Для чего нужен точный эталон времени

О точности эталонных часов

Мы живём в пространстве и времени. Необходимость измерения времени появилась ещё в древности. Измерение – это сравнение измеряемой величины с другими такими же величинами, которые называют «единица измерения». Такая единица должна быть чётко определена и неизменна – быть эталоном.

Эталоны создаются наукой, которая называется метрология. Эталоном времени является секунда. Как определяется эталон, как проверяют точность времени? У современной метрологии есть ответы на эти вопросы.

Что такое эталон времени

Эталоном времени называют научную единицу измерения времени, воспроизводимую первичным эталоном с максимальной точностью. Эталонной единицей времени считается секунда. В процессе поиска неизменной единицы измерения у учёных возникло много сложностей. В основе эталона для измерения времени лежат периодические процессы с постоянным периодом и с большой точностью.

Изначально единственным таким известным процессом было вращение Земли вокруг своей оси. Было принято решение определять единицу времени (секунду) как 1/86 400 часть периода этого вращения (суткок). Что касается длительности суток, то их длину определяли двумя последовательными наблюдениями прохождения какого-либо небесного светила через плоскость меридиана наблюдения. Ещё в древности астрономы были уверены, что длительность интервала между двумя прохождениями Солнца через плоскость меридиана не совпадает с длительностью интервала, определённого по наблюдениям за любой «неподвижной» звездой. Звёздные сутки на 4 минуты меньше, чем солнечные. Использовать звёздное время было неудобно, так как постоянно менялись дни и ночи, а также солнечные сутки.

Определить продолжительность солнечных суток с высокой точностью – сложная задача ввиду того, что Солнце слишком большое; к тому же в результате солнечного излучения нагреваются и деформируются точные приборы. Поэтому, чтобы определить период вращения Земли используются звёзды и разница между звёздными и солнечными сутками.

В дальнейшем было доказано, что продолжительность солнечных суток зависит от приливов и отливов, поэтому поиски эталонного времени были продолжены учёными. На новом этапе для проведения измерений использовался тропический год, что позволило добиться более точных результатов.

Одна секунда приравнивалась 1/31556925,9447 тропического года. На основе этих разработок учёными были представлены маятниковые и кварцевые часы. В маятниковых часах используется маятник, измеряющий время периодом колебаний, в кварцевых часах – колебательной системой является кристалл кварца. Кварцевые часы были точнее, чем природный эталон, поэтому оставалась потребность в изобретении новых способов измерения. Учёные продолжили работы над разработкой квантового генератора и молекулярного хронометра. Так, для вычисления эталонной единицы начал использоваться атомный метод.

Атомные часы

При помощи эталонных атомных часов время определяется колебаниями, связанными с процессами на молекулярном и атомном уровне. Особенность их работы заключается в том, что при определённых условиях атомы испускают электромагнитные волны с одинаковой частотой. Общепринятым стандартом стал атом цезия-133. Устройству отведена важная роль в навигации, так как без него было бы невозможным установление местоположения транспортных средств, ракет, а также использование спутниковой связи. Конструктивно атомные часы включают генератор, дискриминатор, а также комплекс электроники.

При создании атомных часов применяются только атомы определённого вида, на которые не влияют внешние воздействия (к примеру – магнитное поле). Из подходящих атомов – атом кальция, цезия, рубидия. Первичный стандарт – переход атома цезия. Любые другие атомы сравниваются с цезием и являются вторичными.

О точности эталонных часов

Для эталонных часов была разработана шкала времени – AT. Но этот прибор может выдавать некоторые погрешности. Поэтому используют Международное атомное время – TAI, определяемое сравнением показаний атомных часов, установленных в разных метрологических учреждениях в разных странах мира.

Существует примерно 400 таких часов. За счёт сравнения их показателей проверяется точность эталонного времени. Эталоны единиц измерения хранятся во Франции (Севр), где расположено Международное бюро мер и весов. Там же проводятся исследования и работы в области метрологии, обеспечивается существование единой измерительной системы. За счёт регулярного сравнения атомных и эталонных часов специалисты выполняют анализ данных и при необходимости вносят в показания определённые корректировки.

UTC – понятие, под которым воспринимается всемирное координированное время. Этот стандарт применяется для регулировки часов во всём мире. В его основе лежит система измерения TAI, но при этом, UTC принято считать более удобным для повседневной жизни. Корректировка времени UTC осуществляется 1-2 раза в год за счёт прибавления 1 секунды.

