Эталон секунды в мире. Неравномерность вращения Земли. Новый эталон времени - атомные часы

Эталон единицы массы

На I Генеральной конференции по мерам и весам в 1889 году, утвердившей международные прототипы метра и килограмма, кроме двух эталонов метра, Россия получила два эталона килограмма(№12 и №26), который представлял собой гирю из сплава платины и иридия. Созданный одновременно с платино-иридиевым эталоном метра, прототип килограмма с аналогичными ему копиями до настоящего времени является носителем и воплощением единицы массы СИ – килограмма. Определение килограмма: «килограмм – единица массы – равен массе международного эталона килограмма».

В состав государственного эталона входят:

1. Копия международного прототипа килограмма – платино-иридиевая гиря, в виде прямого цилиндра с закругленными ребрами диаметром и высотой 39 мм, носящая знак №12

2. Равноплечие призменные весы №1 и №2 на 1 кг с дистанционным управлением, служащие для передачи размера единицы массы вторичным эталонам.

Эталон хранится на кварцевой подставке под двумя стеклянными колпаками в стальном шкафу, помещенном в хранилище эталонов, при атмосферном давлении, температуре 20 0 С и относительной влажности воздуха 65%. Чтобы предотвратить износ эталона, с ним сличают только два эталона-копии один раз в десять лет. Размер единицы массы от первичного эталона к рабочим передается с помощью эталонов-копий.

Определение единицы временипретерпело наибольшее изменение. Первоначально, за единицу времени – секунду принимали 1/86400 средних солнечных суток. Это определение секунды было связано с вращением Земли вокруг своей оси, которое, как обнаружили позднее, происходит неравномерно. Затем в основу определения единицы времени положили период вращения Земли вокруг Солнца – тропический год. Размер секунды был определен как 1/31556925,9747 часть тропического года. Но поскольку тропический год тоже изменяется, то в 1960 году для определения секунды был принят тропический год, отнесенный к определенному моменту времени: 12 часов 31 декабря 1899 года..

В 1967 году XIII Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение секунды, основанное на физическом явлении, которое позволяет более точно и стабильно воспроизводить ее размер. «Секунда – 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133».

В соответствии с определением единицы времени ее воспроизведение осуществляется атомно-лучевыми часами, блок-схема которых показана на рис.2.3.

Рис.2.3. Блок-схема цезиевых часов.

Электромагнитные колебания кварцевого генератора умножаются до частоты спектральной линии цезия. В резонаторе атомно-лучевой трубки энергия высокочастотных колебаний поглощается атомами цезия. При отклонении частоты кварцевого генератора от номинального значения интенсивность переходов атомов цезия и, следовательно, плотность пучка на выходе трубки резко сокращается. Блок авторегулирования, связанный с трубкой, вырабатывает сигнал, возвращающий частоты кварцевого генератора к номинальному значению.

Погрешность вопроизведения частоты цезиевыми часами составляет 10 -12 с -1 .

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.

Измерения времени и частоты колебаний тесно связаны друг с другом, и их единица воспроизводится одним и тем же эталоном. Астрономические шкалы времени базируются на явлениях вращения Земли вокруг собственной оси и обращения Земли вокруг Солнца по слегка эллиптической орбите. Однако такие шкалы не могут быть достаточно точными т. к. параметры движения небесных тел не постоянны.

В 1967 г. XIII Генеральная конференция по мерам и весам постановила, что квантовый переход между линиями сверхтонкой структуры атома 133 Cs, а именно невозмущенный внеш­ними полями переход F = 4, m F = 0 «F = 3; m F = 0 основного состояния 2 S 1/2 , дает частоту 9,192631770 ГГц точно. Тем самым определяется, и единица вре­мени - секунда - как интервал времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 колебаний излучения при этом переходе.

Ядро атома цезия, обладающее магнитным моментом (спин I=7/2), взаимо­действует с магнитным моментом валентного электрона (спин I=1/2). Это и приводит к расщеплению основного электронного уровня атома на ряд под­уровней т. е. к образованию так называемой сверхтонкой структуры. Частоты, соответствующие переходам между уровнями сверхтонкой структуры, попадают в диапазон радиочастот. Очень важно, что энергия перехода между уровнями сверхтонкой структуры, а стало быть, и соответствующая частота, очень мало зависят от внешних магнитных полей.

В эталонах удается настолько снизить напряженность внешних магнитных полей, что смещение частоты, соответствующей используемому переходу, со­ставляет всего 10 -12 от частоты при полном отсутствии внешних магнитных полей. От других параметров (электрического поля, давления, плотности пучка и т. п.) частота перехода зависит еще меньше.

На рис. приведена схема цезиевого атомно-лучевого эталона времени и частоты.

Источник 1 атомного пучка представляет собой контейнер из металла, стойкого по отношению к щелочам. В стенке контейнера имеются каналы, фор­мирующие пучок. Температура источника 100 ¸ 150°С. Магниты 2 служат для сортировки атомов пучка по состояниям сверхтонкой структуры: выделяются атомы, находящиеся в состояниях F = 3, m F =0 и F =4, m F = 0.

К резонаторам 3 подводится сверхвысокочастотный сигнал, частоту кото­рого можно в некоторых пределах изменять около значения 9192631770 Гц. В результате действия этого сигнала, выделенные атомы переходят из состоя­ния F = 3, m F =0 в состояние F =4, m F = 0 или обратно. Второй сортирующий маг­нит выделяет из пучка только те атомы, которые перешли из одного состояния в другое в результате взаимодействия сполем сигнала. Атомы, совершившие переход, попадают в приемник 4 и регистрируются индикатором 5.

