Время, хранимое как драгоценность

Вячеслав ДЕМИДОВ

Автор сердечно благодарит доктора технических наук П.Н. Агалецкого, кандидата физико-математических наук М.Д. Ахундова, члена-корреспондента АН СССР Д.И. Блохинцева, кандидата технических наук Д.Ю. Белоцерковского, доктора исторических наук Л.Н. Гумилева, кандидата физико-математических наук Г.А. Елкина, доктора физико-математических наук М.Е. Жаботинского, доктора технических, наук Э.А. Крогиуса, кандидата технических наук В.Г. Ильина, кандидата технических наук В.А. Лысого, академика А.А. Михайлова, доктора физико-математических наук Н.Н. Павлова, инженера С.Б. Пушкина, кандидата биологических наук Е.Е. Селькова, кандидата технических наук Ф.М. Федченко, кандидата физико-математических наук Л.Я. Фукшанского, доктора технических наук В.А. Шполянского за их рассказы, советы и критические замечания, без которых книга просто не могла бы быть.

Введение

Прежде всего расширение границ науки,
без этого все – ничего не стоит.

Лихтснберг

Конечно, мы знаем, – увидеть время нельзя.

Конечно, мы знаем, – ученые уже три тысячи лет спорят: что же оно такое, Время.

Но здесь, в этом зале, Время обретает весомость, зримость.

На совершенно пустой стене горят слова «Эталонное время Советского Союза». Желтые точки лампочек нарисовали цифры: час, минута, секунда. Вот оно, эталонное время. Время, по которому живет страна. Под ход которого подстраиваются сотни миллионов самых различных часов.

Его точность – двенадцатый знак после запятой. Часы государственного эталона имеют право «накопить» ошибку в одну секунду за тридцать тысяч лет. Чудовищное, не поддающееся воображению число. Лишь пятьсот лет Европа знает книгопечатание, всего две тысячи семьсот лет прошло от основания Рима, только пять тысяч лет назад были воздвигнуты первые египетские пирамиды...

А впрочем, кому нужна такая точность? Что заставляет ученых с таким упорством гнаться за все новыми и новыми нулями после запятой?

«Каждое средство, способствующее точности наблюдений, может явиться средством будущего открытия», – сказал Альберт Майкельсон. Он знал, что говорил: ведь это он измерил скорость света с небывалой дотоле скрупулезностью, – и эти измерения пошатнули здание старой ньютоновской физики, стали фундаментом новой физики Эйнштейна.

Наука не может жить сегодняшним днем. В микромире и в мегамире, среди атомов и среди звезд – всюду нас подстерегают новые, неожиданные закономерности. Порой они проявляются в ничтожных отклонениях от привычного порядка вещей, в изменении хода хорошо известных графиков на миллионные доли процента. Ученый знает: каждое измерение таит в себе погрешность. Что же являет собой это странное отклонение линии графика? Обыкновенная ошибка или неожиданная закономерность? Ответить на этот вопрос можно, только проведя контрольный опыт с точностью, которая исключит любые сомнения, отметет любые придирки.

Обгонять требования практики сегодняшнего дня – лозунг метрологов. Они работают для будущего. Для открытий, которые еще не сделаны.

Точность, достигнутая государственным эталоном, показывает состояние науки и техники страны.

Когда сто лет назад по почину российского академика Б.С. Якоби ученые собрались на первую международную конференцию по мерам и весам, перед создателями эталонов стояло, в общем, не так уж много проблем. Подобрать подходящий сплав для килограмма и метра, разработать надежную методику хранения, научиться сравнивать образцовые меры между собою – вот, пожалуй, и все.

Сегодня эталон, а особенно такой, сложный, как эталон времени, вбирает в себя опыт и мастерство создателей других национальных эталонов. В самом деле: заданную температуру в термостате «самых главных часов» нужно поддерживать с той же неизменностью, какую гарантирует эталон температуры, – несколько тысячных градуса за год, несколько десятитысячных за сутки. Стабильность поля электромагнитов должна быть такой же, как у эталона магнитных единиц. Предельно высокие требования предъявлены к сохранению вакуума, – их не выполнить, если вакуумная техника страны не достигла «мировых стандартов». Нужны металлы фантастически высокой чистоты – их не получить, если не развита металлургия как наука.

Наконец электроника. Без нее не построить эталон времени, без нее не измерить время: счет ведь идет на миллионные доли миллионных долей секунды – только электронные схемы способны ощутить эти неуловимые миги.

Прежде чем строить эталон, нужно спросить себя: а даст ли электроника столь надежные детали? Иными словами, овладела ли она искусством умещать на крошечном кусочке полупроводника сотни и тысячи транзисторов, которые как бы помогают друг другу, спасают друг друга от ошибок?

Лучшее доказательство – цифры. С 1962 г. работает Эталон времени и частоты нашей страны. За все эти годы не было ни одного случая «потери шкалы», ни на одну тысячемиллиардную секунды не снизилась точность выдачи сигналов времени. Сегодня государственный эталон СССР – один из лучших эталонов мира.

