Что нельзя измерить и проверить временем?
На мой взгляд нельзя измерить не материальные вещи и явления, а так же представления о них.
Умер и тем самым ушел из жизни Александр Ведерников от того, что прибывал в глубоком старческом возрасте, ведь ему было 90 лет и просто произошла остановка сердца. Похороны прошли в столице РФ Москве 12 января 2018 года, а местом захоронения стало Миусское кладбище.
Это лекарство, силденафил цитрат или Виагра фармацевты исследовали как средство для увеличения кровотока во время ишемической болезни сердца. Оно оказалось не эффективным, но вызывало прилив крови к половому члену мужчин.
Когда происходит сексуальное возбуждение, мышцы полового члена, ранее сжатые, расслабляются, к ним начинает поступать больше крови, член становится твёрдым и способным совершить половой акт. В спокойном состоянии расслабление мышц блокируется с помощью фермента фосфодиэстеразы (ФДЭ-5). Вот Виагра и нейтрализует действие этого фермента.
Во времени-то мы все живем одном,а вот реагируем на все происходящее в соответствии с характерным только нам темпераментом.
Ваша табличка не совсем верна и выдернута из контекста,поэтому и информация сильно искажена.А как же смешанные темпераменты,которые преобладают?
Возможна ли блокада Ленинграда в наши дни? Выходит. что еще возможна и война.. и то, как люди вынуждены обороняться, создавать ополченские войска.. и это до сих пор не закончилось! Хотя бы не было войны!
Спросите Итана: почему время должно быть измерением?
Покадровая съёмка напоминает нам, что фотографии – это снимки, сделанные в определённом месте в определённое время, и каждый следующий момент отличается от предыдущего
Когда мы представляем себе способы перемещения по Вселенной, мы сразу же вспоминаем о трёх измерениях. Вправо-влево, вперёд-назад и вверх-вниз: три независимых направления декартовой решётки. Все они считаются измерениями – пространственными. Но мы часто рассуждаем ещё об одном измерении, другого типа: временном. Но что делает время измерением? На этой неделе читатель задаёт следующий вопрос:
Меня всегда удивлял континуум, состоящий из 3+1 измерения, пространства и времени. Почему всегда пишут о трёх пространственных измерениях и одном временном?
Начнём с изучения известных нам трёх измерений пространства.
На поверхности Земли двух координат, широты и долготы, достаточно для определения положения
На поверхности Земли нам обычно нужно две координаты для определения местоположения: широта и долгота, или положение по осям, направленным с севера на юг и с запада на восток. Если вы хотите спускаться под землю или подниматься над поверхностью, для описания вашей позиции вам понадобится третья координата – высота/глубина, или ваше положение по вертикальной оси. Ведь если кто-то находится точно там же, где и вы, с точки зрения широты и долготы, но при этом он расположен в туннеле под землёй или на вертолёте над вашей головой – нельзя сказать, что он находится там же, где и вы. Для описания вашего расположения в пространстве требуются три независимых частички информации.
Ваше положение во Вселенной описывается не только пространственными координатами (где), но и временными (когда)
Но пространство-время сложнее просто пространства. Положение стула, на котором вы сейчас сидите, можно описать тремя координатами – x, y и z. Но сейчас на нём сидите вы, а час назад, вчера или десять лет назад это могло быть не так. Чтобы описать событие, то знания, где оно происходит, не достаточно; кроме этого необходимо знать, когда, то есть, вам нужна временная координата, t. Впервые это сыграло большую роль в теории относительности, когда мы рассуждали о проблеме одновременности. Представьте себе два разных места, соединённых путём, по которому два человека идут, каждый из своего места, в другое.
Две точки, соединённые одномерным, линейным путём
Их поход можно представить, поставив два пальца с разных рук на две начальные точки, и проведя ими по направлению к цели. В какой-то момент им придётся пройти друг мимо друга, то есть ваши пальцы окажутся в одном месте в одно и то же время. В теории относительности это известно как одновременное событие, и оно может произойти, только при совпадении всех пространственных компонентов и всех временных компонентов двух различных физических объектов.
В этом нет ничего противоречивого, и это объясняет, почему нам нужно рассматривать время как измерение, в котором мы двигаемся, точно так же, как и любое из пространственных измерений. Но именно СТО Эйнштейна подвигла его бывшего профессора Германа Минковского разработать теорию, объединяющую три пространственных и одно временное измерение.
