Первые опыты и эксперименты с определением времени были связаны с периодическими процессами, которые связаны с вращением Земли вокруг своей оси и с вращением нашей планеты вокруг Солнца. Научные определения стали появляться только в 20-х годах прошлого столетия. Они получили развитие в связи с разработкой атомных стандартов частоты, и их точностные характеристики определялись прежде всего потребностями, которые необходимо было реализовать во многих приложениях: в транспорте, в навигации и так далее.
Первые предпосылки к созданию шкал времени, методов точного определения в навигации были заложены много веков назад. В частности, такое нагромождение камней, как Стоунхендж: если расположиться в центре этого нагромождения, то можно засекать углы восхождения небесных светил и таким образом производить тайминг, то есть определение времени.
Современное астрономическое время было определено в 1927 году, и определялось оно длительностью дневного времени в момент прохождения Солнца через меридиан. Разумеется, это определение было не совсем точным. Впоследствии оно получило свое развитие в виде шкалы всемирного времени, где уже определялось по движению нашей планеты вокруг Солнца. Было сформулировано определение всемирного времени, UT1. Там было уже более точное определение единицы времени — секунды, связанное с тем, что период зависел от вращения Земли вокруг Солнца. И таким образом, определение единицы времени было более точным.
При создании атомных стандартов частоты, атомного времени — это произошло в 50-х годах прошлого столетия — стало очевидно, что все существующие часы обладали недостаточной точностью, для того чтобы определить неравномерность вращения Земли вокруг своей оси и также эффекты, связанные с вращением нашей планеты вокруг Солнца. На основе измерений с помощью координированного времени и при сравнении результатов этих измерений с атомным временем было обнаружено, что Земля вращается неравномерно, и поэтому определение времени на основе периодичности ее вращения не обладает достаточной точностью. Более того, было обнаружено, что происходит замедление скорости вращения Земли вокруг оси.
В 1972 году была учреждена шкала координированного времени, сокращенно UTC, где учитывались эффекты замедления скорости вращения Земли. Забегая вперед, хочу сказать, что координированное время отличается от атомного времени на целое число секунд, фактически это время, UTC, является тем временем, по которому сейчас живет все цивилизованное человечество.
В том случае, когда разность показаний часов в шкале всемирного времени и атомного времени составляет 0,9 секунды, происходит добавление единицы времени — секунды — в шкалу всемирного координированного времени. Это было сделано для того, чтобы учесть неравномерность вращения Земли и привязать время, которое формируется атомными часами, к нашей планете, учитывая скорость его замедления. Таким образом, эти шкалы связаны друг с другом. Если предположить, что они существуют независимо друг от друга, то они расходятся, и темп такого расхождения, как показывают результаты измерений, составляет одну минуту в столетие.
Атомное время определяется теми средствами, которые воспроизводят единицу времени и частоты.
Самые точные часы, которые сейчас существуют, — это так называемые оптические часы.
Точность воспроизведения единиц времени и частоты в них на уровне нескольких единиц 18-го знака. Чтобы представить, насколько это точно, много это или мало, можно провести мысленный эксперимент. Допустим, в момент возникновения нашей Вселенной запустили двое часов: атомные часы, оптические, и часы, которые были бы идеальными, то есть обладали бы нулевой погрешностью. Так вот, с момента возникновения Вселенной и до сегодняшнего дня эти часы разошлись бы лишь на доли секунды.
С другой стороны, такая точность сейчас превышает точность определения секунды, по которой мы сейчас живем. И сейчас рассматриваются вопросы на уровне международных организаций о переходе на шкалу времени, которая бы основывалась на оптических стандартах частоты. Поэтому начиная с 2020 года будут проводиться определенные мероприятия с целью переопределения единицы времени — секунды.
Возникает вопрос: зачем такая высокая точность воспроизведения единицы времени? Можно привести очень наглядный пример, который бы иллюстрировал точность стандартов частоты и то, как с помощью современных навигационных систем, например ГЛОНАСС или GPS, определить точность расположения того или иного предмета на поверхности Земли. Связь очень простая, и она находится в ранце любого школьника — это 30-сантиметровая линейка. Погрешность во времени, равная 1 наносекунде, соответствует погрешности в пространственном определении объекта в 30 сантиметров. Далее можно делать пропорцию, и, соответственно, делают выводы, с какой точностью можно определять и какая точность часов должна быть при этом использована в глобальной навигационной системе.
