Алан Бёрдик - Куда летит время. Увлекательное исследование о природе времени

Секунда вступила в свои права лишь в XX веке, когда получили распространение кварцевые часы. Ученые обнаружили, что кристалл кварца, внесенный в поле переменного тока, совершает колебания с частотой десять тысяч раз в минуту, резонируя подобно камертону. Точная частота вибраций зависит от формы и размера кристалла. В 1930 году была опубликована научная работа под названием «Кристаллические часы», предложившая использовать данное свойство кварца для завода часов. Отсчет времени посредством электрического поля, а не за счет гравитации, как раньше, обеспечивает точную работу часового механизма в сейсмоактивных регионах, в движущихся поездах и на борту подводных лодок. В современных кварцевых часах, включая наручные модели, используются кристаллы, вырезанные лазером, которые совершают колебания с неизменной частотой 32 768 Гц (или 215 раз в секунду). Так родилось рабочее определение секунды: 32 768 периодов колебаний кристалла кварца.

В 1960-х годах, когда ученым удалось непосредственно измерить период колебаний излучения атома цезия, испускающего 9 192 631 770 квантов колебательной энергии в естественных условиях, определение секунды было пересмотрено на официальном уровне: точность измерений увеличилась еще на несколько десятичных разрядов. С тех пор как утвердилось понятие атомной секунды, методика подсчета времени претерпела радикальные изменения. Прежняя темпоральная схема, называемая всемирным временем, перевернулась вверх тормашками. Ранее секунда считалась частью суток, длительность которой выводилась из характера движения Земли в космосе. Сейчас все наоборот: сутки рассматриваются как совокупность секунд, а продолжительность дня рассчитывается «снизу». Философы затевали жаркие споры, пытаясь выяснить, будет ли новое атомное время восприниматься так же органично, как и старое. Между тем проблема оказалась намного глубже: две временные шкалы совпадают не в полном объеме. В ходе планомерного повышения точности атомных часов выяснилось, что вращение Земли постепенно замедляется. Каждый новый день немного длиннее предыдущего. В течение двух лет небольшая разница в продолжительности дней достигает одной секунды. Сумма високосных секунд, ежегодно прибавляемых к шкале международного атомного времени в целях согласования с астрономическим временем, начиная с 1972 года, составляет почти половину минуты.

В былые дни каждый из нас мог самостоятельно произвести посекундную калибровку суток путем простейшей операции деления. Теперь продолжительность секунд рассчитывают профессионалы, а суть производимых ими действий подпадает под определение «передача сигналов точного времени», согласно которому распространение сигналов точного времени происходит по аналогии с рассевом семян в садоводстве или распространением пропагандистских материалов. В мире насчитывается около 320 цезиевых часов размером с небольшой чемоданчик и более сотни крупногабаритных механизмов, которые практически непрерывно генерируют или, как говорят метрологи, воспроизводят высокоточные секунды. Как правило, такие часы содержатся в государственных лабораториях точного времени. (Цезиевые часы, в свою очередь, сверяют по эталонному генератору частоты, функции которого выполняет особый механизм – так называемый цезиевый фонтан, выбрасывающий атомы цезия в вакуум при помощи лазера. На сегодняшний день существует около дюжины цезиевых фонтанов.) Воспроизведенные таким образом секунды суммируются и прибавляются к атомному времени суток. Проще говоря, «секунда – это такая штука, которая тикает, а время – это такая штука, которая считает тиканье», как выразился Том Паркер, некогда возглавлявший исследовательскую группу Национального института стандартов и технологии США.

Национальный институт стандартов и технологии (НИСТ) представляет собой федеральное агентство, оказывающее консультационную поддержку при утверждении официальных стандартов гражданского времени в США. На попечении экспертов, занятых в лабораториях НИСТ в Гейтесберге (Мэриленд) и Боулдере (Колорадо), находится порядка двенадцати цезиевых часов или даже больше. Часы работают постоянно, обеспечивая возможность снять показания в любой момент. Тем не менее, при всей феноменальной точности, показания цезиевых часов имеют незначительные расхождения, измеряемые наносекундами. Каждые 12 минут показания цезиевых часов сверяют между собой, отсчитывая ход за ходом и выясняя, какие часы спешат, какие отстают и насколько велика разница в показаниях. Затем данные по всей группе часов-генераторов количественно обобщают и рассчитывают то, что Паркер называет «средним воображаемым».