June 23rd, 2015
Помните, мы обсуждали такую проблему, что , 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.
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 10 14 , что выше, чем 2 части на 10 13 для гелиево-неонового лазера, стабилизированного метаном, и чем 6 частей на 10 13 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 (133 Cs). 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 UT 1 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.
А еще мы с вами обсуждали такую теорию, что и даже . Ну а вот теория и
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-и 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%.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.
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 10 14 , что выше, чем 2 части на 10 13 для гелиево-неонового лазера, стабилизированного метаном, и чем 6 частей на 10 13 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 (133 Cs). 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 UT 1 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.
Еще в древности счет времени основывался на периоде обращения Земли вокруг своей оси. До недавнего времени секунду определяли как 1/86400 часть средних солнечных суток (т. к. продолжительность суток в течение года изменяется). Позднее было обнаружено, что вращение Земли вокруг своей оси происходит неравномерно. Относительная погрешность определения единицы времени в соответствии с этим определением составляла около 10 -7 , что было недостаточно для метрологического обеспечения измерителей времени и частоты. Поэтому в основу определения единицы времени положили период вращения Земли вокруг Солнца - тропический год (т.е. интервал между двумя весенними равноденствиями). Размер секунды был определен как 1/31556925,9744 часть тропического года. Поскольку тропический год также изменяется (около 5 с за 1000 лет), то за основу был взят тропический год, отнесенный к 12 ч эфемеридного времени (равномерно текущее время, определяемое астрономическим путем) 0 января 1900 года, что соответствует 12 ч 31 декабря 1899 г. Это определение секунды было зафиксировано в Международной системе единиц 1960 г. Данное определение позволило на 3 порядка (в 1000 раз) снизить погрешность определения единицы времени.
Успехи квантовой физики позволили использовать частоту излучения или поглощения при энергетических переходах в атомах цезия и водорода для определения размера единицы времени. XIII Генеральная конференция по мерам и весам в 1967 г, приняла новое определение единицы времени - секунды: “Секунда – это время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133”.
Выбор количества колебаний произведен таким образом, чтобы привязать “цезиевую” секунду к “тропической”.
В соответствии с определением единицы времени воспроизведение ее осуществляется цезиевым репером (рис. 1.4). Основой эталона является атомно-лучевая трубка. Атомы цезия-133 испускаются нагретым до температуры 100-150 0 С источником 1. Пучок этих атомов попадает в область неоднородного магнитного поля, создаваемого магнитом 2. Угол отклонения атомов в таком магнитном поле определяется их магнитным моментом. Поэтому неоднородное магнитное поле позволяет выделить из пучка атомы, находящиеся на определенном энергетическом уровне. Эти атомы направляются в объемный резонатор 3, пролетая через который взаимодействуют с переменным электромагнитным полем СВЧ. Частота электромагнитных колебаний может регулироваться в небольших пределах.
1 - источник атомов цезия-133; 2, 4 - магниты; 3 - резонатор; 5 – детектор
Рисунок 1.4 - Структурная схема цезиевого репера
При совпадении ее с частотой, соответствующей энергии квантовых переходов, происходит поглощение энергии СВЧ-поля и атомы переходят в основное состояние. Отклоняющей магнитной системой 4 они направляются в детектор 5. Ток детектора при настройке резонатора на частоту квантовых переходов оказывается максимальным. Это служит основой стабилизации частоты в цезиевом репере, в котором электромагнитные колебания кварцевого генератора умножаются до частоты спектральной линии цезия, принятой за рабочую. В резонаторе атомно-лучевой трубки энергия высокочастотных колебаний поглощается атомами цезия.
При отклонении частоты кварцевого генератора (собственная нестабильность частоты равна 10 -8 от номинального значения) интенсивность переходов атомов и, следовательно, плотность атомного пучка на выходе трубки резко сокращается.
Блок автоподстройки, связанный с трубкой, вырабатывает сигнал ошибки, возвращающий частоту кварцевого генератора к номинальному значению. Стабильность цезиевого репера составляет 10 13 . Делитель частоты, находящийся в кварцевых часах, позволяет получить на их выходе требуемые частоты и временные интервалы (в том числе и частоту 1 Гц).
Долговременная стабильность цезиевого репера частоты невелика. Поэтому для хранения единиц времени и частоты в состав государственного первичного эталона входит водородный мазер (рис. 1.5).
1 - стеклянная трубка; 2 - коллиматор; 3 - шестиполюсной осевой магнит; 4 - накопительная ячейка; 5 - резонатор; 6 - многослойный экран
Рисунок 1.5 - Мазер на атомарном водороде
В стеклянной трубке 1 под действием высокочастотного электрического разряда происходит диссоциация молекул водорода. Пучок атомов водорода через коллиматор 2, обеспечивающий его направленность, попадает в неоднородное магнитное поле шестиполюсного осевого магнита 3, где претерпевает пространственную сортировку. В результате последней на вход накопительной ячейки 4, расположенной в объемном резонаторе 5, попадают лишь атомы водорода, находящиеся на верхнем энергетическом уровне. Находящийся внутри многослойного экрана 6 высокодобротный резонатор настроен на частоту используемого квантового перехода. Взаимодействие возбужденных атомов с высокочастотным полем резонатора (в течение примерно 1 с) приводит к их переходу на нижний энергетический уровень с одновременным излучением квантов энергии на резонансной частоте 1420405751,8 Гц. Это вызывает самовозбуждение генератора, частота которого отличается высокой стабильностью (5×10 -14). Значение этой частоты периодически поверяется по цезиевому реперу.
Наряду с водородным мазером для хранения шкал времени в состав государственного первичного эталона единиц времени и частоты и шкал времени входит группа квантово-механических часов. Общий диапазон временных интервалов, воспроизводимых эталоном, составляет 10 -8 ¸10 8 с. Эталон расположен в ГП ВНИИФТРИ г. Москва.
