1. Измерение времени

Точное измерение времени является предметом спец. науки — метрологии. Любой процесс измерения сводится к сравнению из­меряемой величины с другой, принятой в качестве образцовой меры. Самая лучшая, хорошо изученная образцовая мера, обес­печивающая наибольшую доступную точность измерения, устойчи­вая против внешних воздействий, неизменная во времени, возво­дится в ранг эталон а.

Интересно проследить за историей развития измерительной тех­ники, напр. измерения длины. Первоначально ед. длины - дюйм, фут, вершок и др. — были связаны с размерами человеч. тела. С раз­витием техники разнобой в измерениях линейных размеров стал тор­мозом прогресса. В качестве ед. длины был принят метр. Хотя он и был определен как одна сорокамиллионная часть земного мери­диана, его связь с размерами Земли имеет второстепенное значение. Эталон метра был изготовлен в виде стержня из спец. сплава. Точ­ность градуировки по эталону мерных линеек и др. приборов для измерения длины до сих пор с избытком удовлетворяет всем потреб­ностям техники. Однако развитие науки привело к необходимости переопределения ед. длины.

В результате совершенствования оптич. измерений удалось непосредственно сопоставить длину эталонного метра с длиной све­товой волны X, соответствующей одной из спектральных линий инерт­ного газа криптона (Кг), точнее, одного из его изотопов (Кг⁸⁶). Оказалось, что 1 м- 1650763,73 А^(Кг⁸⁶). Теперь эталоном длины, по существу, стала световая волна, излучаемая атомами Кг⁸⁶. Она может быть воспроизведена в любой лаборатории.

Измерение времени существенно отличается от измерений длины. Время нельзя остановить, чтобы с удобством провести измерение, или повторить его, длину же можно измерять многократно. Даже кинопленка не позволяет полностью повторить измерение времени: ведь для этого необходимо обеспечить абсолютно точное совпадение скоростей съемочного и проекционного аппаратов и столь же точ­ное измерение этих скоростей, а это снова приводит к задаче измере­ния времени.

Первоначально эталоном времени являлось суточное вращение Земли. Его период определялся по двум последовательным наблюде- ниям прохождения какого-нибудь небесного светила через пло- скость меридиана места наблюдения. Однако определение длитель- ности суток имеет для подавляющего большинства людей второсте- пенное значение. Мы нуждаемся в измерении более коротких про- межутков времени — часов, минут и секунд (1 сек = 1/86400 суток). К сожалению, астрономы не могут решить задачи непосредствен- ного измерения малых интервалов времени, более важных в пов- седневной жизни. Для их измерения служат часы. Ход часов до последнего времени проверялся и регулировался при помощи астро- номии, наблюдений. ¹

Уже древние астрономы убедились в том, что длительность ин­тервалов между двумя последовательными прохождениями Солнца

1

Г

через плоскость меридиана не совпадает с подобного

интервала для любой из «неподвижных» звезд. Солнечные сутки на 4 мин больше звездных. Это—следствие движения Земли по ее орбите (вращение Земли вокруг оси и по орбите проис­ходит в одном направлении). Пользоваться звездным в р е­м е н е м неудобно; ведь вся наша жизнь связана со сменой дня и ночи, т. е. с солнечными сутками. По непосредственное измерение солнечных суток с большой точностью — трудная задача. Во-пер­вых, Солнце слишком «велико»; во-вторых, солнечное излучение нагревает и деформирует точные приборы; в-третьих, длительность солнечных суток меняется в течение года из-за изменения скорости движения Земли по орбите. Поэтому непосредственное определение периода вращения Земли должно производиться по наблюдению звезд. Для практич. же целей приходится учитывать разницу между звездными и солнечными сутками и регулировать часы так, чтобы они следовали не за истинным вращением Земли, а за видимым су­точным движением Солнца. Так возникло парадоксальное положе­ние, при к-ром мы пользуемся солнечным временем, определяя его по звездам.

После того как Галилей создал теорию качаний маятника, а Гюйгенс изобрел вращающийся маятник — балансир, появились маятниковые часы. Лучшие из них позволили вскоре обнаружить систематич. замедление суточного вращения Земли, вызванное дей­ствием океанских приливов.