Источник

masterok

Мастерок.жж.рф

Хочу все знать

Помните, мы обсуждали такую проблему, что килограмм все тяжелеет и тяжелеет, так вот, оказывается с секундой тоже не все так гладко.

Самые точные наручные или настенные часы грешат против эталонного времени в миллиарды раз. Впрочем, в быту и не нужна точность до долей микросекунды. Но она совершенно необходима в исследовании космоса, для создания систем навигации, управления воздушным движением, повышения качества теле- и радиопередач и многих других целей.

Эталон времени — особенный. Все остальные эталоны вводятся в действие периодически, для сличения с ними вторичных и рабочих эталонов. Но эталон, хранящий шкалу времени, нельзя остановить, как нельзя остановить время. Он работает всегда. Есть такой афоризм: время — очень простое понятие, пока вы не пытаетесь объяснить его кому-нибудь. С полным основанием эти слова можно отнести и к эталону времени. Меньше всего он напоминает часы, а оборудование и научные подразделения, которые обеспечивают эксплуатацию эталона, занимают большое здание. Находится оно во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) под Москвой.

Эталон времени — это сложный комплекс, в который входят цезиевые реперы (генераторы, дающие строго определенную частоту) и водородные хранители частоты, хранители шкал времени, приборы для измерения временных интервалов и другая аппаратура. Некоторые составляющие эталона уникальны, например радиооптический частотный мост, который служит для измерения частот излучения лазеров. В мире кроме России такой мост есть только в Канаде, во Франции, в США и Великобритании. Российский государственный эталон времени входит в группу лучших мировых эталонов, его относительная погрешность не превышает 5.10-14, то есть 0,00000000000005 секунды. За полмиллиона лет эталон даст погрешность в одну секунду.

А вот история этого вопроса:

Эталоны для измерения времени должны быть основаны на периодических процессах, период которых постоянен с большой точностью. Первоначально единственным известным процессом такого рода было вращение Земли вокруг своей оси, и единица времени — секунда — определялась как 1/86 400 часть периода этого вращения, то есть суток. Длительность же суток определялась из двух последовательных наблюдений прохождения какого-нибудь небесного светила через плоскость меридиана места наблюдения. Уже древние астрономы убедились в том, что длительность интервала между двумя прохождениями Солнца через плоскость меридиана не совпадает с длительностью интервала, определённого по наблюдениям любой из «неподвижных» звёзд: солнечные сутки оказались на 4 минуты больше звёздных. Это следствие движения Земли по орбите (вращение Земли вокруг оси и её орбитальное движение происходят в одном направлении). Пользоваться звёздным временем неудобно, так как вся наша жизнь связана со сменой дня и ночи, с солнечными сутками. Но определить их продолжительность с большой точностью весьма сложно: во-первых, Солнце слишком «велико»; во-вторых, солнечное излучение нагревает и деформирует точные приборы и, наконец, длительность солнечных суток изменяется в течение года вследствие изменения скорости движения Земли по орбите. Поэтому непосредственное определение периода вращения Земли выполняется по наблюдению звёзд, а для практических целей учитывают разницу между звёздными и солнечными сутками. Так возникло своеобразное положение, при котором мы пользуемся солнечным временем, определяя его по звёздам.

Вследствие изменения продолжительности суток, которые увеличиваются в среднем на 1 мс за век под влиянием приливных сил Луны, было пересмотрено определение секунды. Вместо 1/86 400 части средних солнечных суток ее длительность с 1960 г. определяется как 1/315 569 259 747 часть солнечного (или тропического) года по состоянию на 12 часов эфемеридного времени января 1900 г.

В 1958 г. секунда принята равной 9 192 631 770 ± 20 периодам излучения, соответствующего переходу между уровнями основного состояния атома цезия-133 в отсутствие внешних полей. Самое большое суточное изменение было зарегистрировано 8 августа 1972 г., оно составляло 10 мс и было вызвано самой мощной солнечной бурей, наблюдаемой за последние 370 лет.

Самой длинной мерой времени является кальпа в индуистской хронологии. Она равна 4320 млн лет. В астрономии космический год есть период обращения Солнца вокруг центра Млечного Пути, он равен 225 млн лет. В позднем меловом периоде (около 85 млн лет назад) Земля вращалась быстрее, в результате чего год состоял из 370,3 суток. Имеются также свидетельства тому, что в эпоху кембрия (600 млн лет назад) год длился более 425 суток.

