Время и календарь - [16]

В начале XX в. в России широкое распространение на астрономических обсерваториях получили одномаятниковые механические часы Рифлера, предложенные им в конце XIX в., и двухмаятниковые часы Шорта, созданные в Великобритании в 1920 г. Один из маятников, называемый «свободным» или «первичным», заключен в медный цилиндр с откачанным из него воздухом. Случайные погрешности в суточном ходе таких часов не превышали нескольких тысячных долей секунды.

Часы аналогичной конструкции были сделаны по проекту Ф. М. Федченко на ленинградском заводе «Эталон» со «свободным» маятником, изготовленным из инвара (сплава стали и никеля), который почти не реагирует на изменения температуры, давления воздуха и различные вибрации. Часы длительное время использовались на астрономических обсерваториях и были достаточно точными; их суточная вариация хода не превышала ± (0,003–0,004) секунды.

В 1952–1955 гг. Ф. М. Федченко сконструировал высокоточные астрономические маятниковые часы АУФ-1. Еще более точными стали часы АУФ-2 и, наконец, образцовые часы АУФ-3 со среднеквадратической вариацией суточного хода 0,2–0,3 с, или в относительном выражении (2–3)·10^-9; это были самые точные маятниковые часы в мире. Точность хода обеспечивалась специальной системой термокомпепсации маятника. Питание обеспечивалось окисно-ртутным элементом, рассчитанным на непрерывную работу в течение трех-четырех лет. Хранятся они под колпаком барокамеры, в которой выдерживается давление в 3–5 мм ртутного столба (400–670 Паскалей).

В 1986 г. часовщик X. Пекли (ФРГ) создал оригинальные часы-комбайн с астрономическим хронометром: они показывают время любого часового пояса, восход и заход Солнца, фазы Луны и ведут счет дней и недель.

§ 12. Кварцевые и атомные часы

Наблюдения Солнца, планет и звезд дают возможность определять вековые колебания периода вращения Земли. Однако астрономов интересуют и короткопериодические колебания.

При нынешнем развитии науки и техники необходима точность измерения времени до тысячных и даже миллионных и миллиардных долей секунды.

Повышение требований к точности определения времени необходимо, например, в системах автоматического управления производственными и технологическими процессами в промышленности и на всех видах транспорта, при изучении сверхбыстрых процессов, происходящих в атомном ядре, при установлении эффективности технических средств связи между континентами, при запусках космических аппаратов и космических полетах. По сверхточному времени сверяются результаты на станциях оптического наблюдения за искусственными спутниками Земли и во многих других случаях. Даже такой далеко не полный перечень подтверждает широкие и разносторонние сферы применения приборов для определения точного времени и показывает, насколько обширен круг задач, выполняемых с их помощью. Решение таких задач требует и более точных часов, чем выпускаемые для этих целей заводом «Эталон».

Более точными часами, пришедшими на смену маятниковым в 30-е годы, были кварцевые часы. В них взамен маятника использовались упругие пьезоэлектрические колебания пластинок кварца, т. е. деформации этих пластинок при подведении к их граням переменного электрического тока. Такие колебания кварца обладают при определенных условиях абсолютной стабильностью, не зависящей от силы земного тяготения, землетрясений и других явлений природы.

Для кварцевых часов, которые в течение нескольких месяцев хранят время с точностью до 10^-10 секунды, вариация их суточного хода стабильна (до нескольких миллионных долей секунды) и она в тысячу раз меньше, чем у маятниковых. Но кварцевая пластинка сравнительно быстро «стареет», поэтому разность в показаниях двух кварцевых часов может в течение нескольких лет достигнуть десяти секунд. Тем не менее с помощью кварцевых часов, которые входили в состав первого в СССР Государственного эталона времени и частоты, были обнаружены изменения в скорости вращения Земли — естественного эталона времени, оказавшегося нестабильным.

Кварцевые часы, погрешность хода которых не превышает микросекунды за день, применяются в качестве первичных для электронной станции в Гамбурге, гарантирующей синхронную работу всех электронных часов, включенных в систему; станция может управлять сетью, состоящей примерно из 20 000 вторичных электронных часов.

Завод художественных часов в Москве начал выпуск кварцевых настенных часов с кукушкой, отличающихся высокой точностью хода.

Часовая промышленность СССР освоила выпуск наручных электронно-кварцевых часов, отличающихся высокой точностью хода; за сутки они могут отстать или уйти вперед не более чем на две секунды.

После разработки академиками Н. Г. Басовым и Л. М. Прохоровым в 1954 г. генераторов высокостабильных колебаний [27] были созданы часы, маятником в которых служат колебания молекул аммиака. Такие часы называют «квантовыми» или «атомными», а иногда «молекулярными». Они позволяют получать «атомные секунды». Время, отсчитываемое по таким часам, называют атомным. 24 атомных часа составляют атомные сутки, содержащие 86 400 атомных секунд, которые не связаны ни с вращением Земли, ни с временем, определяемым астрономически.