаем радио, где «передают сигналы точного времени». Ага! Значит, есть всё-таки в мире самый главный осциллятор, мера неопределённости частоты которого так мала, что её можно устремить к нулю!
Как же выглядит сей грандиозный прибор, и в каком секретном бункере он хранится? На самом деле в разные времена роль осциллятора всех осцилляторов выполняли разные колебательные системы. И за наблюдение за ними отвечали разные организации.
Что именно считать эталоном единицы измерения времени, решают коллегиально. Для этого существует Генеральная конференция мер и весов (CGPM), утверждающая в рамках системы единиц измерения SI секунду — базовый отрезок времени, из множества которых и складывается вселенская стрела времени.
Точность эталонного осциллятора напрямую зависит от технологических возможностей человечества. В сущности, поиск идеального осциллятора — это и есть главнейшая задача хронометрирования. Веками решать её метрологам помогали только астрономы. Но в прошлом столетии к ним подключились физики и химики.
В стародавние времена выбор вариантов идеального осциллятора был весьма ограничен. Самым очевидным из них была наша планета, суточное вращение которой вокруг своей оси является более-менее периодичным. Именно поэтому долгое время секунда была равна 1/86400 доле продолжительности солнечных суток. Позже, однако, выяснилось, что точность этого природного осциллятора далека от идеала. Дело в том, что на продолжительность солнечных суток влияют притяжения Солнца и Луны, увеличивая, пусть и незначительно, длительность эталонной секунды. Усреднение продолжительности солнечных суток частично решило эту проблему, но для увеличения точности в 1956 году солнечную секунду пришлось заменить эфемеридной.
Эфемеридами (от греческого «годные на день») называются координаты небесных тел, вычисляемые через равные промежутки времени. Для расчёта секунды было предложено использовать эфемериды периода обращения Земли вокруг Солнца. Эталонная эфемеридная секунда стала равна 1/31556926,9747 продолжительности 1900 года, измеренной на уровне тропиков.
Маятниковые часы мюнхенского мастера Клеменса Райфлера
Новая эталонная мера времени, однако, не нашла широкого распространения. Причин тому несколько. Тут и сложность точного вычисления эфемерид, и не особенно очевидная практическая польза небесной секунды. Люди, далёкие от астрономии, желали видеть бег времени собственными глазами — и желательно без помощи громоздких оптических приборов, направленных в небо.
В дополнение к официально принятым астрономическим стандартам времени неустанно велись разработки «земных» осцилляторов, которые не использовали бы в работе движение небесных тел.
Первыми на роль механических осцилляторов стали претендовать маятниковые системы. Механизм маятниковых часов, описанный в 1639 году Галилео Галилеем, доминировал в качестве высокоточного измерителя времени на протяжении трёхсот лет. Апогея своего развития маятниковые осцилляторы достигли в первой половине прошлого столетия. Долгое время самыми точными маятниковыми хронометрами считались изделия немецкого мастера Клеменса Райфлера.
В середине двадцатых годов прошлого века их на этом почётном посту сменили хронометры англичанина Уильяма Шорта, отличающиеся наличием двух маятников, один из которых работал непосредственно осциллятором, а другой двигал часовые стрелки. Погрешность часов Шорта составляла потрясающие -7
В болеe поздней двухмаятниковой модели Шорта вместо пружины использовался электрический источник энергии
Именно такие маятниковые часы стали так называемыми «регуляторами» — эталонами, устанавливаемыми в местах, где точность измерения времени критически важна, например на биржах и в портах. По этим регуляторам подстраивались все менее точные механические часы. Высокая точность маятниковых осцилляторов сделала их первыми стандартами частоты (а значит, и времени), которые признало американское Национальное бюро стандартов (NBS). Образцы изделий Райфлера и Шорта до сих пор хранятся в музее этой организации.
Электрификация всего и вся в тридцатые годы прошлого столетия позволила обнаружить стандарт частоты, существенно превосходящий по точности творения знаменитых часовщиков. Началось всё с использования не очень точных колебательных контуров на базе индуктивности и конденсаторов, однако эти схемы быстро были вытеснены кварцевыми осцилляторами.
Пьезоэлектрический эффект, обнаруженный у кристаллов кварца, оказался удивительно точным осциллятором, заодно позволяющим создавать устройства малых размеров. Вскоре кварцевые регуляторы сменили на посту в NBS эталонные маятниковые стандарты. В 1929 году исследовательский центр Bell Labs разработал для NBS четыре высокоточных кварцевых осциллятора, генерирующих частоту 100 Гц и обладающих погрешностью -9
Эталонные кварцевые осцилляторы, установленные в Национальном бюро стандартов
Почему же эталонные кварцевые осцилляторы потребовали замены, если кварц — такое точное, компактное и экономичное решение? Всё дело в том, что осциллятор на основе кварца неидеален хотя бы потому, что найти два кристалла с абсолютно одинаковыми свойствами практически нереально. Кроме того, кварц подвержен старению, приводящему к «уходу» частоты. Вдобавок на его характеристики влияет масса природных и техногенных факторов: влажность, температура окружающей среды, атмосферное давление и даже вибрация.
