Время относится к таким вещам, которыми мы пользуемся не задумываясь. «Давай встретимся там-то в такое-то время...» Откуда оно возьмётся? Да кто его знает, договорились и приехали. И не просто приехали, а в место с определёнными координатами. То есть пространство и время связаны теснейшим образом. Эту связь заметили в глубокой древности, и по мере увеличения скорости транспорта время приходилось измерять со всё большей и большей точностью.

Трудно сказать, когда люди придумали календарь. Среди наскальных рисунков в пещерах, где более 30 тыс. лет назад жили кроманьонцы, археологи обнаружили изображения фаз луны. Видимо, уже у столь древних людей зачем-то возникла потребность в лунном календаре.

По мере того как развивались техника, требования к точности отсчёта времени постоянно росли. Испанский король Филипп II (1556—1598 гг.), переживая потерю очередного «золотого» корабля, потребовал придумать прибор, с помощью которого можно было бы определять положение судна в открытом море. Осилить эту задачу удалось только в XVIII веке. После того как из-за навигационной ошибки произошло большое кораблекрушение, английский парламент принял «Билль о долготе» и объявил конкурс на создание хронометра, погрешность которого в условиях морского перехода из Европы в Америку была бы не более нескольких секунд. Победителю был обещан приз 20000 фунтов — целое состояние по тем временам!

К тому времени моряки уже ориентировались по компасу и звёздам, используя секстант (измеритель угла к горизонту, под которым видно Солнце или определённая звезда) и часы, с помощью которых можно было приблизительно прикинуть положение корабля. Но точность расчётов всецело зависела от точности часов, а она была крайне низкой.

К тому же морская качка влияла не только на людей, но и на ход несовершенных часовых механизмов. Было очевидно, что это должны быть часы с маятником, но в условиях морского путешествия больше подходил не привычный груз на длинном подвесе, а вращающийся маятник, как в наручных часах. Именно он стал основой морского хронометра Джона Харрисона — простого корабельного плотника, ставшего победителем конкурса. Его прибор далеко обогнал аналоги по точности хода и легко уложился в жёсткие для того времени требования.

По Солнцу и звёздам ориентировались не только моряки. Поначалу, на заре самолётостроения, лётчики летали только днём и исключительно вдоль дорог. Но со временем появилась необходимость в ночных полётах. Вот тут-то лётчикам и пригодился опыт моряков. Во время Второй мировой войны штурманы бомбардировщиков дальнего действия в условиях полного радиомолчания с помощью морских приборов выводили самолёт на цель с точностью до километра. А дальше пилот уже визуально разыскивал цель. Причём у лётчиков было преимущество перед моряками: в плохую погоду самолёт, в отличие от корабля, мог подняться над облаками.

Но в 50-е годы ХХ века, когда начала развиваться ракетная техника с её огромными скоростями, точности существующих часов для определения координат (как передвижной ракетной установки, так и цели) было уже недостаточно. Для наведения на цель стали использовать радиомаяки, но в этом случае на точность попадания в цель влияла уже не скорость вращения Земли, сравнимая со скоростью звука, а скорость света, который не за секунду, а всего лишь за её стотысячную долю проходит целых 3 километра!

В конце 50-х — начале 60-х, когда Землю уличили в нестабильности, попытались жить по эфемеридному времени; привязали расчёт времени к периоду вращения Земли вокруг Солнца. Но этот вариант оказался очень сложным, и изрядно помучившись, от него отказались.

