Ученые показали, как хранят секунду в термостате

Чтобы попытаться найти ответ на этот непростой вопрос, я отправилась к главным хранителям этого самого загадочного времени, во ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений, в Главный метрологический центр Государственной службы времени и частоты.

Этот ВНИИ расположен примерно в 30 км от Москвы, запрятан в лесах Солнечногорского района. Как выяснилось, согласно Генплану 1946 года институт действительно пришлось «прятать» подальше от цивилизации. И дело тут не в засекреченности здешних лабораторий, а в необходимости отдаления от шумной Москвы, поскольку чуткие приборы не терпят лишних вибраций. При строительстве некоторых лабораторий здесь пришлось даже менять грунт под заливаемый фундамент – с обычного на гранитную плиту.

Первым делом знакомлюсь с гендиректором этого уникального головного института Росстандарта, от которого зависит и точное время на кремлевских курантах, и бесперебойная работа спутниковой навигационной группировки ГЛОНАСС. У доктора технических наук, профессора Сергея Донченко за плечами более чем тридцатилетний опыт работы в области метрологии частотно-временных измерений.

Он рассказывает о том, что представляет собой современный ВНИИФТРИ с его Западно-Сибирским, Восточно-Сибирским, Дальневосточным и Камчатским филиалами, с полусотней государственных первичных эталонов единиц величин всего на свете. Здесь не только, образно говоря, сдувают пыль с этих эталонов, здесь их совершенствуют, проводят фундаментальные и прикладные исследования.

«Фонтаны», рождающие время

Сначала были простые маятниковые часы, вывезенные в 1941 в Подмосковье из Пулковской астрономической обсерватории Ленинграда на временное хранение. Но, как мы знаем, нет ничего более постоянного…

Этот казус, связанный опять же с временным таинством, сработал и для пулковского эталона секунды. Потому что именно он в итоге так здесь, под Солнечногорском, и остался, поскольку было принято решение организовать здесь метрологический центр.

– Как ни странно, но именно маятник был эталоном для всего мира до начала 1940-х годов, – вводит в курс дела Сергей Иванович. – Ну а после, с появлением более точных механизмов стали возникать потребности и в более точном определении времени.

Сейчас эталоном секунды служат атомные часы, которые воспроизводят колебания, соответствующие переходу между сверхтонкими подуровнями состояния атома цезия-133. Но при всей своей сложности они остались все тем же репером или камертоном, если хотите, для воспроизведения точных периодических колебаний, каким считался когда-то простой маятник.

Справка «МК». 1 секунда, по признанному всеми странами мира в 1967 году цезиевому эталону, – это длительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующих переходу между сверхтонкими подуровнями основного состояния атома цезия-133.

Подсчет периодов происходит в лаборатории измерительно-вычислительных комплексов Государственного первичного эталона времени и частоты, в так называемом Комплексе воспроизведения.

Здесь мне показывают наше национальное достояние – метрологический цезиевый репер частоты «Фонтан», который был разработан и создан во ВНИИФТРИ в 2009 году для независимого воспроизведения единицы секунды согласно международной системе единиц – СИ (Système international d’unités – фр.).

«Почему атомные часы называются «фонтаном»?» – спросите вы. Это специальный термин, которым обозначают особую установку для регистрации атомных состояний: словно в фонтане охлажденные атомы цезия подбрасываются в ней на двухметровую высоту, там регистрируются, после чего снова летят вниз. Так рождается современная секунда. Погрешность в подсчете периодов атома цезия составляет 1 ,2 на 10 в минус 16 степени. Такая же погрешность – у немцев, американцев, французов…

Чья секунда больше весит?

– Во всех странах, где существуют службы точного времени, секунда формируется часами фонтанного типа, – поясняет начальник лаборатории Алексей Попов. – В мире несколько таких «фонтанов»: в Германии, в Великобритании, во Франции, в Японии, в Китае, в США и в России. Наши цезиевые часы входят в число самых точных часов в мире.

