Что такое атомные часы и как они по-новому представляют время?

Как часто мы обещаем себе в череде важных дел “выделить время” на уборку балкона или встречу с друзьями, которых давно не видели? И каждый раз нашим намерениям мешает нехватка времени. Последнее для ученых из Международной службы вращения ЗемлиМСВЗ — базирующаяся в Париже международная служба оценки параметров вращения и координат Земли. Ответственна за поддержание всемирного времени, стандартных небесной (ICRS) и земной (ITRS) систем координат. (“Википедия”) больше не проблема. У них есть возможность создавать время (разумеется, с периодичностью)!

В то время как философы и физики продолжают спорить о происхождении времени и его существовании, другие ученые спокойно создают секунды, которые внедряются во временную туманность. И этим они занимаются в течение последних 46 лет. Истоки этого волшебства лежат в основе изобретения атомных часов. Последних, кстати, в Швейцарии достаточно.

Научное открытие

С античности время определяли, наблюдая за звездами. В течение многих веков одна секунда равнялась 1/86 400 среднего солнечного дня. Таким образом, одно полное прохождение Солнца (два последовательных прохода через зенит) занимает 86 400 секунд.

Эта единица всемирного времени действовала до 1960-х, пока новые открытия не изменили нашу временную систему.

С 1967 году в международной системе единиц СИ было принято определять одну секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Давным-давно астрономы говорили, что интервал между двумя зенитами непостоянен, исходя из того, что Земля вращается вокруг Солнца не по кругу, а по эллипсу. Более того, угол наклона Земли равен 23,3 градуса относительно уровня ее солнечной орбиты. В результате длина солнечного дня варьируется. Он может быть короче 4 ноября на 16 минут 23 секунды и длиннее 11 февраля на 14 минут 22 секунды. Знатоки изысканных часовых механизмов признают в этом знаменитое уравнение времени.

Измерение времени атомными часами не зависит от звезд, поэтому ученые сделали потрясающее открытие: они смогли доказать, что вращение Земли замедляется. Этот феномен они объяснили небольшим количеством трений между электромагнитными волнами и вращающейся Землей и тем фактом, что Луна отдаляется от нашей планеты.

Замедление вращения Земли означает увеличение длины дня. Пока что оно незаметно, но, например, сегодня день длиннее на две миллисекунды, чем 100 лет назад. Подобная разница подразумевает периодическую регулировку, которая помогает Всемирному координированному времениВсемирное координированное время (англ. Coordinated Universal Time, фр. Temps Universel Coordonné; UTC) — стандарт, по которому общество регулирует часы и время. Отличается на целое количество секунд от атомного времени и на дробное количество секунд от всемирного времени UT1. (“Википедия”) быть ближе к среднему солнечному.

Для чего нужны атомные часы?

Дополнительная секунда, как система коррекции времени, была введена в 1972 году. С тех пор было добавлено 27 секунд, последняя — 31 декабря 2016 года. В тот вечер через секунду после 23:59:59 время было не 00:00:00, а 23:59:60. Дату следующей корректировки невозможно узнать заранее, но она будет осуществлена, когда между всемирным координированным временем и вращением Земли будет нарушена синхронизация более чем на 0,6 секунды.

Так откуда берется всемирное координированное время? Каждый день Международное бюро мер и весов собирает из Сети информацию 350 атомных часов, находящихся в разных частях света, и высчитывает среднее значение. Это и есть всемирное координированное время, и на него есть спрос.

Например, Google ежедневно отвечает на 7 миллиардов автоматических запросов на синхронизацию компьютерного времени и всемирного. И эта цифра будет увеличиваться, так как количество подключенных устройств быстро растет: прогнозируют, что к 2020 году их будет 20 миллиардов.

Также точное время необходимо в GPS и Galileo. Ведь как работает GPS? Система обеспечивает возможность получения точных координат в любое время суток. Она основана на том, что в космосе на геоцентрической орбите есть три спутника с атомными часами, точность которых около одной наносекунды. Они измеряют время, которое радиосигнал проходит от спутников до приемника. Таким образом с помощью времени определяются координаты. Последние окажутся верны, если точные часы на спутниках не будут отставать друг от друга.