Глава четвертая. В поисках абсолюта

Столетья разрешаются от бремени,
Плоды приносят год, и день, и час.
Пока в руках у нас частица времени,
Пускай оно работает на нас!

С. Маршак

Семнадцатый век был веком мореплавателей. Мыс Горн, материк Австралия, остров Новая Зеландия, Баффинов залив – на карте мира появлялись все новые и новые названия. Один за другим уходили из гаваней многопарусные военные фрегаты, вместительные «купцы». Многие, чтобы уже никогда не вернуться к родным берегам... Жестокий шторм, предательская тишина затяжного штиля, подводный риф, неведомо откуда взявшийся пиратский корабль – тысячи опасностей, и весьма приблизительные карты, и неточные мореходные инструменты.

Далеко ли до берега? Хватит ли воды и сухарей? Не урезать ли и без того ничтожные порции? В маленькой Голландии было 15 тысяч торговых судов, и каждый год две, а то и три сотни объявлялись погибшими, пропавшими без вести.

Премии, которые так никто и не получил

Правительства морских держав, обеспокоенные таким положением дел, назначили колоссальные награды за изобретение способа узнавать долготу в открытом море. Король Филипп II Испанский в 1598 г. обещал десять тысяч дукатов (примерно 36 килограммов золота), Генеральные штаты Нидерландов предложили в 1606 г. втрое больше. Но годы шли, а претенденты так и не объявлялись.

Почему речь шла только о долготе? Потому что широту умели отлично определять еще финикийцы и викинги.

Чем ближе к экватору подходит корабль, тем ниже к горизонту спускается Полярная звезда, тем выше поднимается в полдень солнце. Для измерения высот светил мореплаватели с XV в. пользовались градштоком и астролябией.

А долготу вычисляли по скорости хода – в общем, на глаз. Из-за того, что размеры Земли не были точно известны, получались огромные ошибки. Правда, во время своего первого путешествия в Индию Колумб сделал важное наблюдение, которое, казалось, решит задачу определения упрямой долготы. 13 сентября 1492 г. он заметил, что стрелка компаса, до того отклонявшаяся к западу от Полярной звезды, уставилась строго на нее. На следующий день стрелка указывала уже направление к востоку от Полярной. Колумб «пришел к заключению, что эта линия, не дающая магнитного отклонения, была линией меридиана и что отклонения от нее к востоку или к западу должны представлять правильность, которая может дать средство для определения долготы гораздо вернее, чем с помощью таблиц и водяных часов. Известно, что четыре года спустя он пробовал направлять ход корабля на основании наблюдений этого рода», – читаем мы в книге Дж. Уилера «Христофор Колумб и открытие Америки». Увы, кроме изобретателя, никто не умел водить суда таким способом, да потом еще выяснилось, что склонение магнитной стрелки – вещь страшно непостоянная, от года к году изменяющаяся, так что любые карты станут непригодными раньше, чем смогут быть напечатаны.

Почти двести лет спустя задачу решил Галилей. Он даже вел по этому вопросу переписку с правительством Нидерландов. Изобретатель телескопа предлагал воспользоваться для вычисления долготы спутниками Юпитера, так хорошо видными в зрительную трубу. Они играли бы роль стрелок часов, настроенных по времени порта, откуда вышел корабль. Для этого требовалось только составить необходимые таблицы. Еще удобнее было бы принять какой-то меридиан за начальный и вычислить таблицы, опираясь на него. Тогда, зная местное время и время начального меридиана, легко узнавалась бы долгота; известно ведь, что Земля ежечасно поворачивается на 15 градусов.

Но попробуйте-ка поймать в трубу планету, стоя на качающейся палубе! Способ признали неудобным, переговоры кончились ничем, хотя на сухопутье им пользовались еще долго и первый раз определили скорость света (правда, с огромной ошибкой) именно по спутникам самой большой планеты Солнечной системы.

Более приемлемой была бы Луна, но ее движение среди звезд не удавалось подвести под хорошую теорию и составить нужные таблицы. Да и инструменты были недостаточно верны, чтобы воспользоваться ими. Луна стала объектом пристального внимания моряков только после 1731 г., когда англичанин Гадлей изобрел секстант, позволивший измерять угловую высоту светил раз в пятнадцать точнее, чем раньше. Петербургский академик Леонард Эйлер вывел, наконец, формулы движения Луны, немецкий астроном И.Т. Майер составил по ним таблицы, – более ста лет пользовались их трудами моряки.

Но мы забегаем вперед. В XVII в. обращаться к светилам оказалось невозможным. Их язык не удавалось расшифровать. И тогда возникает новая идея, на этот раз связанная уже не с небом, а с Землей.

Ведь Земля – это тоже «часы». Каждую минуту она поворачивается на 15 угловых минут. Значит, если на борту судна есть часы, поставленные по времени нулевого меридиана (скажем, меридиана порта, откуда вышел корабль), штурман легко определит свою долготу, вычтя из местного времени время, показанное бортовыми часами. Ну, а узнавать местное время по солнцу и звездам моряков не надо учить...

С мыслью о морском применении проектировал свои часы Галилей. Эти же соображения высказывал и Гюйгенс в одном из писем 1657 г.: «На днях я нашел новую конструкцию часов, при помощи которой время измеряется так точно, что появляется немалая надежда на возможность определения при их помощи долготы, даже если придется везти их по морю».

Гюйгенс знал, что в море на маятник будет действовать не только сила тяжести, но и ускорение, возникающее от качки корабля. Поэтому он укрепил свои часы в кардановом подвесе наподобие компаса. Он надеялся, что таким образом удастся защитить маятник от влияния качки. Опытное плавание не подтвердило предположений ученого. И попытки последующих изобретателей кончились ничем.

Гюйгенс, однако, не терял присутствия духа. Во всем виновата сила тяжести? Значит, ее нужно убрать! Но как? Ответить на вопрос он смог только спустя почти двадцать лет.

На сцену выступает баланс

Гюйгенс установил в часах вместо маятника круглое колесико – баланс, а силу тяжести заменил силой спиральной пружины, которая то закручивалась, то раскручивалась по мере того, как баланс колебался взад-вперед. По сути, это было возвращением к билянцу, но на более высоком уровне знаний. Билянец, как вы помните, был плох потому, что время его колебаний резко зависело от силы толчков. Свойства колеса со спиральной пружиной – волоском – были точной копией свойств маятника: период колебаний очень мало зависел от размаха, а следовательно, и от качества работы колесной системы часов. Откройте любые наручные, карманные часы или будильник, и вы сразу увидите это хлопотливо снующее колесико. Тряска и качка – мы отлично знаем это по собственному опыту – на такие часы практически не влияют.

Победа? Нет, до нее было еще далеко. Новорожденный баланс – в 1674 г. парижский часовщик Тюре сделал по указаниям Гюйгенса первые балансовые часы – оказался тепличным созданием. Достаточно было температуре воздуха измениться на один градус, как стальной волосок удлинялся, и часы начинали уходить в двадцать раз резвее маятниковых. Просто руки опускались.

К тому же – новые обвинения в плагиате. Привилегию в Париже Гюйгенсу не выдали, потому что заявил претензию некий аббат Отфей. Попытка получить патент в Англии вызвала резкий протест Роберта. Гука: оказывается, он десять лет назад говорил на лекции, что спиральная пружина может сыграть в часах роль силы тяжести, действующей на маятник. Претензии Гука были тем основательнее, что именно он прославился своими исследованиями свойств упругих тел, в частности спиральных пружин. И хотя его называли «научным разбойником» за постоянное сутяжничество с другими учеными (в том числе и Ньютоном), якобы кравшими у него идеи, – в случае с балансом первенство Гука несомненно. Идею он высказал, как утверждал его современник член Королевского общества (английской Академии наук) Вильям Дергам в 1656 или 1658 г., а в 1678 г. мастер Томпион изготовил такие часы для короля Карла II Английского.

Несомненно, Гюйгенсу очень помогли известия, что часы с балансом вместо маятника создать принципиально можно. В 1660 г. об изобретении «пружины вместо маятника» рассказывал ему кто-то из друзей, в 1665 г. ему писал об идеях Гука один из английских ученых. Но все это были не более чем намеки. Никаких чертежей, как и чертежей часов Галилея, Гюйгенс ни от кого не получал. «Если Гюйгенс не может считаться первым изобретателем регулирующего устройства баланс-спираль, то во всяком случае его заслуга в том, – подводит итог советский историк часового искусства В.Н. Пипуныров, – что он создал с таким регулятором модель часов, которая стала исходной для дальнейшего развития и усовершенствования их».

История рассудила спор. Но триста лет назад мнения резко разделились. Англичане поддерживали Гука, ученые же «с континента» – Гюйгенса. Гюйгенс устал от бесконечных обвинений, от обязанности доказывать свою честность. Никого не интересует, что его труды о выборе смазочного масла для часов, о влиянии на их ход температуры и влажности воздуха, не говоря уже о теории маятника, знакомы каждому серьезному часовщику, – надо защищаться, словно преступнику...

И Гюйгенс бросил заниматься часами: в конце концов есть столько интереснейших физических и математических проблем. «...Я предоставил свободу всем часовщикам работать над этим изобретением, так как видел, что привилегия стоила бы мне просьб о регистрации в Парламенте и что даже потом у меня будут судебные процессы и новые неприятности», – писал он одному другу. И конечно же он не мог знать, что за два года до его смерти в английском городе Барроу в графстве Йоркшир у плотника Гаррисона родился сын Джон, которому судьба предназначила вывести баланс «в люди».

Мастер Гаррисон начинает эпоху хранения времени

Впрочем, его юность никак не пророчила будущей знаменитости. Он плотничал вместе с отцом, и единственное, чем Джон отличался от других плотников, была его любовь к механике, вернее – к часам. Он выучился их чинить, и когда под рукой не бывало подходящего колесика, смело вырезал его из дерева.

В 1714 г. английский парламент выслушал доклад Ньютона о проблеме морских часов. Ученый закончил свою речь словами: «Часы, на ход которых не должны влиять ни качка корабля, ни изменения температуры и влажности, ни различия в силе гравитации на разных широтах, – такие часы еще не созданы». Более чем столетней давности премии Испании и Нидерландов по-прежнему дожидаются счастливцев, но о них мало кто уже помнит, и потому парламент решает объявить: мастеру, сделавшему часы, пригодные для определения долготы в море, выплатят 20 тыс. фунтов стерлингов (почти 150 килограммов золота), если часы, «будучи испытаны в пути до Вест-Индии, дадут ошибку не более 30 миль» (т.е. 30 секунд по времени. – В.Д.). Если ошибка составит 40 миль – 15 тыс., если 60 миль – 10 тыс.

Джону Гаррисону шел тогда двадцать первый год. Пока ему не было известно об этой огромной премии, он не очень задумывался над своим отношением к часам. Щедрая королевская награда всколыхнула его. В «старой доброй Англии» было немало искусных механиков, но не каждому была дана целеустремленность юного Гаррисона. Он упорно учится, постигает свойства металлов, законы механики и физики. В 1725 г. первая победа: придуман маятник, длина которого остается постоянной, независимо от того, тепло в комнате или холодно, – решена задача температурной компенсации, над которой часовщики бились вот уже несколько десятилетий.

Джон отправился в Лондон. Там он явился к директору Гринвичской обсерватории Эдмунду Галлею и сказал, что если Комиссия по определению долготы выдаст ему небольшую сумму, он, Гаррисон, сделает точные часы для моряков. Галлей отнесся к предложению без энтузиазма: мало ли людей, считавших, что они достойны получить 20 тыс., приходило к нему? Он посоветовал молодому человеку встретиться с Джорджем Грэхемом, лучшим лондонским часовщиком, и изложить ему свою идею. Знаменитый Грэхем оказался более проницателен, нежели его ученый друг. В Гаррисоне он сумел разглядеть талант незаурядного механика и ссудил его деньгами. Грэхем порекомендовал не тратить времени на визиты в Комиссию: она поверит, только увидев «живые» часы. Гаррисон вернулся в Йоркшир и шесть лет трудился над своим первым хронометром.

В 1735 г. лорды Адмиралтейства недоверчиво осматривали тридцатипятикилограммовую конструкцию: если верить словам изобретателя, его часы ходят одинаково верно и летом, и зимой. Вот этот стерженек, склепанный из латунной и стальной полосок, нейтрализует влияние температуры: он изгибается от тепла и холода, соответственно укорачивая или удлиняя рабочую часть волоска. Что ж, на берегу все может быть хорошо, как-то поведут себя часы в море?

Начинаются испытания. Правда, они не очень удачны, но Гаррисон видит: он на верном пути. Проходит год, и мастер представляет Комиссии новый вариант механизма, еще через восемь лет – третий. Капитан корабля «Центурион», на котором проходили испытания первого хронометра Гаррисона, Джордж Проктор, так характеризовал изобретателя: «Это очень трезвый, очень трудолюбивый и в высшей степени скромный человек, и я желаю ему всяческого успеха. Однако качка корабля слишком сильно противостоит ходу часов, и я прихожу к печальной мысли, что этот благородный человек пытается совершить невозможное». Да, многим казалось, что дело безнадежно, – многим, только не Гаррисону.

Четвертый вариант хронометра, законченный в 1761 г., должен был окончательно решить, добился чего-нибудь изобретатель или нет. По-видимому, все-таки добился: достаточно взглянуть на механизм – куда исчезли торчавшие во все стороны колеса и рычажки, придававшие конструкции вид диковинной ветряной мельницы. Сама законченность внешнего облика и небольшие размеры часов свидетельствовали в пользу мастера.

Туманным утром 18 ноября из Портсмутской гавани ушел к берегам Ямайки бриг «Дептфорд». Он выполнял, как теперь говорят, «особое задание»: осенняя Атлантика, богатая бурями, проверяла точность работы хронометра Гаррисона. Сопровождал драгоценный прибор сын старого Джона, Вильям. Мастеру шел уже шестьдесят восьмой год, и он не рисковал выходить в море.