Если частота подводимого сигнала точно соответствует частоте перехода, то показания индикатора максимальны. Если же частота сигнала отличается от частоты перехода, то показания индикатора резко уменьшаются. Это и слу­жит основой стабилизации частоты. Частота сигнала, соответствующая максимальным показаниям индикатора, принимается за 9192631770 Гц.

Все узлы установки помещены в камеру, в которой поддерживается высо­кий вакуум.

Стабильность эталона с атомным пучком цезия равна 10 -11 , в настоящее время их используют службы времени и частоты.

Принцип работы водородных генераторов (на атомарном водороде) осно­ван на использовании квантового перехода между состояниями F = 1, m F = 0 и F = 0, m F = 0 в сверхтонкой структуре основного состояния атомовводородачастота которого при отсутствии внешних воздействий постоянна и равна 1420405751,8 Гц.

Схема и принцип действия водородного генератора изображены на рис.

Атомы водорода получаются в источнике 1, представляющем собой стек­лянную трубку, где происходит диссоциация молекул водорода под действием высокочастотного электрического разряда. Пучок атомов водорода выходит из источника через коллиматор, обеспечивающий его направленность, и попадает в поле шестиполюсного аксиального магнита 2. В сильном неоднородном поле, создаваемом этим магнитом, происходит пространственная сортировка атомов в пучке, так что атомы, находящиеся на уровне F = 1, m F = 0, фокусируются на вход накопительной ячейки 3, которая расположена внутри высокодобротного объемного резонатора 4, настроенного на частоту используемого перехода.

Конструкция ячейки такова, что атомы находятся в резонаторе около секун­ды. Ее стенки покрыты фторопластом, в результате чего даже при более чем 10 5 соударениях атома водорода со стенкой его энергетическое состояние не меняется.

Взаимодействие возбужденных атомов с высокочастотным полем резонато­ра в течение секунды повышает вероятность их перехода в нижнее энергетиче­ское состояние и вызывает самовозбуждение генератора, а также увеличивает добротность линии излучения и соответственно стабильность частоты генератора.

Для уменьшения влияния внешних магнитных полей на частоту водородно­го генератора резонатор помещают в многослойный экран 5.

В Государственном первичном эталоне времени и частоты используются квантовые меры, в которых за опорную принимается частота, соответствующая частоте энергетического перехода в атомах или молекулах выбранного вещест­ва. Квантовые меры подразделяются на реперы и хранители. Они различаются тем, что реперы включаются эпизодически с целью осуществления поверок и регулировок средств измерения частоты, а хранители (часы) работают непре­рывно и для них определяется значение фазы выходного сигнала относительно некоторого начального момента. Таким образом, квантовые меры частоты (ре­перы) обеспечивают воспроизведение единицы времени и частоты, а квантовые часы (хранители времени) служат для воспроизведения шкал времени ТА (SU) и UTC(SU).

В состав Государственного первичного эталона входят: цезиевый репер; цезиевые часы; водородные реперы и часы; рубидиевые часы (квантовый гене­ратор на рубидии с оптической накачкой); аппаратура внутренних и внешних сличений эталонов и аппаратура средств обеспечения.

Цезиевый репер, входящий в состав эталона, включается два раза в месяц, и с его помощью определяют частоту рубидиевых часов, отличающихся высокой кратковременной стабильностью (порядка 1*10 -13 -2*10 -13 в течение 1¸10 с, за сутки приблизительно на два порядка хуже). Одновременно путем сравнения с частотой рубидиевых часов, определяют частоту водородных реперов. После этого в течение полумесяца с ними сравнивают основные хранители эталона - водородные и цезиевые часы.

Государственный первичный эталон времени и частоты обеспечивает воспроизведение единиц с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не большим 1 * 10 -13 , при неисключенной относительной систематической погрешности, не превышающей 1*10 -12 .

1.2. Классификация способов и методов измерений.

По способу получения результатов измерения (виду уравнения измерения) различают прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения.

Прямыми измерениями называют такие, при которых значение физической величины находят непосредственно из опытных данных (уравнение Q = X). Пример: измерение тока с помощью амперметра.

Косвенные измерения - такие, при которых искомое значение физической величины Y находят на основании известной зависи­мости между этой величиной и величинами X 1 , X 2 ,….X n подвергаемыми прямым измерениям. Y= f(X 1 , X 2 ,….X n). Пример: измерение мощности методом амперметра, вольтметра. P = U*I.

Совокупными измерениями называют измерения, производимые одновременно для нескольких одноименных величин, при которых искомую величину находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

Пример: измерение индуктивности катушки и межвитковой ёмкос­ти.

Совместными измерениями называют проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноимённых величин для нахождения зависимости между ними.

Пример: определение температурного коэффициента сопротивление резистора.

Принцип измерений - совокупность физических явлений, на которых основаны измерения. Пример: измерение напряжения на основе электро­статического взаимодействия заряжённых проводников.

Метод измерений - совокупность приёмов, используемых принци­пов и средств измерения. Различают два основных метода измерений: непосредственной оценки и сравнения с мерой.

Метод непосредственной оценки - метод измерений, в котором значение физической величины определяют непосредственно по отсчётному устройству измерительного прибора прямого действия.

Методы сравнения с мерой - методы измерений, в которых измеряемую величину находят, сравнивая с величиной, воспроизводимой мерой. Пример: измерение напряжения постоянного тока на компенсаторе сравнением с Э.Д.С. нормального элемента. В методе сравнения с мерой можно выделить следующие разновидности:

а) Метод противопоставления, - в котором измеряемая величина и величина воспроизводимая мерой одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величи­нами. Пример: измерение частоты на осциллографе с помощью фигур Лиссажу.