Плоское ли пространство или искривлённое, передвижение в пространстве влияет на передвижение во времени
Мы понимаем, что для передвижения в пространстве нужно передвигаться во времени; если в данный момент времени вы находитесь тут, вы не можете находиться в другом месте в это же время – вы можете попасть туда только попозже. В 1905 году СТО Эйнштейна научила нас тому, что скорость света является всеобщим пределом скорости, при приближении к ней вы начинаете испытывать странные явления замедления времени и сокращения расстояний. Но крупнейший прорыв произошёл в 1907-м, когда Минковский осознал, что из относительности Эйнштейна следует удивительный вывод: с математической точки зрения время ведёт себя так же, как пространство, за исключением с, скорости света в вакууме, и i, мнимой единицы √(-1).
Пример светового конуса, трёхмерной поверхности всех возможных световых лучей, приходящих в точку пространства-времени и исходящих из неё
Если сложить все эти открытия вместе, получится новая картина Вселенной, связанная с нашим движением в её рамках:
• Если вы не двигаетесь и остаётесь в том же месте пространства, вы двигаетесь во времени с максимальной скоростью.
• Чем быстрее вы двигаетесь в пространстве, тем медленнее вы двигаетесь во времени, и тем короче кажутся вам пространственные расстояния в вашем направлении движения.
• Если у вас нет массы, вы можете двигаться только со скоростью света, мгновенно перемещаясь в направлении вашего движения, без всякого течения времени. [точнее, с точки зрения безмассовой частицы, она не перемещается и время не движется — прим. перев.]
Для неподвижного наблюдателя время идёт нормально, а у быстро движущегося в пространстве часы идут медленнее, чем у неподвижного
С физической точки зрения последствия этого поразительны. Это значит, что всем безмассовым частицам присуща стабильность, поскольку для них не существует течения времени. Это значит, что нестабильные частицы, вроде мюона, созданные в верхних слоях атмосферы, могут достичь поверхности Земли, несмотря на то, что умножив их время жизни (2,2 мкс) на скорость света, мы получим расстояние в 660 метров, что сильно меньше пути, который им необходимо совершить. И это значит, что если вы возьмёте пару идентичных близнецов, оставите одного на Земле, а другого отправите в релятивистское путешествие в космос, то второй близнец по возвращению окажется моложе первого, поскольку для него пройдёт меньше времени.
Марк и Скотт Келли в Джонсоновском космическом центре. Один из них провёл год в космосе и постарел немного меньше, а другой оставался на Земле
Как писал в 1908 году Минковский:
Теории о сути пространства и времени, которые я хочу вам продемонстрировать, выросли на почве экспериментальной физики, из чего и происходит их сила. Они радикальны. Впредь пространство само по себе и время само по себе обречены обратиться в тени, и независимой реальностью останется только их объединение.
Сегодня формулировка пространства-времени ещё более общая, в неё включена присущая пространству кривизна – так обобщается СТО. Но причина того, что время – такое же измерение, как пространство, состоит в том, что мы постоянно движемся сквозь него, а записывают его в виде «3+1» (а не просто 4) потому, что увеличение движения через пространство уменьшает движение через время, и наоборот.
Фотоаппарат предугадывает движение объекта во времени – одно из практических применений идеи времени как измерения
Интересно то, что все, вне зависимости от их движения сквозь пространство по отношению ко всем остальным, будут видеть одинаковые правила, одинаковые действия и последствия. Если бы время не было таким измерением, законы относительности не работали бы, и концепция абсолютного пространства могла бы быть обоснованной. Чтобы физика работала так, как она работает, нам необходимо, чтобы время имело свойство измерения, и Вселенная беспрестанно обеспечивает нас подобными явлениями.
Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].
Что такое время и можно ли изменить его скорость?
Время — оно как воздух. Мы живем в нем и даже не задумываемся над тем, что это такое и как им пользоваться. Тем не менее, это очень сложная вещь, которая лежит в основе всего. Не зря же есть словосочетание ”пространство и время”. С пространством все понятно — вот оно. До работы 10 километров на машине, а до магазина 300 метров пешком. Вот только время в этом пути будет очень относительным. Но что это вообще такое и справедливо ли говорить о том, что время бесконечно и оно было всегда? Можно ли потрогать время? Может быть его можно остановить или повернуть вспять? Все эти вопросы люди часто задают друг другу и сами себе. Давайте попробуем ответить хоть на какие-то из них.