Рассказывают, что в пути произошла стычка со штурманом. Моряк считал, что долгота судна – 13 градусов 50 минут, а хронометр утверждал, что 15 градусов 19 минут. Полтора градуса разницы, девяносто миль, – да что мы, морские волки, совсем уже плавать разучились? Но когда на горизонте точно в назначенный молодым Гаррисоном срок открылся остров Мадейра, моряки поверили в хронометр. Еще большее впечатление произвела проверка часов в главном городе Ямайки – Порт-Ройале. Астрономы вычислили время по положению Меркурия. За восемьдесят один день плавания хронометр отстал всего на одну с четвертью секунды.

И все последующие испытания подтверждали: да Гаррисон сделал часы, о которых мечтали моряки. Знаменитый капитан Кук, открыватель множества новых земель, взял с собой хронометр на три года в плавание. За это время часы отстали всего на 7 минут 45 секунд: они действительно были хранителем времени.

Ну, а как же премия? Когда «Дептфорд» вернулся в Англию, Гаррисон отправился в Адмиралтейство вручили пять тысяч, а остальные обещали выдать после того, как он обучит своему искусству нескольких учеников, назначенных Комиссией по определению долготы. Гаррисону было нечего скрывать: спустя три года ученики делали хронометры самостоятельно. Но крючкотворы изыскивали все новые и новые предлоги. Лишь незадолго перед смертью мастеру удалось, наконец, добиться выплаты всех денег.

Конструкция хронометра с тех пор непрерывно улучшалась. Выяснилось, например, что предложенный Гаррисоном способ температурной компенсации не очень хорош. Найдены были другие, более изящные и эффективные. А потом, уже в конце XIX – начале XX в., на портрет хронометра были положены последние штрихи: французский металловед Эдуард Гильом изобрел инвар и элинвар – сплавы, ничтожно мало реагирующие на изменение температуры.

Часовой завод в театре

Январь военного 1942 г. был суровым и снежным. Прикрывая лица от злого ветра, спешили по заметенным улицам старинного уральского города Златоуста люди на металлургический, в цеха инструментального и – к зданию драматического театра, где разместился тогда эвакуированный из Москвы Первый часовой завод. На сцене стояли станки автоматного цеха, на ярусах сидели за своими верстаками слесари-лекальщики, в партере протянулась лента сборочного конвейера. А левую сторону бельэтажа занимал экспериментальный цех. Опытнейшие часовщики, художники своего дела – А.А. Дейкин, Е.В. Куликов, В.В. Васильев – заканчивали отладку первого советского хронометра.

До войны швейцарские хронометры фирмы «Нарден» считались шедеврами. Они были принадлежностью каждого уважающего себя корабля любого флота мира. Вынуждены были покупать их и мы. Наладить собственное производство все не удавалось: слишком сложной штукой была ловля тех тысячных долей секунды, из которых складывается точность хода этих прецизионных часов. Война оборвала связи со швейцарскими фирмами, и проблема советского хронометра стала сразу внеочередной и не терпящей отлагательства.

В мирные дни на эту работу отводилось несколько лет, но война учила считать по-новому. «Хронометр должен быть создан за несколько месяцев!» – такую задачу поставили перед собой часовщики. Но А.А. Дейкин заставлял себя не торопиться. Он доводил ходовую пружину – ажурную детальку, выфрезерованную из одного куска металла. От ее качества зависит точность хронометра. Неосторожное движение – и брак. «Талия» пружины толщиной в пять сотых миллиметра должна «пополнеть» к своему концу на две сотых, а выдержать размеры нужно с допуском в пять тысячных. В такой работе, как нигде, верна поговорка «поспешай медленно»...

Изготовили пружину – начались новые заботы. Пришла пора «ладить ход» – добиваться точного взаимодействия всех деталей сложного механизма. Искали подходящую смазку, проверяли способы температурной компенсации, учились сами и учили других. Летом сорок второго года хронометр пошел в серию.

Хронометр приобщается к электричеству

Хранитель точного времени... А в чем выражается эта точность? Оказывается, смысл этого понятия не для всех один и тот же.

Нам с вами важно, чтобы часы, на которые мы посматриваем, опаздывая на работу или торопясь на поезд, ходили «в ногу» с часами города, в котором мы живем. И если на наших часах стрелки показывают 11 часов 28 минут, мы должны быть уверены, что и на городских такое же время, – и даже лучше, если на городских чуть поменьше.

А часовщиков-хронометристов мало волнует, что именно показывают стрелки. Их интересует, будет ли хронометр завтра спешить или отставать на столько же, на сколько сегодня.

Если точно известно, что за сутки часы убегают на три секунды, то даже через сто суток учесть такой «ход» не составит труда. Однако если в жаркий день отставание пять секунд, а после дождя – секунда, с такими норовистыми часами дела иметь нельзя. Хронометр хорош не тем, что его стрелки показывают верное время, а тем, что это время всегда можно вычислить, зная суточный ход.

У хронометров первого класса ход изменяется от суток к суткам максимум на 0,2 секунды. Добиться такой «вариации хода» очень нелегко. Швейцарцы, например, трудились над уменьшением ее с 0,5 до 0,2 секунды целых двадцать пять лет.

Стабильность хода хронометра подошла к пределу уже давно. Конструкция-то почтенная, наследница двух веков. Главная неприятность – опять та же самая, вскрытая Гюйгенсом: неравномерная амплитуда колебаний баланса. Несмотря на все усилия, добиться стабильности величины «импульса», подталкивающего баланс, не удавалось.

А нельзя ли подойти к проблеме по-иному? Выбросить пружины и зубчатые передачи, толкающие баланс неравномерно? До появления полупроводниковых триодов говорить об этом было смешно – транзисторы сделали такой хронометр реальностью. В нашей стране его создали в начале 60-х годов инженер В.А. Шполянский, ныне доктор технических наук, и кандидат технических наук Б.М. Чернягин. На ободе баланса укрепили миниатюрный магнит, на основании механизма – две маленькие катушки с проводом. Магнит проходит мимо катушки, в ней наводится электрический ток. От этого срабатывает транзисторный усилитель – генератор. В другую катушку попадает усиленный в сотни раз импульс тока и подталкивает возникшим магнитным полем баланс. На амплитуду колебаний теперь уже почти ничего, кроме трения, не влияет. Без всякой отладки транзисторный хронометр показал вариацию хода меньше, чем у механизмов первого класса.

Со всего института сходились любопытные посмотреть на удивительный хронометр. Самым впечатляющим была его бесшумность, часы шли без характерного тиканья. Незначительное это обстоятельство привело к забавной истории.

«Никак не могли проверить точность, – вспоминает В.А. Шполянский. – Обычно это делают по сигналам времени, которые регулярно передают радиостанции всего мира. Сравнивают на слух сигналы в наушнике и тикание хронометра, потом определяют поправку. А тут тиканья не было. Пришлось поставить особое реле, «озвучившее» молчаливый механизм».

Институту в 1963 г. присудили за этот хронометр Золотую медаль ВДНХ и диплом первой степени. К сожалению, путь новинки в практику, как слишком часто это бывает, оказался усыпанным терниями. Старые часы охотно берут, – к чему беспокойство? Как не брать, если других нет... А в самые последние годы стали говорить, что, пожалуй, вообще нет смысла готовиться к производству электрических балансовых хронометров, – во всем мире, мол, перешли на кварцевые. Будем надеяться, что им повезет больше, и на наших торговых судах вместо устаревших хронометров типа «Нарден» появятся новые, более современные.

Укрощение маятника

Когда Гаррисон придумал, как защитить от влияний температур маятник, это был только первый шаг на пути к точности астрономических часов. Серьезным противником оказалось давление воздуха. Всего на какой-то миллиметр ртутного столба изменяется оно – и часы врут на 0,015 секунды в сутки. Влияло на вариацию хода и испарение смазки.

В конце XIX в. немецкий часовщик Рифлер спрятал астрономические часы в герметический сосуд, и смазка перестала испаряться. Затем он снизил давление в сосуде примерно до 600 миллиметров ртутного столба (дальше откачивать воздух было бессмысленно: пары масла мешали сделать вакуум глубже). Все это уменьшило вариацию до 0,01...0,02 секунды – громадный скачок в верности хода.

Вслед за Рифлером взялся улучшать конструкцию высокоточных часов английский мастер Шорт. Он пошел на хитрость: оторвал маятник от механизма и заменил механическую связь между ними электрической. Но поскольку сам по себе колесный механизм без маятника показывать время не в состоянии, колебательных систем в часах Шорта оказалось две – свободно качающийся главный маятник, хранитель времени, и маятник, на долю которого оставлена была вся грубая работа: он замыкал контакты электромагнитов, приводящих в движение оба маятника, двигал стрелки по циферблату и так далее.

Теперь уже ничто не мешало главному маятнику спрятаться в вакуум, но слишком глубоко откачивать воздух не стали, ограничились 20 миллиметрами ртутного столба. Выяснилось, что, регулируя это давление, можно тонко изменять вариацию хода часов. Электромагнитный привод помог сделать очень стабильной амплитуду колебаний.

Словом, вариация суточного хода уменьшилась еще в десять раз: до 1...2 тысячных секунды. Но это был уже предел. Маятник качается ведь по дуге окружности, а не по циклоиде. Любое самое ничтожное сотрясение изменяет его энергию, а значит, и амплитуду колебаний и соответственно период. Астрономы как могли старались защитить свои часы. Их прятали в глубокие подвалы, устраивали мощные бетонные постаменты, располагали обсерватории подальше от дорог. Единственное, от чего не могли избавиться, так это от помех, которые создает сама Земля. Планета наша непрестанно дрожит, как в лихорадке: ее сотрясают и большие землетрясения, и уловимые только приборами микросейсмы. Улавливают их и часы. С этим уже ничего не поделать. По крайней мере ничего не смог поделать Шорт.

Впрочем, в начале нашего века точность в тысячную секунды вполне удовлетворяла всех. Астрономические обсерватории наперебой заказывали «Шорта», хотя стоили часы десятки тысяч фунтов стерлингов. Купил их для Пулковской обсерватории и Советский Союз. Когда же в 30-х годах в стране стали создавать все новые и новые астрономические обсерватории, Главной палате мер и весов в Ленинграде поручили сделать часы, подобные шортовским. И при этом – не разбирая, даже не останавливая механизм, чтобы посмотреть, как он устроен. Каждый экземпляр часов был на особом счету, к ним запрещалось прикасаться всем, кроме агентов «Шорта» (в случае нарушения условий фирма снимала с себя всякую ответственность).

К счастью, в те годы в Палате работал замечательный механик Иван Иванович Кванберг, один из последних представителей «старой гвардии», трудившийся там еще при Менделееве. Он отправился в Пулково, долго изучал механизм через стекло колпака, – и представьте, сумел сделать точную копию. Правда, добиться вариации хода в тысячную секунды он не смог. Были, видимо; какие-то в механизме хитрости, которые через стекло не рассмотришь. Кванберг стал экспериментировать, изучать влияние различных деталей на точность хода, но закончить опыты не успел... После смерти мастера работу над часами продолжил его сын Константин Иванович вместе с механиками Анисимовьш и Эйлером. По их чертежам на заводе «Эталон» были сделаны первые восемь советских часов типа «Шорт». Их регулировка оказалась делом сложным, потребовавшим многих лет. Лабораторные исследования прервала война. Главную палату мер и весов эвакуировали в Томск, все работы ее, не связанные с нуждами фронта и оборонной промышленности, были прекращены. Но сразу же после войны новое наступление на непокорные часы предприняли одновременно в двух местах: в московском Центральном бюро времени и в Харьковском институте мер и измерительных приборов. Завод «Эталон» в конце концов наладил производство астрономических часов, ни в чем не уступавших «Шорту».

Самое же главное, что работы в Харькове привели к тому, что в ряду замечательных часовщиков наравне с именами Гюйгенса, Гаррисона, Леруа, Рифлера, Шорта и многих других совершенствователей сверхточных механических часов утвердилось имя Феодосия Михайловича Федченко, который как бы подвел итог всем достижениям и создал маятниковые часы, точнее которых уже просто не может быть.

Как выглядит механический абсолют?

«...Часы АЧФ являются лучшими из всех существующих типов маятниковых часов. Они по крайней мере на порядок превосходят по точности лучшие в прошлом маятниковые часы Шорта. Они во многих случаях могут заменить кварцевые часы средней точности, значительно превосходят их по надежности работы и простоте эксплуатации. Многолетняя их работа в Пулкове с 1960 года прошла практически без единого нарушения по вине часов, в то время как с часами Шорта имелось их довольно много, а кварцевые часы, пожалуй, даже трудно в этом отношении сравнивать с АЧФ.

Директор Главной астрономической обсерватории, профессор В.А. Крат».

Этот отзыв я читал в лаборатории ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФ-ТРИ), где на стенах бесшумно качаются маятники АЧФ – астрономических часов Федченко – и где попрежнему работает изобретатель, подыскивая для своего маятника новые применения.

С чего все началось? Когда? Может быть, тогда, когда Ф.М. Федченко, будущий преподаватель физики, был студентом педагогического института в Кривом Роге, в далеком 1934 г.? Там учили не только теории, но И практике: каждый будущий учитель обязан был уметь делать приборы для демонстрации опытов. Ведь физических кабинетов, к каким мы привыкли в школе сейчас, не было даже во многих городах, не говоря уже о сельской местности, где предстояло работать молодым преподавателям. И Федченко, став учителем, конструировал со своими учениками из подручных материалов многое, в том числе маятники Фуко, Максвелла и другие приборы.

