ВРЕМЯ Чтобы следить за течением времени, необходим простой способ его определения. В древности для этого использовались водяные или песочные часы. Точное определение времени стало возможным после того, как Галилей в 1581 установил, что период колебаний маятника почти не зависит от их амплитуды. Однако практическое использование этого принципа в маятниковых часах началось лишь спустя сто лет. Самые совершенные маятниковые часы сейчас имеют точность хода ок. 0,001-0,002 с в сутки. Начиная с 1950-х годов, маятниковые часы перестали использоваться для точных измерений времени и уступили место кварцевым и атомным часам. См. также ЧАСЫ.
Кварцевые часы. Кварц обладает т.н. "пьезоэлектрическими" свойствами: при деформации кристалла возникает электрический заряд, и наоборот под действием электрического поля происходит деформация кристалла. Контроль, осуществляемый с помощью кристалла кварца, позволяет получить почти постоянную частоту электромагнитных колебаний в электрическом контуре. Пьезокварцевый генератор обычно создает колебания с частотой 100 000 Гц и выше. Специальное электронное устройство, известное под названием "делитель частоты", позволяет снизить частоту до 1000 Гц. Сигнал, полученный на выходе, усиливается и приводит в действие синхронный электромотор часов. Фактически, работа электромотора синхронизирована с колебаниями пьезокристалла. С помощью системы зубчатых передач мотор может быть соединен со стрелками, показывающими часы, минуты и секунды. По существу, кварцевые часы представляют собой сочетание пьезокварцевого генератора, делителя частоты и синхронного электромотора. Точность хода лучших кварцевых часов достигает нескольких миллионных долей секунды в сутки.
Атомные часы. Для отсчета времени могут быть использованы также процессы поглощения (или излучения) электромагнитных волн атомами или молекулами некоторых веществ. Для этого применяется сочетание атомного генератора колебаний, делителя частоты и синхронного мотора. Согласно квантовой теории, атом может находиться в различных состояниях, каждое из которых соответствует определенному энергетическому уровню Е, представляющему дискретную величину. При переходе с более высокого энергетического уровня на более низкий возникает электромагнитное излучение, и наоборот, при переходе на более высокий уровень излучение поглощается. Частота излучения, т.е. число колебаний в секунду, определяется формулой:
f (E2 - E1)/h,
где E2 - начальная энергия, E1 - конечная энергия и h - постоянная Планка.
Многие квантовые переходы дают очень высокую частоту, примерно 5?1014 Гц, и возникающее излучение находится в диапазоне видимого света. Для создания атомного (квантового) генератора необходимо было найти такой атомный (или молекулярный) переход, частота которого могла бы быть воспроизведена с помощью электронной техники. Микроволновые устройства, подобные используемым в радиолокаторе, способны генерировать частоты порядка 1010 (10 млрд.) Гц.
Первые точные атомные часы, в которых использовался цезий, были разработаны Л.Эссеном и Дж.В.Л.Парри в Национальной физической лаборатории в Теддингтоне (Великобритания) в июне 1955. Атом цезия может существовать в двух состояниях, причем в каждом из них он притягивается или одним, или другим полюсом магнита. Атомы, выходящие из нагревательной установки, проходят по трубке, расположенной между полюсами магнита "А". Атомы, находящиеся в состоянии, условно обозначаемом 1, отклоняются магнитом и ударяются о стенки трубки, тогда как атомы, находящиеся в состоянии 2, отклоняются в другую сторону таким образом, что проходят вдоль трубки через электромагнитное поле, частота колебаний которого соответствует радиочастоте, и затем направляются ко второму магниту "В". Если радиочастота подобрана правильно, то атомы, переходя в состояние 1, отклоняются магнитом "В" и улавливаются детектором. В противном случае атомы сохраняют состояние 2 и отклоняются в сторону от детектора. Частота электромагнитного поля изменяется до тех пор, пока счетчик, присоединенный к детектору, не покажет, что генерируется нужная частота. Резонансная частота, генерируемая атомом цезия (133Cs), составляет 9 192 631 770 ? 20 колебаний в секунду (эфемеридного времени). Эта величина называется цезиевым эталоном.
Преимущество атомного генератора перед кварцевым пьезоэлектрическим заключается в том, что его частота не меняется со временем. Однако он не может непрерывно функционировать столь же долго, как кварцевые часы. Поэтому принято комбинировать в одних часах пьезоэлектрический кварцевый генератор с атомным; частота кварцевого генератора время от времени проверяется по атомному генератору.
