Як і інші величини, друга є лише відносним поняттям, яке ґрунтується на умовності
У 1875 році 17 провідних країн того часу, середяких були, зокрема, Австро-Угорщина, Російська та Османська імперії, Франція, Німеччина, США та Бразилія, підписали Метричну конвенцію — міжнародний договір, який забезпечує єдність стандартів вимірювання в різних країнах. Для розробки єдиних принципів та проведення еталонних вимірів держави створили Міжнародне бюро заходів та ваг.
На 27-й Конференції з заходів та вагпредставники різних країн погодилися, що сучасне визначення секунди перестає задовольняти необхідну точність вимірювань та потребує перегляду. Дорожня карта передбачає, що вже на наступній зустрічі через чотири роки країни мають вибрати нову більш точну систему відліку та змінити формулювання секунди.
Перші виміри секунди
Протягом століть люди вимірювали час пообертання Землі. Від стародавніх єгиптян до грецьких астрономів і вавилонян людство поступово змінювало точність вимірів, що вимагало нових одиниць часу, а з розвитком технологій їх уніфікації та синхронізації.
У перших механічних годинників, що з'явилися вXIV столітті не було навіть хвилин. Циферблати ділилися на половини, третини, чверті, а іноді навіть на 12 частин години, але ніколи на 60. Перший механічний годинник, що показує хвилини, з'явився ближче до кінця XVI століття. При цьому на відміну від сонячного годинника, який показував час, що здається, механічний годинник перейшов на середній час.
Справа в тому, що орбітальний рух Землі навколо Сонця призводить доВидимий сонячний час використовує час між двома моментами, коли наша зірка знаходиться в зеніті, як визначення дня.При цьому дробові частини (години і хвилини) визначаються виходячи з руху Сонця.
Насправді при вимірі на основіальтернативних систем, наприклад, кількості рухів маятника в механічному годиннику з'ясовується, що тривалість такої доби відрізняється. Тривалість сонячної доби змінюється протягом року, а накопичений ефект спричиняє сезонні відхилення до 16 хвилин від середнього.
Перші годинники, що показують секунди, з'явилися в другій половині 16 століття.Найдавніші відомі весняні годинники зі стрілкою, що показує секунди, датуються приблизно 1560–1570 роками.При цьому всі перші аналоги характеризувалися недостатньою точністю.
У 1656 році голландський вчений Християн Гюйгенсвинайшов перший маятниковий годинник. У нього був маятник завдовжки трохи менший за метр, що давало йому коливання в одну секунду, і спусковий механізм, який цокав кожну секунду. Вважається, що це був перший годинник, який міг точно показувати час у секундах.
Кишеньковий годинник Хенлейна, початок XVI століття. Зображення: Germanisches National Museum
Від частки доби до обертання Землі по орбіті та атомним вимірам
Вже до кінця XIX століття точність вимірювання секунддосягла таких висот, що саме вони лягли в основу міжнародної метричної системи МКС, яка була закріплена Генеральною конференцією щодо заходів та ваг у 1889 році. Як базова одиниця довжини було затверджено метр, ваги — кілограм, а часу — секунда. При цьому остання була визначена як 1/86 400 частка середнього сонячного дня.
Оскільки рух Землі орбітою навколо Сонцястабільніше, ніж обертання планети навколо своєї осі, пізніше це визначення було змінено та виражено через частку року: 1 ⁄ 31 556 925,9747 року. При цьому, щоб ще більше знизити невизначеність, використовувалася ефемеридна шкала часу, розрахована на основі положення орбіт планет і зірок у 1900 році.
У 1967 році, після десятиліть досліджень,вчені відмовилися від методу обертання Землі і перевизначили час, натомість вимірявши рух частинок всередині атома. Зокрема, чинне визначення використовує для розрахунку резонанс власної частоти цезію-133. З цієї миті секунда визначається фіксованим числовим значенням частоти коливань атома цезію.
Як працює атомний час?
Ранні атомні шкали часу складалися зкварцового годинника з частотами, відкаліброваними за допомогою одного атомного годинника. Вони засновані на системі атомів, які можуть бути в одному з двох можливих енергетичних станів.
Група атомів в одному стані піддаєтьсямікрохвильового випромінювання. Якщо випромінювання має правильну частоту, кілька атомів перейде в інший енергетичний стан. Чим ближче частота до власної частоти коливань атомів, тим більше атомів перемикатиме стани.
Це дозволяє дуже точно налаштувати частотумікрохвильового випромінювання. Як тільки мікрохвильове випромінювання налаштоване на відому частоту, його можна використовувати як генератор хронометражу для вимірювання часу, що минув.