Или «первотолчок» был дан во время войны, когда Федченко служил в танковой части механиком по точным приборам, в том числе и танковым часам? Приходилось работать на разных станках, вытачивать и фрезеровать сложные детали. Бывший учитель оказался незаурядным механиком, которому подчинялись самые капризные приборы. Он отпраздновал в своей части разгром фашистской Германии, потом разгром милитаристской Японии, в Мукдене демобилизовался и вернулся в родные места, в Харьков.

Там он впервые узнал, кто такой Шорт.

Научно-исследовательской темой лаборатории времени, куда его направили, среди прочих была и такая – «Изыскание возможности увеличения точности хода часов со свободным маятником типа Шорта».

– Первое, с чего пришлось начать, – рассказывает Ф.М. Федченко, – это были книги. Читал все подряд, начиная с Гюйгенса. И среди разных трудов попалась одна статья, которая меня просто поразила. Написал ее немецкий астроном Хойн, и рассказывал в ней он, как исследовал подвесы маятников. Подвес, надо вам сказать, это одна из сложнейших деталей, хотя внешне она очень проста. Стальная полоска или две полоски, зажатые по концам металлическими щечками. Один конец подвеса прикрепляется тем или иным образом к корпусу часов, к другому концу подвешивается маятник. Вот и все. Маятник качается, пружина (или пружины) изгибается, – потери на трение минимальны, а это для астрономических часов только и требуется.

Так вот, была с пружинным подвесом связана одна легенда: считалось, что он способствует изохронности маятника, то есть делает период его колебаний менее зависимым от амплитуды. Мол, сопротивление пружины как бы отталкивает маятник назад, к положению равновесия, и чем больше отклонение, тем значительнее усилие. Это якобы должно улучшать изохронность. Так думали, и Хойн так думал. Однако если пружины подвеса действительно помогают изохронности, то более толстые должны оказывать и большее действие. Между тем все у него получилось наоборот: подвес с двумя тонкими пружинами у Хойна не только обеспечил полную изохронность, но даже перегнул палку, так сказать, в другую сторону: при увеличении амплитуды период уменьшался! Выходит, можно подбором пружин добиться полной изохронности маятника? Я не поверил Хойну и стал повторять его эксперименты.

Федченко проделал – без преувеличения – тысячи опытов. С сорок седьмого по пятьдесят второй год он перепробовал буквально все мыслимые типы пружин: и короткие, и длинные, и толстые, и тонкие, и с переменным сечением по длине, и строго плоские, – все впустую, все оборачивалось зря потраченным временем. Хотя нет, не зря. Без этого сонма опытов не было бы уверенности, не отточилось бы мастерство, не изощрилась бы способность быстро оценивать возможный результат очередного нововведения.

И он наступил, – день, когда труд оказался вознагражденным.

Один из подвесов вдруг действительно оказался необычным; маятник с ним получился, как у Хойна, перекомпенсированным! Что случилось? Федченко вынул подвес и машинально отверткой попробовал винты, которыми стягивались щечки: винты подались. И тут же маятник превратился в обычный неизохронный, подчиняющийся всем законам. Что ж, Хойн действительно заблуждался. Дело, выходит, только в щечках, крепко ли они стянуты. А что значит – «стянуты»? Это значит, что пружина изгибается не у корня своего, а немного выше или ниже.

Сразу же у Федченко родилась идея: сделать подвес не из одной пружины, не из двух, а из трех – двух коротких и между ними поставить длинную. Тогда в положении, близком к равновесию, длину маятника определят не длинная и не короткие пружины, а нечто среднее между ними; зато на краях качания – короткие, средняя же как бы выключится. Исчезнет элемент случайности, свойственный плохо затянутым винтам. Подвес можно будет настроить так, чтобы качание маятника происходило по циклоиде, как того требует Гюйгенс. Первая же проверка показала, что идея верна. Маятник действительно получился изохронным: при изменении амплитуды с 30 до 150 угловых минут его период оставался неизменным. Часы, в которых был он поставлен, обеспечили вариацию хода в 1...2 десятитысячные секунды, а обычные астрономические в тех же условиях показывали результаты в 50...100 раз худшие.

Исчезли прочные, неколебимые стены, мощные фундаменты: часы Федченко к сотрясениям мало чувствительны. Вопреки всем канонам они висят в лаборатории на втором этаже – и дают ту же точность, что и часы Шорта, спрятанные в подвале.

Все крупные обсерватории СССР снабжены сейчас часами АЧФ, но не только они. Когда вы смотрите телевизор и на экране появляется циферблат часов с прыгающей секундной стрелкой, знайте: этот механизм работает от часов Федченко, висящих в одной из комнат Общесоюзного телецентра. Это действительно точное время...

О часах АЧФ можно рассказывать и рассказывать. О том, как Ф.М. Федченко разрабатывал систему электромагнитного привода своего маятника, – сначала на обычных реле, потом на транзисторах, которые только-только появились. О том, как исследовал влияние формы груза на точность хода часов (размеры груза ведь изменяются при изменении температуры!), как нашел, что Шорт чисто интуитивно выбрал более удачные соотношения высоты и диаметра груза, чем Рифлер, и тем самым улучшил температурную компенсацию своего маятника, – и как потом Федченко рассчитал оптимальную форму: обыкновенный шар. Но, пожалуй, интереснее всего рассказать, как часы АЧФ уловили притяжение Солнца и Луны.

Наш вес зависит от того, с какой силой притягивает нас Земля. Притяжение Луны и Солнца изменяет земную силу тяжести: дважды в сутки она достигает максимума и столько же раз – минимума. Разница ничтожна, гиря в 1 килограмм меняется в весе на 0,4 миллиграмма. Часы Федченко улавливают в 40 раз меньшие изменения. Но, конечно, не потому, что способны что-то взвешивать, а потому, что из-за разной силы тяжести начинают спешить или отставать.

Нужно только сравнить ход АЧФ с ходом кварцевых или атомных часов.

Такие тонкие эффекты раньше улавливали гравиметрами, основа которых – груз, подвешенный на пружине. Она растягивается или сокращается в такт с изменениями силы тяжести – т.е. веса гири. При той чувствительности, которой достигли эти приборы, они ощущают уже не только вариации силы тяжести, но и «старение» металла пружин. Всем гравиметрам свойствен крайне серьезный недостаток: «сползание нуля». Отсчеты, сделанные сегодня и через десяток дней, могут отличаться друг от друга, хотя притяжение Земли осталось неизменным. «Могут» – в этом слове кроется неопределенность. Ученый не знает причины, вызвавшей изменение показаний, и вынужден то и дело заниматься кропотливой проверкой – калибровкой. Вести наблюдения непрерывно в течение многих недель и месяцев практически невозможно, хотя именно такие измерения наиболее ценны. А часам Федченко все эти неприятности не, грозят. С 1968 г. с их помощью исследуют вариации силы тяжести в Астрофизической обсерватории Института физики Земли АН СССР, и очень довольны результатами.

Маятниковые часы сегодня сменили профессию. Это уже не столько устройство для измерения времени (его гораздо лучше хранят атомные, квантовые генераторы), сколько точнейший гравиметрический прибор. А измерение силы тяжести – это более точная фигура Земли, более верные карты, новые месторождения полезных ископаемых, разгадка внутреннего строения нашей планеты...

Английский журнал «Хоролоджикл джорнэл» издается уже сто двадцать лет. На его страницах появлялись описания самых знаменитых часов XIX и XX вв., и конечно, часов Рифлера и Шорта. В сентябрьском номере за 1973 г. – статья «Часы Федченко». Ее автор французский физик М. Плежэр пишет: «Появление часов Федченко является очень важным событием, свидетельствующим о том, что искусство создания астрономических часов еще не окончательно изжило себя, что и здесь еще возможны новые изобретения и находки.

Поэтому инженер Федченко и его коллеги в России заслуживают благодарности от всех часовщиков мира».

Академик С.А. Христианович, крупный специалист в области механики, по поводу часов АЧФ сказал как-то: «Подвес Федченко мог быть изобретен и во времена Гюйгенса. Его создание не потребовало никаких новейших научных достижений, а только поразительно глубокой мысли».

Часовщики и кристалл

Что можно увидеть в кристалле кварца?

Минералог скажет: это твердый, тугоплавкий материал; сделанные из него предметы почти не изменяются в размерах при колебаниях температуры.

Физик добавит: ему свойствен пьезоэффект; на гранях сжатой кварцевой пластинки появляются электрические заряды и, наоборот – когда к ее граням подведен электрический ток, она сжимается.

Историк техники вспомнит: Пьер Кюри в 1880 г. превратил вырезанную из кристалла кварцевую пластинку в изящный генератор электрических зарядов. А профессор Поль Ланжевен вывел кварц из тиши лаборатории и сделал в 1916 г. средством борьбы с подводными лодками. В акустическом гидролокаторе Ланжевена кварцевые пластины были излучателями звука и приемниками эхо-сигналов, отраженных от стального корпуса лодки.

Радист назовет 1923 г., когда в журналах появились первые статьи о кварце как идеальном «якоре» для частоты передатчика. Кварц прочно удерживает радиостанцию в заданной точке на шкале частот.

Хранители же времени снимут с полки статью американского физика В.А. Мэррисона, датированную 1930 г., «Кристаллические часы». Тогда это было сенсацией: легкое дрожание кварцевой пластинки можно превратить в движение секундной стрелки часов. Точность их оставит далеко позади любые достижения часов механических.

Идея кварцевых часов очень проста. Кварцевую пластинку, брусок или диск подключают к радиолампе или полупроводниковому триоду. Пластинка играет роль маятника, лампа и транзистор – это механизмы, передающие «маятнику» энергию, нужную для поддержания колебаний. Вот и все. Радистов не смущает, что кварцевая пластинка колеблется очень быстро, с частотой в десятки и сотни тысяч герц. Они умеют делить частоту во сколько угодно раз. Получить 1 герц, а значит, и секунду – дело техники.

Вместе с тем высокочастотные колебания – это «микроскоп времени». Без особого труда можно получить тысячные, миллионные, миллиардные и еще более мелкие доли секунды. Единственное, чего нужно добиться, – это чтобы генератор частоты работал стабильно. И опять начинается погоня за точностью, попортившая столько крови часовщикам на протяжении последних четырех столетий. Защищать кварц требуется от изменений температуры и атмосферного давления, от ударов и вибраций. Сложности возрастают тем быстрее, чем к большей точности мы стремимся.

Поиски и находки

И маятник, и баланс, и кварц – качество всех этих колебательных систем выражают «добротностью»: показателем того, сколь быстро затухают колебания, будучи предоставленными сами себе, или, что то же самое, какая доля энергии рассеивается при каждом цикле колебаний. Если «улетучивается» 1/100 энергии – добротность равна 100, если 1/1000000 – миллион.

Конструкторы часов, как мы видели, в заботе о добротности стали прятать свои маятники в вакуум. Теми же соображениями руководствовались и создатели кварцевых резонаторов. Колебания кварца – это звук, хоть и неслышимый, он распространяется в воздухе, уносит впустую энергию – долой воздух! Добротность кварца, помещенного в вакуум, увеличилась, но совсем не так значительно, как должно было быть. Почему?

Кристаллическая решетка кварца близка к идеальной: в кристалле практически нет дефектов. Поэтому энергия, запасенная в пластине в виде ультразвука, внутри ее рассеиваться не будет. Иное дело – поверхность. Как ни старайся, на ней останутся невидимые глазом риски – следы распиливания кристалла, шлифовки и полировки. На этих рисках и тратится впустую энергия, они виноваты в недостаточно высокой добротности кварца.

Сотрудник ВНИИФТРИ А.Г. Смагин разработал в начале 50-х годов новый метод полировки – «асимптотическую доводку» все более тонкими абразивными порошками. Пластинки стали получаться более чем зеркальными, с микронеровностями меньше сотой доли длины световой волны. Соответственно возросла и добротность: десять, двадцать, тридцать миллионов единиц. А когда кварц охладили до температуры жидкого гелия, добротность стала совершенно фантастической – 86 млн. Методом Смагина снимают слои вещества толщиной в 0,0000001 миллиметра и соответственно точно подгоняют массу кварцевого бруска, от которой зависит точность генерируемой частоты.

Но одной подгонки мало. Кварц требуется поместить не просто в тепличные, а в супертепличные условия, чтобы добиться от генератора нужной стабильности.

Для защиты от изменений температуры уже давно кварцевые часы стали прятать в глубокие подвалы, в глухие, без окон комнаты. В каждой комнате – еще одна, тоже наглухо запертая, со своими стенами и потолком. Каждая покоится на отдельном фундаменте, а внутри на тяжелых бетонных постаментах – уже сами генераторы. Какая бы погода ни была на улице, здесь всегда около +20°C. Но главное даже не в комнатах: генератор заключен в термостат, а внутри в еще одном, маленьком термостате спрятан брусок кварца. Вся эта гигантская «матрешка» сделана с единственной целью – добиться, чтобы температура «гуляла» не более чем на 0,001°C в сутки.

Иногда миниатюрный кварцевый генератор опускают в пробуренную скважину на глубину 40...50 метров. Годовые и суточные изменения температуры доходят туда, ослабленные в десятки и сотни миллионов раз: они не превышают десятитысячной градуса.

От часов к эталону

Но все это метрологи узнали и приняли на вооружение лишь во второй половине нашего века. А в 1930 – 1932 гг., когда в Ленинградской Центральной радиолаборатории (ЦРЛ) разрабатывались первые в стране кварцевые часы, буквально до самых простых вещей приходилось добираться ощупью. Руководил работами инженер Павел Павлович Куровский, физик по специальности (он окончил Ленинградский университет), один из ведущих специалистов ЦРЛ по кварцевым резонаторам. Он был талантливым инженером, серьезным теоретиком, великолепным организатором. Дело, за которое брался, всегда продумывал исключительно глубоко, умел найти единомышленников и активных помощников в любом начинании. Достаточно будет сказать, что кварцевая лаборатория, как и отдел селеновых выпрямителей, которыми он руководил, превратились потом в научно-исследовательские институты.