После изобретения еще более точных кварцевых часов (в к-рых роль колебаний маятника играют упругие колебания кварцевых пластинок) в 30~х гг. нашего века было установлено, что и при учете регулярного замедления длительность суток все же не постоянна. Она может изменяться в обе стороны на тысячные и даже сотые доли секунды.

В середине нашего века стало ясно, что точность лучших часов превзошла точность нашего природного эталона време­ни — суток. Астрономы пытались справиться с возникшими труд­ностями, приняв за основу измерения времени не суточное

вращение Земли, а ее гораздо более стабильное годичное обра­щение по орбите вокруг Солнца. Но выяснилось, что точность, с к-рой удается измерить длительность года, еще меньше, чем точность измерения суток. Возможности астрономов оказались исчерпанными.

Принципиально новые и более точные методы пришли в службу

времени из радиоспектроскопии (области физики, исследующей по­глощение радиоволн различными атомами и молекулами) и кванто­вой электроники. Оказалось, что каждый атом или молекула изби­рательно излучают или поглощают не только свет, но и радиоволны определенной длины волны X или частоты v. Эти длины волн и ча­стоты отличаются непревзойденным постоянством, т. к. зависят почти исключительно от строения атомов или молекул (см. Уровни энергии, Квантовый переход).

Именно поэтому наблюдение спектральных линий в оптич. диа­пазоне позволило создать оптич. эталон длины, а наблюдение спект­ральных линий в радиодиапазоне открыло новый путь для точного измерения частоты v, а следовательно, и периода Т — ^l/v, т. е. времени. Этот путь и привел к созданию квантовых стан­дартов частоты и времени. Термин «квантовые» связан с тем, что

поведение излучающих и поглощающих атомов, молекул и ионов подчиняется законам квантовой механики.

С точки зрения метрологии К. с. ч. следовало бы называть о б-разцовыми мерами времени и частоты. На основе группы таких стандартов в ряде стран (СССР, США, Англия, Швейцария, Япония и др.) созданы квантовые эта­лоны частоты и времени. Они отличаются от К. с. ч.

лишь тем, что их погрешности изучены более подробно, а эксплуата­ция регламентирована более строго.

Так появились сверхточные атомные и молекуляр­ные часы, ход к-рых определяется не периодом колебаний маятника, а периодом электромагнитных колебаний, характерных для выбранных атомов и молекул. Ход этих часов не зависит от необратимых процессов, неизбежных в макроскопич. телах. Необра­тимые процессы, влияющие на ход обычных часов, проявляются в постепенном истирании осей и подшипников, в уменьшении упру­гости пружин и связаны с постепенным изменением поверхностной и внутренней структуры материалов, из к-рых сделаны детали часов. Удаление одного атома с поверхности пружины или оси маятника никак не скажется на ходе часов. Но постепенное накоп­ление таких ничтожных изменений приведет к тому, что часы начнут спешить или отставать. Подобные процессы, объединенные общим термином — старение, — неизбежны в любых механизмах и приборах, в состав к-рых входят невообразимо большие количества атомов и молекул. Старение неизбежно и в кварцевых часах.

Совсем иначе ведут себя микросистемы — атомы и молекулы, состоящие из небольшого числа элементарных частиц — электро­нов, протонов и нейтронов. Удаление любой из них приводит к рез­кому изменению свойств микросистемы и может быть сразу заме­чено. Напр., удаление одного электрона из электронной оболочки атома превращает его в ион. Это немедленно сказывается не только на его электрич. свойствах, но и на спектрах поглощения или излу­чения электромагнитных волн, к-рые для атома и иона существенно различны. Радиоактивный распад, сопровождающийся вылетом из ядра атома к.-л. частицы, превращает этот атом в атом др. хим. эле­мента с качественно отличным спектром. Старение микросистемы невозможно именно потому, что составляющие ее частицы (электро­ны и атомное ядро) не подвержены небольшим накапливающимся изменениям. Для них возможны лишь резкие квантовые превраще­ния, сопровождающиеся существенным изменением свойств. Имен­но этим объясняются исключительное постоянство и точность К. с. ч.,

связанных с наблюдением спектральных линий.