Алан Бёрдик.

Куда летит время. Увлекательное исследование о природе времени



скачать книгу бесплатно

В число многочисленных обязанностей Бюро входит поддержание единого официального мирового времени во всех часовых поясах планеты, которое называют гринвичским или всемирным координированным временем. Также встречается аббревиатура UTC (от англ. Coordinated Universal Time), изобретенная в 1970 году. В ту пору члены Бюро долго спорили между собой, какой акроним использовать – англоязычный (CUT) или франкоязычный (TUC), и в итоге пришли к компромиссному решению, утвердив аббревиатуру UTC. Отныне каждый хронометр мира, начиная от сверхточных часов на борту МКС и заканчивая инерционными наручными часами, прямо или опосредованно синхронизируется по шкале UTC. Где бы вы ни жили, куда бы ни поехали и когда бы ни спросили, который час, – ответ зависит от хронометражистов из Бюро.

«Время суть то, что мы постановили считать временем», – объяснял мне между делом один из хранителей времени. Опоздание становится опозданием в рамках общепринятого понимания времени. Время, которое устанавливает Бюро, считается самым корректным не только за счет мирового консенсуса, – это по определению самое точное время во всем мире. Когда я снова взглянул на свои наручные часы, я понял, что не просто опоздал на встречу, а опоздал так, как опаздываю всегда: настолько, насколько это вообще возможно. Только тогда я наконец-то уразумел, что непозволительно отстал от времени.

Часы выполняют две задачи: тикают и отсчитывают удары. Водяные часы, которые называют клепсидрой, совершают ход с падением каждой капли. У более совершенных устройств падающая капля воды приводит в действие систему передаточных механизмов, которая подталкивает стрелку к набору чисел или номерных меток, которыми обозначены равные промежутки времени. Водяные часы были в ходу на протяжении как минимум трех тысячелетий. Еще римские сенаторы пользовались клепсидрами, чтобы предостеречь коллег от суесловия. (Цицерон употребляет выражение «испросить часы» в значении «требовать слова», а фраза «вручить часы» означает «предоставить слово».)

На протяжении всей истории человечества ход времени в часовом механизме отсчитывали преимущественно по вращению Земли. По мере вращения планеты вокруг своей оси солнечный диск перемещается по небосводу, отбрасывая подвижную тень. Тень, упавшая на солнечные часы, обозначает ваше местоположение в системе суточных координат. Маятниковые часы, изобретенные Христианом Гюйгенсом в 1656 году, приводит в действие сила притяжения, на которую оказывает влияние вращение Земли. Ритмичное раскачивание привешенного к маятнику грузика взад-вперед заставляет стрелки перемещаться по циферблату. Таким образом, ход часов представляется результатом гармонических колебаний, ритм которых задает вращение Земли.

В часовом механизме фактически тикают сутки: в промежутке между двумя рассветами наша планета успевает совершить полный оборот вокруг своей оси. Часы и минуты, заполняющие данный промежуток времени, изобретены человеческим разумом, которому потребовалось разделить день на легко поддающиеся учету отрезки, посвященные удовольствиям, труду и торговле.

С ускорением ритма жизни течением дней стали управлять секунды – разменные монеты времени и главная обменная валюта современности, вездесущие и вожделенно-недосягаемые на излете (особенно когда пытаешься успеть на поезд), они слишком важны, чтобы разбрасываться ими попусту или бездумно смахнуть в горсть. Довольно долго секунды существовали только в виде абстракций и воспринимались как вид математического подразбиения, определяемые в виде соотношений: 1/60 минуты, 1/360 часа, 1/86 400 суток. Первые секундные маятники появились в XV веке у некоторых моделей немецких часов, но секунды стали физически осязаемыми или, по крайней мере, слышимыми только после того, как в 1670 году британский часовой мастер Уильям Клемент снабдил часы Гюйгенса секундным маятником, благодаря которому мы слышим знакомое тик-так.

