Наука и жизнь, 1999 № 01

– Это было очень просто. После парилки лицо не может быть бледным. Вы ведь тоже заметили этот нюанс с цветом лица?

– Да нет, – усмехнулся сержант, – бедняга единственный, кто сидел в кроссовках, все остальные были босыми.

Перевозимые водородные часы. Их используют для сличения вторичных эталонов времени и частот в других городах и странах. Процесс сличения достаточно сложен и длителен. Водородные часы подключают к основному эталону на две недели. И столько же времени после переезда они работают со вторичным эталоном. Вернувшиеся в институт водородные часы снова должны быть сверены с госэталоном. Если показания не изменились, сличение прошло успешно.

В Древнем Египте, провожая в загробное царство умершего фараона, среди прочих ценных предметов в гробницу помещали копию меры длины – «священного локтя». Сам же эталон покоился в храме и тщательно оберегался жрецами.

Сегодня создают эталоны и средства передачи их показаний измерительным приборам, открывают новые и более совершенные методы точных измерений ученые-метрологи. Сами же эталоны представляют собой сложные аппаратурные комплексы, занимающие большую площадь. В трех научных метрологических центрах России хранится 116 государственных эталонов основных и производных единиц измерений. Это достояние чрезвычайно ценное, ведь ошибки измерения в любой области человеческой деятельности чреваты многими бедами: в науке может не состояться открытие, а в промышленности отклонение от стандарта влечет большие экономические потери. Обо всех эталонах рассказать в журнальной статье невозможно. Поэтому заслуженного метролога России Льва Николаевича Брянского мы попросили описать лишь основные эталоны – времени, массы и длины.

Кандидат технических наук Л. БРЯНСКИЙ.

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 се- К У Н ДУ- (О различиях атомного и астрономического времени см. «Наука и жизнь» № 11, 1976 г.).

Первое определение метра – одна десятимиллионная доля четверти земного меридиана, проходящего через Париж. К 1799 году французами были выполнены необходимые измерения и изготовлен эталон – платиновая линейка. Ее и поныне называют «архивный метр». Старшее поколение, очевидно, помнит по школьному учебнику физики рисунок линейки Х-образного сечения длиной 102 см, на которой нанесены две группы штрихов. Расстояние между средними штрихами этих групп равнялось 1 метру.

Старые эталоны (платиново-иридиевая линейка и пришедшие ей на смену кадмиевые и криптоновые лампы) не позволяли определить значение метра с погрешностью меньшей 10' 7 . А этого было уже недостаточно. Развитие техники, и прежде всего электроники, требовало создания деталей с более высокой точностью. Чтобы сделать новый эталон, нужно было придумать метру новое определение, причем привязанное к заведомо постоянным величинам, так называемым фундаментальным физическим константам. Было заманчиво определить метр через время и скорость. До этого додумались еще мудрецы Халдеи: во время специального обряда на горизонтальной площадке жрец ловил взглядом первую точку появления Солнца на горизонте и размеренным шагом устремлялся ему навстречу; как только над горизонтом всходил весь диск, жрец останавливался, место отмечалось – таким образом определялась мера длины «стадий» – около 185 метров.

Эталон единицы давления. Его основа – грузопоршневой манометр. Зная площадь поршня и приложенную к нему силу (на фото – это диски и гирьки-довески), можно вычислить давление.

Государственный российский эталон массы. Эту килограммовую гирю из платины и иридия сделала в 1889 году парижская ювелирная фирма по заказу Международного бюро мер и весов. Всего таких эталонов было изготовлено 42, а стран, подписавших тогда конвенцию о принятии метрической системы, – 17. По мере «подключения» к новой системе измерений других стран им вручали эталон килограмма.

Зал эталона звукового давления не имеет ни одного прямого угла, чтобы минимальное отражение звука не возвращалось в ту же точку. Таким образом достигается абсолютная тишина в центре зала. Стены, потолок, пол покрыты клиньями из звукопоглощающего материала. Ходят в зале по сетке, натянутой над полом.

Со временем все было в порядке – погрешность его эталона в сотни тысяч раз меньшая, чем у метра. Но возникли проблемы со скоростью. Годилась лишь одна фундаментальная константа – скорость света в вакууме, но погрешность определения ее значения не могла быть меньше, чем у эталона метра (ведь скорость – это те же метры в секунду). Образовался заколдованный круг. И разорвали его, приняв неординарное решение: считать наиболее достоверное из измеренных значений скорости света истинным, то есть не имеющим погрешностей. Так появилось новое определение метра – он равен пути, проходимому светом в вакууме за 1/2999792458 доли секунды, а метр попал в «вассальную зависимость» от времени.