В 1967 году, когда мириться с погрешностями было уже невозможно, на 13-й Генеральной конференции по мерам и весам было принято новое определение секунды. Продолжительность её осталась практически прежней, но теперь появился достаточно стабильный эталон, по которому можно сверять работу всей техники. Выбор был сделан исходя из многих десятилетий наблюдений и физических опытов. Но, как обычно, в расчёты вкралась маленькая, совсем крошечная погрешность! Своё веское слово добавила и Земля, точнее нестабильность её вращения. В результате разница между астрономическим временем и временем квантовым стала накапливаться, и за период с 1967 года по настоящее время погрешность составила около половины минуты. Полминуты за полвека — казалось бы ерунда! Ну скажите, кто заметит, что Солнце встаёт на 30 секунд позже? Но ведь у моряков по-прежнему случается необходимость рассчитывать своё местонахождение по звёздам, а тут целых 30 секунд, да по полкилометра за каждую! Ошибка в 15 километров в береговой зоне почти наверняка закончится катастрофой!

В мире существуют параллельно два времени: астрономическое и квантовое. Юридически весь мир живёт по системе всемирного координирования времени. То есть квантового времени, которое периодически корректируют на секунду. В этой системе работают все радиостанции, которые передают точное время и эталонные частоты.

Квантовое время (его ещё называют интегральной шкалой времени) фактически не привязано к вращению Земли. На всё той же конференции 1967 года договорились о длительности секунды и о точке отсчёта, которая была совмещена с всемирным временем. И с тех пор часы ведут отсчёт без каких-либо остановок. Останавливать их ни в коем случае нельзя, чтобы не потерять точку отсчёта. То есть подкорректировать время можно, но только на величину, кратную секунде.

Гораздо привередливее к точности отсчёта времени навигатор, который сейчас можно увидеть не только во многих автомобилях. Навигатор определяет наше местоположение с очень высокой точностью.

История появления секунды

Для отсчёта времени самая удобная и очевидная единица — день. Но по мере развития и усложнения хозяйства часто были нужны более мелкие единицы. Когда в Древнем Египте изобрели солнечные часы (XIII век до н. э.), путь тени просто поделили на промежутки: на две части, затем каждую на три, немного подумали и поделили ещё раз каждую пополам. Так получилось двенадцать частей — часов. У большинства древних народов день начинался с рассвета, а ночь поначалу вообще в расчёт не принимали как непригодное для работы время. Поэтому на 12 равных частей делили только светлое время суток.

По мере совершенствования охраны городов и посёлков не только день, но и ночь стали делить на равные периоды патрулирования — стражи. Например, в Древнем Египте, в Древней Греции и в Древнем Риме и день, и ночь делили на четыре стражи.

Секунда в ГЛОНАСС

В систему ГЛОНАСС входит определённое количество наземных станций, которые обеспечивают расчёт движения спутников и контроль над показаниями часов, установленных на них. На орбите находятся 24 рабочих спутника и несколько запасных. При этом каждый спутник оборудован несколькими запасными часами. Все эти часы работают одновременно, чтобы в случае выхода из строя основных система могла, незаметно для потребителя и без ущерба для точности, переключиться на одни из запасных. Именно таким образом гарантируется бесперебойная работа каждого спутника.

Систему ГЛОНАСС поддерживает и обслуживает Министерство обороны РФ. Оно же и управляет этой системой. А контроль над временем осуществляет ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений» (ВНИИФТРИ), в ведении которого находится эталон времени. Между институтом и контрольным центром ГЛОНАСС есть каналы сличения, благодаря которым обе организации постоянно получают информацию о разнице во времени. Точно так построена и GPS. Только там опорной системой служит Военно-морская обсерватория в Washington DC в округе Columbia, а синхронизатор расположен в Colorado.

GPS имеет восемь контрольных станций в экваториальной зоне по всему миру, в то время как контрольные станции ГЛОНАСС расположены только на территории нашей страны.

В настоящее время ГЛОНАСС и GPS вполне сопоставимы с точки зрения точности системы. И если ГЛОНАСС ещё немного уступает, то это уже совсем не то, что было 15—20 лет назад.

Часы, которые точнее хронометра

Маятниковые часы, хорошо знакомые нам, независимо друг от друга изобрели в XVII веке Галилео Галилей и Христиан Гюйгенс. А Уильям Гамильтон Шорт в 1921 году довёл эту конструкцию до совершенства.

