Что используют в качестве эталонной единицы времени. Слово "секунда" - это что такое? Значение и определение

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-žи 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%.

Человек живёт во времени и пространстве, и уже в глубокой древности появилась необходимость измерять время и длину - характеристику пространства. Измерить - значит сравнить измеряемую величину с другой величиной того же рода, называемой единицей измерения . Эта единица должна быть чётко определённой и неизменной величиной - эталоном. Созданием эталонов занимается наука, именуемая метрологией. За эталон времени принята секунда, за эталон длины - метр. Но вот как их определить? Скажем, секунда - это промежуток времени, в течение которого... что? Метр - это расстояние, равное... чему? Эти вопросы отнюдь не просты. Посмотрим, как отвечает на них современная метрология.

Время

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.

Так как истинные солнечные сутки не остаются одинаковыми в течение года, то в повседневной жизни за основную единицу времени принимают средние солнечные сутки , рассчитанные в предположении равномерного движения Земли по орбите. Время в таких сутках называют средним временем . Понятно, что его значение меняется с изменением географической долготы места: когда в Москве 12 часов дня, то, скажем, в Красноярске уже 16 часов, то есть возникает понятие местного времени . Местное среднее время на Гринвичском меридиане называют всемирным временем и обозначают UT (Universal Time) . Это всемирное время положено в основу создания нескольких астрономических шкал времени.

Прежде всего заметим, что, хотя UT - среднее солнечное время, то есть определено из условия равномерного движения Земли по орбите, на его основе трудно создать равномерную шкалу по той причине, что положение любого меридиана, и в частности Гринвичского, подвержено изменениям из-за вращения Земли. Происходит это потому, что Земля - не абсолютно твёрдое тело: массы в ней непрерывно перераспределяются, вследствие чего полюса Земли незначительно (до 10–15 м) меняют положение, вызывая смещение меридианов, их соединяющих.

Существует несколько модификаций шкал всемирного времени. Из наблюдений суточных движений звёзд получается всемирное время UT 0, не образующее равномерной шкалы. Если учесть поправку за смещение мгновенного полюса относительно его среднего положения, получим более равномерную шкалу UT 1. Если принять во внимание ещё и сезонные вариации угловой скорости вращения Земли, получим более равномерную шкалу UT 2. Наконец, учёт действия приливных явлений даёт шкалу UT 1R .

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 .

Длина

Обратимся теперь к единице длины - метру. Его история также довольно интересна. Впервые понятие метра появилось во Франции в период Великой французской революции. Учёные того времени решили заимствовать единицу измерения длины, так сказать, из самoй природы, и в качестве неизменного прототипа длины специальная комиссия Французской академии наук предложила взять длину одной десятимиллионной доли четверти Парижского меридиана. Это расстояние и назвали метром (metre vrai et definitif - метр подлинный и окончательный). После этого были проведены измерения длины дуги Парижского меридиана между Дюнкерком и Барселоной, на основании которых, а также в соответствии с теоретическим определением изготовили образец метра в виде платиновой линейки - концевой меры шириной около 25 мм и толщиной 4 мм. Эта мера сдана в архив Французской республики, поэтому её в дальнейшем стали называть «архивным метром». Но далее оказалось, что вследствие всё возрастающей точности геодезических измерений значения метра и соответствующей части меридиана будут расходиться. Кроме того, длина меридианов, как уже отмечалось выше, не остаётся строго постоянной из-за смещения полюсов. И тогда решили больше не связывать значение меры длины с одной сорокамиллионной частью Парижского меридиана. Метр перестал быть «естественной» мерой.

За точное значение метра был принят так называемый международный прототип, выбранный следующим образом. Изготовили 31 эталон в форме стержней Х-образного сечения из платино-иридиевого сплава с двумя штрихами, расстояние между которыми равно размеру метра, и провели сравнение этих эталонов с «архивным метром». В пределах точности измерений эталон № 6 при 0 о С оказался равным длине «архивного метра», и в 1889 году на I Генеральной конференции по мерам и весам его приняли в качестве международного прототипа метра. Он хранится в Международном бюро мер и весов в городе Севре (близ Парижа). Из оставшихся 30 эталонов 28 были распределены по жребию между странами, участвовавшими в конференции 1889 года, а два оставлены как «эталон-копия» и «эталон-свидетель». Россия получила два эталона метра: № 11 и № 28. Последний декретом Совнаркома в 1918 году был узаконен в качестве государственного эталона или прототипа метра для СССР. Он хранится (до сих пор) во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева в Санкт-Петербурге и используется только для сравнения с ним вторичных эталонов или эталонов-копий.

