Оптические волны и лишняя секунда: как меняется стандарт измерения времени

Оптические волны и лишняя секунда: как меняется стандарт измерения времени

фото: https://i.pinimg.com/ 

Международное бюро мер и весов подготовило дорожную карту по изменению определения секунды. По плану уже к 2030–2035 годам мир перейдет на новые правила. Sauap.org со ссылкой на «Хайтек» рассказывает, как менялся стандарт измерения времени и зачем нужно отказываться от «лишней» секунды.

Как и другие величины, секунда — это всего лишь относительное понятие, которое основано на договоренности о том, что считать таковой. На протяжении веков по мере развития точности измерений и сложности технологий, человечество использовало разные подходы к измерению времени и определению того, что представляет собой одна секунда.

В 1875 году 17 ведущих стран того времени, среди которых были, в том числе, Австро-Венгрия, Российская и Османская империи, Франция, Германия, США и Бразилия, подписали Метрическую конвенцию — международный договор, который обеспечивает единство стандартов измерения в разных странах. Для разработки единых принципов и проведения эталонных измерений государства создали Международное бюро мер и весов.

На 27-й Конференции по мерам и весам представители разных стран согласились, что современное определение секунды перестает удовлетворять необходимой точности измерений и требует пересмотра. Дорожная карта предусматривает, что уже на следующей встрече через четыре года страны должны будут выбрать новую более точную систему отсчета и изменить формулировку секунды.

Первые измерения секунды

На протяжении веков люди измеряли время по вращению Земли. От древних египтян до греческих астрономов и вавилонян человечество постепенно изменяло точность измерений, что требовало новых единиц времени, а с развитием технологий — их унификации и синхронизации.

У самых первых механических часов, появившихся в XIV веке, не было даже минут. Циферблаты делились на половины, трети, четверти, а иногда даже на 12 частей часа, но никогда на 60. Первые механические часы, показывающие минуты, появились ближе к концу XVI века. При этом в отличие от солнечных часов, которые показывали кажущееся время, механические часы перешли на среднее время.

Дело в том, что орбитальное движение Земли вокруг Солнца приводит к неравномерной продолжительности суток. Кажущееся солнечное время использует в качестве определения суток время между двумя моментами нахождения нашей звезды в зените. При этом дробные части (часы и минуты) определяются исходя из движения Солнца. 

На самом деле при измерении на основе альтернативных систем, например, количества движений маятника в механических часах выясняется, что продолжительность таких суток отличается. Продолжительность солнечных суток меняется в течение года, а накопленный эффект вызывает сезонные отклонения до 16 минут от среднего.

Первые часы, показывающие секунды, появились во второй половине XVI века. Самые ранние известные пружинные часы со стрелкой, показывающей секунды: датируются примерно 1560–1570 годами. При этом все первые аналоги отличались недостаточной точностью. 

В 1656 году голландский ученый Христиан Гюйгенс изобрел первые маятниковые часы. У него был маятник длиной чуть меньше метра, что давало ему колебание в одну секунду, и спусковой механизм, который тикал каждую секунду. Считается, что это были первые часы, которые могли точно показывать время в секундах. 

Карманные часы Хенлейна, начало XVI века. Изображение: Germanisches National Museum

От доли суток к вращению Земли по орбите и атомным измерениям

Уже к концу XIX века точность измерения секунд достигла таких высот, что именно они легли в основу международной метрической системы МКС, которая была закреплена Генеральной конференцией по мерам и весам в 1889 года. В качестве базовой единицы длины был утвержден метр, веса — килограмм, а времени — секунда. При этом последняя была определена как 1/86400 доля среднего солнечного дня.

Поскольку движение Земли по орбите вокруг Солнца стабильнее, чем вращение планеты вокруг своей оси, позже это определение было изменено и выражено через долю года: 1 ⁄ 31 556 925,9747 года. При этом, чтобы еще больше снизить неопределенность, использовалась эфемеридная шкала времени, рассчитанная на основе положения орбит планет и звезд в 1900 году. 

В 1967 году, после десятилетий исследований, ученые отказались от метода вращения Земли и переопределили время, вместо этого измерив движения частиц внутри атома. В частности, действующее определение использует для расчета резонанс собственной частоты цезия-133. С этого момента секунда определяется фиксированным числовым значением частоты колебаний атома цезия.

Как работает атомное время?

Ранние атомные шкалы времени состояли из кварцевых часов с частотами, откалиброванными с помощью одних атомных часов. Они основаны на системе атомов, которые могут находиться в одном из двух возможных энергетических состояний. 

Группа атомов в одном состоянии подвергается микроволновому излучению. Если излучение имеет правильную частоту, некоторое количество атомов перейдет в другое энергетическое состояние. Чем ближе частота к собственной частоте колебаний атомов, тем больше атомов будет переключать состояния. 