От чего же зависит «вес» данных по времени и частоте? Значение каждого основного цезиевого эталона из той или иной страны, по словам Алексея Николаевича, определяется раз в месяц, а затем все отсылают данные в Международное бюро мер и весов для так называемых частотных сличений. По совокупности данных от реперов там выводится среднее мировое значение единицы времени.

По свежей таблице результатов измерений атомных часов из разных стран можно судить, насколько стабильно работают одни и насколько разнятся данные в зависимости от времени у других. От степени стабильности данных и выводится «вес» самого надежного репера.

Кстати, на этой же показательной таблице сравнения главных «фонтанов» времени я замечаю еще одну примечательную деталь: наш эталон обозначается буквами SU (Soviet Union). Да мы оказывается в прямом смысле слова живем по советским меркам!

– Это обозначение, действительно, осталось с советских времен, – поясняет Алексей Попов. – Обозначение понятно специалистам во всех странах, поэтому решили его оставить в память о нашей великой стране.

Хранители времени

Если существуют «камертоны» секунды, – они должны что-то настраивать. Для того, чтобы узнать, что именно, мы из Комплекса воспроизведения переходим в Комплекс хранения эталона времени.

– Если Комплекс воспроизведения дает ответ на вопрос, какова частота действительного значения секунды, то здесь это значение хранится, поддерживается в течение 24 часов 365 дней в году, – поясняет Сергей Донченко. – По реперу мы с определенной периодичностью уточняем, насколько правильно формируется секунда хранителя. Вот у вас на руке часы (аналог нашего хранителя), точность которых вы периодически сверяете с каким-то эталоном, например, со своим рабочим компьютером (аналогом нашего фонтана-репера).

Комплекс состоит из 16-ти хранителей, которые разнесены по нескольким корпусам. Это довольно крупные установки, спрятанные в термостатированные шкафы. Ведь для них важно не только электропитание, которое поддерживается основными и резервными системами энергоснабжения, но и поддержание определенной температуры, давления и влажности, которые должны всегда поддерживаться в заданных пределах.

От стабильности работы этих «часов в шкафах» зависит стабильность всей системы времени, формируемой институтом, и тот самый «вес» наших данных на международном метрологическом поле. Специалисты утверждают, что сохранение национальной шкалы времени – это вопрос стратегический. Она должна поддерживаться постоянно, независимо от внешних условий.

Кстати, далеко не во всех странах водородные стандарты частоты имеются в таком количестве, как у нас. Можно сказать уверенно, что по данному показателю мы уступаем только Штатам. На военно-морской базе США 87 хранителей, но каждый отдельно взятый заметно уступает нашим в точности, – берут, так сказать, количеством.

Одним из важных направлений института является распространение эталонного времени по Интернету. Метрологи получают около 500 миллионов запросов на синхронизацию точного времени в сутки.

Мне показали еще и мобильные атомные часы, которые иногда перевозят в отдаленные уголки страны, для того, чтобы их жители могли по ним сверить свои главные часы. Быть может, этот перевозимый водородный стандарт, как его называют, и есть прототип будущих наручных атомных часиков?

Эра стронция

Все, о чем я рассказывала до этого момента, – день сегодняшний. Но метрологи уже заглядывают в день завтрашний, стремясь к еще более точному исчислению секунды. Зачем это надо, спросите вы, – куда еще точнее?

– Есть куда расти, – отвечает главный научный сотрудник отдела перспективных исследований и измерений времени и частоты, доктор технических наук, профессор Виталий Пальчиков. – Как вы знаете, сегодня спутниковые навигационные группировки обеспечивают точность местоположения пользователя до метра. Усовершенствование исчисления секунды позволит довести ее до дециметров и менее, поможет получать сигнал в условиях радио- «затенения», внутри зданий, в туннелях.

Если сейчас, согласно принятому международному стандарту, «размер» секунды высчитывается на основе сверхвысокочастотного излучения при переходе атомов цезия, то не за горами время, когда весь мир перейдет на оптическое излучение при переходе атомов.

Сразу отмечу, что Виталий Геннадьевич – именно тот человек, который принимал участие в разработке теории оптических атомных часов нового поколения. В них вместо цезия ученые используют другие, более удобные для этого элементы.