Так как существующие эталоны хотя и очень мало, но всё же изменяются с течением времени и метр нельзя считать естественной мерой единицы длины, метрологи задались вопросом: нельзя ли всё-таки установить естественный эталон длины, «привязав» его к стабильным природным процессам или явлениям. И здесь, как и в случае с эталоном времени, решение пришло из спектроскопии и квантовой электроники. Поскольку, как уже отмечалось, частоты и длины волн атомов и молекул отличаются исключительным постоянством, это природные константы, и поэтому в принципе атом или молекула каждого (любого) вещества обладает свойствами эталона частоты и длины.

С развитием точных методов интерферометрических измерений появилась идея выразить метр в длинах световых волн, и в 1927 году VII Генеральная конференция по мерам и весам постановила: 1 метр равен 1 553 164,13 длины волны красной линии кадмия при определённых условиях (температуре, давлении и пр.) К 30-м годам ХХ века точность интерферометрических измерений превысила ширину штрихов на эталоне метра и его копиях. И в 1960 году XI Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение метра: он стал равен 1 650 763,73 длины волны излучения в вакууме, соответствующей оранжевой линии спектра изотопа криптона с атомным весом 86 (86 Kr). Поскольку эта линия намного более узкая, чем у кадмия (чему, в частности, способствует то, что криптоновую лампу помещают в криостат с жидкой углекислотой), новое определение метра повысило точность эталона длины примерно в 100 раз.

Однако она в относительной мере была на четыре порядка ниже точности, достигнутой в эталонах времени. Это, в частности, ограничивало точность измерения скорости света. Действительно, она определялась путём измерения времени распространения света на базисе известной длины. Но если время можно было измерить с погрешностью порядка 10 –12 –10 –13 , то точность измерения длины базиса лимитировала точность криптонового эталона длины.

В том же 1960 году, когда за эталон длины приняли криптоновый стандарт, был создан принципиально новый источник излучения - лазер, и началось бурное развитие лазерной техники. Обнаружилось, что газовый лазер на смеси гелия и неона (Не-Nе) может генерировать чрезвычайно узкие спектральные линии (так называемые продольные моды, см. «Наука и жизнь» № 9, 2003 г.) - гораздо y же, чем у криптонового стандарта. Однако частоты этих линий могут «плавать», меняться неконтролируемым образом (например, вследствие изменения длины резонатора). Поэтому, чтобы получить источник света намного лучший, чем криптоновая лампа, необходимо стабилизировать частоту лазерного излучения. Такой стабилизации достигли использованием молекулярных линий поглощения некоторых газов, у которых частота одной из линий поглощения близка к частоте излучения лазера. Например, гелий-неоновый лазер может генерировать на трёх длинах волн: 0,63, 1,15 и 3,39 мкм; при этом линии с длиной волны 0,63 мкм весьма точно соответствует линия поглощения молекулы паров йода I 2 , а линии с длиной волны 3,39 мкм - линия поглощения молекулы метана СН 4 . Ячейку с поглощающим газом помещают внутрь резонатора лазера. Если изменять длину резонатора, настраивая лазерную частоту на центр спектральной линии поглощающего газа, в излучении лазера появляется резонансный пик с предельно узкой шириной спектра. Это состояние непрерывно поддерживает система автоподстройки длины резонатора. Лазеры на Не-Nе/I 2 127 и особенно Не-Ne/CH 4 обеспечивают генерацию очень узких линий излучения со стабильностью частоты того же порядка, что и в стандартах времени. Естественно, возникла мысль об использовании стабилизированных лазеров в качестве стандартов длины вместо криптонового эталона. Этому способствовало ещё одно обстоятельство.

