Подобно на други количества, секундата е просто относителна концепция, която се основава на споразумение за
През 1875 г. 17 водещи страни от онова време, средкоито бяха, включително Австро-Унгария, Руската и Османската империя, Франция, Германия, Съединените щати и Бразилия, подписаха Метричната конвенция - международен договор, който гарантира единството на стандартите за измерване в различни страни. За да разработят единни принципи и да извършат референтни измервания, държавите създадоха Международното бюро за мерки и теглилки.
На 27-ата конференция по мерки и теглилкиПредставители на различни страни се съгласиха, че съвременната дефиниция на секундата престава да отговаря на изискваната точност на измерванията и изисква преразглеждане. Пътната карта предвижда на следващата среща след четири години страните да изберат нова, по-точна референтна система и да променят формулировката на втората.
Първи измервания на секунда
От векове хората са измервали времето свъртенето на земята. От древните египтяни до гръцките астрономи и вавилонци човечеството постепенно променя точността на измерванията, което изисква нови единици за време, а с развитието на технологиите тяхното унифициране и синхронизиране.
Първите механични часовници, които се появяват презXIV век, нямаше дори минути. Циферблатите са разделени на половини, третини, четвъртини, а понякога дори на 12 части от час, но никога на 60. Първите механични часовници, показващи минути, се появяват към края на 16 век. В същото време, за разлика от слънчевите часовници, които показваха видимо време, механичните часовници преминаха към средно време.
Факт е, че орбиталното движение на Земята околоСлънцето води до неравномерна продължителност на деня. Привидното слънчево време използва времето между двата момента, в които нашата звезда е в зенита си, като дефиниция на деня. В този случай дробните части (часове и минути) се определят въз основа на движението на Слънцето.
Всъщност, когато се измерва въз основа наалтернативни системи, например броя на движенията на махалото в механичен часовник, оказва се, че продължителността на такива дни е различна. Продължителността на слънчевия ден варира през цялата година, като кумулативният ефект предизвиква сезонни отклонения до 16 минути от средната стойност.
Първите часовници, показващи секунди, се появяват презвтората половина на 16 век. Най-ранният известен пролетен часовник със секундарник: датиран около 1560–1570 г. В същото време всички първи аналози бяха недостатъчно точни.
През 1656 г. холандският учен Кристиан Хюйгенсизобретил първия часовник с махало. Имаше махало малко под един метър, което му даваше люлеене за една секунда, и задействащ механизъм, който тиктакаше всяка секунда. Смята се, че това е първият часовник, който може да показва точно времето в секунди.
Джобен часовник Henlein, началото на 16 век. Изображение: Германски национален музей
От част от деня до орбиталното въртене на Земята и атомните измервания
До края на 19 век точността на измерване на секундидостигнаха такива висоти, че формират основата на международната метрична система на ISS, която беше фиксирана от Генералната конференция по мерки и теглилки през 1889 г. Метърът е одобрен като основна единица за дължина, килограмът за тегло, а секундата за време. Последният се определя като 1/86400 от средния слънчев ден.
Тъй като орбитата на Земята около Слънцетопо-стабилна от въртенето на планета около оста си, това определение по-късно беше променено и изразено като част от година: 1 ⁄ 31 556 925,9747 от година. В същото време, за допълнително намаляване на несигурността, е използвана ефемеридна времева скала, изчислена въз основа на позицията на орбитите на планетите и звездите през 1900 г.
През 1967 г., след десетилетия изследвания,учените изоставиха метода на въртене на Земята и предефинираха времето, вместо това измервайки движенията на частиците в атома. По-специално, настоящата дефиниция използва резонанса на естествената честота на цезий-133 за изчисляване. От този момент нататък секундата се определя от фиксирана числена стойност на честотата на вибрациите на цезиевия атом.
Как работи атомното време?
Ранните атомни времеви скали се състоят откварцови часовници с честоти, калибрирани само с помощта на атомни часовници. Те се основават на система от атоми, които могат да бъдат в едно от двете възможни енергийни състояния.
Група атоми в едно състояние претърпявамикровълново лъчение. Ако радиацията има правилната честота, определен брой атоми ще преминат в различно енергийно състояние. Колкото по-близо е честотата до естествената честота на вибрация на атомите, толкова повече атоми ще сменят състоянията си.
Това позволява много прецизна настройка на честотата.микровълново лъчение. След като микровълновото излъчване е настроено на известна честота, то може да се използва като синхронизиращ генератор за измерване на изминалото време.
