"Время и календарь" - читать интересную книгу автора (Хренов Леонид Сергеевич, Голуб Иосиф...)

§ 12. Кварцевые и атомные часы

Наблюдения Солнца, планет и звезд дают возможность определять вековые колебания периода вращения Земли. Однако астрономов интересуют и короткопериодические колебания.

При нынешнем развитии науки и техники необходима точность измерения времени до тысячных и даже миллионных и миллиардных долей секунды.

Повышение требований к точности определения времени необходимо, например, в системах автоматического управления производственными и технологическими процессами в промышленности и на всех видах транспорта, при изучении сверхбыстрых процессов, происходящих в атомном ядре, при установлении эффективности технических средств связи между континентами, при запусках космических аппаратов и космических полетах. По сверхточному времени сверяются результаты на станциях оптического наблюдения за искусственными спутниками Земли и во многих других случаях. Даже такой далеко не полный перечень подтверждает широкие и разносторонние сферы применения приборов для определения точного времени и показывает, насколько обширен круг задач, выполняемых с их помощью. Решение таких задач требует и более точных часов, чем выпускаемые для этих целей заводом «Эталон».

Более точными часами, пришедшими на смену маятниковым в 30-е годы, были кварцевые часы. В них взамен маятника использовались упругие пьезоэлектрические колебания пластинок кварца, т. е. деформации этих пластинок при подведении к их граням переменного электрического тока. Такие колебания кварца обладают при определенных условиях абсолютной стабильностью, не зависящей от силы земного тяготения, землетрясений и других явлений природы.

Для кварцевых часов, которые в течение нескольких месяцев хранят время с точностью до 10^-10 секунды, вариация их суточного хода стабильна (до нескольких миллионных долей секунды) и она в тысячу раз меньше, чем у маятниковых. Но кварцевая пластинка сравнительно быстро «стареет», поэтому разность в показаниях двух кварцевых часов может в течение нескольких лет достигнуть десяти секунд. Тем не менее с помощью кварцевых часов, которые входили в состав первого в СССР Государственного эталона времени и частоты, были обнаружены изменения в скорости вращения Земли — естественного эталона времени, оказавшегося нестабильным.

Кварцевые часы, погрешность хода которых не превышает микросекунды за день, применяются в качестве первичных для электронной станции в Гамбурге, гарантирующей синхронную работу всех электронных часов, включенных в систему; станция может управлять сетью, состоящей примерно из 20 000 вторичных электронных часов.

Завод художественных часов в Москве начал выпуск кварцевых настенных часов с кукушкой, отличающихся высокой точностью хода.

Часовая промышленность СССР освоила выпуск наручных электронно-кварцевых часов, отличающихся высокой точностью хода; за сутки они могут отстать или уйти вперед не более чем на две секунды.

После разработки академиками Н. Г. Басовым и Л. М. Прохоровым в 1954 г. генераторов высокостабильных колебаний [27] были созданы часы, маятником в которых служат колебания молекул аммиака. Такие часы называют «квантовыми» или «атомными», а иногда «молекулярными». Они позволяют получать «атомные секунды». Время, отсчитываемое по таким часам, называют атомным. 24 атомных часа составляют атомные сутки, содержащие 86 400 атомных секунд, которые не связаны ни с вращением Земли, ни с временем, определяемым астрономически.

Исследования показали возможность достижения точности хода атомных часов до миллионной доли секунды в сутки, т. е. они могут отстать на одну секунду от времени, определяемого астрономически, лишь за 500 000 лет. Работу таких часов, представляющих комплекс сложных приборов, контролирует квантовый генератор. Атомные часы хранятся во Всесоюзном Ордена Трудового Красного Знамени НИИ физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) под Москвой. Они и являются центром времени и частоты СССР; их официальное название «Государственный первичный эталон времени и частоты». Для таких часов — хранителей точного времени, установленных в глубоком подвале, обеспечивается специальный режим; им необходим абсолютный покой. Их оберегают от колебаний температуры, влажности, давления, от вибрации и других внешних воздействий; даже незначительные колебания гасятся специальной конструкцией их фундамента. Это от них идут шесть коротких сигналов, передаваемых в нашей стране каждый час по радио: информация о точном времени, которую ежедневно слышат миллионы людей.