Сегодня атомные оптические часы созданы в некоторых странах, включая Россию (они находятся во ВНИИФТРИ). Они работают с разными элементами в экспериментальном режиме.

Если погрешность цезиевых часов, работающих в микроволновом диапазоне волн, составляет 1,2 х 10 в минус 16 степени, то в оптическом диапазоне она падает до 10 в минус 18 степени, что уже на два порядка совершенней прежнего стандарта.

Но для того, чтобы новый стандарт частоты в оптическом диапазоне заработал, его должна утвердить Генеральная конференция по мерам и весам. XXVII ее сессия состоялась в конце ноября в Версале. Представители 42-х стран приняли решение о том, чтобы дать секунде в районе 2030 года, или даже раньше, другое определение.

Новая формулировка будет опираться уже на оптические стандарты частоты.

– Если в микроволновом диапазоне мы получаем 9,2 гигагерца, то в оптическом – это будут сотни терагерц, на несколько порядков выше, – говорит профессор Пальчиков. – Тут нам придется отойти от цезия и перейти к иттербию или стронцию, которые излучают в оптическом диапазоне волн. Кстати, в нашем институте мы экспериментируем с разными элементами. Образцы оптических стандартов частоты имеют ту самую высокую точность, доходя почти до 18-го знака (10 в -18 степени).

Квант точности

Мне повезло, я увидела будущий оптический стандарт частоты. Представил мне его начальник центра квантовой метрологии доктор технических наук Сергей Слюсарев.

– Эти атомные часы работают на стронции, – поясняет Сергей Николаевич. – Но это только один из вариантов будущего стандарта. Не исключено, что мировое научное сообщество в итоге придет к использованию атомов стронция для переопределения секунды.

Впрочем, в процессе разговора выясняется, что, несмотря на то, что международный стандарт еще не принят, имеющиеся в лаборатории стронциевые часики уже несколько лет работают на благо страны, корректируя государственный первичный эталон времени и частоты.

– То есть оптический стандарт секунды на международной арене еще не утвержден, а вы им уже пользуетесь?

– Да, и так делают все страны, у которых имеются такие же атомные оптические часы. Кстати, вы когда-нибудь видели атом?

Начальник центра демонстрирует мне белое облачко на мониторе компьютера, которое проецируется от видеокамеры, подключенной к часам. На самом деле в этом облачке несколько миллионов атомов, окруженных криогенной средой.

– Вообще возможности этих технологий, с которыми мы уже работаем, на будущее невозможно даже просчитать. К примеру, есть большая вероятность зафиксировать с помощью нашего оптического стандарта даже загадочную темную материю, – говорит Сергей Слюсарев.

– Каким образом?

– На нашем стронциевом стандарте мы можем зафиксировать влияние гравитационного потенциала (физическое поле, через которое осуществляется гравитационное взаимодействие между всеми материальными телами – Авт.). А он, если верить теоретикам, может меняться из-за прохождения сквозь нашу планету и нас самих целых кластеров темной материи. Таким образом, если один оптический стандарт поставить у нас, а другой разместить на другой стороне Земли, то по изменению частоты их работы можно зафиксировать ту самую темную материю. Это чистая теория, пока ничем не подкрепленная, но, кто его знает, может, в будущем она и подтвердится.

Однако если образно спуститься с небес на землю, то мы вспомним, что в реальности ученым пока не до решения сверхзадач. После введенных ограничительных мер у них все чаще возникают проблемы с оборудованием и запчастями к нему. К примеру, – с приборами для того, чтобы задавать разные режимы работы атомам.

– Мы пользовались как отечественными, так и иностранными приборами, теми, что применяются службами точного времени во всем мире, а сейчас мы рассматриваем  доступные зарубежные аналоги и разрабатываем отечественные – поясняет Сергей Николаевич.

– Что вы думаете по поводу самого времени?

– Секунда и время… Секунда как размерность времени выбрана из удобства. А время? Для меня более интересно, возможно ли квантование времени? Ну представьте, что, к примеру, для колибри – наша секунда? Наша единица времени – это наше чисто субъективное человеческое ощущение реальности. Теоретики способны описать замкнутую системы без размерности «секунда».