Секунда вступила в свои права лишь в XX веке, когда получили распространение кварцевые часы. Ученые обнаружили, что кристалл кварца, внесенный в поле переменного тока, совершает колебания с частотой десять тысяч раз в минуту, резонируя подобно камертону. Точная частота вибраций зависит от формы и размера кристалла. В 1930 году была опубликована научная работа под названием «Кристаллические часы», предложившая использовать данное свойство кварца для завода часов. Отсчет времени посредством электрического поля, а не за счет гравитации, как раньше, обеспечивает точную работу часового механизма в сейсмоактивных регионах, в движущихся поездах и на борту подводных лодок. В современных кварцевых часах, включая наручные модели, используются кристаллы, вырезанные лазером, которые совершают колебания с неизменной частотой 32 768 Гц (или 215 раз в секунду). Так родилось рабочее определение секунды: 32 768 периодов колебаний кристалла кварца.

В 1960-х годах, когда ученым удалось непосредственно измерить период колебаний излучения атома цезия, испускающего 9 192 631 770 квантов колебательной энергии в естественных условиях, определение секунды было пересмотрено на официальном уровне: точность измерений увеличилась еще на несколько десятичных разрядов. С тех пор как утвердилось понятие атомной секунды, методика подсчета времени претерпела радикальные изменения. Прежняя темпоральная схема, называемая всемирным временем, перевернулась вверх тормашками. Ранее секунда считалась частью суток, длительность которой выводилась из характера движения Земли в космосе. Сейчас все наоборот: сутки рассматриваются как совокупность секунд, а продолжительность дня рассчитывается «снизу». Философы затевали жаркие споры, пытаясь выяснить, будет ли новое атомное время восприниматься так же органично, как и старое. Между тем проблема оказалась намного глубже: две временные шкалы совпадают не в полном объеме. В ходе планомерного повышения точности атомных часов выяснилось, что вращение Земли постепенно замедляется. Каждый новый день немного длиннее предыдущего. В течение двух лет небольшая разница в продолжительности дней достигает одной секунды. Сумма високосных секунд, ежегодно прибавляемых к шкале международного атомного времени в целях согласования с астрономическим временем, начиная с 1972 года, составляет почти половину минуты.

В былые дни каждый из нас мог самостоятельно произвести посекундную калибровку суток путем простейшей операции деления. Теперь продолжительность секунд рассчитывают профессионалы, а суть производимых ими действий подпадает под определение «передача сигналов точного времени», согласно которому распространение сигналов точного времени происходит по аналогии с рассевом семян в садоводстве или распространением пропагандистских материалов. В мире насчитывается около 320 цезиевых часов размером с небольшой чемоданчик и более сотни крупногабаритных механизмов, которые практически непрерывно генерируют или, как говорят метрологи, воспроизводят высокоточные секунды. Как правило, такие часы содержатся в государственных лабораториях точного времени. (Цезиевые часы, в свою очередь, сверяют по эталонному генератору частоты, функции которого выполняет особый механизм – так называемый цезиевый фонтан, выбрасывающий атомы цезия в вакуум при помощи лазера. На сегодняшний день существует около дюжины цезиевых фонтанов.) Воспроизведенные таким образом секунды суммируются и прибавляются к атомному времени суток. Проще говоря, «секунда – это такая штука, которая тикает, а время – это такая штука, которая считает тиканье», как выразился Том Паркер, некогда возглавлявший исследовательскую группу Национального института стандартов и технологии США.

Национальный институт стандартов и технологии (НИСТ) представляет собой федеральное агентство, оказывающее консультационную поддержку при утверждении официальных стандартов гражданского времени в США. На попечении экспертов, занятых в лабораториях НИСТ в Гейтесберге (Мэриленд) и Боулдере (Колорадо), находится порядка двенадцати цезиевых часов или даже больше. Часы работают постоянно, обеспечивая возможность снять показания в любой момент. Тем не менее, при всей феноменальной точности, показания цезиевых часов имеют незначительные расхождения, измеряемые наносекундами. Каждые 12 минут показания цезиевых часов сверяют между собой, отсчитывая ход за ходом и выясняя, какие часы спешат, какие отстают и насколько велика разница в показаниях. Затем данные по всей группе часов-генераторов количественно обобщают и рассчитывают то, что Паркер называет «средним воображаемым».