б) Нулевой метод – разновидность метода сравнения, в которой результирующий эффект воздействия на прибор сравнения доводят до нуля.

в) Метод дифференциальный , в котором на измерительный прибор (не обязательно прибор сравнения) действует разность измеряемой величины и величины воспроизводимой мерой. Пример: измерение электрического сопротивления мостом с не­полным его уравновешиванием.

г) Метод замещения, - в котором измеряемую величину замещают в измерительной установке известной величиной, воспроизводимой мерой, Пример: измерение амплитуды напряжения на осциллографе, имею­щем калибратор напряжения.

д) Метод совпадения - о значении разности измеряемой величины и величины воспроизводимой мерой судят по совпадению отметок шкал или периодических сигналов. На этом методе основана работа многих циф­ровых измерительных приборов, стробоскопа, нониусной шкалы.

1.3. Элементы теории погрешностей

В зависимости от характера проявления, причин возникновения, а также способов учёта или исключения все погрешности измерений можно разделить на три группы:

1) случайные;

2) систематические;

3) Грубые погрешности и промахи.

Случайной погрешностью называется составляющая погрешности измерений, изменяющаяся случайно при повторных измерениях одной и той же величины. Причины их возникновения и закономерности неиз­вестны или их невозможно учесть. Эти погрешности обусловлены случайными факторами.

Систематической погрешностью измерений называется составля­ющая погрешности, остающаяся постоянной или закономерно изменяю­щаяся при повторных измерениях одной и той же величины. Эти погрешности обусловлены факторами, которые в процессе измерений остаются постоянными или изменяются по определённому закону. Их можно учесть или исключить из результатов измерений.

Грубые погрешности - погрешности измерения, существенно превышающие ожидаемые при данных условиях. Они возникают под влиянием неожиданно сильного проявления одного из случайных факторов. Промахи связаны с неверными действиями оператора.

По причине возникновения погрешности можно разделить на ин­струментальные, погрешности установок, внешних влияний, методичес­кие, субъективные.

Инструментальные погрешности - обусловленны несовершенством инструментальных средств. Пример: погрешность из-за неточности нанесения делений на отсчетную шкалу, погрешность из-за люфтов и износа деталей.

Погрешность установок - возникает при работе приборов в неправильном положении или из–за несогласованности характеристик прибо­ров, составляющих измерительную установку.

Погрешности внешних влияний появляются в связи с тем, что на работу прибора или количество меры могут оказать влияние темпе­ратура окружающей среды, влажность, давление, вибрация, воздушные потоки, электрические и магнитные поля

Методические (теоретические) погрешности возникают вследствие недостаточной разработки теории метода измерения, а также от упро­щений, допускаемых при проведении измерений. Пример: Подключение вольтметра с недостаточной чувствительностью (малым внутренним сопротивле­нием) может существенно изменить распределение токов и напряжений в исследуемой схеме.

Субъективные (личные) погрешности обусловлены индивидуальны­ми особенностями оператора (слухом, зрением и т.д.).

Случайные погрешности

Причин, вызывающих погрешности, может быть много, а влияние каждой из них мало и изменчиво. В этом случае величина погрешности является случайной. Устранить случайные погрешности невозможно, но существуют методы их оценки, основанные на теории вероятности и математической статистике. Задача оценки погрешности результата измерения состоит в том, чтобы охарактеризовать неопределённость полученного результата, т.е. указать границы изменения погрешности результата измерения при повторных измерениях. Наиболее полной ха­рактеристикой случайной погрешности, как и любой случайной величины, яв­ляется закон распределения их вероятностей, определяющий возможные значения случайной погрешности и вероятность их появления

В большинстве физических измерений случайные погрешности подчиняются закону нормального распределения - закону Гаусса .

Случайную погрешность DX i i -го результата измерении можно представить как разность между результатом измерения и мате­матическим ожиданием М[Х] измеряемой величины, которое при отсутствии систематических погрешностей принимается за истинное значение измеряемой величины.

"Часы, употребляемые астрономами, суть не что иное, как совокупность всей солнечной системы".

Э. Борель

Часы - вращающаяся вокруг своей оси Земля

Измерить какую-либо величину - значит сравнить ее с другой, однородной ей величиной, принятой за единицу, и найти численное отношение между ними. Например, длину куска материи сравнивают с длиной метра, длительность человеческой жизни - с длительностью года, а результаты выражают именованными числами, например: 3,5 м, 21 год. Любое измерение требует существования соответствующей единицы измерения, т. е. той величины, с которой производится сравнение. Для проведения измерений пользуются мерами, содержащими определенное число выбранных единиц измерения; например, при измерении длины - линейками; при измерении веса - гирями; при измерении времени - часами, в которых каждое качание маятника соответствует определенному промежутку времени.

Во избежание искажений результатов измерений уже давно посчитали целесообразным иметь эталон - образцовую меру, с которой сравниваются все остальные. Разумеется, и единица и эталон должны обладать полной определенностью, постоянством, удобными размерами и воспроизводимостью в случае утраты. Выполнить все эти требования по отношению к эталону времени оказалось чрезвычайно трудно. Мы сейчас расскажем о том, в чем заключались эти трудности и как ученые их преодолевали.

