Страница 4 из 22
Секунда вступила в свои права лишь в XX веке, когда получили распространение кварцевые часы. Ученые обнаружили, что кристалл кварца, внесенный в поле переменного тока, совершает колебания с частотой десять тысяч раз в минуту, резонируя подобно камертону. Точная частота вибраций зависит от формы и размера кристалла. В 1930 году была опубликована научная работа под названием «Кристаллические часы», предложившая использовать данное свойство кварца для завода часов. Отсчет времени посредством электрического поля, а не за счет гравитации, как раньше, обеспечивает точную работу часового механизма в сейсмоактивных регионах, в движущихся поездах и на борту подводных лодок. В современных кварцевых часах, включая наручные модели, используются кристаллы, вырезанные лазером, которые совершают колебания с неизменной частотой 32 768 Гц (или 215 раз в секунду). Так родилось рабочее определение секунды: 32 768 периодов колебаний кристалла кварца.
В 1960-х годах, когда ученым удалось непосредственно измерить период колебаний излучения атома цезия, испускающего 9 192 631 770 квантов колебательной энергии в естественных условиях, определение секунды было пересмотрено на официальном уровне: точность измерений увеличилась еще на несколько десятичных разрядов. С тех пор как утвердилось понятие атомной секунды, методика подсчета времени претерпела радикальные изменения. Прежняя темпоральная схема, называемая всемирным временем, перевернулась вверх тормашками. Ранее секунда считалась частью суток, длительность которой выводилась из характера движения Земли в космосе. Сейчас все наоборот: сутки рассматриваются как совокупность секунд, а продолжительность дня рассчитывается «снизу». Философы затевали жаркие споры, пытаясь выяснить, будет ли новое атомное время восприниматься так же органично, как и старое. Между тем проблема оказалась намного глубже: две временные шкалы совпадают не в полном объеме. В ходе планомерного повышения точности атомных часов выяснилось, что вращение Земли постепенно замедляется. Каждый новый день немного длиннее предыдущего. В течение двух лет небольшая разница в продолжительности дней достигает одной секунды. Сумма високосных секунд, ежегодно прибавляемых к шкале международного атомного времени в целях согласования с астрономическим временем, начиная с 1972 года, составляет почти половину минуты.
В былые дни каждый из нас мог самостоятельно произвести посекундную калибровку суток путем простейшей операции деления. Теперь продолжительность секунд рассчитывают профессионалы, а суть производимых ими действий подпадает под определение «передача сигналов точного времени», согласно которому распространение сигналов точного времени происходит по аналогии с рассевом семян в садоводстве или распространением пропагандистских материалов. В мире насчитывается около 320 цезиевых часов размером с небольшой чемоданчик и более сотни крупногабаритных механизмов, которые практически непрерывно генерируют или, как говорят метрологи, воспроизводят высокоточные секунды. Как правило, такие часы содержатся в государственных лабораториях точного времени. (Цезиевые часы, в свою очередь, сверяют по эталонному генератору частоты, функции которого выполняет особый механизм – так называемый цезиевый фонтан, выбрасывающий атомы цезия в вакуум при помощи лазера. На сегодняшний день существует около дюжины цезиевых фонтанов.) Воспроизведенные таким образом секунды суммируются и прибавляются к атомному времени суток. Проще говоря, «секунда – это такая штука, которая тикает, а время – это такая штука, которая считает тиканье», как выразился Том Паркер, некогда возглавлявший исследовательскую группу Национального института стандартов и технологии США.
Национальный институт стандартов и технологии (НИСТ) представляет собой федеральное агентство, оказывающее консультационную поддержку при утверждении официальных стандартов гражданского времени в США. На попечении экспертов, занятых в лабораториях НИСТ в Гейтесберге (Мэриленд) и Боулдере (Колорадо), находится порядка двенадцати цезиевых часов или даже больше. Часы работают постоянно, обеспечивая возможность снять показания в любой момент. Тем не менее, при всей феноменальной точности, показания цезиевых часов имеют незначительные расхождения, измеряемые наносекундами. Каждые 12 минут показания цезиевых часов сверяют между собой, отсчитывая ход за ходом и выясняя, какие часы спешат, какие отстают и насколько велика разница в показаниях. Затем данные по всей группе часов-генераторов количественно обобщают и рассчитывают то, что Паркер называет «средним воображаемым».