Неравномерность суточного вращения и орбитального движения Земли не позволяет создать строго равномерные шкалы времени. Поэтому была введена ещё одна шкала — эфемеридное время, названное позже динамическим временем. Под ним понимают аргумент в дифференциальных уравнениях движения тел Солнечной системы в гравитационном поле. Это равномерно текущее время используют при определении эфемерид (элементов кеплеровой орбиты) спутников.

Любое время измеряют при помощи часов. После того как Галилей создал теорию маятника, а Гюйгенс изобрёл вращающийся балансир, появились маятниковые часы. И вскоре лучшие из них позволили обнаружить систематическое замедление суточного вращения Земли, вызванное океаническими приливами.

После изобретения кварцевых часов, в которых роль колебаний маятника играют упругие колебания кварцевых пластинок под действием электрического напряжения (пьезоэффект), было установлено, что и при учёте регулярного замедления длительность суток всё же непостоянна — она может изменяться в обе стороны на тысячные и даже сотые доли секунды.

К середине XX века стало ясно, что точность лучших часов превзошла точность нашего природного эталона времени — суток. Возможности астрономических методов измерения времени оказались исчерпанными.

Принципиально новые и более точные методы измерения времени пришли из радиоспектроскопии и квантовой электроники.

Каждый атом или молекула избирательно поглощает или излучает не только свет, но и радиоволны определённой длины волны λ, или частоты f, которые характеризуются непревзойдённым постоянством. Это позволило создать квантовые стандарты частоты, а следовательно, и времени (вспомним, что частота — величина, обратная периоду, то есть времени одного колебания) и построить шкалу атомного времени AT, задаваемую конкретным атомным или молекулярным эталоном.

Шкала АТ практически совершенно равномерна. В ней единицей измерения служит атомная секунда — промежуток времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 ( 133 Cs). Другими словами, за атомную секунду совершается число периодов колебаний цезиевого генератора, равное его частоте, составляющей 9 192 631 770 Гц (

9,2 Ггц). Стабильность этой частоты очень высока (то есть относительная нестабильность Δf/f, где Δf — уход частоты, очень мала). Кроме цезиевого в качестве стандартов частоты используют также рубидиевый и водородный генераторы (последний наиболее стабилен, см. таблицу).

Существует Международное атомное время ТАI (от французского названия Temps Atomic International). Оно устанавливается на основе показаний атомных часов в различных метрологических учреждениях в соответствии с приведённым выше определением атомной секунды.

Так как шкалы AT и UT не согласуются между собой, введена промежуточная шкала, называемая всемирным координированным временем UTС (Universal Time Coordinated). Это атомное время, которое корректируется на 1 с, когда его расхождение с UT1 превышает 0,5 с. Коррекция производится в последнюю секунду 30 июня или 31 декабря либо в обе даты.

Да, и еще напомню вам о том, что Международная служба вращения Земли сообщает, что 30 июня 2015 года к времени UTC будет добавлена очередная секунда координации. Это означает, что день 30 июня 2015 года будет длиться на одну секунду больше, чем обычно:
…
2015 Июнь 30, 23ч 59м 59с
2015 Июнь 30, 23ч 59м 60с
2015 Июль 1, 0ч 0м 0с
…
Начиная с 1 июля 2015 года Международное атомное время (TAI) будет отличаться от Всемирного координированного времени (UTC) на 36 секунд.
Что это такое и зачем это нужно

UTC является международным стандартом, на основании которого вычисляется локальное («местное» или гражданское) время в различных часовых поясах. Время UTC «идёт» синхронно с международным атомным временем — TAI. Эталон атомного времени имеет чрезвычайно высокую стабильность, у него нет суточных или вековых колебаний, и его высокая точность не изменяется со временем. Именно в стабильности и точности атомных часов кроется проблема, которая делает их применение не совсем удобным для человека.

Так уж сложилось, что наиболее привычным для большинства людей является время, основанное на движении Солнца (или других астрономических объектов, например, звёзд) по небесной сфере. Однако, скорость вращения Земли вокруг собственной оси постоянно изменяется. Во-первых, эта величина не совсем равномерна на коротких промежутках (от суток до столетий, эта неравномерность вызывается различными климатическими и геологическими процессами), а во-вторых, приливное ускорение, вызываемое Луной, постоянно замедляет вращение Земли, укорачивая земные сутки примерно на 2,3 мс в столетие.