В разработке кварцевых часов участвовали Е.С. Мушкин, А.А. Расплетин (впоследствии крупный специалист по радиолокации), В.П. Уфтюжанинов, С.С. Кошко. Стабильность частоты генератора соответствовала рекомендациям Международного консультативного комитета по радио. Но к тому времени, когда работа была закончена, Копенгагенская конференция рекомендовала повысить точность стандарта в десять раз. Созданный в 1935...1938 гг. второй генератор – «Эталон ПЭЧ-1» – не только отвечал этим требованиям, но и десятикратно превышал их. Пожалуй, лишь радисты способны в полной мере оценить масштаб трудностей, которые вставали тогда перед конструкторами (Е.С. Закс, В.М. Кэо, С.С. Кошко, В.П. Уфтюжанинов, А.А. Фрегатов и другие).

Когда началась Отечественная война, Куровский получил чрезвычайно важное задание – наладить серийный выпуск радиолокаторов РУС-2 «Редут». Работать пришлось в тяжелейших условиях блокированного фашистами города, при нехватке кадров и недостатке оборудования – основную часть его вывезли еще до блокады.

Что значили эти станции для осажденного города, нет нужды доказывать. Только 4 апреля 1942 г., когда фашистская авиация совершила самый крупный с начала войны налет на Ленинград, было сбито 25 и подбито 10 самолетов врага – более трети участвовавших в атаке. Противовоздушная оборона, предупрежденная радиолокаторами, сорвала замысел гитлеровцев уничтожить с воздуха корабли Балтийского флота и заводы Ленинграда.

Вдова П.П. Куровского, Екатерина Николаевна Тычинина, показала мне экземпляр многотиражки, выходившей в Ленинграде в то памятное время. Видел четыре портрета: монтажника Коршунова, начальника участка Браславского, инженера Романова и руководителя отдела Куровского – все они участвовали в выпуске «Редута». Но, конечно, даже намека на это в газете я не нашел. Локаторы, о которых нынче можно прочесть во множестве справочников, тогда были секретными. Эвакуированный позднее из Ленинграда, Куровский активно включился в работу по усовершенствованию локаторов.

Он умер, когда ему было всего 44 года. Сказалась блокада, работа «на износ» в военные годы, гибель – и не только на фронте – многих друзей. Сердце не выдержало непосильной нагрузки...

После войны создание эталона частоты поручили Всесоюзному научно-исследовательскому институту метрологии им. Д.И. Менделеева. К 1949 г. государственный эталон частоты, состоящий из трех кварцевых генераторов, был аттестован – стал официально признанным прибором. Число «три» гарантировало, что даже если один из генераторов внезапно выйдет из строя, два других будут по-прежнему работать. Итак, рядом с астрономическим временем появилось кварцевое? Нет. Надежность электроники оказалась еще слишком низкой, чтобы время могло опереться на кварц. Радиолампы и другие детали не отличались долговечностью, а от эталона времени требуется безотказная работа в течение многих десятилетий, а лучше сказать – вечно.

К тому же, хотя кварц и обеспечил большую, чем у астрономических часов, стабильность частоты, он не мог похвастаться ее точностью. Неискушенному человеку может показаться несущественным это различие, однако оно имеет принципиальное значение.

Стабильность зависит от того, насколько мы сумели защитить колебательную систему – кварц или маятник – от всякого рода мешающих влияний. В случае кварцевого генератора этого добиться легче, чем когда имеешь дело с маятником.

А вот точность... Маятниковые часы опираются в качестве эталона на вращение Земли. На что опереться кварцу? Сам по себе он может генерировать любую частоту, какую только мы захотим, но задача метрологов – добиться не «любой» частоты, а вполне определенной, чтобы в конце концов получить именно один герц, одну секунду.

Может быть, настроить кварц по вращению Земли? Когда это сделали, вдруг выяснилось, что она в качестве эталона для кварца не годится. Стабильность генератора была выше, чем стабильность вращения планеты. Буквально за несколько месяцев кварцевая и «земная» секунды разошлись.

В довершение всех бед стало ясно, что кварц принципиально не в состоянии долго, т.е. годами, хранить заданную частоту. С течением времени изменяются размеры пластинки (кристаллическая решетка, слегка нарушенная при обработке, возвращается в исходное состояние), падает упругость, иной становится эластичность нитей, на которых кварц подвешен в своей стеклянной колбе, даже вакуум не остается постоянным. Все эти неизвестно как меняющиеся факторы влияют на частоту – одни больше, другие меньше, но влияют непременно.

Кварц оказался недостойным звания эталона времени. Какой же это эталон, если он сам не знает, какую частоту генерирует, если его то и дело нужно проверять?

Так они и сосуществовали: Земля как эталон времени, кварцевый генератор как эталон частоты. Для длинных астрономических наблюдений – Земля, для кратковременных радиотехнических измерений кварц. Каждому эталону свое поле забот.

Время, продиктованное молекулами и атомами

В 1954 г. Н.Г. Басов и А.М. Прохоров в Физическом институте АН СССР и Ч. Таунс, Дж. Гордон и Х. Цейгер в Колумбийском университете Нью-Йорка одновременно и независимо друг от друга создали генераторы высокочастотных колебаний, в которых роль «кварцевых пластинок» сыграли молекулы аммиака. Выдающееся достижение обеих групп было отмечено Нобелевской премией.

А в октябре 1967 г. XIII Международная конференция по мерам и весам постановила: «Секунда – это 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133». Этими словами официально началась новая эра в метрологии.

Чтобы оценить величие случившегося, нам придется отойти в самое начало XX в., когда сорокадвухлетний берлинский академик Макс Планк предположил, что электромагнитные волны излучаются и поглощаются не сплошным потоком, а порциями, квантами.

Такое допущение было нужно ему, чтобы связать воедино два противоречащих друг другу закона: Рэлея – Джинса и Вина. Первый утверждал, что мощность излучения тем выше, чем короче электромагнитная волна, а второй столь же безапелляционно ему противоречил и заявлял, что с уменьшением длины волны мощность уменьшается. (Ученые тогда еще не знали, что законы эти ограничены и описывают каждый свою область излучения.) С квантами же оба закона объединялись в один, очень точно описывающий явление.

Но действительно ли существуют кванты? Планк сам был не очень в этом уверен. Ему казалось, что в таком допущении есть нечто искусственное. Так же отнеслись к идее квантов многие коллеги Планка. Многие, но не все.

Одним из тех, кто в полной мере оценил могущество гипотезы «порций излучения», был Эйнштейн. И не только оценил, но и развил, доказав в 1905 г. физическую реальность квантов. Они помогли творцу теории относительности объяснить, почему одни световые лучи выбивают из металла электроны, а другие – нет. За эту работу, в которой не было ничего недоступного для понимания современного десятиклассника, он получил в 1921 г. Нобелевскую премию.

Поглощая и испуская кванты, атомы и молекулы приобретают или излучают энергию. Поглотив ее, атом (будем говорить в дальнейшем только о нем) может, например, потерять электрон – ионизироваться. Если же энергия кванта не очень велика, электрон лишь слегка сместится на другую орбиту. Атом перейдет в «возбужденное» состояние: Через некоторое время электрон вернется на свое место, а атом избавится от «съеденного» кванта, выбросит его наружу в виде электромагнитной волны, частота которой зависит от энергии кванта. В случае молекулы дело обстоит несколько сложнее, но это уже тонкости.

Как скоро возбужденный атом превратится снова в обыкновенный? Этого никто не может сказать. Может быть, через тысячную секунды, может быть, через секунду. Но ученый знает, что для каждой энергии и каждого атома есть своя вполне определенная вероятность того, сколько времени он просуществует в возбужденном состоянии.

Поглощаются (и, стало быть, испускаются) вовсе не любые кванты, а лишь те, которые «разрешает» внутреннее строение атома или молекулы. Скажем, молекулы аммиака способны излучать, среди прочих, кванты с частотой 23 870 мегагерц, атомы водорода – 1420 мегагерц.

Создатели первого квантового генератора сумели извлечь спрятанный радиосигнал из молекул аммиака.

Для этого пришлось научиться сортировать молекулы. Они ведь с равным успехом могут находиться и в возбужденном состоянии – условно назовем его «красным» – ив обычном – «синем», так что в колбе с газом тех и других будет почти поровну (строго говоря, «синих» больше). Из этой мешанины кванта не извлечешь. Как только «красная» молекула от него освободится, его немедленно поглотит, словно мелкую рыбешку, «синяя» хищница и превратится в «красную». Молекулы перебрасываются квантами, оставляя нас, как говорится, при своем интересе. Какой барьер поставить на пути хищников?

Этим барьером стало электрическое поле. Его можно сформировать таким, что оно отбросит в сторону «синие» молекулы, а «красные», наоборот, соберет в тонкий пучок. Из сортирующего устройства вылетят уже только те молекулы, которые нам нужны.

Что ж, готов генератор? Пока еще нет. Пучок молекул будет испускать кванты, но уловить их мы не сможем. Энергия их как бы размазана по длине пучка. Еще более важно, что далеко не все молекулы совершают нужное нам превращение. Оно, как вы помните, лишь вероятно, но вовсе не обязательно. Очень многие переходы из «красного» в «синее» состояние совершатся вообще за пределами генератора. Силы, брошенные на сортировку, затрачены впустую. Вот собрать бы все «красные» молекулы в ловушку да заставить отдать по кванту, – тогда энергию их наш приемник уловил бы. Но как заставить?

Физики вспомнили об одной работе Эйнштейна, относящейся к 1917 г. Она разрешала атомам излучать кванты не только самопроизвольно, но и вынужденно.

Иными словами, достаточно по возбужденному атому ударить квантом с точно такой же энергией, которую атом намеревается выбросить, – и произойдет переход из «красного» состояния в «синее». Самое же приятное, что ударяющий квант не погибает. После его первого столкновения с атомом исследователь получает два кванта, после их нового соударения с другими атомами – четыре, потом восемь, шестнадцать и т.д... Помните историю с индийским царем, который принял условие, заплатить изобретателю шахмат за каждую клетку доски вдвое больше зерен, чем за предыдущую? Здесь те же «правила игры». Начав с одного-единственного кванта, установка выбрасывает мощный поток электромагнитных волн. Так, например, действует лазер, работающий в импульсном режиме: он то копит в себе «красные» молекулы (как – нас сейчас не интересует), то мгновенно переводит их все в «синее» состояние.

Чтобы зазвучал непрерывный сигнал, нужно все время получать откуда-то «красные» молекулы – хотя бы с помощью нашего сортировочного электрического поля. Да найти ловушку для квантов, чтобы ни один не потерялся.

Такие ловушки для радиоволн – объемные резонаторы давно известны радистам. Внешне это металлическая коробочка с одним или несколькими небольшими отверстиями. Радиоволны накапливаются там, словно вода, капля за каплей падающая в стакан. К сожалению, энергия радиоволн слегка греет стенки резонатора, поэтому ее приходится непрерывно пополнять: наш «стакан» для электромагнитной энергии слегка дырявый.

Чтобы «заткнуть дырки» (уменьшить потери), ловушку для радиоволн внутри серебрят, ведь серебро – самый лучший проводник электрического тока.

Резонатор и поставили на пути молекул аммиака создатели квантового, генератора. «Красные» молекулы ворвались в него, чтобы немедленно «красными» же вылететь наружу. Не тут-то было! Пока они находились внутри, одна из молекул испустила квант. Он отразился от стенки резонатора и ударил в другую молекулу, заставил ее отдать порцию энергии – лавинообразный процесс начался.

Он бы так и развивался до бесконечности, если бы не два препятствия. Во-первых, часть квантов теряется, поглощенная стенками резонатора. Во-вторых, чем больше квантов, тем больше «синих» молекул, способных ловить кванты, дабы приобрести «красную» окраску. Так что из молекул, находящихся в пучке, не больше половины поработает на пользу генератора. Пучок же приходится делать реденьким, чтобы исключить столкновения молекул между собой и их «посинение» без выброса кванта. Вот почему мощность, которую развивает наш квантовый генератор даже с очень хорошим резонатором, ничтожна.

Наконец-то часы!

«Молекулярный генератор может быть использован в качестве абсолютного эталона частоты (времени) высокой точности» – подвели итог своей работы Басов и Прохоров в статье «Молекулярный генератор и усилитель», напечатанной в ноябре 1955 г.

Действительно, внутриатомные и внутримолекулярные процессы хорошо поддаются расчету (не все, конечно, но во всяком случае те, которые нас интересуют), кванты выбрасываются в строгом соответствии с теорией. А главное, процессы эти очень стабильны, так что «порции энергии» получаются чрезвычайно похожими друг на друга. В случае аммиака разница измеряется несколькими стомиллионными или даже миллиардной долей процента. Вот она, эталонная частота!

Правда, частоту квантов молекул аммиака (да, как правило, и других веществ) невозможно поделить так, чтобы в конце концов обрести любезную нашему сердцу секунду – частоту 1 герц. Только для простоты говорится, что частота кванта равна 23 870 мегагерцам, а на самом деле число это не круглое. Пришлось пойти на хитрость.

Как вы помните, кварцевый генератор оказался не способным выполнять роль эталона, потому что его частота непрерывно «плывет» неведомо куда. С другой стороны, хорошо известна частота квантов аммиака. Что если сравнить эти частоты? Ведь тогда полностью удастся исключить неопределенность кварца.

Однако просто взять и вычесть частоты нельзя. Разница будет столь велика, что измерить ее с нужной точностью не удастся. Приходится частоту кварца сначала умножать в несколько сотен или тысяч раз (это не так уж трудно, как может показаться), а только потом вычитать. Разница – это как бы отклонение стрелки весов. Если она колеблется, частота кварца не стабильна. Но радисты умеют с очень большой скоростью подстраивать частоту генератора. Автоматическая система чутко следит, чтобы «стрелка весов» стояла как вкопанная. Вот теперь можно смело утверждать: частота 1 герц, выработанная из частоты кварца, идеально привязана к частоте квантового генератора. Способ длинный, что делать, зато надежный.

