Эталон единицы массы

На I Генеральной конференции по мерам и весам в 1889 году, утвердившей международные прототипы метра и килограмма, кроме двух эталонов метра, Россия получила два эталона килограмма(№12 и №26), который представлял собой гирю из сплава платины и иридия. Созданный одновременно с платино-иридиевым эталоном метра, прототип килограмма с аналогичными ему копиями до настоящего времени является носителем и воплощением единицы массы СИ – килограмма. Определение килограмма: «килограмм – единица массы – равен массе международного эталона килограмма».

В состав государственного эталона входят:

1. Копия международного прототипа килограмма – платино-иридиевая гиря, в виде прямого цилиндра с закругленными ребрами диаметром и высотой 39 мм, носящая знак №12

2. Равноплечие призменные весы №1 и №2 на 1 кг с дистанционным управлением, служащие для передачи размера единицы массы вторичным эталонам.

Эталон хранится на кварцевой подставке под двумя стеклянными колпаками в стальном шкафу, помещенном в хранилище эталонов, при атмосферном давлении, температуре 20 0 С и относительной влажности воздуха 65%. Чтобы предотвратить износ эталона, с ним сличают только два эталона-копии один раз в десять лет. Размер единицы массы от первичного эталона к рабочим передается с помощью эталонов-копий.

Определение единицы временипретерпело наибольшее изменение. Первоначально, за единицу времени – секунду принимали 1/86400 средних солнечных суток. Это определение секунды было связано с вращением Земли вокруг своей оси, которое, как обнаружили позднее, происходит неравномерно. Затем в основу определения единицы времени положили период вращения Земли вокруг Солнца – тропический год. Размер секунды был определен как 1/31556925,9747 часть тропического года. Но поскольку тропический год тоже изменяется, то в 1960 году для определения секунды был принят тропический год, отнесенный к определенному моменту времени: 12 часов 31 декабря 1899 года..

В 1967 году XIII Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение секунды, основанное на физическом явлении, которое позволяет более точно и стабильно воспроизводить ее размер. «Секунда – 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133».

В соответствии с определением единицы времени ее воспроизведение осуществляется атомно-лучевыми часами, блок-схема которых показана на рис.2.3.

Рис.2.3. Блок-схема цезиевых часов.

Электромагнитные колебания кварцевого генератора умножаются до частоты спектральной линии цезия. В резонаторе атомно-лучевой трубки энергия высокочастотных колебаний поглощается атомами цезия. При отклонении частоты кварцевого генератора от номинального значения интенсивность переходов атомов цезия и, следовательно, плотность пучка на выходе трубки резко сокращается. Блок авторегулирования, связанный с трубкой, вырабатывает сигнал, возвращающий частоты кварцевого генератора к номинальному значению.

Погрешность вопроизведения частоты цезиевыми часами составляет 10 -12 с -1 .

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.

С древних времен человек пытался понять, что такое время. И, разумеется, измерить его. Чего только не придумали люди за многие столетия — от водяных, песочных и солнечных часов до астрономических и механических. Большинство из них не были слишком точными, но это никого всерьез не беспокоило. Все изменилось в эпоху Великих географических открытий: для морской навигации позарез требовались точные часы, поскольку ошибка в определении местоположения приводила к потере кораблей, людей и товаров. В XVIII веке сразу несколько морских держав (Испания и Португалия, Голландия, Франция и Великобритания) учредили крупные денежные премии за создание точных часов, которые можно было использовать для навигационных измерений. Британскую премию выиграл часовщик-самоучка Джон Харрисон, который сконструировал часы со среднесуточным уходом в две секунды (это при том, что часы тогда считались особо точными, если имели минутную стрелку), что приводило к навигационной ошибке всего в десять морских миль.

От солнечной секунды до маятника

Промышленная и научная революция также требовали точного измерения времени. Первым общепринятым эталоном секунды стало ее астрономическое определение, согласно которому 1 с равна 1/86 400 солнечных суток. Позднее выяснилось, что Земля вращается не совсем равномерно, и определение уточнили — «средних солнечных суток». Потом стало ясно, что в связи с замедлением вращения Земли (в основном за счет воздействия приливных сил со стороны Луны) такая секунда слишком нестабильна для эталона, и определение сменили. Новая секунда, введенная в 1957 году, базировалась на эфемеридах, то есть орбитальном движении Земли вокруг Солнца, и определялась как 1/31 556 925 9747 доля продолжительности конкретного (1900-го) тропического года. Но хотя этот эталон был более стабильным, чем солнечная секунда, он практически применялся только в астрономии, поскольку воспроизводить его в лаборатории было весьма затруднительно.