В древности у различных народов в качестве единицы измерения больших отрезков времени служили промежутки от одной жатвы до другой, от одного периода дождей до другого. Некоторые народы отмеряли свой год по первому снегу, другие по появлению над их горизонтом определенных созвездий и звезд. В ясную ночь на небосводе видно множество звезд. Многие из них образуют отдельные группы. Древние греки увидели в них изображения людей, животных, предметов... и населили небосвод Орионом и Геркулесом, Близнецами, Весами и т. д. Не только компоновка созвездий, но и эти причудливые их названия сохранились до нашего времени. В древности считали, что Земля неподвижна, а Солнце и звезды вращаются вокруг нее. В результате реального годичного движения Земли вокруг Солнца видимое положение звезд каждую ночь смещается, а Солнце представляется постепенно перемещающимся по небосводу от одной группы звезд к другой. Таким образом, за год Солнце обходит двенадцать созвездий - Козерога, Водолея, Рыб, Овна, Тельца, Близнецов, Рака, Льва, Деву, Весы, Скорпиона и Стрельца. Эти знаки зодиака уже давно стали символом течения времени.

Естественной мерой промежутков времени, более коротких, чем год, издавна были сутки. Длительность суток можно отмерять различными способами, например, наблюдая Солнце или звезды. Истинными солнечными сутками называют промежуток времени между двумя верхними положениями (кульминациями) центра видимого диска Солнца. Звездными сутками называют промежуток "времени между двумя последовательными и одинаковыми видимыми положениями звезд. Для определенности секунда была привязана к истинным солнечным суткам и определена как 1/86 400 их часть.

Имеет ли эта единица определенность? Да, и совершенно достаточную. Постоянство? Увы, нет, или, во всяком случае, постоянство совершенно недостаточное, и в этом ученые убедились уже давно. Сравнение моментов времени, определенных из астрономических измерений с астрономическими часами, показало, что длительность истинных солнечных суток все время меняется. В январе-феврале "часы - вращающаяся вокруг своей оси Земля" - отстают от астрономических маятниковых часов примерно на секунду в сутки, в мае обгоняют их, в июле - августе снова отстают, а осенью, в октябре - ноябре, снова обгоняют.

Какова причина этой неравномерности? Какие сутки выбрать в качестве эталонных: весенние или осенние?

Положение, в которое попали астрономы, несколько напоминает то, в котором оказался один путешественник, когда он захотел измерить длину пойманной им змеи-анаконды. Объект измерения - живая змея - не желал оставаться неподвижным к сохранять свою длину неизменной. Напротив, великолепная анаконда то свивалась в кольца, то растягивалась и откровенно норовила удрать. Десять с лишним людей прижали ее руками и коленями к земле, но она продолжала извиваться. Прикладывая к ней ленту своей рулетки, путешественник, конечно, и не думал о том, что длина ленты тоже не совсем постоянна и может меняться от натяжения, погоды и времени. В данном случае он был прав. Не потому, что длина этой ленты действительно была неизменной, а потому, что для тех измерений, которые он производил, погрешности, связанные с изменением ее длины на доли миллиметра, были пренебрежимо малы.

Теперь представим себе такую парадоксальную ситуацию: путешественник потерял свою рулетку и в качестве эталона длины применяет... живую анаконду. Когда он прикладывает ее к объектам измерения, то она извивается и меняет свои размеры. К тому же с течением времени она растет.

Увы, эталон времени, построенный на суточном вращении Земли, немного похож на анаконду. Правда, змея меняет свои размеры на несколько процентов, а длительность суток меняется лишь на доли процента, но и требования в этих случаях различные. Путешественника вполне устраивало определение длины анаконды с точностью до нескольких сантиметров или даже десятка сантиметров. Для современных ученых в целом ряде случаев ошибка в определении времени даже на доли секунды является недопустимо большой.

Поиски лучшего эталона времени

Для того чтобы улучшить эталон времени, надлежало прежде всего разобраться в причинах его "змеиного" поведения, т. е. причинах неравномерности вращения Земли. Одна из них заключается в том, что орбита Земли представляет собой не круг, а эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце. Вследствие этого Земля оказывается то ближе к Солнцу, то дальше от него и соответственно движется то быстрее, то медленнее. Поэтому только солнечные часы точно показывают солнечное время. Ни одни механические часы не в состоянии точно следовать за этими неравномерными изменениями.

Трудности, связанные с использованием в качестве эталона длительности истинных солнечных суток, астрономам были ясны. Поэтому некоторые из них этот вопрос тщательно изучали и выдвигали различные предложения об улучшении эталона времени. В конце концов астрономы решили, что лучше всего пользоваться средними солнечными сутками, или "средним Солнцем", При этом среднее Солнце условно представляется движущимся по небосводу совершенно равномерно в течение всего года.

Скорость движения Земли по ее эллиптической орбите описывается вторым законом Кеплера, и таким образом связь между средним и истинным солнечным временем может быть точно рассчитана.

Для того чтобы при астрономических вычислениях можно было в любой момент перейти от среднего к истинному солнечному времени, составляется уравнение времени, дающее величину добавки в минутах, которую нужно алгебраически сложить со средним солнечным временем, чтобы получить истинное.

Уравнение времени составляется в виде таблиц или графика (рис. 28), позволяющих легко производить нужный пересчет. В уравнении времени положительная поправка достигает наибольшей величины (+ 14,5 минуты) около середины февраля, отрицательная (- 16,3 минуты) - около начала ноября. Четыре раза в год - 15 апреля, 14 июня, 1 сентября и 24 декабря - поправка обращается в нуль, т. е. среднее солнечное время совпадает с истинным.