Квантовые часы на аммиаке сразу же снизили вариацию хода до 0,000001 секунды в сутки, так что опытному глазу стали видны неравномерности во вращении Земли. В Пулковской обсерватории в конце 50-х – начале 60-х годов аммиачный генератор использовался как эталон времени. Но... более детальные исследования показали, что и он не идеален, что и у него есть свои погрешности. С немалыми хитростями удалось снизить их еще в несколько раз, и стало ясно: дальнейшие успехи нужно искать на иных путях.

Одна из причин, поставившая предел повышению точности, – «соотношение неопределенностей», фундаментальное понятие физики элементарных частиц. Его ввел немецкий исследователь В. Гейзенберг в 1927 г. Оно отражает «странные» свойства микромира. Оказывается, энергию любой частицы, в том числе и кванта (а стало быть, и частоту), можно измерить только с некоторой наперед заданной точностью. Ошибка неизбежна, и зависит она от длительности наблюдения, т.е. времени взаимодействия частицы с измерительным прибором. Погрешность обратится в нуль, когда время это станет равно бесконечности. Грубо говоря, если наблюдение длится 1/10 секунды – ошибка составит 10 герц. Дальше следует простая арифметическая задача: длина резонатора несколько сантиметров, скорость молекул – несколько километров в секунду. Ответ: абсолютная ошибка измерения частоты – порядка 3000 Гц. Аммиак стал препятствием для дальнейшего роста точности.

Начались поиски новых методов, иных веществ. Они увенчались замечательным успехом: был создан квантовый генератор на атомах водорода.

Время загоняют в колбу

Надо сказать, что водород и раньше пытались использовать в качестве основы атомных часов, но неудачно. В отличие от аммиака атомы водорода слишком долго остаются в «красном» состоянии. Время, в течение которого происходит самопроизвольный выброс кванта, гигантское: 0,25...0,3 секунды. Через резонатор практически все атомы пролетят, не отдав энергии, так что ни о каком генераторе не может быть и речи. Вернее, не могло быть до тех пор, пока сотрудники Гарвардского университета (США) Н. Рэмси, Г. Гольдберг и Д. Клепппер в 1960 г. не изобрели чрезвычайно остроумный способ продлить время пребывания атомов в резонаторе.

Они взяли стеклянную колбу и покрыли ее изнутри топким слоем фторопласта. При ударе об эту пластмассу атомы водорода практически не теряют энергии. Задерживаясь в колбе примерно 2 секунды, они успевают «посинеть». В колбе собирается так много атомов, что энергии, которую они выделяют, хватает и на преодоление потерь в металлических стенках резонатора, и на то, чтобы вызвать у «красных» атомов излучение.

Очень большое время взаимодействия атомов с резонатором, – залог точности измерения частоты квантов. Неопределенность уменьшилась до 0,5...0,3 Гц, а в целом (так как центр полосы неопределенности находят с точностью около 1 процента) частоту водородного генератора удалось определить с фантастически малой ошибкой. По данным 1969 г. она равна 1 420 405 751,7860±0,0046 герца, а относительная ошибка 3·10^–12. Стомиллиардная доля процента! А в 1974 г. сотрудники ВНИИФТРИ рассказывали мне, что водородные часы государственного эталона времени и частоты СССР ошибаются в десять раз меньше. Возможно, и эту ошибку удастся сократить десятикратно, т.е. до 3·10^–14.

Почему секунда выбрала себе цезий

Но с водородным генератором повторилась история кварцевого. И его не признали годным на роль эталона.

Тот самый фторопласт, который поначалу помог решить проблему, оказался камнем преткновения. Выяснилось, что мириады атакующих атомов постепенно изменяют его свойства, и из-за этого «ползет» частота квантов. Хотя на водородный генератор возлагали большие надежды, а некоторые исследователи и сейчас верят в его будущие успехи, Международная конференция по мерам и весам выбрала, как вы помните, в качестве эталона кванты, излучаемые и поглощаемые атомами цезия.

Цезиевый стандарт был разработан в Англии еще в 1953...1955 гг., но ему долгое время не везло. Аммиачный, а потом водородный генераторы считались более сильными конкурентами. И все-таки пришлось вернуться к исходной точке.

Этот квантовый прибор хорош тем, что в нем нет элементов, которые могли бы вносить ошибки, не поддающиеся учету. Единственное требование – скрупулезно воспроизвести условия, при которых работает цезиевая атомно-лучевая трубка. И точность определения частоты будет такой же, как в случае водородного генератора, а сам эталон – меньше, легче и дешевле.

Цезиевая трубка не порождает радиоволн, а поглощает их. Поэтому она нуждается во внешнем генераторе – обычно он кварцевый, а частота его умножена в соответствующее число раз, чтобы получить 9 192 631 770,0 герца. Затем эта частота, поглощаемая «синими» атомами паров цезия, вводится в резонатор, сквозь который они пролетают, и атомы из «синих» становятся «красными». Естественно, не все, а только некоторые в соответствии с вероятностью превращения. Сортирующее магнитное поле отбрасывает их на приемную головку. Чем больше в нее ударяется атомов, тем больше ток на выходе всей системы. А от чего зависит количество атомов? Ясно: от того, насколько хорошо частота кварцевого генератора «привязана» к частоте поглощения. Система автоматической подстройки частоты заработала...

Тем же путем можно проверить, какова частота любого другого генератора, в том числе и водородного. Техника этого дела Ничего принципиально нового не содержит.

В последнее время пары и других металлов, а не только цезия, претендуют на роль «рабочего тела» атомно-лучевого стандарта. Таллий оказался раз в пятьдесят менее чувствительным к помехам от магнитных полей, которых рядом с любой электронной аппаратурой всегда более чем достаточно, – их порождают силовые кабели, трансформаторы питания, электромоторы. Рубидий, утверждает теория, позволит еще более поднять точность измерения частоты.

Идея атомно-лучевой трубки оказалась очень плодотворной. За создание квантового стандарта на цезии и другие работы Академия наук СССР наградила изобретателя Л. Эссена Золотой медалью имени А.С. Попова – высшим отличием академии за труды в области радиотехники.

Ах, эта неравномерная Земля!

Сегодня в распоряжении ученых стабильное атомное время. Но астрономы по-прежнему упрямо смотрят на звезды... Зачем?

Иммануил Кант, который был не только философ, но и астроном-теоретик (гипотеза Канта – Лапласа!), утверждал, что считать Землю идеальным волчком – значит делать ей незаслуженный комплимент. В работе 1754 г. «Исследование вопроса, претерпела ли Земля некоторые изменения в своем вращении вокруг оси, которым обусловливается смена дня и ночи» ученый писал, что морские приливы должны играть роль тормоза и удлинять сутки на 0,0016 секунды в столетие.

Этот труд Канта был ответом на мнение английского астронома Эдмунда Галлея, который считал, что Земля вращается равномерно, а Луна из года в год ускоряет свое движение. Мнение Галлея, высказанное им в 1693 г., основывалось на том, что даты солнечных затмений в древних хрониках расходятся с датами, вычисленными по формулам астрономии.

Завязался спор, шедший с переменным успехом вплоть до первого десятилетия XX в. Земля или Луна? Безоговорочно принять ту или иную точку зрения у науки не было оснований. Речь ведь шла о десятитысячных секунды за столетие, а часы тогдашних астрономов улавливали в лучшем случае десятую секунды в сутки.

В 1906 г., когда в обсерваториях появились часы Рифлера, наблюдения показали, что Солнце тоже «ускоряется» в своем фиктивном движении вокруг Земли (для расчетов иногда выгодно считать Землю «центром мира»). Еще некоторое время спустя «ускоряться» стали Меркурий и Венера (это уже была заслуга часов Шорта и кварцевых). Тут уж всем стало ясно: виновата Земля! Слишком одинаковы все эти ускорения, разумнее было считать, что наша планета просто вращается медленнее и медленнее.

Странно только, что замедление оказалось очень большим, почти в два с половиной раза превышающим то, которое следовало из работы Канта: порядка 0,003 секунды за 75 лет. Три тысячных секунды для Земли – это такая энергия, что даже четвертой части ее хватило бы, чтобы стереть до основания всю Памиро-Гималайскую горную систему. Откуда такая энергия берется? Ответа на вопрос пока нет...

Наблюдения, из которых вытекало, что Земля по части вращения норовиста, велись буквально на грани чувствительности тогдашних приборов времени, даже кварцевых. И когда в 1955 г. в распоряжении науки оказались первые квантовые стандарты частоты, астрономы не упустили благоприятной возможности организовать «Службу вращения Земли». Точность измерений резко возросла, удалось подметить некоторые закономерности в поведении «шарика».

Скажем, весенние и осенние сутки: они отличаются примерно на две тысячных секунды. Зимой по-иному распределяются воздушные массы над планетой: почти над всей Азией образуется устойчивая область высокого давления, собираются миллионы и миллионы тонн воздуха. На обширных пространствах выпадает снег. Эффект накапливается, момент инерции волчка-Земли постепенно изменяется, иной становится скорость его вращения. Потом весна, снег стаял – опять сезонное изменение скорости. Летом леса покрылись листвою – небольшой скачок скорости отмечает и это событие.

Год на год не приходится, метеообстановка разная – все это хорошо прослеживается на графиках скорости вращения Земли, которые вот уже больше двадцати лет ведут сотрудники отдела ВНИИФТРИ.

– А нет ли связи между скоростью вращения Земли и активностью Солнца? – спросил я Давида Юльевича Белоцерковского, руководителя отдела.

– Да, довольно явственно намечается 11-летний цикл, – ответил он, – но чтобы окончательно удостовериться, надо еще долго наблюдать. Однако даже если все абсолютно точно подтвердится, нам легче от этого не станет. Возникнет новый вопрос: каков механизм передачи влияний? Хорошей гипотезы до сих пор нет. Покойный директор Парижской обсерватории Данжон – тот прямо так и говорил: во всех неравномерностях вращения Земли виновато Солнце. У нас новосибирский ученый Д.Ю. Калинин выдвинул аналогичную гипотезу. Но как дело доходит до формул, расчетные эффекты оказываются в сто, тысячу, десять тысяч раз меньше наблюдаемых. Может быть, все-таки Земля сама по себе, Солнце само по себе, а потом накапливающиеся незначительные эффекты собираются, и Солнце как бы играет роль руки, нажимающей на спусковой крючок? Мы в лаборатории пробовали посчитать, так вот, нам кажется, что изменения скорости идут ступеньками, маленькими скачками, а вовсе не плавно. Но так ли это на самом деле? Чтобы изменилась скорость вращения, должен стать другим момент инерции, должно непременно произойти перераспределение масс. Помню, в одной из книг читал я, что академик Вернадский в беседе с академиком Шмидтом как-то сказал, обсуждая его, Шмидта, гипотезу происхождения Земли, что возможно периодическое перемещение радиоактивных слоев в недрах планеты. К этим словам стоит прислушаться: уран, торий и другие элементы его ряда – самые тяжелые из известных нам веществ... Даже не очень большие количества их (не очень большие в земном масштабе, конечно) если передвинутся, это может очень сильно изменить момент инерции земного шара.

А вот бывший директор Международного бюро времени Николай Стойко и его жена Анна Стойко убеждены, что на вращение влияют землетрясения. И наш пулковский астроном профессор Н.Н. Павлов так считает. Он уверен, что когда мы будем лучше знать, как вращается Земля, то сможем (с учетом других данных, разумеется) предсказывать землетрясения.

Наконец, гипотеза движения материков уже почти бесспорна: так вот, разве их движение не обязано влиять на момент инерции Земли и скорость ее вращения? Безусловно.

А метеорологи говорят: дайте возможность прогнозировать изменения скорости вращения Земли, и мы будем точнее предсказывать погоду, потому что эти изменения непременно отражаются на перемещениях воздушных масс. Мы-то, астрономы, считаем, правда, что первична все-таки не Земля как таковая, а сама погода: давление ветра на горные хребты, трение воздуха о поверхность планеты... Но поди ж тут, докажи, что первичное и что вторичное. Ясно только: вращение Земли – ключ ко многим явлениям...

Вплоть до 1963 г. замедление скорости вращения было довольно равномерным, и вдруг в течение нескольких дней (!) скорость упала, как за предыдущие два года, – ни с какими цунами или землетрясениями связать это событие пока не удалось. Советский исследователь А.Г. Флеер обнаружил такой феномен: таинственным образом скорость вращения Земли влияет на скорость распространения радиоволн в атмосфере...

Специалисты, изучающие вращение Земли, сейчас находятся в положении детективов, идущих по следам неведомого преступника. Между скачком скорости вращения и моментом, когда об этом узнают ученые, проходит в лучшем случае несколько недель. Порой наблюдениям звезд мешают облака, порой запаздывают данные зарубежных обсерваторий, да и на расчеты нужен не один день.

Работники службы времени мечтают о приборах, которые измеряли бы скорость вращения Земли не по звездам, а «сами по себе». Способ почти есть. «Почти» – потому что пока его точность раз в сто ниже требуемой. Раньше чем лет через десять трудно ожидать радикальных изменений. Но принцип измерителя хорошо известен: это лазерный гироскоп. Два луча, испущенные одним лазером, отражаясь от зеркал, бегут по кругу навстречу друг дружке. Пока сооружение неподвижно, длины волн обоих лучей одинаковы, но если его начать вращать, положение резко изменится. Волна, бегущая против вращения, как бы сожмется, другая, своим движением «согласная» с вращением, как бы растянется. Возникшую картину можно наблюдать, измерять, автоматически записывать и вводить в ЭВМ. Когда лазерный гироскоп ощутит неправильность вращения Земли, ученые получат в свое распоряжение фотографию «рабочего дня» планеты. И тогда... Вся история науки свидетельствует, что как только в распоряжении исследователей оказываются новые приборы, рождаются новые открытия.