Скачущая секунда

Но вернемся к метрологии. Еще одна резолюция венской Конференции касалась отмены так называемой скачущей секунды. Ученые пришли к выводу, что так называемому координированному времени требуется коренной пересмотр. В его определение не будут добавляться скачущие секунды, а это значит, что мы никогда не будем переводить стрелки часов вперед и назад.

Виталий Пальчиков объяснил, что стало тому причиной. Как все знают, весь мир сверяет часы по всемирному координированному времени – UTC. К нему раз в несколько лет прибавлялась секунда. Связано это было с тем, что Земля периодически немного притормаживала и начинала отставать от атомных эталонов времени.

С 70-х годов прошлого века, когда было впервые замечено такое торможение в связи с появившимися атомным часами, к UTC было добавлено 37 секунд, и все со знаком «+». Они добавлялись сразу при появлении разрыва координированного времени с земным в 0,9 секунды.

Однако в 2022 году случилось то, чего никто не ждал, – «земные» часы вместо того, чтобы притормаживать, вдруг… побежали с опережением вперед атомных.

Справка: 29 июня Земля повернулась вокруг своей оси на 1,59 миллисекунды быстрее.

– Мы были готовы прибавлять секунду примерно в 2018 году, как вдруг Земля начала крутиться быстрее, – говорит Виталий Геннадьевич. – Это был парадокс. Появилась необходимость передвигать стрелку часов не вперед, а назад. И мы это можем сделать, примерно «либо до 2030 года, либо после», – к такому выводу пришли члены XXVII Генеральной конференции. Но после скачущую секунду (leap second)  придется забыть, как пройденный исторический этап. Дело в том, что торможения или ускорения Земли случаются с определенной периодичностью, а потому двигать секунду смысла нет.

– А те 37 секунд, что мы уже успели прибавить к UTC за последние 50 с лишним лет, будут отменены?

– Нет обнулять уже прибавленные секунды к шкале координированного времени не будем.

Сколько мгновений длится метр

Вы будете удивлены, но секунды используются метрологами даже для измерения длины. В отделе метрологического обеспечения геодезических измерений, где хранится наш национальный стандарт большой длины, мне объясняют, что 1 метр – это единица длины, равная пути, проходимому светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды. По нему настраивают так называемый 60-метровый компаратор — сравнивающее устройство с погрешностью в 1 микрометр (в 40 раз меньше, чем толщина волоса). Благодаря ему мы имеем возможность проводить калибровку, к примеру, высокоточных геодезических трекеров – лазерных измерителей длины, фоторегистраторов длины различного назначения.

***

Атомные наручные часики, прибор, показывающий объемы темной материи, проходящие через отдельно взятого человека, навигатор, определяющий по гравитационному полю Земли местоположение с точностью до сантиметра… Все это пока фантазии. Но, по мнению ученых, учитывая скорость развития современных технологий, мы можем получить через 10-15 лет то, о чем сегодня даже не мечтаем. На прощание задаю традиционный вопрос доктору Пальчикову.

– Виталий Геннадьевич, в энциклопедиях даются определения времени. Согласно им, это одно из основных понятий философии и физики, мера длительности существования всех объектов. Вы можете уточнить, как эта мера меряется?

– Нет. у метрологов нет определения времени в широком смысле этого слова.

– Эталон, опирающийся на частоту есть, а определения нет?

– Представьте себе, – так и есть! Кстати, я коллекционирую самые оригинальные изречения о времени, у меня их около 250, принадлежащие Берлиозу, Нострадамусу… Так, по Берлиозу, время – это великолепный учитель, который убивает своих учеников… А мыслитель V века, христианский святой Аврелий Августин говорил следующее: «Если никто меня об этом не спрашивает, я знаю, что такое время; если бы я захотел объяснить спрашивающему — нет, не знаю». Ответивший на множество философских вопросов, Августин написал несколько трактатов на тему времени и страшно мучился, из-за того, что реально споткнулся на этом вопросе…

Источник: МК