Переход от секунды, основанной на часах "вращающаяся вокруг своей оси Земля", к секунде, привязанной к часам "Земля, вращающаяся вокруг Солнца", был соответствующим образом узаконен. В 1956 г. Международным Комитетом мер и весов была принята следующая резолюция: "В силу полномочий, полученных от десятой Генеральной конференции по мерам и весам в ее резолюции № 5, Международный комитет мер и весов... решает: секунда есть часть 1/31556925,9747 тропического года для 1900 г. января 0 в 12 часов эфемеридного времени". *

* (Г. Д. Бурдун, Единицы физических величин, Изд. Комитета стандартов, М, 1967. )

Напомним, что тропическим годом называют промежуток времени между двумя последовательными прохождениями центра Солнца через точку весеннего равноденствия. Указание на эфемеридное время говорит о том, что длительность года следует определять из наблюдений Луны и планет, так как такие измерения точнее определений моментов времени по Солнцу и звездам. Ссылка на определенную дату года, принятого за основу при определении эталонной секунды, учитывает непостоянство длительности тропического года.

Неравномерность вращения Земли

Довольно скоро ученым стало ясно, что введением "среднего Солнца" ошибки в измерении времени были значительно уменьшены, но вовсе не устранены полностью. Между тем, если эталон, т.е. образцовая мера, с которой сравниваются все остальные, сам не постоянен, то результаты измерений вообще теряют определенность. Естественно, что ученые деятельно занялись изучением и уточнением всех неравномерностей вращения Земли и поисками их причин. В этом отношении им многое уже удалось сделать, в особенности в последнее время, когда службы времени оснащены молекулярными и атомными астрономическими часами высокой точности.

В настоящее время известны три вида изменений угловой скорости вращения Земли вокруг своей оси: 1) вековое постепенное замедление, 2) периодические сезонные изменения продолжительности суток и 3) непериодические (скачкообразные) изменения скорости вращения Земли.

Основной причиной векового замедления вращения Земли вокруг своей оси является приливное трение. По У. Манку и Г. Макдональду при этом имеет место следующая ситуация: "Если океан обладает конечной вязкостью или если Земля не ведет себя как абсолютно твердое тело, то лунный и солнечный приливы сдвигаются по фазе. Максимум подъема или опускания воды в данном месте запаздывает во времени относительно времени прохождения Луны (или Солнца) через местный меридиан. Гравитационное притяжение выпуклостей асимметрично относительно линии центров и приводит к появлению момента, тормозящего вращение Земли".

Это постепенное (вековое) уменьшение скорости вращения Земли было исследовано путем сопоставления данных о солнечных затмениях, происходивших в древности, с соответствующими значениями места и времени этих же затмений, вычисленными в наше время. Правда, таких данных осталось от древности не очень много и точность их невелика, однако с их помощью все же удалось выяснить величину векового замедления вращения Земли. Спенсер Джонс показал, что в течение последних 2000 лет замедление составляло 0,0023 сек за каждые сто лет, а за последние 250 лет - 0,0014 сек за 100 лет. Таким образом, само это замедление тоже непостоянно.

Периодические (сезонные) изменения угловой скорости вращения Земли изучены рядом ученых путем сопоставления моментов времени, полученных из астрономических измерений, с отметками времени, даваемыми астрономическими часами. Чтобы по возможности повысить точность измерений и исключить систематические ошибки, обязанные тому или другому экземпляру часов, на каждой обсерватории, ведущей службу времени, метки времени получают от группы астрономических часов как среднее значение из их показаний. Желая еще более повысить точность и достоверность анализа сезонной нерегулярности вращения Земли, Н. Н. Парийский сопоставил данные различных служб времени и за разные периоды времени. Указанные исследования показали, что сезонная нерегулярность вращения Земли вокруг своей оси имеет годичный период и достигает около 0,001 сек.

Причину сезонной нерегулярности вращения Земли различные ученые связывают с влиянием свободной нутации вследствие трехосности земного эллипсоида, сезонным перераспределением давления на поверхности Земли, приливными деформациями полугодичного периода, сезонными изменениями снегового покрова Антарктиды.

Непериодические (скачкообразные) изменения скорости вращения Земли были открыты по наблюдениям нерегулярностей движения Луны (С. Ньюкомб и Э. Браун) и нерегулярностей движения планет и Солнца (В. де-Ситтер и Г. С. Джонсон). Довольно хорошее совпадение этих нерегулярностей между собой привело ученых к выводу о том, что находящийся на Земле наблюдатель обнаруживает такой эффект лишь потому, что на самом деле имеют место соответствующие нерегулярности вращения Земли. Отмечены скачкообразные изменения скорости вращения Земли, доходящие до 0,0034 сек.

Использовав данные астрономических измерений за последние несколько сот лет, астрономы провели сравнение эфемеридного времени (основанного на измерении положений Луны и планет) с временем, которое показывают часы - вращающаяся Земля. График рис. 29 представляет результаты этих исследований и довольно наглядно демонстрирует, сколь причудливо изменялась угловая скорость вращения Земли за последние столетия.

В 1952 г. Е. А. Холмберг предложил чрезвычайно интересную гипотезу, согласно которой нынешняя продолжительность земных суток установилась в результате совместного действия океанских и атмосферных приливов. Об океанских приливах мы уже говорили. Природа атмосферных приливов заключается в следующем! Солнце, действуя на атмосферу Земли, вызывает изменение барометрического давления. При суточном вращении Земли зона измененного давления обходит вокруг всего земного шара. При этом над каждой данной точкой Земли максимум давления атмосферы наступает на два часа раньше прохождения через меридиан Солнца или антисолнца. Поэтому эти зоны измененного давления или атмосферные приливы вызывают ускорение вращения Земли.

Океанские приливы замедляют вращение Земли, а атмосферные ускоряют. Между этими двумя парами сил устанавливается нежесткое динамическое равновесие и в различные геологические эпохи имеют место уклонения от него в различные стороны. В настоящее время продолжительность суток несколько велика для равновесия и океанский замедляющий момент сил превосходит ускоряющий атмосферный момент, так что в общем вращение Земли замедляется.