В начале 1970-х годов в США, Англии и СССР были выполнены эксперименты по уточнению скорости света в вакууме с , основанные на независимом измерении частоты ν и длины волны λ высокостабильного лазера (произведение νλ равно с ). Обработка результатов этих экспериментов дала значение с = 299 792 458 ± 1,2 м/с с относительной погрешностью 4·10 –9 . До этих экспериментов она была равна 3·10 –7 , то есть измерения скорости света с использованием стабилизированных лазеров повысили точность примерно на два порядка. Но дальнейшее уточнение значения с было невозможно, так как величина 4·10 –9 практически целиком обусловлена недостаточной точностью криптонового эталона длины, сравнением с которым вычислялась длина волны λ. Выход из этого положения оказался довольно неожиданным и оригинальным. Было решено: не будем стремиться уточнять с , а примем полученное значение 299 792 458 м/с за мировую константу. Поскольку скорость связывает расстояние и время, это позволило дать новое определение метра - через единицу времени. И в 1983 году на XVII Генеральной конференции по мерам и весам постановили: «Метр - это расстояние, проходимое светом в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды».

Это определение полностью отменяет криптоновый эталон длины и вообще делает метр не зависящим ни от какого источника света. Но зато придаёт ему зависимость от размера секунды, а значит, и герца - единицы частоты. Так впервые была установлена связь между длиной, временем и частотой. Эта связь привела к идее о создании единого эталона времени - частоты - длины (ВЧД), основанного на соотношении λ = с /ν , где λ - длина волны излучения стабилизированного лазера, ν - его частота. Плодотворность этой идеи в том, что частоту можно измерить с погрешностью, обеспеченной современным эталоном частоты (скажем, 10 -13 и менее). А так как значение с фиксировано, то и значение λ будет определено с той же погрешностью, что по крайней мере на четыре порядка точнее, чем при использовании прежнего криптонового эталона длины.

Однако эталон частоты, задающий атомную секунду, - цезиевый генератор, частота которого f эт = 9 192 631 770 Гц лежит в радиодиапазоне. И чтобы измерить частоту лазера ν сравнением с эталонной частотой, надо осуществить переход эталонной частоты в оптический диапазон, то есть умножить её до оптических значений. Однако эталонная частота имеет нецелочисленную величину и неудобна для преобразований. Поэтому обычно вместо цезиевого генератора используют более низкочастотный кварцевый генератор с удобным значением частоты, например 5 Мгц. Но такой генератор имеет гораздо меньшую стабильность частоты и сам по себе служить эталоном не может. Необходимо стабилизировать его частоту по цезиевому стандарту, придав ему такую же стабильность.

Это осуществляется при помощи схемы фазовой автоподстройки частоты. Низкая частота кварцевого генератора f кв увеличивается радиотехническими средствами в некоторое число (n ) раз и в смесителе вычитается из частоты цезиевого эталона f эт. Подбором конкретных значений n и f кв разностную частоту (f эт – nf кв) можно сделать приблизительно равной частоте кварцевого генератора: (f эт – nf кв) = f кв.

Сигнал разностной частоты (f эт – nf кв) после усиления поступает на один вход фазового детектора, а на другой его вход подаётся сигнал частоты f кв от кварцевого генератора. На выходе фазового детектора возникает напряжение, величина и знак которого зависят от отклонения разностной частоты от частоты f кв. Это напряжение поступает на блок управления частотой кварцевого генератора, сдвигая её до тех пор, пока она не станет точно равной разностной частоте. Другими словами, любая расстройка частот (f эт – nf кв) и f кв вызывает появление управляющего сигнала, сводящего эту расстройку к нулю, благодаря чему частота кварцевого генератора автоматически поддерживается неизменной и её стабильность оказывается практически равной стабильности цезиевого эталона. Теперь можно осуществлять передачу этой частоты в оптический диапазон.

Для этой цели используется радиооптический частотный мост (РОЧМ), в котором при помощи многозвенной цепочки различных СВЧ-генераторов и промежуточных лазеров субмиллиметрового и инфракрасного диапазонов выполняется последовательное умножение эталонной частоты 5 МГц до значений 10 14 Гц. Так создаются эталоны частоты в оптическом диапазоне - оптические стандарты частоты. В качестве таких стандартов утверждены пять стабилизированных газовых лазеров.

Следовательно, эталон длины, воспроизводящий метр в его новом определении, реализуется при помощи атомного (цезиевого) эталона времени и частоты, дополненного РОЧМ. Этот комплекс и представляет собой единый эталон ВЧД. При этом характерно, что размеры всех единиц - единицы времени (секунды), частоты (герца) и длины (метра) - задаются всего двумя природными константами: резонансной частотой перехода в атоме цезия-133 и скоростью света в вакууме.