Международното атомно време есреднопретеглена във времето стойност от повече от 450 атомни часовника в повече от 80 национални лаборатории по света. Този подход ни позволява да избегнем изкривявания, свързани с гравитационното забавяне на времето.
Редовно се сравняват часовете в различни институциипомежду си чрез сателитни комуникации и GPS. Bureau International des Poids et Mesures (BIPM, Франция) комбинира тези измервания, за да изчисли ретроспективно претеглена средна стойност, която формира възможно най-стабилната времева скала.
Първият в света атомен часовник. Изображение: Национална физическа лаборатория, обществено достояние, чрез Wikimedia Commons
Какво искат да променят?
По-нататъшното развитие на технологиите позволява още повечедопълнително подобряване на точността на измерване. Например, като алтернатива на класическия цезиев часовник, физиците предлагат използването на оптичен часовник. Тези часовници използват по-високата честота на "тиктакане" на елементи като стронций и итербий, което им позволява да разделят времето на още по-малки парчета.
Трудността засега се състои в това, че длъжностното лицевремето не може да се генерира само с помощта на часовници. Метролозите трябва да усреднят показанията за стотици часове по света. За цезиевите часовници времето може да се предава с помощта на микровълнови сигнали, но такова излъчване е с твърде ниска честота, за да предаде тиктакането на оптичен часовник.
Напротив, предаването на сигнали по въздуха доОптичните дължини на вълните не са толкова прости като изпращането на микровълни, тъй като молекулите във въздуха лесно абсорбират светлината, намалявайки драматично силата на сигнала. Освен това турбуленцията може да насочи лазерния лъч далеч от целта.
Промени в тази посока обаче иманапредък, например наскоро китайски учени представиха резултатите от работата си по синхронизирането на оптични часовници на разстояние 117 км. Това е седем пъти повече от предишния рекорд. По-нататъшното развитие в тази посока ще спомогне за подобряване на точността на определяне на секундата от 100 пъти или повече.
По решение на Конференцията по мерки и теглилкиучастниците се насърчават да продължат да разработват алтернативни методи за измерване и синхронизиране на времето. Въз основа на тях до следващото заседание през 2026 г. ще бъдат формулирани предложения за нов стандарт и преходен период.
Итербиев оптичен атомен часовник. Изображение: NIST
Скок втори
Ако това все още е въпрос на новия стандартмалка несигурност, тогава най-накрая се приема друга промяна, която ще засегне временните стандарти. Още през 2035 г. светът трябва да се откаже от високосните секунди.
Въпросът е, че при прехода към прецизно измерваневреме, базирано на атомни часовници, учените са установили, че средният ден не е равен на 86 400 стандартни секунди. Разликата е само няколко милисекунди, но се натрупва с времето.
Решението беше високосни секунди:корекциите от една секунда бяха приложени в края на декември или юни на база ad hoc. Промените бяха планирани, за да се гарантира, че използваната от нас система за отчитане на времето, координирано универсално време (UTC), никога не се различава с повече от 0,9 секунди от атомното време.
Тъй като подобни промени бяха еднократнихарактер, "високосните" секунди създадоха големи трудности за софтуера, енергетиката и сателитните системи. Първо, трудно е да се предвиди точно кога е необходима следващата високосна секунда, така че разработчиците на програми не могат да се подготвят за подредени, редовни вмъквания. Поради това различни мрежи са разработили свои собствени непоследователни методи за включване на високосната секунда.
Освен това съвременните глобални компютрисистемите са станали по-тясно взаимосвързани и по-зависими от супер прецизно време, понякога до милиардни от секундата. Добавянето на допълнителна секунда увеличава риска системите, отговорни за телекомуникационните мрежи, преноса на енергия, финансовите транзакции и други жизненоважни бизнеси, да се провалят или да не успеят да се синхронизират.
За да избегнат този проблем, учените са приелирешение за постепенно премахване на тези вложки от 2035 г. От 1972 г., през последните 50 години, разликата между UTC и международното атомно време е само 37 s, като 10 s са добавени незабавно и още 27 s са добавени по-късно. Учените предлагат да се коригира разликата, която ще се натрупа до 2035 г., и да не се променя поне през следващите 100 години.
Прочетете още:
Магнитна буря е на път да удари Земята
Истинското значение на мумифицирането е разкрито: през цялото това време учените са грешали
Назоваха основната опасност от лунната мисия "Артемида"