Время есть у всех. Но только что такое время?
Что такое время?
Обычно под временем мы понимаем то, что отсчитывается стрелками часов и чего нам всегда не хватает. При этом, считается, что время делится на прошлое, настоящее и будущее. С первым и последним понятно, но существует ли настоящее?
Любая микроскопическая доля времени, про которую мы постараемся сказать, как про настоящее, уже будет прошлым. Получается, что настоящего, как такового, не существует. Оно является только тем, что мы привыкли так называть, то есть очень широкое понятие в духе ”наши дни”. Оно может включать периоды от нескольких месяцев до нескольких лет и даже тысяч лет, если мы говорим, к примеру, о существовании Вселенной или формировании нашей планеты.
Одно из определений времени гласит, что это то, заставляет все события происходить неодновременно.
При этом многие ученые все же воспринимают время, как прогрессию, в которой будущее становится настоящим, а настоящее — прошлым, и этот процесс непрерывен. Даже если взорвется наше Солнце, время все равно не остановится и продолжит существовать. Просто уже не для нас.
Почему во время карантина время идет быстрее?
Что дает понимание времени
А еще время является основной для понимания того, что такое динамика. Только имея представления о времени, можно говорить о событиях, которые развиваются с определенной скоростью. Ведь совершенно нормальным считается спросить, когда что-то произошло и сколько продлилось то или иное явление. Получается, что время похоже на пространство — это координаты, но не точки на карте того, когда это было. Отличие только одно. По карте можно ходить куда угодно, а по времени — только в одну сторону. Именно это свойство времени является главной загадкой, над которой бьются ученые и строят свои гипотезы фантасты.
Фантасты часто поднимают тему времени, так как полет фантазии в этом направлении невозможно остановить.
Люди воспринимают время более менее одинаково, так как привычные нам часы тикают с одной скорость. Однако, это справедливо только для классической физики. Квантовая же физика утверждает обратное и говорит о том, что система становится активной только в тот момент, когда за ней наблюдают. То есть, в некотором роде именно квантовая физика не исключает возможности движения времени вспять.
Немного юмора от физики, который кое-что объясняет.
Теория относительности Альберта Эйнштейна
В свое время Альберт Эйнштейн явил миру теорию относительности, о которой вы наверняка слышали. Она полностью меняет типичное представление о времени и взгляд на него. Согласно этой теории, прогрессия времени не универсальна. Если говорить совсем просто, то по этой теории часы идут с разной скоростью в зависимости от того, на чьей руке они надеты.
Если обладатель часов окажется в непривычной для него ситуации, например, будет перемещаться со скоростью света или окажется рядом с сильным источником гравитационных волн — например, рядом с черной дырой — время для него пойдет иначе. В некоторых ситуациях оно может даже остановиться или и вовсе повернутся вспять.
Теория относительности предполагает, что любые события могут влиять только на те события, которые происходят после них. Но это не противоречит движению времени, как вектора физической величины, в обратном направлении. В этом случае уже события будущего будут находится в прошлом относительно ”того, кто носит часы”.
Проще говоря, в такой ситуации восприятие привычных физических процессов меняется и человек оказавшийся в таком месте может не только наблюдать время, но и двигаться по нему как в обычном пространстве — влево, вправо, вперед, назад и так далее. То есть, относительность уравнивает время и пространство, наделяя их одними и теми же свойствами.
Величайшие умы мира бьются над разгадкой тайны времени, но они ничего пока так и не добились.
Возможно ли путешествие во времени
Есть еще понятие T-симметрии, когда явления и величины, коими они представлены, не зависят от шкалы координат, и при изменении положительного значения на отрицательное кривая на графике становится зеркальной. В теории относительности, несмотря на такие отличие от привычного мира, это правило тоже сохраняется.
Интересно, что в споры о возможности путешествия во времени в обратном направлении вмешивается термодинамика, которая говорит, что все процессы в мире стремятся из упорядоченной системы к хаосу, то есть увеличению энтропии. Этот процесс нельзя повернуться вспять. То есть, взорвавшиеся звезды нельзя ”склеить” обратно, а сгнивший лист железа превратить в новый. Проще говоря, ”фарш невозможно провернуть назад и мяса из него не восстановишь”.
