Хранитель неизменной секунды

Часы с маятником были изобретены Христианом Гюйгенсом в первой половине XVII века. Они верой и правдой служат людям уже свыше 300 лет. За это время механизм часов был доведен до большого совершенства, но все же самые лучшие современные часы с маятником уходят вперед или отстают на 3–4 тысячных доли секунды в сутки. Это – предел точности таких часов и большего от них добиться трудно.

Однако точность в 3–4 тысячных доли секунды уже не удовлетворяет ученых. Тысячная доля секунды – величина большая. Для тонких научных исследований нужны часы, отмеряющие время с ошибкой, которая не превышала бы стотысячной доли секунды. Именно столь высокая точность позволяет совершать важные открытия..

Наша секунда это 1/86400 доля суток, а сутки – время одного оборота земного шара вокруг его оси. Все наше измерение времени до сих пор было основано на определении скорости вращения Земли. Раньше думали, что земной шар вращается в высшей степени равномерно и сутки остаются неизменными, но это оказалось не так. Установлено, что великие часы природы – земной шар – отстают. Земля замедляет свое вращение, и вследствие этого сутки постепенно удлиняются.

Величина «погрешности» Земли невелика, она составляет примерно 1, 5 тысячных доли секунды в столетие. Иначе говоря, через каждые 700 столетий сутки становятся длиннее на 1 секунду.

Кроме того, в итоге многолетних наблюдений у астрономов зародилось подозрение, что наша планета вращается не вполне равномерно.

В 1872 году известный русский астроном С. П. Глазенап решил проверить это предположение. Предпринятое им исследование подтвердило догадку.

Земля то чуть‑ чуть ускоряет вращение, то так же неожиданно и без видимой причины замедляет его. Небольшие изменения скорости вращения день ото дня накапливаются, а к концу года достигают величины, которая уже не ускользает от внимания астрономов.

В течение прошлого столетия Земля вращалась с ускорением – сутки укорачивались. За время с 1865 по 1898 год было «потеряно» почти тридцать пять секунд.

В конце прошлого века Земля перестала «спешить». Сутки снова начали удлиняться. Это продолжалось до 1920 года. Сейчас она вращается с небольшим ускорением.

Очевидно, что земной шар, который считался безупречным судьей всех наших часов, сам оказался не вполне надежными часами.

Так как сутки то удлиняются, то укорачиваются, следовательно, и секунда – наша основная единица измерения времени – тоже изменяется. Но как можно пользоваться мерой, которая не отличается постоянством? Куда годится гиря, сделанная из льда, кому нужен резиновый метр? Такие материалы непригодны для изготовления мер.

Наша секунда, вследствие неравномерности вращения земного шара, непостоянна. Время же надо измерять неизменной секундой. Если земной шар не может служить образцовыми часами, то, очевидно, надо создать прибор, который мог бы хранить и сообщать точную величину секунды.

Маятниковые механические часы для этой цели не подходят.

Изобретатели обратились к электронным приборам. Кандидатом в заместители механического маятника был выдвинут маятник электрический, то есть колебательный контур, соединенный с электронной генераторной лампой.

Правда, электрический маятник оказался тоже не совсем постоянным. Малейшее изменение тока накала лампы, легкое дрожание электродов, неравномерный выход электронов из катода и ряд других причин нарушают правильный ритм колебаний в контуре. Электрический маятник нуждается в надежном регуляторе.

Такой регулятор был найден. Кристаллы горного хрусталя – кварца – обладают весьма полезным свойством: кварцевая пластинка или кольцо, вырезанное из кристалла кварца, под воздействием токов высокой частоты начинают сжиматься и расширяться с частотой переменного тока (рис. 69).

Рис. 69. Кварцевое кольцо – эталон частоты.

Однако не на все частоты кварцевая пластинка отзывается одинаково. Как и камертон, когда его ударят, издает звук только одного, ему свойственного, тона, так и кварцевое кольцо обладает собственной и тоже строго определенной частотой колебаний, которая зависит от размеров и формы кольца. И если ударить кварцевое кольцо, оно начинает колебаться со свойственной ему частотой. Такое кольцо присоединяют к колебательному контуру, частота колебаний которого равна собственной частоте пластинки. В таком контуре пластинка будет служить регулятором, как маятник в стенных часах.

В сочетании с электронной лампой кварцевое кольцо (или пластинка) стало основой часов нового типа – электронно‑ кварцевых.

Разработка проекта первых советских часов без маятника, без пружин, без гирь или электромагнитов была начата Центральным научно‑ исследовательским институтом геодезии, аэрофотосъемки и картографии в 1936 году и закончена в 1940 году.

Главной частью точных часов является генераторная лампа, соединенная с кварцевым кольцом. Это кольцо, выточенное из цельного куска кварца, по своим размерам равно круглому карманному зеркальцу: диаметр – 61 миллиметр, а толщина – 10 миллиметров. Кольцо совершает 99 271, 05 колебаний в секунду или 5 956 263 колебания в минуту.

Кварцевое кольцо нечувствительно к изменениям силы тяжести или к каким‑ либо толчкам и сотрясениям, то есть оно не боится как раз того, что больше всего нарушает равномерность качаний обычного маятника. Но и кварц имеет свои недостатки – он чувствителен к изменениям температуры и давления воздуха. Поэтому кварцевое кольцо заключают в плотно закупоренный сосуд. Его обогревает электрическая печь с автоматическим регулятором температуры, и весь механизм одет двойной рубашкой из теплоизолирующих материалов. Температура внутри рубашки постоянна, давление – неизменно. В таких оранжерейных условиях кварцевое кольцо служит прекрасно.

Частота, превышающая 99 тысяч колебаний в секунду, слишком велика, чтобы ею можно было пользоваться для измерений. Особые приборы – делители частоты – уменьшают ее. Они делят частоту сначала на 11, потом на 9, и частота, пониженная до 1002, 7379 колебаний в секунду, подается к мотору, а он приводит в движение счетный механизм со стрелками, как у обычных часов.

Точность кварцевых часов пока еще одна тысячная секунды в сутки. Но это – не предел. Часы могут быть еще более усовершенствованы, и погрешность их уменьшится до десятитысячных долей секунды.

В настоящее время кварцевые часы являются главными хранителями точной величины секунды. Они занимают почетное место в подвалах Службы времени астрономических обсерваторий, института метрологии и института геодезии. Маятниковые часы уступили первенство кварцевым часам.

Но даже точность кварцевых часов порой бывает недостаточна для тончайших лабораторных исследований. Ученые работают над созданием электронно‑ молекулярных часов, в которых роль маятника будут исполнять колеблющиеся молекулы газа – аммиака или метана.

Электронно‑ молекулярные часы обещают дать точность, определяемую миллионными долями секунды!