Дерек Хауз - Гринвичское время и открытие долготы

73. Спусковой механизм Шеперда

Даже самые первые экземпляры атомных часов обладали в сотни раз большей долговременной стабильностью, чем кварцевые эталоны. Кроме того, они не были подвержены плавному изменению хода, который происходит в кварцевых генераторах из-за «старения» кристалла кварца. По этим причинам атомные часы обеспечили высокостабильную шкалу времени очень высокой точности (по крайней мере в десятки раз превышающую точность других хранителей времени), почти мгновенно доступную. Но прошло еще немало лет, прежде чем эти преимущества были реализованы. Только последние экземпляры цезиевых лучевых эталонов имеют такую же кратковременную стабильность, какую показывают кварцевые часы.

Все часы должны быть отрегулированы таким образом, чтобы они имели одинаковый ход, т.е. одинаково «хранили время», а также показывали одинаковое время. Новые атомные часы не были исключением, и первой задачей явилась их калибровка по работающим стандартным образцам, другими словами, шкалу атомного времени нужно было привести в определенное соответствие с астрономической шкалой времени. За период 1955-1958 гг. атомные часы Англии и США были откалиброваны по астрономическим шкалам времени Хёрстмонсо и Вашингтона. Первая атомная шкала времени, известная как GA (Greenwich atomic - гринвичская атомная), основывалась сначала на цезиевом эталоне Национальной физической лаборатории, согласованном с эфемеридным временем.

74. Устройство вторичных часов

С 1959 г. всемирное распространение получила шкала времени AJ обсерватории ВМС США. Ее начальная эпоха (дата) была установлена так, чтобы атомное время и UT2 были одинаковыми в полночь на 1 января 1958 г. Атомная секунда была определена на основе резонанса в атоме цезия. В 1964 г. атомная секунда была признана в международном масштабе как средство реализации эфемеридной секунды. В 1967 г. на 13-й Всемирной конференции мер и весов в Париже от астрономического определения секунды отказались и в качестве фундаментальной единицы времени в Международной системе единиц СИ приняли атомную секунду:

Единицей времени в Международной системе единиц должна быть секунда, определяемая следующим образом: секунда есть продолжительность 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими подуровнями основного состояния атома цезия - 133 [6].

Благодаря тому что атомные часы стали применяться во многих странах мира, а их шкалы времени с помощью радиосигналов и другими способами могли сравниваться с точностью до 1 мкс (микросекунда=10-6 с) и выше, появилась возможность создания международных «усредненных часов» высокой точности, основанных на большом количестве независимых показаний всех атомных часов, идущих с исключительной равномерностью. Расхождение в ходе этих часов за год не превышало нескольких микросекунд, тогда как шкалы времени, задаваемые ими, уклонялись от шкалы, основанной на вращении Земли, более чем на секунду в год.

75. Взаимодействие часов со свободным маятником и вторичных часов

Международное бюро времени, координирующее с 1919 г. хранение времени в международном масштабе, сформировало вслед за США собственную шкалу атомного времени А3, основанную на трех независимых эталонах Англии, Швейцарии и США с начальной эпохой 1 января 1958 г. Шкала А3 официально была принята в 1971 г. и получила название шкалы Международного атомного времени TAI. Но и 21 год спустя, к 1 января 1979 г., равноправно существовали две шкалы: TAI (основанная на скорости вращения Земли в XIX в.) и итг (основанная на вращении Земли за период 1958-1979 гг.), опережающая TAI приблизительно на 17с.

А теперь снова вернемся к сигналам времени. В 1958 г. служба времени Англии ввела новую шкалу, позднее названную шкалой координированного всемирного времени (UTC), сигналы времени которой не должны были отличаться более чем на 0,1 с от UT 2. Это достигалось путем небольшого скачкообразного изменения («сдвига») частоты атомных часов, генерирующих сигналы времени, которое заставляло атомное время приблизиться к UT 2(в 1960-х гг. его нужно было уменьшить). Величина сдвига принималась на весь календарный год, но благодаря возможности предсказывать изменения в скорости вращения Земли скачкообразная коррекция проводилась каждый месяц, чтобы сохранять уклонение UTC от UT 2в пределах 0,1 с. Полное соответствие между службами времени Англии и США было достигнуто в 1961 г.: были синхронизованы сигналы времени и проведены годовые сдвиги и месячные скачкообразные коррекции. В 1963 г. эта система Англии и США распространилась по всему миру и была взята под контроль МБВ в Париже; тогда-то она и получила наименование UTC [7].

76. Кварцевые часы

Однако расширение и усложнение систем спутниковой и других видов электронной связи, а также навигационных систем породило новые большие практические трудности. Работа этих систем зависит от степени синхронизации как самих радиосигналов, так и частот. Скачкообразная коррекция и подстройка частоты приводили ко многим неудобствам. На фоне этого факт, что секунда радиосигналов времени не соответствовала узаконенной секунде, воспринимался скорее как неэстетическая деталь, нежели как реальное препятствие.

После всестороннего обсуждения на всех уровнях, государственных и международном, в эталонную систему сигналов времени были внесены существенные изменения. С 1 января 1972 г. сигналы времени стали точно соответствовать атомным секундам, отсчет времени по новой шкале UTC был установлен со сдвигом - 10 мин относительно шкалы TAI. Эта система передач точного времени действует и по сей день.

Было принято соглашение, согласно которому уклонение новой системы не должно превышать 0,7 с (позднее этот допуск увеличили до 0,9 с) от шкалы времени UT 1используемой в навигации и астрономии. Достигается это путем коррекции часов в последний день календарного месяца, предпочтительно 31 декабря или 30 июня, при этом часы переводятся вперед или назад точно на 1 с, называемую «дополнительной секундой». Это аналогично процедуре, производимой раз в четыре года, когда к февралю високосного года добавляется один дополнительный день, поскольку год не содержит целого количества суток; точно так же добавляется или вычитается одна секунда, так как солнечные сутки не содержат целого числа атомных секунд.