Следует упомянуть, что в последнее время найдена более перспективная возможность создания единого эталона ВЧД, связанная с разработкой фемтосекундных «оптических часов», способных служить также «оптическим метром» («Наука и жизнь» № 9, 2003 г.). При этом отпадает необходимость в цепочке передачи благодаря генерированию высокостабильной «оптической гребёнки» в чрезвычайно широком диапазоне спектра. Такая гребёнка, воспринимаемая как белый свет, возникает при прохождении фемтосекундных импульсов от лазера на сапфире с титаном через оптическое волокно со специально созданной микроструктурой. Подробности о такого рода разработках можно найти в нобелевской лекции Дж. Холла, опубликованной на русском языке под названием «Определение и измерение оптических частот: перспективы оптических часов - и не только» (УФН, 2006, № 12).

Кроме того, была найдена возможность повышения точности цезиевого эталона времени. Ещё в 1997 году Международное бюро мер и весов подчеркнуло, что в определении атомной секунды фигурирует атом цезия, который покоится при температуре абсолютного нуля (по шкале Кельвина). В новейших модификациях цезиевых часов (которые называют фонтанными) это условие почти идеально достигается путём лазерного охлаждения атомов. С использованием такого метода в американском Национальном институте стандартов и технологии (NIST) были построены эталонные цезиевые часы, обеспечивающие относительную точность воспроизведения единицы времени - секунды - порядка 3·10 –16 (уход часов составляет 1 секунду за 70 миллионов лет). Но ещё более перспективны стандарты частоты, основанные на переходах в ионах ртути, иттербия или стронция, излучающие не в микроволновом, а в оптическом диапазоне. Точность отдельных лабораторных разработок таких оптических часов уже сейчас достигает 2·10 –15 , а в принципе они могут обеспечить точность воспроизведения единиц времени и частоты на уровне 10 –17 –10 –18 . К такой точности вплотную подошли японские исследователи. В экспериментальном образце стронциевых оптических часов, разработанном в Токийском университете группой Хидетоси Катори, ионы стронция находятся в оптической ловушке на перекрестье шести лазерных лучей, под воздействием которых они удерживаются в «энергетических ямах», почти не взаимодействуя и излучая свет исключительно стабильной частоты. Точность стронциевых часов в тысячу раз превосходит точность цезиевых, используемых сегодня в качестве эталона времени и частоты. Предполагают, что вскоре эталон будет заменён и применение таких сверхточных оптических часов позволит соответственно увеличить точность единого эталона времени-частоты-длины.

Метр – единица длины метрической системы мер.

Согласно первому определению, принятому во Франции в 1791 г., метр был равен 1· 10 -7 части четверти длины парижского меридиана. Размер метра был определен на основе геодезических и астрономических измерений Жана Деламбра и Пьера Мешена. Первый этап метр был изготовлен французским мастером Ленуаром под руководством французского физика и геодезиста Жана Шарм Борда в 1799 г. в виде концевой меры длины – платиновой линейки шириной около 25 мм, толщиной около 4 мм, с расстоянием между концами, равным принятой единицы длины. Он получил наименование «метр архива» или «архивный метр». Однако, как оказалось, определенный таким образом метр не мог быть вновь точно воспроизведен из-за отсутствия точных данных о фигуре Земли и значительных погрешностей геодезических измерений.

В 1872 г. Международная метрическая комиссия приняла решение об отказе от «естественных» эталонов длины и о принятии архивного метра в качестве исходной меры длины. По нему был изготовлен 31 эталон в виде штриховой меры длины – бруса из сплава Pt(90%) –Ir(10%). Поперечное сечение эталона имеет формуX, придающую ему необходимую прочность на изгиб. Вблизи концов нанесено по 3 штриха. Расстояние между осями средних штрихов определяет при 0 0 С длину метра. Эталон № 6 оказался равным архивному метру. Постановлением 1-й Генеральной конференции по мерам и весам этот эталон, получивший обозначение, был принят в качестве международного прототипа метра.

Прототип метра и две его контрольные копии хранятся в Севре (Франция) в Международном бюро мер и весов. Во всесоюзном научно – исследовательском институте им Д.И. Менделеев (ВНИИМ) в Санкт – Петербурге хранятся две копии № 11 и № 28. международного прототипа метра. При введении метрической системы мер в СССР (1918) государственным эталоном метра была признана копия № 28. международный прототип метра, погрешность которого 1· 10 -7 , и национальные прототипы обеспечивали поддержание единства и точности измерений на необходимом для науки и технике уровне в течение десятков лет.

Однако рост требований к точности линейных измерений и необходимость создания воспроизводимого эталона метра стимулировали исследование по определению метра через длину световой волны. 11-я Генеральная конференция по мерам и весам (1960) приняла новое определение метра, положенное в основу Международной системы единиц (СИ) : «Метр – длина, равная 1630763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2 p 10 b5d 5 атома криптона – 86». Для обеспечения высокой точности воспроизведения метра в международной спецификации строго оговорены условия воспроизведения первичного этапа излучения. Монохроматическое излучение, соответствующее оранжевой линии криптона, создается специальной лампой, заполненной газообразным криптоном – 86. Свечение газа возбуждается генератором высокой частоты 100-200 МГц, во время работы лампу охлаждают до температуры тройной точки азота (63 К). Лампу устанавливают перед интерферометром, на котором измеряют концевые и штриховые меры в длинах световых волн.

Во ВНИИМе создан эталонный интерферометр, позволяющий измерять меры длины до 100 мм со средним квадратическим отклонением, не превышающим 3· 10 -8 .

В 1983 г. на 17-й Генеральной конференции по мерам и весам было принято современное определение метра: «Метр – длина пути, проходимого светом в вакууме 1/ 299792458 долю секунды».

Килограмм – единица массы.

Килограмм равен массе международного прототипа, хранимого в Международном бюро мер и весов.

При создании в 18 в. метрической системы мер килограмм был определен как масса 1 дм 3 воды при температуре ее наибольшей плотности (4 0 С), однако прототип килограмма в 1799 г. был выполнен в виде цилиндрической гири из платины. Масса прототипа килограмма оказалась приблизительно на 0,028 г. больше массы 1 дм 3 воды. В 1889 г. было принято существующее определение килограмма и в качестве международного прототипа килограмма была утверждена гиря со знакомА (готическое К), изготовленная из платиновоиридиевого сплава (10%Ir) и имеющая форму цилиндра диаметром и высотой 39 мм. Из 40 изготовленных копий прототипа две (№12 и №26) были переданы России. Эталон №12 принят в СССР (России) в качестве государственного первичного эталона единицы массы, а №26 – в качестве эталона-копии.

Между массой и весом тел долгое время различий не делали, поэтому килограмм использовался не только как единица массы, но и как единица веса (сила тяжести). Разграничение единиц массы и веса было установлено на 3-й Генеральной конференции по мерам и весам (1901 г.), в резолюции которой было подчеркнуто, что вес тел равен произведению его массы на ускорение свободного падения, и было установлено понятие нормального веса и нормального ускорения свободного падения (980,665 см/сек 2). С этого времени была введена отдельная единица силы и веса – килограмм – сила. Этот же принцип сохранен в Международной системе единиц, в ней для измерения силы принята единица ньютон.

Хотя килограмм не относится к единицам, определяемым через неизменные константы, взятые из природы, то есть его прототип является не воспроизводимым, по точности (относительная погрешность сличения с прототипом не превышают 2· 10 -9). Он удовлетворяет запросам современной науки и техники.

Секунда – единица времени.

На 13-й Генеральной конференции по мерам и весам (1967) принято следующее определение секунды: «Секунда – время, равная 9192631770 периода излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия 133 Cs». Определяемая таким образом секунда называется атомной. Она воспроизводится с помощью цезиевых эталонов частоты и времени, позволяющих определить частоту излучения атомов цезия 133 Csпри переходе между двумя фиксированными энергетическими уровнями.

Наряду с атомной секундой в астрономии и ряде других наук применяется астрономическая секунда, размер которой связан с периодами обращения Земли вокруг Солнца, она определяется на основании астрономических наблюдений. Эта секунда называется эфемеридной. За эфемеридную секунду принята 1/31556925,9747 доля тропического года на 0 января 1900 года в 12 часов эфемериадного времени (т.е. года, начавшегося в полдень 31 декабря 1899г.). Точная дата в определении секунды указывается в связи с тем, что тропический год сам не является постоянным. До введения эфемеридной секунды (1956г.) эталоном времени служила секунда, определяемая как 1/86400 доля средних солнечных суток. Однако она не была достаточно стабильной из-за неравномерности вращения Земли. Введение эфемеридной, а затем атомной секунды позволило на несколько порядков повысить точность воспроизведения атомной секунды цезиевым эталоном составляет около 10 -12 .