Как уже отмечалось выше, UTC использует строго равномерную шкалу атомного времени. Для того, чтобы максимально приблизить UTC к шкале времени, основанной на суточном вращении Земли, в UTC периодически приходится вносить секунды координации — подобно тому, как в високосный год добавляются одни сутки. Существенная разница этих процессов заключается в том, что заранее рассчитать момент ввода секунды координации из-за колебаний скорости вращения Земли невозможно. По этой причине решение о применении секунды координации принимается Международной службой вращения Земли (IERS) на основании астрономических наблюдений. Добавление секунды производится в конце суток 31 декабря или 30 июня таким образом, чтобы UTC отличалось от среднесолнечного времени (точнее, всемирного времени UT1) не более, чем на 0,9 с.

Впервые дополнительная секунда была добавлена в UTC 30 июня 1972 года. Теоретически, скорость вращения Земли может измениться так, что понадобится вводить и отрицательную секунду (то есть вычесть её из UTC), однако с 1972 года использовались только положительные секунды координации.

Воздействие приливного ускорения и вызываемое им замедление скорости вращения Земли потребует вводить секунды координации в будущем всё чаще и чаще. Однако невозможность точного расчёта или предсказания очередного момента, когда потребуется вносить дополнительную секунду создаёт ряд проблем — например, сбои в работе операционных систем при некорректной обработке добавленной секунды или невозможность точного расчёта будущего времени UTC на срок свыше 6 месяцев. Для таких сфер деятельности, как навигация, транспорт, телекоммуникации, энергетика, подобные ошибки могут оказаться крайне критичными. В последнее время высказывается мнение о необходимости отмены добавления секунд координации, и их замены суммарным добавлением одного часа, который будет применяться около 1 раза в 6000 лет. Ожидается, что окончательное решение по этому вопросу будет принято Международным союзом электросвязи (International Telecommunication Union, ITU) в 2015 году.

Источник

Не ровен час: зачем нужно точно измерять время и почему рабочие невзлюбили часы

Существует расхожее мнение, что стандартизация измерения времени потребовалась лишь с изобретением железных дорог. Для пунктуального соблюдения расписания движения (и предотвращения катастроф) необходимо было навести порядок с ситуацией, когда время различалось чуть ли не в каждом соседнем населенном пункте. Однако на самом деле прорыв произошел лишь с освоением человеком электричества, потому что сигналы точного времени должны были передаваться молниеносно по проводам. Более того, в Великобритании за введение единообразия ратовали борцы за трезвость, так как без точного времени невозможно было даже издать (и контролировать) закон о времени продажи спиртного. А антиалкогольное лобби было весьма сильным в конце XIX — начале XX века: в целом ряде стран ему удалось продавить тотальный сухой закон, а не просто регулирование часов работы трактиров. В 1880-м в стране закондательно утвердили главенство гринвичского времени и принудили всех на острове жить по одним часам. А железные дороги к тому времени работали уже полвека.

Наша цивилизация прикладывала большие усилия к «укрощению» времени — его подсчету в минутах, учету в человеко-часах и расширенному использованию, как, например, в случае с GPS-навигацией. В своей книге Дэвид Руни рассказывает о 12 изобретениях, связанных с измерением времени.

В 263 году до н. э., одержав победу под Мессиной на Сицилии, римский полководец Маний Валерий Мессала привез в Вечный город немало трофеев, одним из них были солнечные часы. Новинку растиражировали по городу, и вскоре все жители почувствовали, что в их жизни произошли изменения, и не все к лучшему. Так один поэт жаловался, что теперь все едят не когда хотят, а когда придет соответствующий час, из-за чего люди терпят, голодают и вообще мучаются. Через сто лет в стране завелись водяные часы, уже показывавшие время как ночью, так и днем. Теперь часы управляли сном римлян так же, как и их бодрствованием.

И спустя два тысячелетия отношения простых людей с хронометрированием оставались непростыми: рабочим на первых британских фабриках и заводах запрещалось иметь часы, чтобы они не узнали, как долго работают сверхурочно. Управляющие регулярно меняли время на заводских часах в течение дня. Неудивительно, что когда вспыхивали бунты против станков и машин, то доставалось и часам. В Англии ткачи крали и портили фабричные часы до конца XIX века. Впрочем, это все речь о злоупотреблениях частного капитала, но хронометраж служил и общественному благу.