Для создания генератора используется также изменение состояния молекул аммиака NH3. В устройстве, называемом "мазер" (микроволновом квантовом генераторе), внутри полого резонатора генерируются колебания в радиодиапазоне с почти постоянной частотой. Молекулы аммиака могут находиться в одном из двух энергетических состояний, различно реагирующих на электрический заряд определенного знака. Пучок молекул проходит в поле электрически заряженной пластины; при этом те из них, которые находятся на более высоком энергетическом уровне, под воздействием поля направляются в небольшое входное отверстие, ведущее в полый резонатор, а молекулы, находящиеся на более низком уровне, отклоняются в сторону. Часть молекул, попавших в резонатор, переходит на более низкий энергетический уровень, испуская при этом излучение, на частоту которого оказывает воздействие конструкция резонатора. По результатам экспериментов в Невшательской обсерватории в Швейцарии, полученная частота составила 22 789 421 730 Гц (в качестве эталона при этом использовалась резонансная частота цезия). Проводившееся в международных масштабах с помощью радио сопоставление частот колебаний, измеренных для пучка атомов цезия показало, что величина расхождений частот, получаемых в установках различной конструкции, составляет примерно две миллиардных. Квантовый генератор, в котором используется цезий или рубидий, известен под названием газонаполненного фотоэлемента. В качестве квантового генератора частот (мазера) применяется также водород. Изобретение (квантовых) атомных часов в значительной степени способствовало исследованиям изменений скорости вращения Земли и разработке общей теории относительности.
Секунда. Использование атомной секунды в качестве эталонной единицы времени было принято 12-й Международной конференцией по мерам и весам в Париже в 1964. Она определяется на основе цезиевого эталона. С помощью электронных устройств осуществляется подсчет колебаний цезиевого генератора, и время, за которое происходит 9 192 631 770 колебаний, принимается за эталон секунды.
Гравитационное (или эфемеридное) время и атомное время. Эфемеридное время устанавливается по данным астрономических наблюдений и подчиняется законам гравитационного взаимодействия небесных тел. Определение времени с помощью квантовых стандартов частоты основано на электрических и ядерных взаимодействиях внутри атома. Вполне возможно несовпадение масштабов атомного и гравитационного времени. В таком случае частота колебаний, генерируемых атомом цезия, будет изменяться по отношению к секунде эфемеридного времени в течение года, и это изменение нельзя отнести за счет ошибки наблюдения.
Радиоактивный распад. Хорошо известно, что атомы некоторых, т.н. радиоактивных, элементов самопроизвольно распадаются. В качестве показателя скорости распада используется "период полураспада" - промежуток времени, за который число радиоактивных атомов данного вещества уменьшается вдвое. Радиоактивный распад также может служить мерой времени - для этого достаточно подсчитать, какая часть от общего числа атомов подверглась распаду. По содержанию радиоактивных изотопов урана оценивается возраст горных пород в пределах нескольких миллиардов лет. Большое значение имеет радиоактивный изотоп углерода 14С, образующийся под воздействием космического излучения. По содержанию этого изотопа, имеющего период полураспада 5568 лет, можно датировать образцы возрастом несколько более 10 тыс. лет. В частности, его используют для определения возраста объектов, связанных с деятельностью человека, как в историческое, так и в доисторическое время.
Вращение Земли. Как предполагали астрономы, период вращения Земли вокруг своей оси изменяется во времени. Поэтому оказалось, что течение времени, отсчет которого ведется на основе вращения Земли, иногда бывает ускоренным, а иногда - замедленным по сравнению с тем, которое определяется по орбитальному движению Земли, Луны и других планет. За последние 200 лет ошибка в отсчете времени на основе суточного вращения Земли по сравнению с "идеальными часами" достигала 30 с.
За сутки отклонение составляет несколько тысячных долей секунды, однако за год накапливается ошибка в 1-2 с. Различают три типа изменения скорости вращения Земли: вековые, являющиеся следствием приливов под воздействием лунного притяжения и приводящие к увеличению продолжительности суток примерно на 0,001 с в столетие; малые скачкообразные изменения продолжительности суток, причины которых точно не установлены, удлиняющие или укорачивающие сутки на несколько тысячных долей секунды, причем такая аномальная продолжительность может сохраняться на протяжении 5-10 лет; наконец, отмечаются периодические изменения, главным образом с периодом в один год.