Если они смогли, может и мы когда-то сможем?
В итоге, грубо можно сказать, что время для нас это то время, которое есть на Земле. Если мы начнем путешествовать в пространстве дальше ближайших планет, нам придется понимать, что такое время и как оно меняется. Хотя, формально, на незначительные доли секунд отклонения есть и на Земле. Это даже учитывается при создании некоторых сверхточных систем и атомных часов.
Понимаем ли мы время
Вообще, человечество пока плохо понимает, что такое время на самом деле и все сказанное является только теориями и гипотезами. Мы пока так и не смогли достичь источников гравитационных волн, хотя смогли зафиксировать их.
Как только люди научатся путешествовать во времени, очень не хотелось бы это пропустить. Поверьте, прежде чем бежать покупать билеты, мы напишем об этом в нашем новостном канале в Telegram. Присоединяйтесь, чтобы ничего не пропустить.
Пока о времени мы знам только то, что это геометрический параметр, характеризующий длительность процессов. Он является частью пространственно-временного континуума и четвертой осью привычного нам трехмерного мира. Ах да… Еще то, что это чертовски интересная и непонятная штука. Как у нас говорят — ничего непонятно, но очень интересно.
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.
В погоне за точностью: единый эталон времени — частоты — длины
Человек живёт во времени и пространстве, и уже в глубокой древности появилась необходимость измерять время и длину — характеристику пространства. Измерить — значит сравнить измеряемую величину с другой величиной того же рода, называемой единицей измерения. Эта единица должна быть чётко определённой и неизменной величиной — эталоном. Созданием эталонов занимается наука, именуемая метрологией. За эталон времени принята секунда, за эталон длины — метр. Но вот как их определить? Скажем, секунда — это промежуток времени, в течение которого. что? Метр — это расстояние, равное. чему? Эти вопросы отнюдь не просты. Посмотрим, как отвечает на них современная метрология.
Время
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.
Так как истинные солнечные сутки не остаются одинаковыми в течение года, то в повседневной жизни за основную единицу времени принимают средние солнечные сутки, рассчитанные в предположении равномерного движения Земли по орбите. Время в таких сутках называют средним временем. Понятно, что его значение меняется с изменением географической долготы места: когда в Москве 12 часов дня, то, скажем, в Красноярске уже 16 часов, то есть возникает понятие местного времени. Местное среднее время на Гринвичском меридиане называют всемирным временем и обозначают UT (Universal Time). Это всемирное время положено в основу создания нескольких астрономических шкал времени.
Прежде всего заметим, что, хотя UT — среднее солнечное время, то есть определено из условия равномерного движения Земли по орбите, на его основе трудно создать равномерную шкалу по той причине, что положение любого меридиана, и в частности Гринвичского, подвержено изменениям из-за вращения Земли. Происходит это потому, что Земля — не абсолютно твёрдое тело: массы в ней непрерывно перераспределяются, вследствие чего полюса Земли незначительно (до 10–15 м) меняют положение, вызывая смещение меридианов, их соединяющих.
Существует несколько модификаций шкал всемирного времени. Из наблюдений суточных движений звёзд получается всемирное время UT0, не образующее равномерной шкалы. Если учесть поправку за смещение мгновенного полюса относительно его среднего положения, получим более равномерную шкалу UT1. Если принять во внимание ещё и сезонные вариации угловой скорости вращения Земли, получим более равномерную шкалу UT2. Наконец, учёт действия приливных явлений даёт шкалу UT1R.
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.
Длина
Обратимся теперь к единице длины — метру. Его история также довольно интересна. Впервые понятие метра появилось во Франции в период Великой французской революции. Учёные того времени решили заимствовать единицу измерения длины, так сказать, из самoй природы, и в качестве неизменного прототипа длины специальная комиссия Французской академии наук предложила взять длину одной десятимиллионной доли четверти Парижского меридиана. Это расстояние и назвали метром (metre vrai et definitif — метр подлинный и окончательный). После этого были проведены измерения длины дуги Парижского меридиана между Дюнкерком и Барселоной, на основании которых, а также в соответствии с теоретическим определением изготовили образец метра в виде платиновой линейки — концевой меры шириной около 25 мм и толщиной 4 мм. Эта мера сдана в архив Французской республики, поэтому её в дальнейшем стали называть «архивным метром». Но далее оказалось, что вследствие всё возрастающей точности геодезических измерений значения метра и соответствующей части меридиана будут расходиться. Кроме того, длина меридианов, как уже отмечалось выше, не остаётся строго постоянной из-за смещения полюсов. И тогда решили больше не связывать значение меры длины с одной сорокамиллионной частью Парижского меридиана. Метр перестал быть «естественной» мерой.