Антенна размером с земной шар

Когда в 1931 г. молодой сотрудник американской телефонной компании «Белл телефон» Карл Янский сооружал свою колоссальную по тем временам вращающуюся антенну из металлических труб, досок и четырех автомобильных колес, ни он, ни его начальство, конечно, не думали, что антенна открывает эру радиоастрономии. Просто нужно было найти источник помех, забивающих слабые сигналы в одном очень чувствительном радиоприемнике. Янский думал, что это какая-то радиостанция.

Адрес «станции» оказался довольно необычным: «Космос, Млечный Путь, созвездие Стрельца». Поскольку исследователь не мог выключить этот странный передатчик, он стал придумывать способ нейтрализации его влияния. Более глубоко изучить радиосигналы с небес не позволил шеф, считавший, что тратить деньги на столь бессмысленное занятие – значит поистине выбрасывать их в пустоту.

Неизвестно, на сколько бы лет задержалось развитие радиоастрономии, не прочти маленькую статью Янского радиолюбитель Грот Ребер. Он соорудил антенну в виде круглого десятиметрового зеркала, составил радиокарту Млечного Пути и послал ее в астрофизический журнал. Карта и приложенная к ней статья показались консультантам журнала не то мистификацией, не то просто творением не совсем нормального человека: шутка ли, радиостанции на небе! Консультанты-астрономы рекомендовали воздержаться от печатания. По счастью, главный редактор оказался человеком проницательным и широких взглядов, и труд Ребера увидел свет.

Так у радиоастрономии оказалось две даты рождения: одна – когда сигналы были впервые приняты, и вторая – когда о них с десятилетним опозданием узнал ученый мир.

С тех пор антенны для приема космических радиоволн становились все грандиознее. Ведь сигналы, приходящие из глубин Вселенной, страшно слабы. Больше антенна – шире невод, захватывающий поток электромагнитного излучения. Радиотелескоп с такой антенной замечает на небе источники радиоизлучения, все ничтожнее по мощности. Такова первая причина любви астрономов к гигантским антеннам. Вторая причина в том, что у большого радиотелескопа велика разрешающая способность, он дает возможность узнавать более тонкие детали «радионебографии» космоса.

Тридцать, пятьдесят, семьдесят, сто метров – стремительно росли диаметры антенн. Но чем больше размеры, тем труднее зеркалу сохранить заданную форму, оно начинает прогибаться под собственным весом. И американские конструкторы 300-метрового радиотелескопа, построенного в Аресибо, на острове Пуэрто-Рико, не нашли иного выхода, как только взять в качестве каркаса... горную котловину! Подходящую по размерам впадину залили бетоном и разложили на нем металлическую сетку, превратили ее в отражающую радиоволны чашу...

Здесь нужно сделать очень существенное замечание. Важен не сам размер зеркала, а отношение его диаметра к длине волны, на которой ведется прием. Когда, например, оно равно 10, телескоп различит на небе два радиоисточника, только если угловое расстояние между ними более 6 градусов*, на меньшем расстоянии две радиозвезды сольются для инструмента в одну.

* Шесть градусов – это очень много. Расстояние между двумя звездами «ковша» Большой Медведицы, дающими направление на Полярную, – пять градусов.

Метод простого увеличения размеров антенн быстро исчерпал свои возможности. Ведь чтобы увеличить разрешающую способность в десять раз, нужно в сто раз поднять отношение «площадь зеркала – длина волны»: такова цена новых знаний. А что касается перехода к все более коротким волнам, то на этом пути есть препятствие иного рода.

Планета Земля поставила радиоастрономов в довольно-таки жесткие рамки. Она отвела им в спектре электромагнитного излучения участок с длинами волн от 20 метров до 8 миллиметров. Все, что длиннее, отражается от ионосферной брони планеты, все, что короче, поглощается ее атмосферой. Предел уменьшения рабочей длины волны существует, и его не перепрыгнешь. Конечно, когда радиотелескопы появятся на околоземной орбите или на Луне, удастся принимать и более короткие волны.

Вести прием на 8 миллиметрах очень непросто. Радиотелескоп обеспечит расчетную разрешающую способность лишь тогда, когда зеркало антенны по форме своей будет отличаться от идеала – правильного параболоида – менее чем на 1/10 длины волны. Прикиньте-ка, легко ли обеспечить такую точность, если диаметр отражающей поверхности, например, у Пулковского радиотелескопа – 200 метров, а крупнейшего в мире радиоастрономического телескопа АН СССР РАТАН-600 – 1200 метров.

Пулковский телескоп считался уникальным: его разрешающая способность 15 секунд дуги. С его помощью разглядели на Солнце, угловые размеры которого всего полградуса, маленькие яркие радиоисточники, связанные с солнечными пятнами. РАТАН-600 обладает еще большей разрешающей способностью. Однако даже такой замечательный инструмент не может соперничать по этому показателю с простеньким 30-сантиметровым оптическим телескопом.

Что же делать? И возникает идея: взять два радиотелескопа, разнести их зеркала на несколько сотен метров и направить на один и тот же участок неба. Такой составной инструмент – радиоинтерферометр – будет работать так, словно это один прибор, длина антенны которого равна расстоянию между зеркалами.

Несколько сотен метров... А может быть, несколько тысяч? Несколько десятков тысяч? Когда английские ученые раздвинули антенны своего радиоинтерферометра на 130 километров, они получили разрешающую способность в 0,1 секунды дуги, что втрое выше, чем у самых лучших оптических приборов.

Кстати, об оптических телескопах. С ростом их размеров разрешающая способность не возрастает так, как должно было бы следовать из расчетных формул. Хотя 5-метровый рефлектор американской обсерватории Маунт Паломар и обладает теоретическим разрешением в несколько сотых секунды, реально он обеспечивает Лишь около 0,3 секунды: мешает атмосфера, искажающая изображение. Зато на работу больших радиотелескопов она почти не влияет, и размеры их, а стало быть, и разрешающая способность вроде бы не ограниченны. Но...

Росту расстояний между антеннами помешали сами расстояния. Принятые сигналы надо передать к приемнику. На малых дальностях это делают по кабелю, на больших – по радиорелейной линии. Но всегда наступает такой момент, когда неизбежные при передаче искажения начинают мешать столь сильно, что радиотелескоп отказывается работать.

Исследователи остановились в раздумье. Чем заменить радиосвязь? Советские ученые Н.С. Карташов, Г.В. Шоломицкий и Л.М. Матвеенко в 1963 г. предложили метод, который полностью снял всякие ограничения на размеры радиотелескопов-интерферометров. Теперь можно разнести антенны на весь диаметр земного шара или поставить одну на Земле, а другую на Луне.

Суть их предложения – магнитофон и квантовые часы: пусть каждый радиотелескоп, входящий в состав интерферометра, записывает принятые сигналы и сигналы атомного эталона времени на ленту. Затем обе записи дадим прослушать электронно-вычислительной машине. Магнитные ленты сыграют роль неискажающих линий связи, ЭВМ – роль общего приемника, а сигналы атомных эталонов создадут иллюзию «естественного» приема космических «радиостанций».

Четыре года спустя эту идею проверили на своих радиотелескопах сначала американские, потом канадские астрономы. В Советском Союзе стали совместно работать радиотелескопы Симеиза и города Пущина-на-Оке. Потом расстояния приобрели межконтинентальный размах: Австралия – США, Швеция – США, Англия – Канада, СССР – США.

Эти сложнейшие исследования требовали слаженной работы многих научных учреждений. Например, когда в 1971 г. проводился советско-американский эксперимент (сигналы принимались Советским радиотелескопом в Симеизе и американскими – в Грин-Бэнк и Голдстоуне), в нем участвовали или помогали ему такие советские и иностранные организации: Главная астрономическая обсерватория (СССР, Пулково), Институт космических исследований АН СССР, Калифорнийский технологический институт (США), Корнельский университет (США), Крымская астрофизическая обсерватория (СССР), Массачусетский технологический институт (США), Национальная ассоциация по аэронавтике и исследованию космического пространства (США), Национальная радиоастрономическая обсерватория (США), Парижская обсерватория (Франция), Смитсонианская астрофизическая обсерватория (США), Физический институт им. П.Н. Лебедева АН СССР, Хайстекская обсерватория (США), Чалмерский технологический институт (Швеция).

Немудрено, что при такой сложной организации дела возникали порой и довольно напряженные ситуации. «Советские ученые несколько раз приезжали на аэродром встречать своего американского коллегу доктора Барри Кларка, который вез с собой атомные часы для синхронизации времени, – вспоминает на страницах журнала «Наука и жизнь» один из авторов идеи «безграничного» радиотелескопа кандидат физико-математических наук Л.М. Матвеенко. – Но он никак не прилетал. Через несколько дней во время встречи профессора М. Коуэна стали выяснять, где же Кларк. Профессор недоуменно пожал плечами, и вдруг через головы встречающихся показал на одинокую фигуру: это был Кларк. А на табло атомных часов уже горела красная лампочка – до их остановки (из-за разрядки внутреннего источника тока) оставались считанные минуты. Часы все же не остановились, – их успели своевременно подключить к аккумулятору первого попавшегося под руку автомобиля».

Эксперимент дал уникальные результаты: на волне 1,35 сантиметра была получена разрешающая способность в 0,00012 секунды дуги.

Квазар – он же точка опоры

Радиоинтерферометры с расстоянием между антеннами в тысячи километров («с большими базами»), как и всякий новый инструмент, не замедлили проявить себя открытиями. Причем открытиями тем более интересными, что они относились к таинственным квазарам.

Слово «квазар» – это сокращение английских слов «квази стар», «как бы звезда». Сфотографированные в 1960 и опознанные в 1963 г., они поразили радиоастрономов необычайной мощностью излучаемой энергии: она как минимум в сотню раз превышает энергию, которую выбрасывают все сто миллиардов звезд нашей Галактики. Находятся, однако, квазары так далеко, что их свет в сотни, тысячи и десятки тысяч раз слабее света самых тусклых звезд, видимых невооруженным глазом. Гигантские оптические телескопы должны сутками смотреть в то место, куда укажет радиотелескоп, чтобы на фотопластинке появилась еще заметная точечка – портрет таинственного незнакомца.

Слово «таинственный» употреблено не ради занимательности. Все, связанное с квазарами, оказывается столь противоречивым, что и по сию пору ученые не могут разработать гипотезы, хоть сколько-нибудь примиряющей «как бы звездные» несообразности. Выбрасывая колоссальные потоки энергии, квазары вовсе не светят столь ровно, как, например, Солнце: мощность их излучения изменяется, словно ее регулирует какая-то невидимая рука. Массы их примерно в миллиард раз больше солнечной, а поперечник – только в 25 тыс. раз больше. Размеры квазаров в астрономическом понимании чрезвычайно малы. Столь ничтожный размер и столь колоссальная энергия не могут по земным понятиям принадлежать одному и тому же объекту, – однако же принадлежат. Наконец, квазары еще и движутся с невероятными скоростями, доходящими до 80 процентов скорости света, т.е. 240 000 км/с (из-за этой безумной скорости ультрафиолетовые лучи, испускаемые квазаром среди прочих электромагнитных волн, превращаются для нас в обыкновенный свет и становятся видимыми).

. Что же увидели в квазарах радиоастрономы, когда повернули к ним зеркала своих интерферометров с большими базами? В полной мере проявилось могущество радиометодов, в три тысячи раз превысивших по разрешающей способности методы оптической астрономии. Фотографии квазаров – это расплывчатые светлые пятна. А радиоастрономы обнаружили, что квазар 3С273, во-первых, состоит из двух частей, отделенных друг от друга 20 секундами дуги, во-вторых, в одной из них находится маленькое ядро, в-третьих, внутри ядра – еще два ядрышка размером по 0,00025 секунды. «Как бы звезда» открывалась изумленным глазам ученых в виде некой космической матрешки, словно подтверждая слова незабвенного Козьмы Пруткова: «Нет вещи столь малой, в которую не вместилась бы еще меньшая».

Те же, кого волнуют проблемы времени, заинтересовались квазарами с позиций сугубо утилитарных. Долго звезды считались неподвижными, словно гвоздями прибитыми к небесной сфере. Лишь когда вместо глаза в телескоп заглянула фотографическая пластинка, удалось заметить, что расстояние между звездами меняется, стало быть, они движутся. Если бы Гиппарх, составивший два тысячелетия назад первый каталог звезд, смог взглянуть на небо сейчас, он с удивлением заметил бы, что Арктур – одна из самых ярких звезд нашего полушария – сместился на полградуса, т.е. на целый диаметр Луны. Правда, это самая резвая звезда, другие куда степеннее, однако при точных измерениях астрономического времени, особенно если они охватывают несколько десятилетий, приходится считаться с собственным движением светил.

Зато квазары... Квазары отстоят от нас так далеко, что даже их безумные скорости еще очень долго не изменят их положения, видимого с Земли. Координатная сеть, опирающаяся на такие «верстовые столбы», – сейчас максимально возможное приближение к «абсолютно неподвижному» пространству, столь нужному астрономам. Требуется лишь определить положение квазаров на небосводе. Добиться же необходимой точности пока не удается. Радиоинтерферометры с большими базами хорошо видят малые объекты, хорошо отличают их друг от друга, а вот местоположение узнают еще плохо... Впрочем, все это трудности не принципиального, а технического порядка. Никто не сомневается, что они будут решены, и квантовые часы, без которых тут никак не обойтись, окажут науке еще одну услугу.