Огромной проблемой морской навигации было точное вычисление долготы (широту люди умели определять еще в древности). В 1707 году в кораблекрушении у берегов Британии погибло две тысячи человек — больше, чем на «Титанике» через двести лет. Ответом правительства стало учреждение премии размером, эквивалентным примерно 320 млн рублей на современные деньги, тому, кто сумеет решить проблему с точностью хотя бы до половины градуса. Для этого требовались часы, которые хранили бы точное время, несмотря на качку и влажность. Награда ждала своего героя полстолетия: лишь к концу 1750-х годов часовщик-самоучка Джон Харрисон создал механический хронометр, который достаточно хорошо отслеживал время и справлялся с суровыми условиями на море (эта история прекрасно рассказана в книге Давы Собел «Долгота»). Часовщики вообще были лучшими мастерами и изобретателями того времени. Отцы промышленной революции, включая Джеймса Уатта, заказывали инструменты у них. Лондонцы жаловались, что текстильные бизнесмены Ланкашира переманили к себе лучших часовых мастеров.

То, что нововведения в Британии внедрялись со скрипом, иллюстрирует пример с введением летнего времени. Уильям Уиллет почти 10 лет активно лоббировал эту идею, обещавшую, по его словам, ежегодную экономию на освещении £2,5 млн. Его слушали с интересом, но перелом наступил лишь во время Первой мировой. В 1916 году немецкие военные поняли, что переход на летнее время поможет сэкономить топливо, используемое для освещения военных заводов. Они опробовали его, а затем аналогичные испытания провели Австро-Венгрия, Голландия, Бельгия, Дания и Швеция. Спустя короткое время, боясь отстать, Великобритания последовала континентальному примеру и перешла на эту схему.

Интересно, что автор смог вплести и немного личного в повествование — он дальний родственник одной из первых участниц отбора на право стать первым голосом английской службы точного времени в 1935 году. Конкурс 42-летняя дама вроде бы проиграла из-за едва заметного регионального акцента, но собственное расследование Руни показало, что итог соревнования был предрешен. Женщина не только должна была иметь приятный голос и безупречное произношение, но и сама она должна была быть молодой и привлекательной. Дело в том, что организация, ответственная за внедрение нового сервиса, видела в качестве целевой аудитории мужчин, и ее руководству казалось, что красивая девушка будет лучше олицетворять собой эту безликую услугу.

Источник

Для чего нужен точный эталон времени

Самые точные наручные или настенные часы грешат против эталонного времени в миллиарды раз. Впрочем, в быту и не нужна точность до долей микросекунды. Но она совершенно необходима в исследовании космоса, для создания систем навигации, управления воздушным движением, повышения качества теле- и радиопередач и многих других целей.

Эталон времени — особенный. Все остальные эталоны вводятся в действие периодически, для сличения с ними вторичных и рабочих эталонов. Но эталон, хранящий шкалу времени, нельзя остановить, как нельзя остановить время. Он работает всегда. Есть такой афоризм: время — очень простое понятие, пока вы не пытаетесь объяснить его кому-нибудь. С полным основанием эти слова можно отнести и к эталону времени. Меньше всего он напоминает часы, а оборудование и научные подразделения, которые обеспечивают эксплуатацию эталона, занимают большое здание. Находится оно во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) под Москвой.

Эталон времени — это сложный комплекс, в который входят цезиевые реперы (генераторы, дающие строго определенную частоту) и водородные хранители частоты, хранители шкал времени, приборы для измерения временных интервалов и другая аппаратура. Некоторые составляющие эталона уникальны, например радиооптический частотный мост, который служит для измерения частот излучения лазеров. В мире кроме России такой мост есть только в Канаде, во Франции, в США и Великобритании. Российский государственный эталон времени входит в группу лучших мировых эталонов, его относительная погрешность не превышает 5.10-14, то есть 0,00000000000005 секунды. За полмиллиона лет эталон даст погрешность в одну секунду.

