Компьютерра PDA N154 (07.01.2012-13.01.2012) - [5]
Стрелы времени: история хронометрирования
Автор: Евгений Лебеденко, Mobi.ru
Опубликовано 10 января 2012 года
Время. Удивительно многогранная категория, нашедшая свое место и у физиков (мера движения материи, координата четырёхмерного пространства-времени), и у лириков, развёртывающих на страницах своих произведений удивительные события жизни героев, нанизанные на метафизическую "стрелу времени", и у философов, веками ищущих ответы на "хронические" вопросы.
Но и физики, и лирики, и даже всезнающие философы сходятся на том, что время нужно измерять. И очень точно. Зачастую от точности измерения зависит не только то, сколько минут придётся томиться влюблённому в ожидании опаздывающей половинки, но и сугубо утилитарные вещи, на которых держится наша цивилизация: спутниковая связь и навигация, электроснабжение, координация действий в таких сложнейших транспортных и коммуникационных системах, как авиалинии, железнодорожный транспорт и глобальные компьютерные сети. Малейшая ошибка тут способна обернуться катастрофой. Доля секунды может стать новым мировым рекордом или спасти чью-то жизнь. Главное - узнать её, измерить и действовать вовремя и наверняка.
Хронометрирование - одно из древнейших искусств, которые человечество оттачивало веками. Пытливые умы без устали искали и продолжают искать способы измерять время с максимально возможной точностью. И если до недавней поры они обращали свои взоры к небесам, вопрошая о точном времени космические объекты, то сегодня учёные измеряют время, вглядываясь в структуру атома и разрабатывая всё более совершенные атомные часы.
Думается, никто не будет оспаривать простую истину: измерить время можно, только рассматривая какое-либо периодическое событие. Благодаря восходам и закатам мы делим нашу жизнь на дни и годы. Студенты отмеряют семестры "от сессии до сессии", а несбыточные желания люди традиционно связывают с непериодическими событиями ("когда рак на горе свистнет", например, и тому подобное).
Источники периодических событий обычно называют резонаторами. Согласно закону сохранения энергии (которая затрачивается на каждое периодическое событие), резонатор сам по себе существовать не может - ему необходим источник энергии. В случае периодического движения по нашему небосводу планет и звёзд это гравитационная энергия, для маятника в механических часах - это кинетическая энергия пружины, ну а будильник в вашем смартфоне "питается" аккумулятором.
Система "резонатор - источник энергии" именуется осциллятором. Именно благодаря ему у людей появляется возможность измерить время. Осциллятор порождает периодическое событие с определённой частотой f, которая является обратной величиной периода его колебаний T-f=1/T. Несложные математические манипуляции позволяют трансформировать эту формулу в вид, удобный для измерения времени, - T=1/f. Таким образом, единица времени может быть получена путём изменения частоты работы осциллятора.
Но тут возникает проблема, связанная с точностью осциллятора. Стоит пружине, питающей маятник, ослабнуть, и частота, с которой он раскачивается, станет другой. Значит, изменится и период колебаний, который мы принимаем за единицу времени. Выходит, "тик-таки" только что заведённых часов вовсе не такие, как "тик-таки" часов с заканчивающимся подзаводом. Мы начинаем опаздывать, потому что другие осцилляторы порождают другие периоды колебаний.
Расхождение частоты осциллятора относительно его номинала в хронометрии называют мерой неопределённости частоты и обозначают Δf.
Что же мы делаем, чтобы не опаздывать (или не торопиться - осцилляторы-то могут и вперед убегать)? Правильно: смотрим телевизор и слушаем радио, где "передают сигналы точного времени". Ага! Значит, есть всё-таки в мире самый главный осциллятор, мера неопределённости частоты которого так мала, что её можно устремить к нулю!
Как же выглядит сей грандиозный прибор, и в каком секретном бункере он хранится? На самом деле в разные времена роль осциллятора всех осцилляторов выполняли разные колебательные системы. И за наблюдение за ними отвечали разные организации.
Что именно считать эталоном единицы измерения времени, решают коллегиально. Для этого существует Генеральная конференция мер и весов (CGPM), утверждающая в рамках системы единиц измерения SI секунду - базовый отрезок времени, из множества которых и складывается вселенская стрела времени.
Точность эталонного осциллятора напрямую зависит от технологических возможностей человечества. В сущности, поиск идеального осциллятора - это и есть главнейшая задача хронометрирования. Веками решать её метрологам помогали только астрономы. Но в прошлом столетии к ним подключились физики и химики.
В стародавние времена выбор вариантов идеального осциллятора был весьма ограничен. Самым очевидным из них была наша планета, суточное вращение которой вокруг своей оси является более-менее периодичным. Именно поэтому долгое время секунда была равна 1/86400 доле продолжительности солнечных суток. Позже, однако, выяснилось, что точность этого природного осциллятора далека от идеала. Дело в том, что на продолжительность солнечных суток влияют притяжения Солнца и Луны, увеличивая, пусть и незначительно, длительность эталонной секунды. Усреднение продолжительности солнечных суток частично решило эту проблему, но для увеличения точности в 1956 году солнечную секунду пришлось заменить эфемеридной.