За точное значение метра был принят так называемый международный прототип, выбранный следующим образом. Изготовили 31 эталон в форме стержней Х-образного сечения из платино-иридиевого сплава с двумя штрихами, расстояние между которыми равно размеру метра, и провели сравнение этих эталонов с «архивным метром». В пределах точности измерений эталон № 6 при 0 о С оказался равным длине «архивного метра», и в 1889 году на I Генеральной конференции по мерам и весам его приняли в качестве международного прототипа метра. Он хранится в Международном бюро мер и весов в городе Севре (близ Парижа). Из оставшихся 30 эталонов 28 были распределены по жребию между странами, участвовавшими в конференции 1889 года, а два оставлены как «эталон-копия» и «эталон-свидетель». Россия получила два эталона метра: № 11 и № 28. Последний декретом Совнаркома в 1918 году был узаконен в качестве государственного эталона или прототипа метра для СССР. Он хранится (до сих пор) во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева в Санкт-Петербурге и используется только для сравнения с ним вторичных эталонов или эталонов-копий.
Так как существующие эталоны хотя и очень мало, но всё же изменяются с течением времени и метр нельзя считать естественной мерой единицы длины, метрологи задались вопросом: нельзя ли всё-таки установить естественный эталон длины, «привязав» его к стабильным природным процессам или явлениям. И здесь, как и в случае с эталоном времени, решение пришло из спектроскопии и квантовой электроники. Поскольку, как уже отмечалось, частоты и длины волн атомов и молекул отличаются исключительным постоянством, это природные константы, и поэтому в принципе атом или молекула каждого (любого) вещества обладает свойствами эталона частоты и длины.
С развитием точных методов интерферометрических измерений появилась идея выразить метр в длинах световых волн, и в 1927 году VII Генеральная конференция по мерам и весам постановила: 1 метр равен 1 553 164,13 длины волны красной линии кадмия при определённых условиях (температуре, давлении и пр.) К 30-м годам ХХ века точность интерферометрических измерений превысила ширину штрихов на эталоне метра и его копиях. И в 1960 году XI Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение метра: он стал равен 1 650 763,73 длины волны излучения в вакууме, соответствующей оранжевой линии спектра изотопа криптона с атомным весом 86 ( 86 Kr). Поскольку эта линия намного более узкая, чем у кадмия (чему, в частности, способствует то, что криптоновую лампу помещают в криостат с жидкой углекислотой), новое определение метра повысило точность эталона длины примерно в 100 раз.
В том же 1960 году, когда за эталон длины приняли криптоновый стандарт, был создан принципиально новый источник излучения — лазер, и началось бурное развитие лазерной техники. Обнаружилось, что газовый лазер на смеси гелия и неона (Не-Nе) может генерировать чрезвычайно узкие спектральные линии (так называемые продольные моды, см. «Наука и жизнь» № 9, 2003 г.) — гораздо yже, чем у криптонового стандарта. Однако частоты этих линий могут «плавать», меняться неконтролируемым образом (например, вследствие изменения длины резонатора). Поэтому, чтобы получить источник света намного лучший, чем криптоновая лампа, необходимо стабилизировать частоту лазерного излучения. Такой стабилизации достигли использованием молекулярных линий поглощения некоторых газов, у которых частота одной из линий поглощения близка к частоте излучения лазера. Например, гелий-неоновый лазер может генерировать на трёх длинах волн: 0,63, 1,15 и 3,39 мкм; при этом линии с длиной волны 0,63 мкм весьма точно соответствует линия поглощения молекулы паров йода I2, а линии с длиной волны 3,39 мкм — линия поглощения молекулы метана СН4. Ячейку с поглощающим газом помещают внутрь резонатора лазера. Если изменять длину резонатора, настраивая лазерную частоту на центр спектральной линии поглощающего газа, в излучении лазера появляется резонансный пик с предельно узкой шириной спектра. Это состояние непрерывно поддерживает система автоподстройки длины резонатора. Лазеры на Не-Nе/I2 127 и особенно Не-Ne/CH4 обеспечивают генерацию очень узких линий излучения со стабильностью частоты того же порядка, что и в стандартах времени. Естественно, возникла мысль об использовании стабилизированных лазеров в качестве стандартов длины вместо криптонового эталона. Этому способствовало ещё одно обстоятельство.