А вот история этого вопроса:

Эталоны для измерения времени должны быть основаны на периодических процессах, период которых постоянен с большой точностью. Первоначально единственным известным процессом такого рода было вращение Земли вокруг своей оси, и единица времени — секунда — определялась как 1/86 400 часть периода этого вращения, то есть суток. Длительность же суток определялась из двух последовательных наблюдений прохождения какого-нибудь небесного светила через плоскость меридиана места наблюдения. Уже древние астрономы убедились в том, что длительность интервала между двумя прохождениями Солнца через плоскость меридиана не совпадает с длительностью интервала, определённого по наблюдениям любой из «неподвижных» звёзд: солнечные сутки оказались на 4 минуты больше звёздных. Это следствие движения Земли по орбите (вращение Земли вокруг оси и её орбитальное движение происходят в одном направлении). Пользоваться звёздным временем неудобно, так как вся наша жизнь связана со сменой дня и ночи, с солнечными сутками. Но определить их продолжительность с большой точностью весьма сложно: во-первых, Солнце слишком «велико»; во-вторых, солнечное излучение нагревает и деформирует точные приборы и, наконец, длительность солнечных суток изменяется в течение года вследствие изменения скорости движения Земли по орбите. Поэтому непосредственное определение периода вращения Земли выполняется по наблюдению звёзд, а для практических целей учитывают разницу между звёздными и солнечными сутками. Так возникло своеобразное положение, при котором мы пользуемся солнечным временем, определяя его по звёздам.

Вследствие изменения продолжительности суток, которые увеличиваются в среднем на 1 мс за век под влиянием приливных сил Луны, было пересмотрено определение секунды. Вместо 1/86 400 части средних солнечных суток ее длительность с 1960 г. определяется как 1/315 569 259 747 часть солнечного (или тропического) года по состоянию на 12 часов эфемеридного времени января 1900 г.

В 1958 г. секунда принята равной 9 192 631 770 ± 20 периодам излучения, соответствующего переходу между уровнями основного состояния атома цезия-133 в отсутствие внешних полей. Самое большое суточное изменение было зарегистрировано 8 августа 1972 г., оно составляло 10 мс и было вызвано самой мощной солнечной бурей, наблюдаемой за последние 370 лет.

Самой длинной мерой времени является кальпа в индуистской хронологии. Она равна 4320 млн лет. В астрономии космический год есть период обращения Солнца вокруг центра Млечного Пути, он равен 225 млн лет. В позднем меловом периоде (около 85 млн лет назад) Земля вращалась быстрее, в результате чего год состоял из 370,3 суток. Имеются также свидетельства тому, что в эпоху кембрия (600 млн лет назад) год длился более 425 суток.

Неравномерность суточного вращения и орбитального движения Земли не позволяет создать строго равномерные шкалы времени. Поэтому была введена ещё одна шкала — эфемеридное время, названное позже динамическим временем. Под ним понимают аргумент в дифференциальных уравнениях движения тел Солнечной системы в гравитационном поле. Это равномерно текущее время используют при определении эфемерид (элементов кеплеровой орбиты) спутников.

Любое время измеряют при помощи часов. После того как Галилей создал теорию маятника, а Гюйгенс изобрёл вращающийся балансир, появились маятниковые часы. И вскоре лучшие из них позволили обнаружить систематическое замедление суточного вращения Земли, вызванное океаническими приливами.

После изобретения кварцевых часов, в которых роль колебаний маятника играют упругие колебания кварцевых пластинок под действием электрического напряжения (пьезоэффект), было установлено, что и при учёте регулярного замедления длительность суток всё же непостоянна — она может изменяться в обе стороны на тысячные и даже сотые доли секунды.

К середине XX века стало ясно, что точность лучших часов превзошла точность нашего природного эталона времени — суток. Возможности астрономических методов измерения времени оказались исчерпанными.

Принципиально новые и более точные методы измерения времени пришли из радиоспектроскопии и квантовой электроники.

Каждый атом или молекула избирательно поглощает или излучает не только свет, но и радиоволны определённой длины волны λ, или частоты f, которые характеризуются непревзойдённым постоянством. Это позволило создать квантовые стандарты частоты, а следовательно, и времени (вспомним, что частота — величина, обратная периоду, то есть времени одного колебания) и построить шкалу атомного времени AT, задаваемую конкретным атомным или молекулярным эталоном.

