Как проверяют правильность показаний эталонных часов? (3 фото)

17 апреля 2020

Время – абстрактное понятие, с которым каждый человек имеет дело ежедневно. Но задумывался ли кто-нибудь о том, откуда берется время? Кто и как именно определяет, который сейчас час? Существует некий эталон времени, на который ориентируются во всем мире.

Что такое эталон времени?

Эталон времени – это научная единица измерения времени, которая воспроизводится первичным эталоном с максимально возможной точностью. Эталонная единица времени – секунда. Секунда и герц являются эталоном единицы времени и частоты. Ученым пришлось преодолеть несколько сложностей, чтобы выделить наиболее точную постоянную единицу измерения. Первоначально время измеряли на основании вращения планеты вокруг оси. Однако выяснилось, что приливы, отливы могут влиять на продолжительность солнечных суток. На следующем этапе для измерения начали использовать тропический год (от одного равноденствия до другого). Точность результатов повысилась – секунда соответствовала 1/31556925,9447 тропического года. Руководствуясь данными исследованиями, ученые изобрели маятниковые и кварцевые часы. В дальнейшем возникла необходимость в новых способах измерения, поскольку кварцевые часы оказались точнее природного эталона. Так появился квантовый генератор, молекулярный хронометр, а для вычисления эталонной единицы в 1967 начали использовать атомный метод.

Атомные часы FOCS 1 (Швейцария)

Благодаря нему удалось максимально снизить погрешность вычисления эталонной секунды. С появлением данного метода секунда начала соответствовать 9 192 631 770 колебаний электромагнитного излучения, которое возникает в процессе перехода между 2-я уровнями сверхтонкой структуры атома цезия-133.

Интересный факт: в разных странах созданы национальные центры, занимающиеся исследованием стандартов измерений. В России это Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений.

Атомные часы

Эталонные атомные часы определяют время при помощи колебаний, связанных с процессами на молекулярном и атомном уровнях. Суть их работы в том, что атомы при определенных условиях испускают электромагнитные волны одинаковой частоты. Атом цезия-133 избран в качестве общепринятого стандарта.

Устройству отводится серьезная роль в навигации, поскольку без него невозможно было бы установить местоположение транспортных средств, ракет, а также использовать спутниковую связь. Они состоят из дискриминатора, генератора и комплекса электроники. Для их создания подходят лишь определенные атомы – те, что не зависят от внешних воздействий, таких как поля различного происхождения (например, магнитное). Подходящими являются атомы цезия, кальция, рубидия и др. Первичным стандартом является переход атома цезия. Остальные считаются вторичными и сравниваются с цезием – эталонным.

Точность эталонных часов

Для эталонных часов разработали шкалу времени – AT. Однако и этому прибору свойственна некоторая погрешность. Поэтому используется Международное атомное время – TAI. Оно определяется при помощи сравнения показаний атомных часов, которые установлены в различных метрологических учреждениях по всему миру. В общей сложности существует около 400 таких часов. Как раз при помощи сравнения их показателей и происходит проверка точности эталонных часов. В городе Севр (Франция) располагается Международное бюро мер и весов (МБМВ). Его основали в 1875 в качестве учреждения, где хранятся эталоны единиц измерения, проводятся метрологические работы, исследования, а также обеспечивается существование единой системы измерений. Регулярно сравнивая показатели атомных часов с эталонными, специалисты бюро анализируют данные и вносят при необходимости коррективы в показания.

Также существует такое понятие, как всемирное координированное время – UTC. Именно по этому стандарту регулируют часы во всем мире. Он основывается на системе измерения TAI, но UTC считается более удобным в повседневной жизни. Периодически время UTC корректируется 1-2 раза в год (30 июня либо 31 декабря) путем прибавления одной секунды. Интересный факт: координирование времени UTC происходит в соответствии со всемирным временем (UT), которое напрямую связано с вращением Земли вокруг своей оси. Так как наша планета постепенно начинает вращаться медленнее (из-за глобального потепления), то в будущем придется чаще вносить поправки в UTC. Эталоном времени является Международное атомное время TAI. Эталонные часы хранятся в специальном Международном бюро мер и весов, которое расположено во Франции. Регулярно их показания сравнивают с несколькими сотнями других атомных часов на различных метрологических станциях. На основе полученных данных при необходимости вносятся поправки.