Полученный результат берется за основу при утверждении стандартов государственного времени, а уж как оно будет воспринято отдельными электронными устройствами, зависит от имеющихся в наличии хронометров и вашего местонахождения в конкретный момент. Часы, встроенные в ваш ноутбук или персональный компьютер, регулярно сверяются с другими часами в интернете и подвергаются автоматической калибровке. Некоторые часы случайным образом попадают на сервер НИСТ и других служб точного времени и в результате становятся более точными. Каждый день на многочисленных серверах НИСТ регистрируется 13 миллиардов сигналов от компьютеров из разных стран мира, посылающих запросы на предмет поверки времени. Если вы находитесь в Токио, вас, вероятно, соединят с сервером службы точного времени в Цукуба, которая находится под началом Национального института метрологии Японии. В Германии референтным источником служит Физико-технический федеральный институт.

ЧАСЫ, ВСТРОЕННЫЕ В ВАШ НОУТБУК ИЛИ ПЕРСОНАЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕР, РЕГУЛЯРНО СВЕРЯЮТСЯ С ДРУГИМИ ЧАСАМИ В ИНТЕРНЕТЕ И ПОДВЕРГАЮТСЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ КАЛИБРОВКЕ

Где бы вы ни находились, при сверке часов ваш сотовый телефон, скорее всего, получает данные от системы глобального позиционирования GPS, которую обслуживает сеть навигационных спутников, синхронизированных с сигналами Военно-морской обсерватории США в Вашингтоне, округ Колумбия, которая воспроизводит эталонные секунды посредством группы тактовых генераторов, включающей более 70 цезиевых часов. Прочие разновидности часов – настенные, настольные и наручные, сигналы хода и автомобильные часы, встроенные в панели управления, – оборудованы миниатюрными радиоприемниками, которые в США постоянно находятся в режиме приема сигналов НИСТ и радиостанции WWVB в Форт-Коллинз, Колорадо, которая транслирует сигналы точного времени в виде кода. (Сигнал подается на очень низкой частоте – 60 Гц. Диапазон настолько узок, что на пересылку кода уходит добрая минута времени.) Все эти часы способны генерировать время самостоятельно, но в большинстве своем они выступают в роли посредников и показывают время, транслируемое высокоточными хронометрами из высших звеньев командной цепи времени.

Мои наручные часы не оснащены ни радиоприемником, ни средствами спутниковой связи; они выпали из системы современных коммуникаций. Если мне необходимо двигаться в такт с большим миром, я сверяюсь с хронометром, а затем проворачиваю винт на своих наручных часах и перевожу стрелки на нужные цифры. Можно добиться еще большей точности, если регулярно сдавать часы в мастерскую. Там часовой механизм откалибруют на кварцевом генераторе тактовых импульсов, у которого точность представления данных выверяют по эталонам частоты НИСТ. В противном случае мои наручные часы будут держать равнение на самостоятельно воспроизводимые единицы времени, а время, которое они показывают, вскоре перестанет совпадать с показаниями других часов. Надев часы, я как будто привязал к запястью установленный ход времени, хотя в действительности я так и останусь разгильдяем, пока не изучу все часы, которые меня окружают. «Вы функционируете автономно», – заявил мне Паркер.

С конца XVII до начала XX века самые точные часы в мире хранились в Гринвичской королевской обсерватории в Англии. Регулировка часов по движению небесных сфер вменялась в обязанность Королевскому астроному. Такое положение вещей устраивало всех, кроме самого Королевского астронома, для которого это быстро стало проблемой. В начале 1830-х годов ученого мужа, только что приступившего к своим обязанностям, внезапно потревожил стук в дверь. На пороге стоял горожанин. «Приношу извинения за беспокойство, – сказал гость. – Вы не могли бы сказать, который час?»