Шкала АТ практически совершенно равномерна. В ней единицей измерения служит атомная секунда — промежуток времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 ( 133 Cs). Другими словами, за атомную секунду совершается число периодов колебаний цезиевого генератора, равное его частоте, составляющей 9 192 631 770 Гц (

9,2 Ггц). Стабильность этой частоты очень высока (то есть относительная нестабильность Δf/f, где Δf — уход частоты, очень мала). Кроме цезиевого в качестве стандартов частоты используют также рубидиевый и водородный генераторы (последний наиболее стабилен, см. таблицу).

Существует Международное атомное время ТАI (от французского названия Temps Atomic International). Оно устанавливается на основе показаний атомных часов в различных метрологических учреждениях в соответствии с приведённым выше определением атомной секунды.

Так как шкалы AT и UT не согласуются между собой, введена промежуточная шкала, называемая всемирным координированным временем UTС (Universal Time Coordinated). Это атомное время, которое корректируется на 1 с, когда его расхождение с UT1 превышает 0,5 с. Коррекция производится в последнюю секунду 30 июня или 31 декабря либо в обе даты.

Да, и еще напомню вам о том, что Международная служба вращения Земли сообщает, что 30 июня 2015 года к времени UTC будет добавлена очередная секунда координации. Это означает, что день 30 июня 2015 года будет длиться на одну секунду больше, чем обычно:
…
2015 Июнь 30, 23ч 59м 59с
2015 Июнь 30, 23ч 59м 60с
2015 Июль 1, 0ч 0м 0с
…
Начиная с 1 июля 2015 года Международное атомное время (TAI) будет отличаться от Всемирного координированного времени (UTC) на 36 секунд.
Что это такое и зачем это нужно

UTC является международным стандартом, на основании которого вычисляется локальное («местное» или гражданское) время в различных часовых поясах. Время UTC «идёт» синхронно с международным атомным временем — TAI. Эталон атомного времени имеет чрезвычайно высокую стабильность, у него нет суточных или вековых колебаний, и его высокая точность не изменяется со временем. Именно в стабильности и точности атомных часов кроется проблема, которая делает их применение не совсем удобным для человека.

Так уж сложилось, что наиболее привычным для большинства людей является время, основанное на движении Солнца (или других астрономических объектов, например, звёзд) по небесной сфере. Однако, скорость вращения Земли вокруг собственной оси постоянно изменяется. Во-первых, эта величина не совсем равномерна на коротких промежутках (от суток до столетий, эта неравномерность вызывается различными климатическими и геологическими процессами), а во-вторых, приливное ускорение, вызываемое Луной, постоянно замедляет вращение Земли, укорачивая земные сутки примерно на 2,3 мс в столетие.

Как уже отмечалось выше, UTC использует строго равномерную шкалу атомного времени. Для того, чтобы максимально приблизить UTC к шкале времени, основанной на суточном вращении Земли, в UTC периодически приходится вносить секунды координации — подобно тому, как в високосный год добавляются одни сутки. Существенная разница этих процессов заключается в том, что заранее рассчитать момент ввода секунды координации из-за колебаний скорости вращения Земли невозможно. По этой причине решение о применении секунды координации принимается Международной службой вращения Земли (IERS) на основании астрономических наблюдений. Добавление секунды производится в конце суток 31 декабря или 30 июня таким образом, чтобы UTC отличалось от среднесолнечного времени (точнее, всемирного времени UT1) не более, чем на 0,9 с.

Впервые дополнительная секунда была добавлена в UTC 30 июня 1972 года. Теоретически, скорость вращения Земли может измениться так, что понадобится вводить и отрицательную секунду (то есть вычесть её из UTC), однако с 1972 года использовались только положительные секунды координации.

Воздействие приливного ускорения и вызываемое им замедление скорости вращения Земли потребует вводить секунды координации в будущем всё чаще и чаще. Однако невозможность точного расчёта или предсказания очередного момента, когда потребуется вносить дополнительную секунду создаёт ряд проблем — например, сбои в работе операционных систем при некорректной обработке добавленной секунды или невозможность точного расчёта будущего времени UTC на срок свыше 6 месяцев. Для таких сфер деятельности, как навигация, транспорт, телекоммуникации, энергетика, подобные ошибки могут оказаться крайне критичными. В последнее время высказывается мнение о необходимости отмены добавления секунд координации, и их замены суммарным добавлением одного часа, который будет применяться около 1 раза в 6000 лет. Ожидается, что окончательное решение по этому вопросу будет принято Международным союзом электросвязи (International Telecommunication Union, ITU) в 2015 году.

Источник