Время

(методы измерения).

Для измерения В. необходима эталонная единица и устройства, позволяющие с известной степенью точности воспроизводить эту единицу и осуществлять счёт единиц В.

Для получения эталонной единицы В. использовались следующие периодические процессы: вращение Земли вокруг своей оси; вращение Земли вокруг Солнца; излучение (поглощение) электромагнитных волн атомами или молекулами некоторых веществ при определённых внешних условиях.

Поскольку жизнедеятельность людей теснейшим образом связана со сменой дня и ночи, т.е. с вращением Земли вокруг своей оси, этот процесс и использовался для измерения В. на протяжении многих тысячелетий (см. Сутки, Времяисчисление).

Эталоном времени, которым впервые научилось пользоваться человечество, стали истинные солнечные сутки. Для измерения долей истинных солнечных суток использовались солнечные часы, простейший вариант которых представлял вертикальный шест и нанесённые на земле деления. Тень от шеста, отражая движение Солнца по небу, перемещается от деления к делению, показывая В. Соперником солнечных часов были водяные часы - клепсидра, в которых уровень воды, перетекавший по капле из одного сосуда в другой, показывал, сколько часов прошло с момента пуска клепсидры. Водяные и солнечные часы были известны в Древнем Египте, Китае, Греции, Месопотамии задолго до нашей эры.

Первые механические колёсные часы, снабжённые спусковым устройством, появились в Европе в XIII в. Они имели только часовую стрелку, в движение приводились гирей. Идея маятниковых часов с маятником в качестве регулятора их хода была предложена и реализована голландским физиком Х.Гюйгенсом в 1656 г. Во второй половине XVI в. у механических часов появилась минутная стрелка, а в 1760 г. - секундная. Усовершенствование часов - хранителей В., создание астрономических маятниковых часов привело к тому, что истинные солнечные сутки уже не могли больше использоваться для контроля за ходом часов. Дело в том, что истинные солнечные сутки неодинаковы в течение года в силу двух причин: 1) истинное Солнце, отражая вращение Земли по эллиптической орбите, движется по эклиптике неравномерно;

  1. наклон эклиптики к экватору приводит к тому, что проекции одинаковых отрезков эклиптики на экватор не равны между собой, и, следовательно, часовой угол Солнца (отсчитываемый по экватору) изменяется неравномерно. Поэтому для измерения В. стали использовать средние солнечные сутки, а поскольку среднее Солнце представляет собой фиктивную точку, его положение на небе вычислялось теоретически, на основании многолетних наблюдений истинного Солнца. Местное среднее солнечное В. на меридиане Гринвича (Великобритания) было названо Всемирным временем и обозначено UT (от англ. Universal Time). Разность между средним и истинным солнечным В. называется уравнением времени.

Недостатком солнечного В. является трудность его определения из астрономических наблюдений. Солнце имеет большой видимый диск, что затрудняет отсчёт положения его центра. Оно сильно нагревает телескоп, вызывая его деформацию и тем самым уменьшая точность наблюдений. Поэтому астрономические наблюдения в специальных службах времени производятся ночью по звёздам.

Местное звёздное В. на данном меридиане (время, прошедшее от момента верхней кульминации точки весеннего равноденствия) определяется по наблюдениям неподвижных звёзд и равно прямому восхождению каждой звезды в момент её верхней кульминации (т.е. в момент, когда звезда проходит через меридиан южнее северного полюса мира). Таким образом, наблюдаются звёзды, а не сама фиктивная, невидимая весеннего равноденствия точка. Службы В. регистрируют моменты прохождения ряда звёзд через меридиан и по ним находят поправки своих часов. Использовать звёздное В. непосредственно в повседневной жизни неудобно, т.к. вследствие годового движения Земли по орбите звёздные сутки короче среднесолнечных на 3 мин 56 с. Звёздное В. и среднесолнечное В. быстро расходятся.