Среднемесячный уход современных кварцевых наручных часов составляет обычно несколько секунд. Производители оснащают некоторые модели системой автоматической коррекции по радиосигналам точного времени (работает в некоторых странах) или даже по сигналам спутников GPS. А в 2011 году американская компания Symmetricom представила сверхкомпактные атомные часы в размере микрочипа SA.45s Quantum Chip Scale Atomic Clock (CSAC) — 4х3,5х1,1 см и массой всего 35 г, CSAC потребляет всего 0,1 Вт и обеспечивает точность в 10^(−11)−10^(−12) (уход примерно в 1 секунду за 3−30 тысяч лет). На основе этого чипа можно изготовить наручные атомные часы, хотя, конечно, основная область его использования — это создание автономных (без синхронизации с GPS) сверхточных генераторов частоты, нужных для военных, научных, промышленных и других применений.

Гораздо большее распространение на практике получили старые добрые маятниковые часы, конструкция которых базировалась на классических трудах Галилео Галилея. К началу XX века, пройдя три столетия эволюции, конструкции таких часов достигли достаточного совершенства, чтобы обеспечить измерение интервалов времени с относительной погрешностью порядка 10 -7 , что соответствует среднегодовому уходу в единицы секунд. Такую точность обеспечивали часы, созданные британским инженером Уильямом Шортом в 1921 году. Часы с циферблатом и стрелками, приводимыми в движение секундным маятником, синхронизировались с помощью электрической цепи по второму, эталонному секундному маятнику, который качался в колбе с разреженной атмосферой. В СССР эти часы были значительно усовершенствованы физиком и механиком Феодосием Федченко, который в 1950-х во Всесоюзном научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) создал механизм АЧФ (Астрономические часы Федченко) с изохронным маятником, обеспечивавший точность порядка 10 -8 (секунда за десять лет). Эти часы (наряду с появившимися в то время кварцевыми) использовались в практических целях до 1980-х, еще несколько десятилетий после того, как в 1967 году было введено новое определение секунды. Новая секунда перестала быть привязана к каким-либо астрономическим измерениям, а стала равна 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры изотопа цезия-133.

Атомный маятник

Идею использовать атомы в качестве стабильного маятника выдвинул лорд Кельвин в 1879 году. Правда, тогда технология еще не обеспечивала возможность ее реализации, поэтому первые эксперименты начались только через 60 лет. В 1940 годах американские физики из Колумбийского университета под руководством Исидора Раби экспериментировали с цезием-133, а в Национальном бюро стандартов разработали свой эталон на основе аммиака, который, впрочем, по точности уступал кварцевым осцилляторам. Решающий шаг сделал Норман Рэмси из Гарвардского университета, предложивший концепцию «разнесенных осциллирующих полей», которая легла в основу атомных часов, а самому Рэмси принесла Нобелевскую премию за 1989 год.

Цезиевые атомные часы первого поколения, а точнее — их главная часть, сверхточный генератор (репер), представляли собой длинную вакуумную трубу, в которую с помощью тепловой пушки выстреливался пучок атомов цезия-133. Атом цезия может находиться в одном из двух энергетических состояний, и восьмиполюсный магнит на входе отсеивал одно из них. Далее пучок пролетал через резонатор Рэмси, где пучок микроволн, настроенных на частоту перехода между этими состояниями, переводил часть атомов в другое состояние. На выходе из трубы магнит отсеивал часть атомов, которые не изменили своего состояния, а остальные направлял на детектор. Изменяя частоту микроволн, можно добиться того, чтобы как можно больше атомов изменяло свое состояние при пролете резонатора, и в момент достижения максимума эта частота будет в точности соответствовать частоте перехода в атоме цезия, равной 9 192 631 770 Гц (этот процесс похож на настройку радиоприемника, когда вы крутите ручку, добиваясь максимальной громкости и чистоты сигнала).

«Точность подобных часов может достигать порядка 10 -14 , — объясняет Виталий Пальчиков, заместитель начальника Главного метрологического центра государственной службы времени и частоты (ГМЦ ГСВЧ, входит в состав ВНИИФТРИ) по научной работе. — Более точными такие часы сделать нельзя, потому что процесс происходит при комнатной температуре, и тепловое движение атомов приводит к появлению эффекта Доплера, то есть уширению резонансной линии до 100 Гц. Для повышения точности нужно охладить атомы до низких температур, и такой способ был придуман. Его в свое время предложил советский физик Владилен Летохов, а позднее его идею развили Чу, Коэн-Таннуджи и Филлипс, за что в 1997 году получили Нобелевскую премию по физике. Метод лазерного охлаждения заключается в том, что атомы взаимодействуют с двумя лазерными лучами, имеющими перпендикулярную поляризацию, и испытывают ряд переходов, отдавая энергию и замедляясь, то есть охлаждаются до нескольких сотен микрокельвинов — это называется Сизифово охлаждение». В 1997 году Международное бюро мер и весов уточнило определение секунды: атом цезия должен покоиться при температуре, близкой к абсолютному нулю, и вскоре в мире появились первые часы фонтанного типа.

