Существует еще одно явление, которое, хотя оно и не воздействует на скорость вращения Земли, необходимо учитывать при точном хранении времени. Это колебания полюса, или перемещение тела Земли относительно оси вращения (подобно качающемуся в механизме подшипнику), заставляющие блуждать полюса Земли приблизительно с 14-месячным периодом в пределах окружности радиусом около 8 м. Эффект колебаний полюса изменяет географические широту и долготу любого места на Земле (в чем удалось убедиться с помощью астрономических наблюдений), а это из-за изменения долготы приводит к соответствующим изменениям шкалы времени в каждом пункте на земной поверхности.
71. Покоящийся спуск
Как указал Спенсер Джонс, первое требование к фундаментальной единице - ее постоянство и воспроизводимость. Поэтому к 1950-м гг. секунда, основанная на вращении Земли, изменяющая, хотя и незначительно, свою продолжительность, перестала удовлетворять предъявляемым к ней требованиям. Возник вопрос: что же делать дальше?
Эфемеридное время
Первоначально было решено отказаться от солнечных суток как фундаментальной единицы времени и вместо них пользоваться годом, продолжительность которого, хотя и не постоянна, но может быть заранее вычислена с учетом ее уменьшения приблизительно на полсекунды в столетие. Это привело к введению в международной практике в 1952 г. для некоторых целей новой шкалы времени - эфемеридного времени (ЕТ), которое стали использовать - о чем говорит уже само его название - для составления различных национальных эфемерид и ежегодников. Как мы уже говорили в предыдущей главе, в результате решения Вашингтонской конференции 1884 г. и специальных рекомендаций Международного астрономического союза, принятых в 1928 г., гринвичское время стало называться всемирным временем (UT). Поэтому далее в этой главе, когда речь пойдет о среднем солнечном времени гринвичского меридиана, мы будем оказывать предпочтение названию UT, а не GMT. Сейчас UT, основанное на вращении Земли вокруг своей оси, задает шкалу времени, необходимую для астронавигации. Но, как мы уже отмечали, скорость вращения Земли меняется, поэтому в 1956 г. для специальных потребностей служб времени возникла необходимость в более точном определении UT:
UT0-среди ее солнечное время нулевого меридиана, полученное непосредственно из астрономических наблюдений;
UT1 - это UT0 с поправками на движение полюса (не более чем на 0,035 с). Шкала UT1 используется для астронавигации;
UT2 - это UT0 с поправками на движение полюса и на экстраполированные изменения в скорости вращения Земли (также не более чем на 0,035 с). UT2 - «сглаженная» шкала времени, задающая по возможности равномерное время. До 1972 г. эта шкала была основой сигналов времени [3].
Вопрос о шкале ЕТ и ее связи с UT слишком сложен, чтобы его рассматривать здесь. Достаточно сказать, что ЕТ довольно близко соответствует UT, поскольку продолжительность эфемеридных суток задается продолжительностью средних солнечных суток в XIX в. В 1956 г. специалисты отказались от использования средних солнечных суток в качестве международной фундаментальной единицы времени в пользу эфемеридной секунды, определенной как «1/31556925,9747 доля тропического года 0 января 1900 г. в 12 ч эфемеридного времени» [4].
72. Решетчатый маятник
Однако переход на новую систему не решил всех проблем. Благодаря своей неизменности эфемеридная секунда очень удобна для теоретических расчетов и применяется в различных эфемеридах. Но эфемеридная секунда не годится для повседневного использования по двум причинам. Во-первых, она не всегда имеется в распоряжении, так как определить ее с требуемой точностью можно только с большой задержкой после обработки многочисленных результатов наблюдений. Во-вторых, для тех, кто интересуется именно точным моментом времени, а не временным интервалом-в том числе и для широкой публики, - необходимо, чтобы сигналы времени как можно точнее соответствовали вращению Земли, смене дня и ночи. Кроме того, хотя разница между ЕТ и UT на протяжении года была очень мала, с годами она накапливается вследствие систематического замедления вращения Земли и может достигать весьма значительной величины. В 1952 г., когда ЕТ впервые было использовано, накопленная разность между этой шкалой, основанной на скорости вращения Земли в XIX в., и UT, основанной на данных 1952 г., составляла около 30 с.