Кельвин – единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. До 1968г. именовалась градус Кельвина. Названа в честь английского физика Уильяма Томсона (Кельвина). Применяется как единица Международной практической температурной шкалы.

1 К равен 1 0 Цельсия. 1 0 Цельсия равен 1/100 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, точка таяния льда принята за 0 0 С, кипения воды – за 100 0 С. предложена в 1742 г. шведским астрономом и физиком Андерсом Цельсием.

В 1968 г. Международным комитетом мер и весов была установлена Международная практическая температурная шкала (МПТШ – 68) на основе 11 первичных воспроизводимых температурных точек (от тройной точки равновесного водорода 13,81К до точки затвердевания золота 1337,58К).

Промежуточные точки МПТШ – 68 воспроизводятся по интерполяционным формулам, устанавливающим связь между температурой и термометрическими свойствами приборов, этолонированных по этим точкам.

В диапозоне между 13,81К и 630,74 0 С в качестве эталонного прибора применяют платиновый термометр сопротивления, в диапозоне 630,74 0 С – 1064,43 0 С термопару с электродами платинородий (10%Rh)- платина. Выше 1337,58К (1064,43 0 С) – с помощью закона излучения Планка. В области низких температур от 0,3 до 5,2К определяют по упругости паров жидкого 7 He; еще более низкие – термометрами сопротивления (угольными, германиевыми из сверхпроводящих сплавов и другими) и магнитными методами.

Ампер – единица силы электрического тока. Названа в честь А. Ампера.

С момента введения ампера в качестве единицы силы тока (1881г., 1-й Международный конгресс электриков) его определение претерпело ряд изменений. Вначале ампер был определен как сила тока, который протекает по проводнику сопротивления 1Ом при разности потенциалов на концах проводника в 1В. При этом вольт определятся как 10 8 , а Ом – как 10 9 соответствующих единиц электромагнитной системы СГСМ.

Трудности практического воспроизведения теоретически установленных абсолютных электрических единиц привели к введению международных электрических единиц (1893 г.), основанных на вещественных эталонах. Международный ампер был определен как сила не изменяющегося электрического тока, который, проходя через водный раствор азотокислого серебра, выделяет 1, 11800 мг серебра в 1 сек. Прогресс, достигнутый затем в области электрических измерений, позволил отказаться от вещественного эталона ампера (с 1948г.) В международной системе единиц ампер определяется через механическое взаимодействие двух токов: «Ампер есть сила не изменяющегося тока, который, будучи поддерживаем в двух параллельных прямолинейных проводниках бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенных на расстоянии 1м один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу, равную 2· 10 -7 единицы силы системы МКС на 1м длины». Ампер воспроизводится с помощью так называемых токовых весов, или ампер – весов, которые позволяют с высокой точностью определить силу механического взаимодействия двух катушек с током, а следовательно, и значение силы тока.

Моль – единица количества вещества. Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов (частиц), сколько атомов содержится в нуклиде углерода 12 С массой 0,012 кг (точно), (т.е. 6,022· 10 23). Решением 14-й Генеральной конференции по мерам и весам (1971 г.) моль введен в Международную систему единиц в качестве 7-й основной единицы.

Кандела – единица силы света. Кандела – сила света, испускаемого с площади 1/600 000 м 3 сечения полного излучателя в перпендикулярном этому сечению направлении при температуре, равной температуре затвердевания платины (2042 К) при давлении, равном 101325 Па. Первичный световой эталон единицы силы света – канделы, постоянный и воспроизводимый на основе законов теплового излучения, осуществлен в виде обладающего свойствами абсолютно черного тела так называемого полного излучателя при температуре затвердевание платины: огнеупорна трубочка изThO 2 погружен в металл, разогреваемый токами высокой частоты. Этот световой эталон разработан в США, принят по международному соглашению 1 января 1948 г. и осуществлен в 8 национальных лабораториях.

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».