Полученный результат берется за основу при утверждении стандартов государственного времени, а уж как оно будет воспринято отдельными электронными устройствами, зависит от имеющихся в наличии хронометров и вашего местонахождения в конкретный момент. Часы, встроенные в ваш ноутбук или персональный компьютер, регулярно сверяются с другими часами в интернете и подвергаются автоматической калибровке. Некоторые часы случайным образом попадают на сервер НИСТ и других служб точного времени и в результате становятся более точными. Каждый день на многочисленных серверах НИСТ регистрируется 13 миллиардов сигналов от компьютеров из разных стран мира, посылающих запросы на предмет поверки времени. Если вы находитесь в Токио, вас, вероятно, соединят с сервером службы точного времени в Цукуба, которая находится под началом Национального института метрологии Японии. В Германии референтным источником служит Физико-технический федеральный институт.
ЧАСЫ, ВСТРОЕННЫЕ В ВАШ НОУТБУК ИЛИ ПЕРСОНАЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕР, РЕГУЛЯРНО СВЕРЯЮТСЯ С ДРУГИМИ ЧАСАМИ В ИНТЕРНЕТЕ И ПОДВЕРГАЮТСЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ КАЛИБРОВКЕ
Где бы вы ни находились, при сверке часов ваш сотовый телефон, скорее всего, получает данные от системы глобального позиционирования GPS, которую обслуживает сеть навигационных спутников, синхронизированных с сигналами Военно-морской обсерватории США в Вашингтоне, округ Колумбия, которая воспроизводит эталонные секунды посредством группы тактовых генераторов, включающей более 70 цезиевых часов. Прочие разновидности часов – настенные, настольные и наручные, сигналы хода и автомобильные часы, встроенные в панели управления, – оборудованы миниатюрными радиоприемниками, которые в США постоянно находятся в режиме приема сигналов НИСТ и радиостанции WWVB в Форт-Коллинз, Колорадо, которая транслирует сигналы точного времени в виде кода. (Сигнал подается на очень низкой частоте – 60 Гц. Диапазон настолько узок, что на пересылку кода уходит добрая минута времени.) Все эти часы способны генерировать время самостоятельно, но в большинстве своем они выступают в роли посредников и показывают время, транслируемое высокоточными хронометрами из высших звеньев командной цепи времени.
Мои наручные часы не оснащены ни радиоприемником, ни средствами спутниковой связи; они выпали из системы современных коммуникаций. Если мне необходимо двигаться в такт с большим миром, я сверяюсь с хронометром, а затем проворачиваю винт на своих наручных часах и перевожу стрелки на нужные цифры. Можно добиться еще большей точности, если регулярно сдавать часы в мастерскую. Там часовой механизм откалибруют на кварцевом генераторе тактовых импульсов, у которого точность представления данных выверяют по эталонам частоты НИСТ. В противном случае мои наручные часы будут держать равнение на самостоятельно воспроизводимые единицы времени, а время, которое они показывают, вскоре перестанет совпадать с показаниями других часов. Надев часы, я как будто привязал к запястью установленный ход времени, хотя в действительности я так и останусь разгильдяем, пока не изучу все часы, которые меня окружают. «Вы функционируете автономно», – заявил мне Паркер.
С конца XVII до начала XX века самые точные часы в мире хранились в Гринвичской королевской обсерватории в Англии. Регулировка часов по движению небесных сфер вменялась в обязанность Королевскому астроному. Такое положение вещей устраивало всех, кроме самого Королевского астронома, для которого это быстро стало проблемой. В начале 1830-х годов ученого мужа, только что приступившего к своим обязанностям, внезапно потревожил стук в дверь. На пороге стоял горожанин. «Приношу извинения за беспокойство, – сказал гость. – Вы не могли бы сказать, который час?»