Вы спросите: «А частота? Почему она вдруг очутилась в одном ряду со временем?» Только потому, что время и частота – две стороны одной медали. Этой зависимости подчиняются все колебательные, все волновые процессы. Качнулся маятник из одного крайнего положения в другое и снова вернулся на прежнее место – свершилось полное колебание. Если оно заняло одну секунду, значит, частота колебаний – 1 герц. Миллион колебаний в секунду совершает электромагнитное поле, сорвавшееся с антенны радиопередатчика, который работает на частоте 1 млн герц (1 мегагерц). Каждое колебание заняло одну миллионную секунды. Но разве это предел – миллионная? Вовсе нет. В распоряжении современных часовщиков есть куда меньшие доли – результат искусства радистов и физиков-ядерщиков. Но об этом позже.

Эталон времени стал эталоном частоты далеко не сразу. Его история – это история часового искусства. С государственным эталоном сравнивают свою частоту все радиостанции страны, все передатчики и генераторы колебаний, где бы они ни находились: в научно-исследовательских институтах и на заводах, в воинских частях и на морских судах, на самолетах и станциях слежения за космосом. Эфир до отказа забит радиостанциями, к стабильности их частот предъявляют все более суровые, прямо-таки драконовские требования. И в эфир круглые сутки летят сигналы эталонных частот. Их передают специальные радиостанции, которые ничем, кроме этого сверхважного дела, не занимаются.

В каждой стране – свой государственный эталон. Но мир неделим. Неделима наука. Самолеты за один рейс пересекают десяток границ. Ученые разных стран дружно работают по международным исследовательским программам. Люди Земли должны быть уверены, что в любой стране – одна и та же секунда, один и тот же герц. Вот почему и охвачена планета Всемирной службой времени и частоты. Вот почему эталоны разных стран хранят коллективно шкалу времени Земли.

Метрология давно уже перестала быть делом узко-национальным. Но именно в последние годы работа метрологов сделалась совсем иной, нежели сто и даже двадцать лет назад.

Прежде все было ясно: «самый главный метр» – это метр, хранящийся в Международном бюро мер и весов в Париже. С ним сличались национальные эталоны, а там шли эталоны-копии, эталоны-свидетели (по ним проверялась сохранность копий), рабочие эталоны и так далее. «Самыми главными часами» была Земля, своего рода первый межнациональный эталон времени: сутки у всех народов – сутки. Правда, у этих часов не обнаружишь стрелок, но зато в вашем распоряжении есть великолепный циферблат, усеянный мириадами звезд! С движением звездного неба сличался, ход астрономических часов национальных обсерваторий, а дальше снова шла иерархическая система сличений: каждые последующие часы были менее точны, чем предыдущие.

Но сегодня метр – это 1 650 763,73 длины световой волны, испускаемой возбужденными атомами инертного газа криптона-86. Сегодня секунда – это 9 192 631 770,0 колебаний электромагнитной волны, испускаемой (или поглощаемой, впоследствии мы увидим, что это, в общем, одно и то же) атомами цезия-133.

Все атомы одного и того же вещества похожи друг на друга, где бы это вещество ни находилось – в Советском Союзе, Франции, Японии или Соединенных Штатах. Среди атомов нет главных и подчиненных. Из этих фактов следуют два чрезвычайно важных обстоятельства: во-первых, каждый физик может взять криптон и в соответствующих условиях создать у себя в лаборатории эталон метра, ничем не отличающийся от иных. Каждый физик может точно так же взять цезий и получить для своих нужд эталон секунды. Нынешняя метрология думает уже не только о передаче мер по иерархической лестнице эталонов. Она думает, как воспроизвести условия, при которых эталон может быть эталоном, как сравнить между собой сотни и тысячи рассеянных по всему свету эталонов, как дать ученым уверенность, что они опираются в своей работе на прочное основание.

Во-вторых, метр и секунда стали столь близки и подобны, что наводят на далеко идущие размышления.

В свое время вавилоняне сделали смелую попытку свести всю метрологию к одному измерению: измерению времени. Единицей времени считался промежуток, за который вода выливалась из кубического ящика определенного размера. Единицей длины – ребро этого куба. Единицей емкости – его вместимость. Единицей веса – вес воды, помещавшейся в нем.

Прошли тысячелетия, и вот мы снова обратились к идеям вавилонян. Метр и секунда теперь связаны с колебаниями электромагнитных волн, и от этого соединения потянулась длинная цепочка производных единиц: скорость, температура, напряженность магнитного поля, напряжение, сила тока и так далее, и так далее... Время становится основой системы единиц третьего тысячелетия нашей эры! Первые результаты уже получены: скорость света удалось измерить в сто раз точнее, чем традиционными методами.

Созданный в 1949 г. первый советский эталон частоты (время тогда измерялось астрономическими часами) ошибался не более чем на одну десятимиллионную процента. Это казалось в те годы прямо-таки невероятным. Ныне генератор частоты 41...40, обеспечивающий точно такую точность, выпускается у нас серийно, и его может купить любая лаборатория. С каждым десятилетием эталоны становятся точнее. Отрезки времени, поддающиеся измерению, становятся все миниатюрнее. Беспределен ли этот бег к нулю?

Когда-то людям казались возможными любые отрицательные температуры, но понятие абсолютного нуля поставило предел стремлению градусов вниз. Точно так же и время представлялось бесконечно делимым, пока наука не объединила пространство и время в неразрывном единстве и не поставила на повестку дня проблему квантованного пространства-времени микромира.