Новый эталон времени - атомные часы

Проследив попытки ученых улучшить эталон времени "часы - вращающаяся Земля", можно увидеть, как, учитывая различные факторы, астрономы неоднократно его подправляли и наряду с этим вскрывали всё новые и еще более тонкие его неравномерности. От истинных солнечных суток они перешли к тропическому году и средним солнечным суткам, затем учли сезонные неравномерности вращения Земли, ввели определение моментов по эфемеридному времени и т. д. Между тем этот эталон времени оставался по-прежнему извивающейся змеей анакондой.

Можно ли вообще отказаться от эталона "часы - вращающаяся Земля" и использовать для этой цели какой-нибудь другой тип часов?

При ответе на этот вопрос нужно учесть, что, если для хранения времени важна стабильность работы часов, то от эталона времени наряду со стабильностью требуется еще и хорошая воспроизводимость в случае утраты. До тех пор пока нас удовлетворяла в качестве эталона времени вращающаяся вокруг своей оси Земля или Земля, вращающаяся вокруг Солнца, вопрос о воспроизводимости в случае утраты не был актуальным. Не потому, что эти системы вечные, а потому, что при их крушении не останется и нас.

Как только поднимается вопрос об использовании в качестве эталона времени часов, сделанных человеком (какой бы процесс ни лежал в их основе), т. е. использовании прибора, оказывается необходимым считаться с возможностью порчи или утраты такого устройства. Таким образом, эталон времени должен обладать не только достаточной точностью, но и достаточной воспроизводимостью.

Для наглядности рассмотрим, в какой мере этим требованиям удовлетворяют все известные нам типы часов.

Песочные, водяные, огненные часы древнего мира дают погрешность порядка десятков минут в сутки и являются слишком грубыми для того, чтобы служить эталонами времени. К тому же в случае утраты данного образца таких часов совершенно безнадежно пытаться точно его воспроизвести. Небольшого изменения ширины горла песочных часов или качества песка достаточно для существенного изменения показаний этих часов. Так же обстоит дело и с огненными и водяными часами: небольшого изменения их размеров достаточно для того, чтобы значительно изменить их показания.

Колесные часы с их громоздкими деталями дают погрешность в несколько минут в сутки- Ход этих часов зависит от размера и веса деталей, трения, смазки и т. д. Ни в отношении точности, ни в отношении воспроизводимости они не годятся для того, чтобы служить эталоном времени.

Погрешность показаний современных астрономических маятниковых и кварцевых часов составляет всего тысячные и десятитысячные доли секунды в сутки. Но требования к точности измерения времени настолько возросли, что для нас при решении некоторых научных и технических задач ошибки современных астрономических часов на тысячные доли секунды в сутки, вероятно, более неудобны и неприятны, чем ошибки в несколько минут для древних.

Кроме того, в случае утраты данного образца маятниковых или кварцевых астрономических часов совершенно безнадежно даже по самым точным чертежам пытаться сделать другие, точно сходные с первыми. Ничтожно малого различия в длине маятника или размерах кварцевой пластинки или даже небольшой неоднородности материалов, из которых они сделаны, достаточно для того, чтобы получилось различие в ходе часов. Дело при этом осложняется еще и тем, что с течением времени детали часов срабатываются, стареют.

Таким образом, ни грубые песочные часы, ни самые лучшие астрономические маятниковые и кварцевые часы вследствие недостаточной точности и невозможности их точного воспроизведения не годятся в качестве первичных эталонов времени.

Уже давно стало ясно, сколь многообещающим в отношении точности и воспроизводимости может быть применение в измерительной технике атомных процессов. Когда огромные заводы выпускают стандартную продукцию: автомобили, часы и т. д., то по внешнему виду кажется, что все автомобили одной серии, все часы одного типа точно одинаковы между собой, но это только так кажется. Из десятков тысяч однотипных автомобилей каждый чем-то отличается от другого; среди сотен тысяч однотипных часов, сделанных из одних и тех же материалов, нет двух совершенно одинаковых, и поэтому каждые приходится регулировать отдельно. В мире больших тел (макромире) нет двух совершенно одинаковых вещей. Напротив, в мире малых тел (микромире) царит единообразие. Не в результате грубости наших измерительных приборов, а принципиально нельзя отличить один электрон от другого электрона или один протон от другого протона. Атомы, состоящие из одинакового числа элементарных частиц: электронов, протонов, нейтронов, также оказываются точно одинаковыми. Молекулы, представляющие собой соединение нескольких атомов, оказываются совершенно одинаковыми, если только одинаковы число, комбинация и строение атомов, входящих в их состав.

Эти столь очевидные преимущества атомных систем в отношении постоянства их параметров уже давно навели ученых на мысль о создании эталонов, основанных не на размерах Земли и скорости ее вращения, а на атомных процессах.

В отношении постоянства колебаний атомных и молекулярных систем и слабой зависимости частоты этих колебаний от внешних условий преимущества микросистем над макросистемами огромны. Если маятниковые часы, ничего в них не изменяя, перенести из одного города в другой, например из Москвы в Ташкент, то вследствие одного только различия ускорения силы тяжести в этих пунктах правильность хода часов нарушится, а ошибка составит несколько минут в сутки. Наоборот, если систему, в которой совершаются атомные колебания, перенести не из одного города в другой, а даже с одной планеты нашей солнечной системы на другую, то и в этом случае изменение Частоты колебаний будет ничтожно мало. Только в некоторых участках нашей Галактики, например на белом карлике, спутнике звезды Сириус, плотность которого в 30 000 раз больше плотности воды, а сила тяжести в 1000 раз больше, чем на Солнце, и в 30 000 раз больше, чем на Земле, изменение частоты электромагнитных колебаний, излучаемых атомами, стало бы заметным. Маятник, который на Земле делает одно колебание в секунду, на спутнике Сириуса за то же время сделал бы 140 колебаний, а частота колебаний, испускаемых атомами цезия или молекулами аммиака, при переносе с Земли на спутник Сириуса изменилась бы несколько меньше, чем на сотую долю процента.