Советская Россия также приобрела в 20-е годы такие часы для Пулковской обсерватории — за границей, за немалые деньги. И естественно, была поставлена задача сделать прибор лучше заграничного. Единственное требование — разбирать купленные часы было нельзя, иначе изготовитель снимал с себя всю ответственность за их работу. А тут уже и до статьи о вредительстве было недалеко.

Только в 50-х с этой задачей справился Феодосий Михайлович Федченко. Изучая работы Христиана Гюйгенса, он понял, что траектория маятника должна быть более сложной, чем в обычных ходиках: он должен двигаться приблизительно как точка на ободе колеса, катящегося по дороге. Пять лет учёный бился, подбирая жёсткость пружин и конфигурацию подвеса. И когда он был уже близок к отчаянию, сработал человеческий фактор: после очередной разборки часов слесарь плохо затянул крепёж пружин и маятник наконец-то пошёл по «правильной» траектории! Часы работали безукоризненно! Но для доведения конструкции до ума понадобилось ещё без малого 20 лет.

Часы Федченко АЧФ-3 получились надёжнее, а главное, точнее часов Шорта. Их демонстрировали на ВДНХ и Всемирной выставке в Монреале. Благодаря простоте и дешевизне, эти часы установили в обсерватории и аэропорты, где многие из них работают до сих пор.

Но на улице были уже 70-е, когда эталоном уже не первый год были намного более точные квантовые часы. Этот прибор не имеет ничего общего ни с маятниковыми часами, ни со старым с добрым хронометром. У него нет ни циферблата, ни группы цифр. О том, что часы работают, можно определить только по мигающей на панели лампочке.

Во ВНИИФТРИ находятся девять лучших в мире квантовых часов. Их изготавливают на заказ в Нижнем Новгороде. Сложность их изготовления такова, что на изготовление одних часов уходит 18 месяцев.

Чтобы квантовые часы могли работать с необходимой точностью, в комнатах, где они установлены, поддерживается постоянная температура 21°C с точностью ±0,1°C, а влажность — с точностью ±5%. Заходить в помещение, где они стоят, нельзя.

Поскольку все девять часов работают одновременно, необходимо как-то усреднять их показания. Для этого на специальный сервер подаются сигналы от всех часов, а также сигнал соответствующий расчётной шкалы времени. Этот сигнал подаёт прибор, который вычисляет его по вчерашним показаниям часов с точностью 1 • 10^—6 с. Получаемый на выходе сервера сигнал предназначен для бытового употребления и используется радио и телевидением как сигнал точного времени.

Камертон для квантовых часов

При проверке квантовых часов используется цезиевый репер частоты фонтанного типа, который в соответствии с требованиями 13-й Генеральной конференции по мерам и весам 1967 года является эталоном секунды. Таких установок в мире немного: в Германии и Франции по две, в России, Великобритании, Италии и США по одной. Наш прибор находится в ВНИИФТРИ.

Чтобы показания всех часов в мире не расползались в разные стороны, создана Мировая опорная система, которую формирует отделение времени и частоты международного бюро мер и весов. Она служит общепринятым эталоном для всего мира, и под её контролем находится около четырёхсот часов по всему миру. Специалисты ВНИИФТРИ ежедневно посылают им данные по работе своих часов и цезиевым реперам частоты.

Часовые пояса

Земля поделена на 24 часовых пояса. Но делить земной шар строго геометрически неудобно. Чтобы не переводить часы каждый раз, заехав в другой район города или перейдя на другую сторону улицы, ввели такое понятие как часовая зона. Страны сами устанавливают границы часовых зон на своей территории. Единственное и неоспоримое требование: время должно устанавливаться по эталону, который связан с всемирной системой, а все изменения должны быть кратны часу.

Борис Дахновский

(фото редакции)