Дополнительные затруднения вызывает тот факт, что движение полюсов Земли смещает земные меридианы, на которых ведутся наблюдения, и приводит к тому, что В., определённое в различных точках Земли из астрономических наблюдений, оказывается неодинаковым. Поэтому вводятся специальные поправки на движение полюса; шкала В. с учётом этой поправки называется UT1, в отличие от шкалы без поправки - UT0. Однако и шкалу UT1 нельзя считать достаточно точной, её искажают все виды неравномерности вращения Земли вокруг своей оси. Эти неравномерности подразделяют на три вида:

  1. вековое замедление скорости вращения Земли, изменяющее продолжительность суток примерно на 0.002 с за столетие; эта величина настолько мала, что обычно не принимается во внимание;
  2. сезонная (обусловленная в основном сезонной циркуляцией атмосферы) неравномерность вращения Земли, изменяющая продолжительность суток от их среднего за год значения на величину, немного меньшую ± 0.001 с; учёт сезонной неравномерности даёт новую шкалу В. - UT2;
  3. нерегулярные изменения скорости (являющиеся результатом действия различных факторов, в частности, по-видимому, нестационарных процессов внутри Земли), из-за которых продолжительность суток изменяется на величину порядка 0.001 с на интервале от нескольких лет до нескольких месяцев; эти изменения не могут быть прогнозированы заранее и почти целиком входят в UT2.

Учёт флуктуаций в скорости вращения Земли проводится путём сравнения теоретически вычисленных координат небесных тел с их координатами, полученными из наблюдений. Найденные поправки дают возможность ввести шкалу эфемеридного В. - TE, которая является наиболее равномерной астрономической шкалой В., получаемой из наблюдений. В., отсчитываемое по этой шкале, называют эфемеридным. Его не следует путать с равномерным эфемеридным В. - математическим понятием, употребляемым в формулах небесной механики. Точность определения эфемеридного В. по отдельным наблюдениям из-за случайных ошибок меньше, чем точность определения UT2. Поэтому поправку delta TЕ вычисляют как среднюю по большому ряду наблюдений (обычно за год или за полгода). Таким образом, точные значения TE могут быть получены лишь задним числом. Экстраполяция TE вперёд не может быть эффективной.

Если до открытия неравномерности вращения Земли основная единица В. секунда - определялась как 1/86400 доля средних солнечных суток, то с введением эфемеридного времени в качестве его единицы была принята эфемеридная секунда, определяемая как часть тропического года. Изобретение атомных стандартов В. и частоты позволило получить новую шкалу В., независимую от вращения Земли и имеющую значительно большую точность. В качестве единицы атомного В. принята атомная секунда (подробнее см.: Секунда (I)). Относительная погрешность современных промышленных атомных часов колеблется от 1•10 -13 до 1•10 -14 , что позволяет отдельным службам В. сохранять Международную шкалу атомного времени (TAI) с погрешностью ок. 1 мкс за год.

Несколько отличная от TAI шкала используется при подаче сигналов точного В. Эта шкала получила название Всемирного координированного времени (UTC). В основу UTC положена атомная секунда, а его отличие от TAI состоит в том, что когда разность между UT1 и UTC достигает 0.7 с, часы, с которых передают сигналы В. в системе UTC переводятся вперёд или назад на 1 секунду в зависимости от знака разности UT1- UTC. Коррекции часов производятся в последнюю секунду суток, обычно 31 декабря или 30 июня по рекомендации Международного бюро времени. Шкала UTC, удовлетворяющая этим условиям, была введена с 1 января 1972 г. Шкалу UTC надо считать некоторым компромиссом между атомным и астрономическим В.: она обладает высокой точностью и отражает вращение Земли.

Особую группу составляют системы счёта В., устанавливаемые на территориях отдельных государств или группы государств на основании правительственных декретов или международных соглашений. К этим системам относятся: поясное время, летнее время и декретное время.

Литература:

1. Физика космоса.