Міжнародний атомний час - цесередньозважене значення часу, яке показують понад 450 атомних годинників у більш ніж 80 національних лабораторіях по всьому світу. Такий підхід дозволяє уникнути спотворень, пов'язаних із гравітаційним уповільненням часу.
Годинник у різних установах регулярно порівнюєодин з одним за допомогою супутникового зв'язку та GPS. Міжнародне бюро заходів та ваг (BIPM, Франція) об'єднує ці виміри для ретроспективного розрахунку середньозваженого значення, яке формує найбільш стабільну можливу часову шкалу.
Перший у світі атомний годинник. Зображення: National Physical Laboratory, Public domain, via Wikimedia Commons
Що хочуть змінити?
Подальший розвиток технологій дозволяють щебільше підвищити точність вимірів. Наприклад, як альтернатива класичним цезієвим годинникам фізики пропонують використовувати оптичний годинник. У таких годинниках використовується більш високочастотне «цокання» таких елементів, як стронцій та ітербій, що дозволяє їм розбивати час на ще дрібніші частини.
Складність поки що полягає в тому, що офіційнечас не може бути згенерований з використанням тільки одного годинника. Метрологи повинні усереднювати свідчення сотень годин по всьому світу. Для цезієвих годин може передаватися за допомогою мікрохвильових сигналів, але таке випромінювання занадто низькочастотне, щоб передавати цокання оптичних годин.
Навпаки, передача сигналів повітрям наОптична довжина хвиль не така проста, як відправлення мікрохвиль, тому що молекули в повітрі легко поглинають світло, різко знижуючи потужність сигналу. Крім того, турбулентність може спрямувати лазерний промінь у бік від мети.
Проте зміни в цьому напрямку йдуть пошляхи прогресу, наприклад, нещодавно китайські вчені представили результати своєї роботи із синхронізації оптичних годинників на відстані 117 км. Це у сім разів більше за попередній рекорд. Подальший розвиток у цьому напрямі допоможе покращити точність визначення секунди у 100 разів та більше.
Рішенням Конференції щодо заходів та ваг країнучасникам запропоновано продовжити розробку альтернативних методів вимірювання та синхронізації часу. На їх основі до наступної зустрічі у 2026 році буде сформульовано пропозиції щодо нового стандарту та періоду переходу.
Ітербієвий оптичний атомний годинник. Зображення: NIST
«Високосна» секунда
Якщо це в питанні нового стандарту поки що залишаєтьсяневелика невизначеність, та інша зміна, яка торкнеться тимчасових стандартів, остаточно прийнята. Вже 2035 року світ має відмовитися від додаткових секунд.
Справа в тому, що при переході до точного виміручасу на основі атомного годинника вчені з'ясували, що середня доба не дорівнює 86 400 стандартним секундам. Різниця становить лише кілька мілісекунд, але згодом накопичується.
Рішенням стали додаткові секунди:поправки на одну секунду застосовувалися наприкінці грудня чи червня на разовій основі. Зміни були заплановані для забезпечення того, щоб система хронометражу, яку ми використовуємо, всесвітній координований час (UTC) ніколи не відрізнялася більш ніж на 0,9 с від атомного часу.
Оскільки такі зміни носили разовийхарактер, «високосні» секунди створювали великі складнощі для програмного забезпечення, енергетики та супутникових систем. По-перше, важко точно передбачити, коли буде потрібно наступна додаткова секунда, тому розробники програм не можу підготуватися до впорядкованих, регулярних вставок. Тому різні мережі розробили власні неузгоджені методи включення додаткової секунди.
Більш того, сучасні глобальні обчислювальнісистеми стали більш тісно взаємопов'язані і більшою мірою залежать від надточної синхронізації, іноді до мільярдних часток секунди. Додавання зайвої секунди підвищує ризик того, що системи, що відповідають за телекомунікаційні мережі, передачу енергії, фінансові операції та інші життєво важливі підприємства, вийдуть із ладу або не зможуть синхронізуватися.
Щоб уникнути цієї проблеми, вчені прийнялирішення з 2035 року відмовитись від цих вставок. З 1972 за минулі 50 років різниця між UTC та міжнародним атомним часом склала всього 37 с, при цьому 10 с були додані відразу, а ще 27 с було вставлено пізніше. Вчені пропонують зафіксувати різницю, яка буде накопичена до 2035 року, і не змінювати як мінімум у наступні 100 років.
Читати далі:
Незабаром на Землю обрушиться магнітна буря
Розкрито істинне значення муміфікації: весь цей час вчені помилялися
Названо головну небезпеку місячної місії «Артеміда»