Вторым примером, который бы иллюстрировал необходимость повышения точности определения единицы времени и частоты, являются эффекты гравитации. Во время моего визита в США в Национальный институт стандартов и технологий мне продемонстрировали результаты очень любопытного эксперимента. Измерялось время в высокоточном стандарте частоты на ионах алюминия и ртути, сравнивались результаты измерения между собой, проводилась череда измерений как функций времени. И далее эти эксперименты продолжались на этой же экспериментальной установке, но ножки лабораторного стола, на котором проводились измерения, подкрутили таким образом, чтобы лабораторный стол поднялся на 33 сантиметра. И явным результатом такого изменения геометрии экспериментов было то, что частота заметно изменилась в пределах погрешности ее определения. Это говорит о том, что точность современных измерений частоты такова, что она чувствует гравитационный потенциал. Это очень важно с точки зрения применения в будущем для построения так называемых геоидов — поверхностей равного потенциала — для определения гравитационных навигационных карт, и это задача очень интересная и важная.
Следующий пример: поскольку гравитационный потенциал зависит от распределения сосредоточения масс, можно использовать изменение гравитации для поисков полезных ископаемых и так далее. Можно привести много примеров таких приложений.
Далее можно привести примеры и в области сугубо фундаментальной физики, и об этом сейчас много говорят — это изменение фундаментальных констант во времени, в первую очередь постоянной тонкой структуры. В модели Вселенной и в современных космологических моделях постулируется незыблемость фундаментальных физических констант во времени. Так вот, используя высокоточные измерения частоты — аналитическое выражение для этой частоты зависит от этих констант — и измеряя их в разные промежутки времени, мы можем делать вывод о постоянстве этих констант во времени.
Эти эксперименты были проведены во Франции, впоследствии в Соединенных Штатах Америки с помощью высокоточных часов. И они получили верхние границы для изменений этих фундаментальных констант во времени: если фундаментальные константы меняются во времени, то верхний предел для их изменения не превышает такого-то значения. Отношения, производные по времени для постоянной тонкой структуры к ее значению, в данный момент времени на уровне 10-5 — это результат эксперимента.
Вопрос о том, какой точностью должен обладать тот или иной стандарт, зависит от запросов потребителя. В нашем институте находится государственный первичный эталон времени и частоты Российской Федерации, он воспроизводит единицу времени и частоты на уровне 5 единиц 16-го знака. Этот результат находится на мировом уровне.
Формируемая с помощью этого стандарта частоты национальная шкала времени входит в пятерку лучших шкал мира.
По мере увеличения или, наоборот, снижения потребности потребителя в точности используются и другие средства, такие, например, как тайм-серверы — с помощью интернета можно определить точное время с точностью до миллисекунд. В рамках деятельности, которой мы занимаемся по распространению эталонных сигналов от нашего государственного первичного эталона, у нас имеется три тайм-сервера, и число обращений составляет несколько миллионов обращений в сутки.
В качестве второго примера можно привести распространение эталонных сигналов по каналам радиостанций, с помощью каналов телевидения. Там существует понятие «шестой кадр», где записана информация о точном времени. Разумеется, эти точностные характеристики существенно ниже, но они и должны соответствовать потребностям, которые при этом предъявляются. Самым высокоточным каналом передачи эталонных сигналов является канал космической дуплексной связи. С помощью этого канала можно проводить сличения удаленных часов, расположенных на разных континентах.
Два года назад мы проводили сличение нашего государственного стандарта частоты со стандартом частоты Германии, Японии, Индии и Китая. Для этого использовался отечественный спутник под названием АМ-2, и точность сличений таких пространственно-разнесенных на многие тысячи километров часов оказалась на уровне нескольких наносекунд. Наносекунда — это 10-9 секунды. Поэтому в зависимости от того, какие потребности в точности и воспроизведении единиц времени и частоты существуют, существуют и разные средства для передачи эталонных сигналов времени и частоты.