Это позволяет очень точно настроить частоту микроволнового излучения. Как только микроволновое излучение настроено на известную частоту, его можно использовать в качестве генератора хронометража для измерения прошедшего времени.

Международное атомное время — это средневзвешенное значение времени, которое показывают более 450 атомных часов в более чем 80 национальных лабораториях по всему миру. Такой подход позволяет избежать искажений, связанных с гравитационным замедлением времени. 

Часы в разных учреждениях регулярно сравнивают друг с другом с помощью спутниковой связи и GPS. Международное бюро мер и весов (BIPM, Франция) объединяет эти измерения для ретроспективного расчета средневзвешенного значения, которое формирует наиболее стабильную возможную временную шкалу.

Первые в мире атомные часы. Изображение: National Physical Laboratory, Public domain, via Wikimedia Commons

Что хотят изменить?

Дальнейшее развитие технологий позволяют еще больше повысить точность измерений. Например, в качестве альтернативы классическим цезиевым часам физики предлагают использовать оптические часы. В таких часах используется более высокочастотное «тиканье» таких элементов, как стронций и иттербий, что позволяет им разбивать время на еще более мелкие части.

Сложность пока заключается в том, что официальное время не может быть сгенерировано с использованием только одних часов. Метрологи должны усреднять показания сотен часов по всему миру. Для цезиевых часов время может передаваться с помощью микроволновых сигналов, но такое излучение слишком низкочастотное, чтобы передавать тиканье оптических часов.

Напротив, передача сигналов по воздуху на оптических длинах волн не так проста, как отправка микроволн, потому что молекулы в воздухе легко поглощают свет, резко снижая мощность сигнала. Кроме того, турбулентность может направить лазерный луч в сторону от цели. 

Тем не менее изменения в этом направлении идут по пути прогресса, например, недавно китайские ученые представили результаты своей работы по синхронизации оптических часов на расстоянии 117 км. Это в семь раз больше предыдущего рекорда. Дальнейшее развитие в этом направлении поможет улучшить точность определения секунды в 100 раз и более.

Решением Конференции по мерам и весам странам участникам предложено продолжить разработку альтернативных методов измерения и синхронизации времени.  На их основе к следующей встрече в 2026 году будет сформулированы предложения по новому стандарту и периоду перехода.

Иттербиевые оптические атомные часы. Изображение: NIST

«Високосная» секунда

Если это в вопросе нового стандарта пока остается небольшая неопределенность, то другое изменение, которое затронет временные стандарты окончательно принято. Уже в 2035 году мир должен отказаться от дополнительных секунд.

Дело в том, что при переходе к точному измерению времени на основе атомных часов ученые выяснили, что средние сутки не равны 86 400 стандартным секундам. Разница составляет всего несколько миллисекунд, но со временем накапливается.

Решением стали дополнительные секунды: поправки на одну секунду применялись в конце декабря или июня на разовой основе. Изменения были запланированы для обеспечения того, чтобы система хронометража, которую мы используем, всемирное координированное время (UTC), никогда не отличалась более чем на 0,9 с от атомного времени. 

Поскольку такие изменения носили разовый характер, «високосные» секунды создавали большие сложности для программного обеспечения, энергетики и спутниковых систем. Во-первых, трудно точно предсказать, когда потребуется следующая дополнительная секунда, поэтому разработчики программ не могу подготовиться к упорядоченным, регулярным вставкам. Поэтому различные сети разработали свои собственные несогласованные методы включения дополнительной секунды.

Более того, современные глобальные вычислительные системы стали более тесно взаимосвязаны и в большей степени зависят от сверхточной синхронизации, иногда до миллиардных долей секунды. Добавление лишней секунды повышает риск того, что системы, отвечающие за телекоммуникационные сети, передачу энергии, финансовые операции и другие жизненно важные предприятия, выйдут из строя или не смогут синхронизироваться.

Чтобы избежать этой проблемы, ученые приняли решение с 2035 года отказаться от этих вставок. С 1972 за прошедшие 50 лет разница между UTC и международным атомным временем составила всего 37 с, при этом 10 с были добавлены сразу, а еще 27 с было вставлено позже. Ученые предлагают зафиксировать разницу, которая будет накоплена к 2035 году, и не менять, как минимум, в следующие 100 лет.

Понравилась статья? Поделитесь с друзьями!

Без активной гиперссылки на материал Sauap.org копирование запрещено!

Предыдущая Математики решили задачу, предложенную Леонардом Эйлером в середине XVIII века
Следующая Почему на крыльях самолета огоньки разного цвета?

0 Комментарий

Комментариев пока нет!

Вы можете быть первым оставив комментарий на этом посту!

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.

 

Top