Какие же из астрономических часов, основанных на молекулярных и атомных колебаниях, наиболее целесообразно выбрать в качестве нового эталона времени?

В шестидесятых годах этот вопрос детально обсуждался учеными, а в 1964 г. Международный Комитет по вопросам мер и весов принял решение о введении нового физического эталона времени , выбрав в качестве такового астрономические атомно-лучевые цезиевые часы . Таким образом, единица времени получила новое определение: секунда - это промежуток времени, в течение которого происходит 9 192 631 770 колебаний электромагнитной волны, испускаемой атомом цезия-133, в отсутствие внешних электромагнитных полей, при переходе его из одного состояния в другое между двумя сверхтонкими Уровнями энергии (которые обозначены индексами: 2 S l/2 , F = 0, М = 0 и 2 S 1/2 , F = 3, М = 0).

Этот выбор обоснован тем, что астрономические аммиачные молекулярные часы, основанные на поглощении высокочастотного электромагнитного излучения, имеют меньшую точность и значительно худшую воспроизводимость. Отдельные экземпляры молекулярных аммиачных часов давали несколько различные показания и для согласования нуждались в специальной калибровке.

Астрономические молекулярные часы, основанные на использовании аммиачного квантового генератора, показали очень высокую стабильность. Однако обнаружилась зависимость их показаний от давления остаточных газов в трубке генератора и от величины электромагнитных полей. Таким образом, оказалось, что каждый экземпляр таких часов может очень точно хранить время, но различные их экземпляры дают несколько разные показания. Следовательно, по критерию воспроизводимости они оказались неудовлетворительными.

Между тем цезиевый атомно-лучевой стандарт обладает не только очень высокой точностью, но и прекрасной воспроизводимостью. Отдельные экземпляры таких часов, изготовленные в разных странах, при их взаимной проверке и сличении дали хорошо совпадающие показания, а систематический дрейф этих часов (т. е. постепенный уход показаний) обнаружен не был.

Тем не менее не исключено, что в ближайшее время цезиевый атомно-лучевой стандарт будет заменен другим. Однако не потому, что в нем обнаружились какие-либо недостатки, а потому, что параметры астрономических часов, основанных на водородном квантовом генераторе, оказались существенно лучше. В некоторых международных научных организациях уже обсуждался вопрос о целесообразности перехода на водородный стандарт частоты и времени.

Квантовые стандарты частоты и времени, благодаря их высокой точности, позволили на новой основе подойти к решению ряда, так сказать, "старых" задач, например, к вопросу о неравномерности вращения Земли. До недавнего времени изучение неравномерностей вращения Земли имело первостепенное значение для уточнения эталона времени.

С тех пор как был введен новый эталон времени, основанный на атомных колебаниях, в этом необходимость отпала. Однако оказалось, что изучение этих неравномерностей по-прежнему очень интересно и важно, но уже по другой причине. Дело в том, что особенности вращения Земли зависят от ее структуры и ряда процессов, происходящих внутри нее, а также вблизи от ее поверхности. Таким образом, изучение неравномерностей вращения Земли может служить для выяснения структуры самой Земли. Работы Н. Н. Парийского показали плодотворность такого направления исследований.

Новый эталон времени не имеет ни суточных, ни сезонных, ни вековых колебаний. Он не стареет. К тому же он обладает достаточной определенностью, точностью и воспроизводимостью. Таким образом, преимущества нового эталона, времени, основанного на атомных колебаниях, по сравнению со старым, привязанным к вращению Земли, огромны.

Однако применение атомного эталона времени выдвигает новую проблему: что делать в случае остановки таких часов? Ведь отсчитать время столь же точно могут лишь другие такие же часы. Для преодоления этой трудности в центрах службы времени установлены группы атомных часов. Это дает возможность взаимной проверки отдельных экземпляров часов, а в случае остановки каких-либо из них другие обеспечивают непрерывность отсчета точного времени.

Таким образом достигается не только высокая точность, но и достаточная надежность непрерывного отсчета времени атомными часами.

Введение ВОЗАК - всемирной системы единого времени - наряду с точностью и непрерывностью отсчета времени также успешно решило задачу о передаче точного времени во все места земного шара. В связи с этим во многих странах уже осуществлен переход на новый отсчет времени.

С 1972 г. Советский Союз, как и ряд других стран, расстался с секундой, основанной на движении Земли вокруг Солнца, и перешел на новую систему всемирного координированного времени, опирающуюся на работу группы атомных часов международного центра ВОЗАК.

Самые точные наручные или настенные часы грешат против эталонного времени в миллиарды раз. Впрочем, в быту и не нужна точность до долей микросекунды. Но она совершенно необходима в исследовании космоса, для создания систем навигации, управления воздушным движением, повышения качества теле- и радиопередач и многих других целей.

Эталон времени - особенный. Все остальные эталоны вводятся в действие периодически, для сличения с ними вторичных и рабочих эталонов. Но эталон, хранящий шкалу времени, нельзя остановить, как нельзя остановить время. Он работает всегда. Есть такой афоризм: время - очень простое понятие, пока вы не пытаетесь объяснить его кому-нибудь. С полным основанием эти слова можно отнести и к эталону времени. Меньше всего он напоминает часы, а оборудование и научные подразделения, которые обеспечивают эксплуатацию эталона, занимают большое здание. Находится оно во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) под Москвой.