Чтобы их пути не пересекались

Два самолета впервые столкнулись в воздухе над Миланским аэродромом в 1910 г., когда летательных аппаратов во всем мире было не более полусотни. Сегодня авиапарк только США насчитывает свыше 130 тыс. военных, сельскохозяйственных, частных, транспортных и пассажирских машин.

В 1895 г. в США было всего четыре автомобиля, но два из них ухитрились-таки наехать друг на друга в городе Сент-Луисе, ранив своих водителей. Сегодня по дорогам земного шара мчится четверть миллиарда машин: дорожные происшествия случаются каждые пятнадцать секунд.

Когда произошла первая авария с морским судном, никто не знает, слишком древний это транспорт. Но мы знаем иное: сегодня парк торгового флота – 57 тыс. с лишним крупных судов, и каждые три-четыре дня из-за ошибок в навигации одно из них сталкивается с другим или садится на мель.

Транспортные средства становятся все мощнее, вместительнее, растет их скорость. Каждая авария сопровождается все большими убытками и жертвами. Безопасность движения на сухопутных и воздушных путях стала проблемой века. Решить ее – это уже признают все специалисты – нельзя без радионавигационных систем, для которых нижней ступенью будет город, аэродром, порт, а верхней – вся планета. Иными словами, проблему нельзя решить без службы точного времени.

Принципы радионавигации, известны давно, еще с середины 40-х годов. Представьте три передатчика, стоящих на берегах Каспийского моря: один в Астрахани, другой в Баку, третий в Красноводске. На море как бы наложен огромный треугольник. В школе нас учат, как найти координаты точки внутри или снаружи треугольника: нужно измерить расстояния до вершин. Корабли и самолеты берут вместо линейки радиоволну. Бортовой приемник измеряет время, нужное волне, чтобы пройти к нему от передатчика. Для этого все три сигнала, излучаемых каждой станцией, связаны между собой, иначе электроника на борту не сможет их использовать. Если стабильность частоты передатчиков плоха, определить координаты удастся только весьма грубо. Так, к сожалению, и обстояло дело, пока не было квантовых стандартов. Новая же техника хранения времени и частоты – цезиевые стандарты, почти ничем не отличающиеся от государственных эталонов, – намного повысила качество работы навигационных станций. И, что самое главное, стало возможным разносить станции на огромные расстояния, объять «радиотреугольниками» не только отдельные районы, но и весь земной шар. На Землю как бы накинули сеть с разными по размеру ячейками: где-то они крупнее, где-то мельче.

Самые крупные – это радиотреугольники системы «Омега». Ее восемь станций дают возможность определять координаты судов во всем Мировом океане с ошибкой 1...2 морские мили, т.е. 1,85...3,7 километра.

Станции «Лоран» служат для навигации в Средиземном море, северном районе Атлантики, у восточного побережья США и еще в некоторых районах. Приемники этой системы проще и дешевле, чем «Омеги», да и исторически она возникла раньше. А точность ее – не хуже «омеговской», только дальность действия меньше.

Ошибки, вполне допустимые в открытом море, непозволительны для плавания вблизи берегов. Там штурман включает приемник системы «Декка», и точность возрастает до сотен метров. Наконец, в проливах и на подходах к портам ставят станции систем «Хай-Фикс», «Си-Фикс» и «Торан», по сигналам которых кораблеводитель узнает место судна с ошибкой до метра.

Почему систем так много? Потому что точность удается купить только уменьшением дальности действия. По сигналам «Омеги» решают навигационные задачи на расстояниях до 5000 километров от станции, для такой же по точности системы «Лоран-С» (она работает на плохо распространяющихся средних волнах, а не на сверхдлинных, как «Омега») дальность не более 2200 километров, «Декка» – всего 650, а «Хай-Фикс» и ее «родственницы» – порядка 400 километров. И все-таки лишь 20 процентов акватории Мирового океана охвачено высокоточными системами радионавигации...

Ну, а самолеты? На дальних трассах они держат курс с помощью бортовых навигационных систем «Омега» и «Лоран»: станции наземного слежения сообщают, если самолет отклонился от курса, есть также и автономные бортовые системы навигации – точные и надежные.

Сложности начинаются при подлете к аэродрому. Самолетов становится все больше, густота движения возрастает с каждым километром, а летчик не видит других самолетов и полагается только на сообщения с земли. Операторы наземных станций слежения работают крайне напряженно, и все-таки порой не в состоянии предотвратить роковое сближение машин. Поэтому большие надежды возлагают на особо точные системы воздушной навигации, которые сейчас разрабатываются и основа которых – опять-таки цезиевые стандарты частоты.

С 1965 г. в США находится в опытной эксплуатации система предотвращения столкновений в воздухе. Она обслуживает сразу до 2000 самолетов – количество, более чем достаточное даже с учетом будущего роста плотности авиадвижения. Если машины опасно сближаются, земля дает предупредительный сигнал и рекомендует каждому пилоту маневр, который надо совершить, чтобы избежать столкновения. Никаких словесных команд летчик не получает: все отображается на индикаторах приборной доски.

Разнообразие систем морской и воздушной навигации может привести к ошибочному заключению, что для автотранспорта остается только использовать уже готовые рецепты. Между тем это не так. Появляются трудности, о которых не думали ни моряки, ни авиаторы. Прежде всего, массовость: автомобилей в тысячи раз больше, чем самолетов и кораблей, вместе взятых. Далее, бортовые системы должны быть очень дешевыми, чтобы владельцы машин захотели их установить. Наконец, в автомобиле очень мало места, его электрооборудование маломощно, отсюда крайне жесткие требования к миниатюрности и небольшому потреблению энергии. Расстояния между машинами на дороге обычно очень малы, а это делает работу навигационной системы (скажем, предупреждения столкновений) чрезвычайно сложной: точность измерения времени должна быть не хуже, чем в авиации, так что без квантовых стандартов снова не обойтись...

Связанные одной цепью

Когда на всех были только одни часы – солнце, крестьяне трудились от зари до зари, городские ворота открывались с восходом, а запирались на закате, к молитве же собирал богобоязненных граждан где колокол, где крик муэдзина с минарета.

Начало XIII в. – это начало цехов. Они строго следили не только за качеством товара, но и за временем работы. В уставе парижского цеха слесарей конца XIV в. мы читаем: «Мастера и подмастерья обязаны кончить работу в субботу с последним ударом колокола к вечерне на приходской церкви». Булочники в понедельник начинали печь хлеб, когда на Нотр-Дам звонили к заутрене.

В 1370 г. французский король Карл V установил куранты на башне своего дворца и еще двое курантов в разных частях Парижа, распорядившись всем церквам отбивать за ними часы, чтобы «все знали время, светит солнце или нет».

Петр Великий велел стрелять в полдень из пушки: давать сигнал на обед и выдачу матросам традиционной «чарки». По выстрелу и сейчас в Ленинграде можно проверить часы, хотя, конечно, в наши дни пушечная пальба не более чем дань традиции.

В 1839 г. профессор Мюнхенского университета Карл-Август Штейнгель создал первые в истории часы, работавшие от гальванического элемента, и спустя десять лет несколько городских часов Мюнхена оказались связаны с астрономической обсерваторией телеграфным проводом. Родилась система единого времени – СЕВ, без которой сегодня невозможно представить ни своей собственной жизни, ни жизни страны.

Мы просыпаемся и набираем номер «говорящих часов», чтобы проверить свой вечно отстающий будильник, – вот первое наше приобщение к городской системе единого времени. По графику отправляются с конечных остановок автобусы, троллейбусы и трамваи – все они «привязаны» контрольными часами к той же городской СЕВ. От Калининграда до Владивостока, от Мурманска до Кушки все железные дороги страны работают в ритме единого Московского времени, так же как все аэродромы Советского Союза и все телевизионные центры. В системах единого времени нуждаются энергосистемы и шахты, нефтепромыслы и трубопроводы, системы сбора метеорологической информации и слежения за искусственными спутниками Земли – сотни и сотни объектов должны согласовывать показания множества часов с очень высокой точностью.

Но, может быть, нет смысла связывать эти часы линиями передачи сигналов? Может быть, выгоднее продето устанавливать всюду столь хорошие часы, чтобы их показания не расходились, и этим ограничиться? Математический анализ показывает, что такое предположение совершенно неверно. «Создание СЕВ является наиболее рентабельным способом повышения точности показания времени, – пишет доктор технических наук В.А. Шполянский. – Выгоднее повышать точность одних (ведущих) часов, чем точность целой группы часов, получая при этом один и тот же эффект. Экономический выигрыш при этом тем больше, чем больше объем создаваемой СЕВ».

Первая бытовая система единого времени в России состояла всего из двух часов. По предложению Д.И. Менделеева был проложен кабель от «нормальных», т.е. эталонных, часов Главной палаты мер и весов до Генерального штаба, под аркой которого и установлены были на затейливом кронштейне небывалые дотоле часы, никогда не бегущие и не отстающие. Об этом извещала надпись на циферблате: «Верное время». Надпись эту может прочитать и сегодня каждый, кто идет под аркой к Зимнему дворцу или к Невскому проспекту.

Впрочем, еще раньше принялись создавать свои системы единого времени астрономы. Знать точное время обсерватории – это знать ее координаты. Ученые воспользовались новинкой: телеграфом. Первая телеграфная линия была проложена в США в 1843 г., а два года спустя американские астрономы уже передавали друг Другу сигналы о том, что выбранная звезда проходит через меридиан обсерватории. После этого достаточно было взглянуть на часы, сделать несложный подсчет – и разница долгот была определена.

Европа к такому способу поначалу отнеслась с сомнением, а Россия вообще не была связана телеграфом со своими западными соседями. Для измерения долготы приходилось возить часы из одной обсерватории в другую. Первая экспедиция состоялась в 1843 г., когда из Пулкова в германский город Альтону (сейчас он уже полностью слился с Гамбургом) отправились на корабле 68 хронометров. Их возили туда и обратно пятнадцать раз, чтобы по возможности исключить случайные ошибки. Спустя три года эксперимент повторили, на этот раз посуху: из Петербурга в Москву на возах поехало 40 хронометров. Точность сравнения оказалась вполне удовлетворительной, но способ требовал слишком больших затрат, и к нему более не прибегали.

А во второй половине века, точнее – к 1860 г., передача сигналов времени по телеграфу стала привычным делом для ученых и в России.

Очень урожайными на всевозможные системы единого времени оказались 1900...1904 гг. Именно тогда в Петербурге заработала замечательная для тех лет СЕВ в Политехническом институте: в нее входило 60 вторичных часов, действующих от центрального механизма. В германском городе Карлсруэ провода от главных городских часов протянулись не только в общественные здания, но и в частные дома. В Гамбурге каждый мог узнать время по телефону: в трубке звучали точки и тире азбуки Морзе (записывать голос на пленку тогда еще не умели).

В том же 1904 г. на сцену выступило радио. Станция г. Бостона на восточном побережье США начала первые передачи сигналов точного времени. На первых порах ими пользовались только моряки торговых судов для проверки хронометров. Но после того как в Германии были сверены по радио часы обсерваторий на горе Брокен и в Потсдамском геодезическом институте, астрономы взяли на вооружение и это техническое средство. В 1907 г. ритмические сигналы времени зазвучали на волне германской «Радио Норддойч» и канадской радиостанции порта Галифакс, в 1910-м к ним присоединилась парижская Эйфелева башня. В 1920 г. радиостанции Москвы и Петрограда тоже включились в «хор» хранителей времени. Часы городов, отделенных друг от друга тысячами километров, стали «идти в ногу» с точностью до сотой секунды.

Отсюда было уже рукой подать до Всемирной службы времени, и ее действительно вскоре создали. В 1924 г. в нее вступила наша страна.

Радио остается главным средством связи часов между собой и в эпоху атомного времени. Но возможности метрологов в последней четверти века несравненно богаче.

Очень удобными для передачи сигналов времени оказались навигационные системы «Лоран» и в особенности «Омега», которая, как уже говорилось, работает на сверхдлинных волнах, а их распространение в отличие от длинных, средних и коротких не зависит ни от времени суток, ни от поры года.

Почти бесплатно можно передавать информацию о времени, замешивая ее в телевизионный сигнал. Помимо данных об изображении, он несет еще в себе синхронизирующие импульсы, благодаря которым электронные лучи в трубках передающей камеры и телевизора работают согласно (иначе мы ничего кроме хаотически бегающих полос на экране не увидели бы). Импульсы можно «окрасить», т.е. незначительно изменить их форму, чтобы, помимо своей основной работы, они стали связующим звеном между эталоном и часами, встроенными в телевизор, или другим эталоном.

В нашей стране уже более 20 каналов телевидения служат для передачи сигналов времени между Москвой и Свердловском, Горьким, Берлином и другими городами. Впрочем, не только по наземным телеканалам удается сравнить работу атомных часов. Советские исследователи используют для этой цели также станции системы «Орбита» и спутники «Молния».

Но метрологам порой нужно воочию убедиться, что часы не врут. И эталоны времени превращаются в путешественников: нет ничего столь нового, как хорошо забытое старое.

Летом 1974 г. один из цезиевых эталонов ВНИИФТРИ поехал на машине по маршруту Москва – Ленинград – Минск – Киев – Николаев – Харьков – Киев – Москва. Защищенные от толчков мягкой подвеской, квантовые часы ехали в индивидуальной автомашине. Ехали на рассвете, когда дороги свободны, – любая авария сорвала бы этот дорогой и очень важный опыт. Казалось бы, зачем везти эталон, если его сигналы можно передать по радио? Но радиопередачу искажают помехи, на нее оказывают немалое влияние атмосфера и ионосфера. «Личные контакты» сверхточных часов позволяют, помимо прочего, оценить эти искажения, а впоследствии, при сравнении хода эталонов по радио, вносить необходимые поправки.

Через моря и океаны атомное время доставляют на самолетах. Первый такой эксперимент провели в 1967 г. Несколько атомных эталонов из Швейцарии побывали в центрах службы времени США, Канады и стран Дальнего Востока.