Часовые фонтаны

«Они действительно похожи на фонтан, — говорит Виталий Пальчиков. — Облако атомов цезия, охлажденное до очень низких температур, захватывают в оптическую ловушку и подбрасывают с помощью лазерных лучей через СВЧ-резонатор. А потом лазеры отключаются, и атомы под действием силы тяжести медленно падают вниз сквозь этот же резонатор. В качестве селектора и детектора используется еще один лазер, взаимодействующий с облаком холодных атомов. Такой генератор имеет точность порядка 3−5 10 -16 , то есть 1 секунда за 300 млн лет, и сейчас используется практически во всех основных метрологических центрах в различных странах мира, у нас во ВНИИФТРИ два таких фонтана. Точность этих часов сейчас пытаются повысить. Основной источник нестабильности частоты фонтана — это чернотельное излучение оборудования, и его пытаются либо убрать за счет криогенного охлаждения, как это делают в американском Национальном институте стандартов (NIST), либо, как это делаем мы и французские исследователи, путем моделирования и учета соответствующих поправок».

Разработки и открытия, которые в настоящее время применяются в атомных часах, принесли своим авторам четыре нобелевские премии. Норман Рэмси в 1989 году получил высшую научную награду за изобретение метода разнесенных осциллирующих полей; Стивен Чу, Клод Коэн-Таннуджи и Уильям Филлипс в 1997 году — за разработку метода лазерного охлаждения атомов; Джон Холл и Теодор Хенш в 2005 году — за сверхточную лазерную спектроскопию (методы преобразования оптических частот — радиочастотный мост), Серж Арош и Дэвид Вайнленд в 2012-м — за методы манипуляции и измерения параметров отдельных атомов.

Фонтанный генератор — это главная, но не единственная часть эталона времени и частоты. «Это так называемый репер, своеобразный камертон, который может в любой момент воспроизвести величину единиц измерения, — поясняет Игорь Норец, начальник отдела эксплуатации государственного первичного эталона единиц времени, частоты и национальной шкалы времени ГМЦ ГСВЧ. — Он не работает постоянно, а лишь включается время от времени. А для поддержания непрерывной шкалы времени используются хранители частоты — водородные СВЧ-генераторы (мазеры). На долговременных интервалах порядка суток их частота дрейфует, но по хорошо известному закону, и это можно учесть при расчете национальной шкалы. В нашем ГМЦ ГСВЧ таких хранителей девять. Производит их Нижегородский научно-исследовательский приборостроительный институт «Кварц», и это, пожалуй, самые точные в мире водородные генераторы. В итоге российская шкала является одной из пяти самых точных в мире — наряду с немецкой (PTB), двумя американскими (USNO, NIST) и шкалой Парижской обсерватории. Отклонения от международной шкалы составляют не более 5 нс».

Оптические стандарты

Дальнейшее совершенствование эталона связано в первую очередь с разработкой оптических стандартов частоты. «В новых эталонах будут использоваться не переходы на радиочастотах, а оптические. Их частоты на много порядков выше, а значит, выше точность, — говорит Сергей Слюсарев, начальник отдела оптических стандартов частоты ВНИИФТРИ. — Такие оптические стандарты уже разрабатываются во многих исследовательских институтах, в том числе и у нас, они основаны на взаимодействии лазерного излучения с отдельными атомами или ионами алюминия, стронция или ртути, захваченными в магнитооптические ловушки. Уже сейчас существуют отдельные экспериментальные образцы с точностью воспроизведения частоты порядка 10 -17 -10 -18 . Скорее всего, в 2020-х годах состоится переход на такие стандарты, что повысит точность временной шкалы на один-два порядка».

«Каждые десять лет требования потребителей к точности часов возрастают на порядок, то есть в десять раз, — говорит Виталий Пальчиков. — Зачем нужны такие точные часы

В первую очередь для той же самой задачи, для которой они понадобились триста лет назад: для навигации. И не только спутниковой. Часы на базе оптических эталонов многое дадут и науке, и промышленности. Они достаточно точны, чтобы их можно было использовать для прямых гравиметрических измерений, — а это принципиально новый подход к навигации, поиску полезных ископаемых, да и вообще изучению нашего мира».

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.

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.