Каждый день обсерваторию посещало невероятное количество людей, и в конечном счете городской муниципалитет обязал астронома выполнять заодно и функции службы точного времени. В 1836 году ученый делегировал эти полномочия своему помощнику Джону Генри Беллвиллу. Утром каждого понедельника Беллвилл производил калибровку своих часов по эталонным часам обсерватории. Часы Беллвилла представляли собой небольшой карманный хронометр, выпущенный выдающейся часовой фабрикой «Джон Арнольд и сын» по заказу герцога Суссекса. Затем он выезжал в Лондон к своим клиентам – часовщикам, банкирам и ремесленникам, выполнявшим ремонт наручных часов, а также к частным лицам, которым предоставлялись платные услуги синхронизации их часов с показаниями часов Беллвилла и, если уж на то пошло, с эталонными часами обсерватории. (В итоге Беллвиллу пришлось заменить золотой корпус часов на серебряный, чтобы не привлекать к себе лишнего внимания в «непопулярных кварталах города».) После кончины Беллвилла в 1856 году дело унаследовала вдова, а в 1892 году, когда и она отошла от дел, роль службы точного времени взяла на себя ее дочь Рут, которую прозвали «продавщицей времени из Гринвича». Все с тем же хронометром в кармане, который отныне звался «Арнольд 345», мисс Беллвилл отправлялась в Гринвичскую обсерваторию, а затем передавала клиентам точное время, которое позже назовут гринвичским средним временем – государственным временем Великобритании. Когда изобретение телеграфа позволило производить синхронизацию часов по Гринвичу в удаленном режиме практически одномоментно и по низкой цене, мисс Беллвилл фактически осталась не у дел, хотя нельзя сказать, что ее профессия в одночасье превратилась в анахронизм. Около 1940 года, на девятом десятке лет, она удалилась на покой, имея в активе около пятидесяти постоянных клиентов.

Я приехал в Париж, чтобы встретиться с современной последовательницей Рут Беллвилл, распределяющей сигналы точного времени в мировом масштабе. Разрешите представить вам доктора Элизу Фелицитас Ариас, директора отдела службы времени Международного бюро мер и весов (МБМВ). Эта хрупкая женщина с длинными каштановыми волосами производит впечатление благодушной аристократической дамы. Получив образование астронома, Ариас четверть века проработала в различных обсерваториях родной Аргентины, причем последние десять лет она сотрудничала с Военно-морской обсерваторией США. Ариас специализируется на астрометрии – науке о правильном измерении расстояний между небесными телами во внешнем космическом пространстве. Совсем недавно ей довелось сотрудничать с Международной службой вращения Земли, где занимаются мониторингом изменений положения нашей планеты, вплоть до самых незначительных, и на основании собранных данных рассчитывают, когда придется добавить в смесь времен еще одну високосную секунду. Я встретился с доктором Ариас в ее кабинете, и она угостила меня чашечкой кофе. «Нас объединяет общая цель, – сказала Ариас о своем отделе. – Мы должны разработать временную шкалу, которая окажется пригодной для международного применения». «Наша цель, – позже добавила она, – достичь абсолютного единообразия измерений».

Из сотен часов и групп тактовых генераторов, которые обслуживают представители пятидесяти восьми стран – участниц МБМВ, насчитывается около пятидесяти налаженных ведущих генераторов синхроимпульсов, ежечасно генерирующих секунды, – по одному на каждую страну, и этого достаточно для передачи сигналов официального времени в любой точке государства. Однако воспроизведение секунд у разных хронометров все равно расходится на несколько наносекунд – на миллиардные доли секунды. Этого недостаточно, чтобы озадачить электронные корпорации, учитывающие погрешности только до миллисекунд, или создавать помехи в работе телекоммуникаций, у которых трафик измеряется в микросекундах. С другой стороны, обеспечение бесперебойного функционирования различных систем навигации, таких как система GPS, управляемая Министерством обороны США, или система «Галилео», разработанная в ЕС, требует согласования часов до наносекунд. Показания часов в разных странах мира должны быть согласованы или хотя бы приведены к некоторой общей точки синхронизации. В роли целевого ориентира выступает всемирное координированное время.

Всемирное координированное время рассчитывается путем сведения показаний часов стран-участниц при одновременном воспроизводстве секунд, в результате чего выясняется, какие из хронометров спешат, какие отстают и насколько велика разница в показаниях. Выполнение задачи сопряжено с рядом технических сложностей. Начнем с того, что часы разделяют сотни и тысячи километров. Учитывая продолжительность пересылки электронного сигнала, содержащего команду начать отсчет времени, на большие расстояния, трудно понять, что подразумевается под одновременным началом отсчета на практике. В отделе Ариас научились обходить эту проблему путем передачи данных с помощью спутников GPS. Местоположение каждого спутника в системе координат хорошо известно, причем на каждом из них установлены часы, синхронизированные с сигналами Военно-морской обсерватории США. Располагая данными сведениями, МБМВ может точно рассчитать момент, в который происходит отправка ответного сигнала от часов, расположенных в разных странах мира.