Высокая точность атомных часов позволила по разности всемирного и атомного времени определить сезонные неравномерности вращения Земли, что является причиной нестабильности в длительности суток, в годовом и полугодовом периодах, составляющие соответственно 0,0005 и 0,0003 секунды. Установлено, что, например, в июле сутки короче апрельских и ноябрьских примерно па 0,001 секунды. Однако, несмотря на высокую точность атомного счета времени, необходимость во времени, определяемом астрономически, сохраняется при решении ряда задач астрономии, геодезии и других наук.

На XIII Международной конференции по мерам и весам, состоявшейся в 1967 г., было рекомендовано за единицу времени — секунду принять «продолжительность 9 192 631 770 колебаний излучения, соответствующего резонансной частоте перехода между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущений от внешних полей». После этого в СССР и во всех развитых странах за эталон времени приняли «атомную секунду». Она, как показали исследования, совпадает с секундой среднего солнечного времени, представляющей 1/86 400 часть средних солнечных суток, с точностью порядка 10^-8. Атомная секунда, вызвавшая настоящую революцию в вопросах определения точного времени в промежутках между астрономическими определениями, являлась до 1983 г. эталоном времени в СССР [28].

Однако развитие научно-технической революции потребовало определения времени с еще большей точностью, стимулируя этим работы по совершенствованию Государственного первичного эталона времени и частоты. Поэтому с 1983 г. в СССР пользуются новым первичным эталоном времени, основу которого составляют два метрологических цезиевых репера частоты, из которых каждый воспроизводит «размер» секунды в системе СИ. Этот эталон по своим метрологическим характеристикам значительно превосходит эталон 1967 г., а по точности — все известные стандарты частоты; он входит в число трех лучших первичных эталонов времени и частоты мира.

В последние годы учеными Института теплофизики Сибирского отделения АН СССР созданы еще более точные часы. В них «маятник» заменен единственным в мире стабильным лазером. Он производит миллион миллиардов колебаний — ритмических световых вспышек в одну секунду времени, а часы с таким «маятником» — оптические часы — характеризуются погрешностью хода в одну секунду за 10 миллионов лет [29]. На основе такого лазера представляется возможным создать единый эталон времени — частоты — длины, понимая под последним метр как «длину пути, проходимого плоской электромагнитной волной в вакууме за 1/299 792 485 секунды». Такое определение метра было рекомендовано в 1983 г. Консультативным комитетом Международного бюро мер и весов. Хотя такой эталон, такие часы находятся еще в стадии совершенствования, но «…все же они уже живут не в мечтах, не в планах, а в реальности, «в железе» [30].

Во Франции в портовом городе Гавре установлены новые часы гигантских размеров, показывающие, как считают жители города, самое точное время на Земле и аналога которым нет в мире, или, во всяком случае, во Франции. Они допускают отставание на одну секунду за 250 000 лет, что достигается благодаря «атомному синхронизатору». Их специальное устройство принимает, посредством спутниковой связи, постоянные сигналы одной из обсерваторий Швейцарии, располагающей атомными часами.

На здании же крупного культурного центра («Центра Помпиду») в Париже установленные несколько лет назад электронные часы беспрерывно отсчитывают секунды, оставшиеся до 2000 года. На индикаторе этих часов, предназначенных отметить начало XXI века, 0 секунд будет в ночь с 31 декабря 1999 г. на 1 января 2000 г., в то время как это должно быть на год позднее, так как XXI век начинается 1 января 2001 г.

Японская фирма «Сэйко инструменте» создала оригинальные «часы-магнитофон» на жидких кристаллах с двумя блоками памяти, воспроизводящие голос человека в течение 8 секунд.

В настоящее время на мировом рынке наблюдается значительное перепроизводство наручных часов. Поэтому конкурирующие фирмы создают часы, которые не только отличаются размерами и материалами, из которых изготовлен корпус, но содержат и дополнительные, кроме часового механизма, устройства — калькуляторы, пульсомеры, влагомеры и др.