Применение ЕТ в сигналах времени явилось в какой-то степени компромиссным решением, поскольку физикам и инженерам телевидения требовалось, чтобы продолжительность секунды сигнала времени была бы постоянной, т.е. «означала бы одно и то же для всех народов и во все времена», тогда как для обычных потребителей времени, а также навигаторов и геодезистов было необходимо, чтобы сигнал времени, скажем, отмечающий полдень, совпадал с полуденным расположением небесных тел. До 1944 г. сигналы времени, контролируемые Гринвичем, задавались, насколько это было возможно, вращением Земли, в результате чего секунда (получаемая из сигналов времени) ото дня ко дню могла менять свою продолжительность, хотя и очень незначительно. В 1944 г. в Великобритании была сделана попытка передавать секундные сигналы по возможности через равные промежутки времени, продолжительность которых определялась средним значением секундного интервала, задаваемого самыми точными кварцевыми часами, а при необходимости (по средам) производить коррекции «скачком» для согласования со шкалой всемирного (астрономического) времени. В то же время в США такое компромиссное решение между передачей частоты и времени не было принято; сигналы времени, передаваемые радиостанцией Аннаполиса и контролируемые обсерваторией ВМС США, поддерживались в точном соответствии с вращением Земли, а эталонная частота, контролируемая Национальным бюро стандартов США и передаваемая его радиостанцией, по возможности сохранялась неизменной.
Атомные часы
Покончить с одним из недостатков эфемеридного времени - его недоступностью - помогли атомные часы. Первый действующий комплект системы атомных часов был разработан в Национальном бюро стандартов США (Вашингтон) Гарольдом Лайонсом и его коллегами в 1948-1949 гг. с использованием для стабилизации кварцевого генератора спектральной линии поглощения аммиака. 12 августа 1948 г. атомные часы начали действовать в качестве эталона частоты. Вскоре после этого внимание привлек другой химический элемент - цезий. Самая первая конструкция цезиевого эталона, связанная с именами Шервуда, Захариаса и особенно Рамзея, была предложена в США. Но регулярное использование цезиевого лучевого эталона, сконструированного Эссеном и Парри, началось в Национальной физической лаборатории в Англии. В июне 1955 г., когда было принято решение использовать эфемеридную секунду в качестве фундаментальной единицы времени, цезиевый эталон применили для калибровки кварцевых часов и в качестве эталона частоты. Затем в течение последующих нескольких лет лабораторные цезиевые стандарты появились в Боулдере (Колорадо), в Оттаве и Нойшателе [5].
73. Спусковой механизм Шеперда
Даже самые первые экземпляры атомных часов обладали в сотни раз большей долговременной стабильностью, чем кварцевые эталоны. Кроме того, они не были подвержены плавному изменению хода, который происходит в кварцевых генераторах из-за «старения» кристалла кварца. По этим причинам атомные часы обеспечили высокостабильную шкалу времени очень высокой точности (по крайней мере в десятки раз превышающую точность других хранителей времени), почти мгновенно доступную. Но прошло еще немало лет, прежде чем эти преимущества были реализованы. Только последние экземпляры цезиевых лучевых эталонов имеют такую же кратковременную стабильность, какую показывают кварцевые часы.
Все часы должны быть отрегулированы таким образом, чтобы они имели одинаковый ход, т.е. одинаково «хранили время», а также показывали одинаковое время. Новые атомные часы не были исключением, и первой задачей явилась их калибровка по работающим стандартным образцам, другими словами, шкалу атомного времени нужно было привести в определенное соответствие с астрономической шкалой времени. За период 1955-1958 гг. атомные часы Англии и США были откалиброваны по астрономическим шкалам времени Хёрстмонсо и Вашингтона. Первая атомная шкала времени, известная как GA (Greenwich atomic - гринвичская атомная), основывалась сначала на цезиевом эталоне Национальной физической лаборатории, согласованном с эфемеридным временем.
74. Устройство вторичных часов
С 1959 г. всемирное распространение получила шкала времени AJ обсерватории ВМС США. Ее начальная эпоха (дата) была установлена так, чтобы атомное время и UT2 были одинаковыми в полночь на 1 января 1958 г. Атомная секунда была определена на основе резонанса в атоме цезия. В 1964 г. атомная секунда была признана в международном масштабе как средство реализации эфемеридной секунды. В 1967 г. на 13-й Всемирной конференции мер и весов в Париже от астрономического определения секунды отказались и в качестве фундаментальной единицы времени в Международной системе единиц СИ приняли атомную секунду:
