Время, хранимое как драгоценность
Вячеслав ДЕМИДОВ
Глава четвертая. В поисках абсолюта (продолжение)

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.

• Глава пятая. Таинственная простота
• Оглавление