РАСЧЕТ ВСЕМИРНОГО КООРДИНИРОВАННОГО ВРЕМЕНИ – ДЛИТЕЛЬНЫЙ ПРОЦЕСС. ТОЛЬКО НА УТОЧНЕНИЕ ДАННЫХ И УСТРАНЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ШУМА ВСЕХ GPS-ПРИЕМНИКОВ УХОДИТ ДВА-ТРИ ДНЯ

Тем не менее все равно поблизости маячит тень неопределенности. Невозможно точно установить местоположение спутника; влияние неблагоприятных погодных условий и состояния атмосферы способно замедлить или исказить тракт передачи сигнала, что может помешать верному определению времени его распространения. Оборудование глушит электронный шум, искажающий результаты измерений. Для наглядности Ариас обратилась к аналогии, встав у двери своего кабинета: «Если я сейчас спрошу вас, который час, вы ответите, а я сравню показания ваших часов с показаниями моих часов, – сказала она. – Мы стоим лицом к лицу. Если я попрошу вас выйти и закрыть дверь, а затем спрошу вас, который час, я задам вопрос, а потом скажу: „Нет, повторите еще раз, здесь шумно“, – тут ее губы издали смешной жужжащий звук: – Бррррррррп!» Внесение поправок на шум и проверка достоверности сообщений, которые МБМВ принимает от часов, разбросанных по всему миру, требует огромного количества ресурсов и усилий.

«У нас восемьдесят лабораторий в разных странах мира, – сообщила Ариас. В некоторых странах две лаборатории и более. – И везде нам нужно организовать синхронизацию показаний часов». Голос моей собеседницы звучал мягко и ободряюще, как у Джулии Чайлд, разъясняющей почтенной публике тонкости приготовления хорошего вишисуаза. Для начала парижская команда Ариас собирает все необходимые ингредиенты: сведения о разнице показаний для каждой пары абонентских хронометров в масштабах наносекунд плюс объемный массив локальных данных по истории функционирования каждого часового агрегата. Далее собранные сведения пропускают через то, что Ариас называла алгоритмом, учитывающим количество работающих хронометров (в произвольно выбранный день отдельные экземпляры могут находиться в ремонте или проходить повторную поверку), а также дают незначительную статистическую поблажку более точным хронометрам и под конец взбивают все ингредиенты до образования однородной смеси.

Для обработки данных одной вычислительной техники недостаточно. Для учета мелких, но существенных нюансов требуется человеческий интеллект. Во-первых, не во всех лабораториях расчет данных по часам ведется одним и тем же способом. Во-вторых, какие-то часы с недавних пор ведут себя странно, так что их показания нуждаются в пересмотре. В-третьих, из-за сбоя в работе программного обеспечения часть минусов в электронной таблице случайным образом превратилась в плюсы, и нужно восстановить первоначальные знаки. Работа с алгоритмом также в некоторой степени требует участия человека, виртуозно производящего математические действия. «Здесь сказывается индивидуальный подход», – утверждает Ариас. По ее выражению, итогом всех произведенных операций становится модель среднестатистических часов в лучшем значении слова: время, которое они показывают, точнее, чем можно ожидать от отдельных часов или группы тактовых генераторов. По определению и по всеобщему согласию, по крайней мере по соглашению пятидесяти восьми стран, подписавших договор, показания среднестатистических часов считаются эталонными.

Расчет всемирного координированного времени – длительный процесс. На одно только уточнение данных и устранение электронного шума всех GPS-приемников уходит два-три дня. Если бы расчет всемирного координированного времени велся непрерывно, задача оказалась бы нереализуемой по причинам логистического характера, поэтому каждый экземпляр абонентских часов снимает показания местного времени раз в пять дней точно в полночь по UTC. На четвертый или пятый день текущего месяца каждая лаборатория подает собранные сведения на обработку в МБМВ, а затем команда Ариас анализирует, обобщает, проверяет и публикует полученные данные.



скачать книгу бесплатно

страницы: 1 2 3 4 5 6 7 8 9