Не желая подвергать чувствительные эталоны лишним перевалкам с одного транспорта на другой, метрологи передают сигналы с борта самолета по радио. Самолет как можно ниже пролетает над зданием, где хранится другой эталон, чтобы исключить влияние помех на радиопередачу. Такой способ и быстр, и точен.

Но давайте спросим метрологов: «Зачем вам так много разных систем сравнения? Не ограничиться ли одной-двумя?»

«Нет, – ответят специалисты, – одной-двух мало. У каждого способа есть свои ошибки, не свойственные другому. Сравнивая часы каждый раз по-новому, мы исключаем одни погрешности и – от этого никуда не денешься – вводим другие. А в итоге средняя ошибка резко падает. Это для нас – самое главное».

Поэтому вас, читатель, не удивит еще одна система сравнения часов: на этот раз космическая. Ее предложил Д.В. Аллен, сотрудник Отдела атомных эталонов частоты и времени США. В качестве источника информации он выбрал пульсар – удивительное небесное тело, впервые обнаруженное в 1967 г. английским радиоастрономом Гербертом Хьюишем и его сотрудницей Жаклин Белл. Эта звезда (а точнее – звезды, потому что сейчас известно уже немало пульсаров) напоминает маяк, то вспыхивающий, то угасающий. Астрономы отождествили пульсары с быстро вращающимися нейтронными звездами, которые уже давно были открыты на бумаге методами математическими. Некоторые пульсары регулярно изменяют не только свою радиояркость, но и яркость лучей обычного света. Этим обстоятельством и решил воспользоваться Аллен. Нужно направить телескопы лабораторий времени на такую звезду (например, NP0532 в Крабовидной туманности), записать световые сигналы и сигналы атомных часов на пленку, а потом сравнить их. Технические подробности метода весьма сложны, но важен принцип: атомные эталоны разных стран могут быть «привязаны» через пульсар друг к другу – ведь пленками можно обмениваться.

Итак, способов сравнения хода часов на планете существует много, но есть ли единое для всех время?

Сколько нуждающихся – столько времен

Москвич проверяет свои часы по Московскому времени, житель Лондона – по Гринвичскому, японец – по Токийскому. Это вполне естественно: в каждом городе свое время суток, если они не лежат на одном меридиане. Но поезжайте из Москвы в Киев или в Минск, и вам не придется переводить своих часов, хотя оба города расположены много западнее столицы. Зато в Воронеже, который находится почти на одном меридиане с Москвой, время на час впереди московского. В чем дело? Отвечая на этот вопрос, мы в известном смысле повторяем то, что говорилось в первой главе этой книги, только в другом повороте: дело в так называемых часовых поясах, в их границах.

XIX в. с его телеграфными линиями ввел в европейских странах единое время – обычно время столиц. По нему работал телеграф, ходили поезда железных дорог и были выставлены часы на ратушах. В России с ее огромной территорией Петербургское время – время Пулковской обсерватории – было узаконено только для телеграфа и железнодорожного транспорта, а города продолжали жить каждый по времени своего меридиана. А в Канаде и США каждый штат считал себя суверенной территорией и ревниво относился к любым попыткам центральной власти, подлинным или мнимым, эту суверенность ущемить. В том числе и к попыткам ввести единое время. Подливали масла в огонь железные дороги. Каждая желала, чтобы поезда по ней ходили только по ее особому единому времени. Через континент, от Атлантического до Тихого океана, пролегли линии, пересекающие несколько штатов. Какое время принять? На станциях машинисты решали головоломные задачи, пытаясь разобраться в показаниях часов города, штата и железной дороги. А там, где сходилось несколько линий, дело вконец запутывалось.

Канадский инженер-связист С. Флеминг служил на железной дороге. Он хорошо понимал всю нелепость создавшегося положения. Как положить конец разнобою? Флеминг вспомнил о старом испытанном приеме «не нашим, не вашим» и предложил разделить всю страну на часовые пояса, по 15 градусов в каждом. Внутри пояса время принимается всюду одинаковым, а на границе сразу переводят стрелки на час вперед или назад. Флеминг утверждал, что разделить поясами выгодно не только Северную Америку, а и вообще всю Землю, за нулевую же линию следует взять Гринвичский меридиан – середину нулевого пояса.

В 1883 г. идею Флеминга приняло правительство США, а год спустя на международной конференции в Вашингтоне 26 стран подписали соглашение о часовых поясах и поясном времени. Решили, кроме того, что границы зон не обязательно должны проходить строго по меридиану, если какой-то архипелаг, остров или район суши понадобится включить целиком в часовой пояс. На конференции были и представители России, но царскому правительству новый счет времени не понравился по той причине, по какой оно упрямо держалось за версту и пуд: любое изменение представлялось ему «потрясением основ» и толчком к «народному брожению».

Лишь после Октябрьской революции, 8 февраля 1918 г., поясное деление было введено декретом Совета Народных Комиссаров «в целях установления однообразного со всем цивилизованным миром счета времени в течение суток, обусловливающего на всем земном шаре одни и те же показания часов в минутах и секундах и значительно упрощающего регистрацию взаимоотношений народов, общественных событий и большинства явлений природы во времени». А чтобы экономичнее расходовать электроэнергию, особенно летом, в 1930 г. стрелки всех часов на территории Советского Союза были передвинуты на час вперед. Образовалось декретное время.

А теперь попробуем решить простенькую задачку: сколько по солнечному времени в Москве, когда стрелки часов Спасской башни показывают ровно 12 дня?

Ход рассуждений будет, такой. По поясному времени – 11 часов, ибо нужно вычесть один час декретного времени. Так как Москва лежит близ восточной границы часового пояса и за время пояса принимается время его центра, солнечное время будет около 11 часов 30 минут. Верно? Астроном скажет: «Неверно!»

Солнечное время многолико. Нельзя говорить «солнечные сутки» и соответственно считать часы, минуты и секунды, не условившись, о каких сутках идет речь.

Истинные солнечные сутки начинаются и заканчиваются в полдень, т.е. когда светило проходит через меридиан и стоит максимально высоко. Движение же Солнца по небосводу есть следствие двух движений Земли: вокруг собственной оси и вокруг Солнца. Будь орбитой планеты идеальный круг, никаких осложнений не возникало бы. Но ее путь – эллипс, и на максимальном удалении от Солнца (когда в нашем полушарии лето) Земля летит медленнее, а на минимальном удалении (зимой) быстрее. Поэтому истинные солнечные сутки день ото дня разные. Руководствуясь ими, пришлось бы беспрерывно подводить часы то вперед, то назад. Чтобы избежать этого, вводят средние солнечные сутки, т.е. среднее арифметическое из длительностей всех истинных суток за год (разница между истинными и средними сутками достигает порой 15 минут). Вот по средним-то суткам, поделенным на часы, минуты и секунды, идет наша жизнь. Однако часы мы ставим не по солнечному, а по гражданскому времени, сдвинутому относительно солнечного на 12 часов, чтобы сутки начинались в полночь.

Определить длину солнечных суток нелегко: диск светила – не точка, момент прохождения его центра через меридиан отмечается с неизбежной ошибкой, и немалой. Астрономы охотнее пользуются звездными сутками, измерить которые можно гораздо точнее. В созвездии Рыб есть точка, замечательная тем, что Солнце находится там в день весеннего равноденствия, 21 марта. Когда Земля вращается вокруг своей оси, звездное небо, а вместе с ним и точка весеннего равноденствия также вращаются. Так вот, решено считать звездными сутками время от одного прохождения через меридиан этой замечательной точки до другого. Разница между звездными и средними солнечными сутками – 3 минуты 55,91 секунды в пользу Солнца. Она набегает потому, что Земля вращается вокруг оси и вокруг Солнца в одну и ту же сторону, и звезды каждую ночь выходят из-за горизонта немного раньше. За год накапливаются ровно сутки: солнечный год – 365,24, а звездный – 366,24 дня.

Но Земля, как мы говорили, вращается неравномерно. Ее полюса блуждают по поверхности. В результате астроном определяет время прохода звезды через меридиан с ошибкой – и не по своей вине, а по вине планеты. Географы и геодезисты, летчики и моряки, специалисты по космическим исследованиям и, конечно, астрономы нуждаются в таких шкалах времени, которые учитывали бы все неправильности вращения Земли. Ведь погрешность в 0,001 секунды приведет к тому, что космическая станция, летящая вблизи Марса, покажется нам отклонившейся от курса на 15 километров. Мы включим двигатели коррекции траектории, хотя никакая коррекция на самом деле не нужна.

Исправить же подобную ошибку во много раз труднее, чем совершить – вот вам и тысячная доля секунды!

Вот почему кроме среднего солнечного времени UT-0, привязанного к Гринвичскому меридиану, в астрономических справочниках приводится время UT-1, которое учитывает блуждание земного полюса, и время UT-2, прибавляющее к UT-1 поправки на неравномерность вращения Земли вокруг оси.

Об атомном времени, вырабатываемом квантовыми эталонами – AT, мы уже говорили. Но атомное время «в чистом виде» никак не связано с гражданским. Это и хорошо и плохо. Хорошо потому, что атомная секунда точнее, чем неопределенная солнечная. Плохо – потому, что шкала атомного времени, которую получают метрологи, суммируя атомные секунды, не привязана к вращению Земли. «Атомный полдень» примерно на секунду в год убегает от солнечного: вращение планеты ведь замедляется! Да и национальные шкалы атомного времени разных стран из-за неизбежных погрешностей при изготовлении и работе квантовых эталонов постепенно (и довольно быстро!) разбегаются. Например, расхождение между шкалой времени СССР и шкалой Международного бюро времени превысило уже 0,0011 секунды. Таковы парадоксальные последствия высокой точности...

Приходится подгонять атомное время под вращение планеты. Когда разница между атомным и солнечным временами приближается к 0,7 секунды, все радиостанции Земли, передающие сигналы точного времени, в заранее согласованный момент повторяют последнюю секунду часа дважды. После этого звездное и солнечное время оказываются чуть-чуть впереди атомного, пока снова не набегут «лишние» 0,7 секунды.

Первая такая подстройка шкалы атомного времени была произведена 30 июня 1972 г. в 0 часов по Гринвичу, т.е. в 3 ночи по московскому времени, а вторая – в 23 часа 59 минут 60 секунд 31 декабря 1974 г. Эта «практическая» атомная шкала называется в нашей стране ТА, или координированным временем.

На этом перечень временных шкал не кончается. Физикам и астрономам очень нужна «естественная» секунда, – вытекающая из вращения Земли не вокруг оси, а вокруг Солнца – эфемеридная секунда. Ее вычисляют после множества наблюдений прохождения звезд через меридиан. Получить такую секунду нельзя раньше, чем кончится год, да еще проходит немало времени, пока данные обсерватории будут обработаны. Так что это в некотором роде «теоретико-практическая» секунда, важная для расчетов, но не удобная для сиюминутного пользования. В 1960 г. Международный комитет мер и весов определил ее как «1/31556925,9747 часть длительности 1900-го тропического года».

Важна эта секунда еще вот для чего. Человечество вступило в космическую эру. Летят к иным планетам исследовательские станции, ученые мечтают о полетах пилотируемых кораблей в глубокий космос. Штурманские расчеты траекторий опираются на ньютоновский закон всемирного тяготения. В закон этот входит коэффициент пропорциональности – «постоянная тяготения». Постоянна ли она? Или справедлива гипотеза изменчивости всех фундаментальных постоянных, на которых воздвигла свое здание наука? На это должна ответить эфемеридная секунда.

Разговор об изменчивости постоянных начинается с невинного вопроса: «Что такое масса?» Ведь мы ее определяем по косвенным признакам: по инерции – «сопротивлению», которое оказывает тело попыткам его разогнать до определенной скорости за заданное время. Но тогда сразу возникает вопрос, что такое инерция? Ссылаются на первый закон Ньютона: «Все тела движутся прямолинейно и равномерно, пока на них не действуют внешние силы». Можно ли проверить этот закон? Чего же проще: отправляйтесь туда, где нет внешних сил! Туда, где нет вещества и, стало быть, нет тяготения. Но Вселенная наполнена веществом. И нет в ней места, где можно было бы проверить первый закон Ньютона. «А закон, который нельзя проверить, трудно считать научным законом», – замечает известный английский физик Г. Бонди и продолжает: «...мы вынуждены связывать инерцию со строением Вселенной как целого».

Иными словами, закон всемирного тяготения и первый закон Ньютона оказываются взаимосвязанными. Они отражают зависимость между гравитационными и инертными свойствами вещества. «Если Вселенная подвержена эволюции, – заключает Бонди, – (может случиться, что этого нет), то структура и расположение отдельных источников тяготения будут с течением времени изменяться. Тогда мы столкнемся с изменением постоянной тяготения по мере течения времени. Это изменение обусловлено тем, что инерциональные свойства, определяемые расположением отдаленных источников во Вселенной, также начнут изменяться». Но движение Земли вокруг Солнца подчиняется как закону всемирного тяготения, так и первому закону Ньютона. Вот теперь-то мы и добрались, наконец, до причины того повышенного интереса, который питают физики и астрономы к эфемеридной секунде.

В нашем распоряжении есть атомные часы, на равномерность хода которых гравитация не действует. Есть маятниковые часы, ход которых прямо зависит от силы притяжения Земли. Наконец, есть «эфемеридные» часы, отражающие гравитацию Солнца. Нужно непрерывно сравнивать между собой показания всех этих трех хранителей времени, чтобы прийти к выводу, стабильна или, наоборот, изменчива постоянная тяготения. Сколько времени пройдет, пока это случится? Сто лет? Тысяча? Может быть, десять тысяч? Кто знает... Да и какое это имеет значение? Важно, что мы можем обнаружить этот необычайно тонкий и принципиально важный эффект.