Эталон времени - это сложный комплекс, в который входят цезиевые реперы (генераторы, дающие строго определенную частоту) и водородные хранители частоты, хранители шкал времени, приборы для измерения временных интервалов и другая аппаратура. Некоторые составляющие эталона уникальны, например радиооптический частотный мост, который служит для измерения частот излучения лазеров. В мире кроме России такой мост есть только в Канаде, во Франции, в США и Великобритании. Российский государственный эталон времени входит в группу лучших мировых эталонов, его относительная погрешность не превышает 5.10-14, то есть 0,00000000000005 секунды. За полмиллиона лет эталон даст погрешность в одну секунду.

А вот история этого вопроса:

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.

Вследствие изменения продолжительности суток, которые увеличиваются в среднем на 1 мс за век под влиянием приливных сил Луны, было пересмотрено определение секунды. Вместо 1/86 400 части средних солнечных суток ее длительность с 1960 г. определяется как 1/315 569 259 747 часть солнечного (или тропического) года по состоянию на 12 часов эфемеридного времени января 1900 г.

В 1958 г. секунда принята равной 9 192 631 770 ± 20 периодам излучения, соответствующего переходу между уровнями основного состояния атома цезия-133 в отсутствие внешних полей. Самое большое суточное изменение было зарегистрировано 8 августа 1972 г., оно составляло 10 мс и было вызвано самой мощной солнечной бурей, наблюдаемой за последние 370 лет.

Точность цезиевого эталона частоты приближается к 8 частям на 10 14 , что выше, чем 2 части на 10 13 для гелиево-неонового лазера, стабилизированного метаном, и чем 6 частей на 10 13 для водородного мазера.

Самой длинной мерой времени является кальпа в индуистской хронологии. Она равна 4320 млн лет. В астрономии космический год есть период обращения Солнца вокруг центра Млечного Пути, он равен 225 млн лет. В позднем меловом периоде (около 85 млн лет назад) Земля вращалась быстрее, в результате чего год состоял из 370,3 суток. Имеются также свидетельства тому, что в эпоху кембрия (600 млн лет назад) год длился более 425 суток.

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 .

Да, и еще напомню вам о том, что Международная служба вращения Земли сообщает, что 30 июня 2015 года к времени UTC будет добавлена очередная секунда координации. Это означает, что день 30 июня 2015 года будет длиться на одну секунду больше, чем обычно:
…
2015 Июнь 30, 23ч 59м 59с
2015 Июнь 30, 23ч 59м 60с
2015 Июль 1, 0ч 0м 0с
…
Начиная с 1 июля 2015 года Международное атомное время (TAI) будет отличаться от Всемирного координированного времени (UTC) на 36 секунд.
Что это такое и зачем это нужно

UTC является международным стандартом, на основании которого вычисляется локальное («местное» или гражданское) время в различных часовых поясах. Время UTC «идёт» синхронно с международным атомным временем - TAI. Эталон атомного времени имеет чрезвычайно высокую стабильность, у него нет суточных или вековых колебаний, и его высокая точность не изменяется со временем. Именно в стабильности и точности атомных часов кроется проблема, которая делает их применение не совсем удобным для человека.

Так уж сложилось, что наиболее привычным для большинства людей является время, основанное на движении Солнца (или других астрономических объектов, например, звёзд) по небесной сфере. Однако, скорость вращения Земли вокруг собственной оси постоянно изменяется. Во-первых, эта величина не совсем равномерна на коротких промежутках (от суток до столетий, эта неравномерность вызывается различными климатическими и геологическими процессами), а во-вторых, приливное ускорение, вызываемое Луной, постоянно замедляет вращение Земли, укорачивая земные сутки примерно на 2,3 мс в столетие.

Как уже отмечалось выше, UTC использует строго равномерную шкалу атомного времени. Для того, чтобы максимально приблизить UTC к шкале времени, основанной на суточном вращении Земли, в UTC периодически приходится вносить секунды координации - подобно тому, как в високосный год добавляются одни сутки. Существенная разница этих процессов заключается в том, что заранее рассчитать момент ввода секунды координации из-за колебаний скорости вращения Земли невозможно. По этой причине решение о применении секунды координации принимается Международной службой вращения Земли (IERS) на основании астрономических наблюдений. Добавление секунды производится в конце суток 31 декабря или 30 июня таким образом, чтобы UTC отличалось от среднесолнечного времени (точнее, всемирного времени UT1) не более, чем на 0,9 с.

Впервые дополнительная секунда была добавлена в UTC 30 июня 1972 года. Теоретически, скорость вращения Земли может измениться так, что понадобится вводить и отрицательную секунду (то есть вычесть её из UTC), однако с 1972 года использовались только положительные секунды координации.

Воздействие приливного ускорения и вызываемое им замедление скорости вращения Земли потребует вводить секунды координации в будущем всё чаще и чаще. Однако невозможность точного расчёта или предсказания очередного момента, когда потребуется вносить дополнительную секунду создаёт ряд проблем - например, сбои в работе операционных систем при некорректной обработке добавленной секунды или невозможность точного расчёта будущего времени UTC на срок свыше 6 месяцев. Для таких сфер деятельности, как навигация, транспорт, телекоммуникации, энергетика, подобные ошибки могут оказаться крайне критичными. В последнее время высказывается мнение о необходимости отмены добавления секунд координации, и их замены суммарным добавлением одного часа, который будет применяться около 1 раза в 6000 лет. Ожидается, что окончательное решение по этому вопросу будет принято Международным союзом электросвязи (International Telecommunication Union, ITU) в 2015 году.