Однако эталон частоты, задающий атомную секунду, — цезиевый генератор, частота которого fэт = 9 192 631 770 Гц лежит в радиодиапазоне. И чтобы измерить частоту лазера ν сравнением с эталонной частотой, надо осуществить переход эталонной частоты в оптический диапазон, то есть умножить её до оптических значений. Однако эталонная частота имеет нецелочисленную величину и неудобна для преобразований. Поэтому обычно вместо цезиевого генератора используют более низкочастотный кварцевый генератор с удобным значением частоты, например 5 Мгц. Но такой генератор имеет гораздо меньшую стабильность частоты и сам по себе служить эталоном не может. Необходимо стабилизировать его частоту по цезиевому стандарту, придав ему такую же стабильность.
Это осуществляется при помощи схемы фазовой автоподстройки частоты. Низкая частота кварцевого генератора fкв увеличивается радиотехническими средствами в некоторое число (n) раз и в смесителе вычитается из частоты цезиевого эталона fэт. Подбором конкретных значений n и fкв разностную частоту (fэт – nfкв) можно сделать приблизительно равной частоте кварцевого генератора: (fэт – nfкв) = fкв.
Сигнал разностной частоты (fэт – nfкв) после усиления поступает на один вход фазового детектора, а на другой его вход подаётся сигнал частоты fкв от кварцевого генератора. На выходе фазового детектора возникает напряжение, величина и знак которого зависят от отклонения разностной частоты от частоты fкв. Это напряжение поступает на блок управления частотой кварцевого генератора, сдвигая её до тех пор, пока она не станет точно равной разностной частоте. Другими словами, любая расстройка частот (fэт – nfкв) и fкв вызывает появление управляющего сигнала, сводящего эту расстройку к нулю, благодаря чему частота кварцевого генератора автоматически поддерживается неизменной и её стабильность оказывается практически равной стабильности цезиевого эталона. Теперь можно осуществлять передачу этой частоты в оптический диапазон.
Для этой цели используется радиооптический частотный мост (РОЧМ), в котором при помощи многозвенной цепочки различных СВЧ-генераторов и промежуточных лазеров субмиллиметрового и инфракрасного диапазонов выполняется последовательное умножение эталонной частоты 5 МГц до значений 10 14 Гц. Так создаются эталоны частоты в оптическом диапазоне — оптические стандарты частоты. В качестве таких стандартов утверждены пять стабилизированных газовых лазеров.
Следовательно, эталон длины, воспроизводящий метр в его новом определении, реализуется при помощи атомного (цезиевого) эталона времени и частоты, дополненного РОЧМ. Этот комплекс и представляет собой единый эталон ВЧД. При этом характерно, что размеры всех единиц — единицы времени (секунды), частоты (герца) и длины (метра) — задаются всего двумя природными константами: резонансной частотой перехода в атоме цезия-133 и скоростью света в вакууме.
Следует упомянуть, что в последнее время найдена более перспективная возможность создания единого эталона ВЧД, связанная с разработкой фемтосекундных «оптических часов», способных служить также «оптическим метром» («Наука и жизнь» № 9, 2003 г.). При этом отпадает необходимость в цепочке передачи благодаря генерированию высокостабильной «оптической гребёнки» в чрезвычайно широком диапазоне спектра. Такая гребёнка, воспринимаемая как белый свет, возникает при прохождении фемтосекундных импульсов от лазера на сапфире с титаном через оптическое волокно со специально созданной микроструктурой. Подробности о такого рода разработках можно найти в нобелевской лекции Дж. Холла, опубликованной на русском языке под названием «Определение и измерение оптических частот: перспективы оптических часов — и не только» (УФН, 2006, № 12).
