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 1967г. 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 «1/31 556925,9747 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.