для чего предназначена шкала времени
шкала времени
шкала времени: Непрерывная последовательность интервалов времени определенной длительности, отсчитываемая от начального момента. Для шкалы времени устанавливают условный нуль, единицу величины и порядок корректировки.
Смотри также родственные термины:
68 шкала времени НАП ГНСС: Шкала времени, которая определяется показаниями часов навигационной аппаратуры потребителя ГНСС.
Полезное
Смотреть что такое «шкала времени» в других словарях:
шкала времени — Непрерывная последовательность интервалов времени определенной длительности, отсчитываемая от начального момента. Для шкалы времени устанавливают условный нуль, единицу величины и порядок корректировки. [ГОСТ 8.567 99] Тематики метрология,… … Справочник технического переводчика
шкала времени Государственного эталона частоты и времени России — Шкала UTC (SU) соответствует московскому времени и смещена на 3 часа относительно всемирного координированного времени, т.е. UTC(SU)=UTC + 3 часа. Данная шкала времени не является периодическая секундная коррекция. Значение секундного расхождения … Справочник технического переводчика
шкала времени потребителя — ШВП Шкала времени, формируемая кварцевым опорным генератором приемника. [РТМ 68 14 01] Тематики спутниковая технология геодезических работ Обобщающие термины средства спутниковых определений Синонимы ШВП … Справочник технического переводчика
Шкала времени РФ национальная — 10) национальная шкала времени Российской Федерации упорядоченная числовая последовательность размеров единиц времени, воспроизводимая и хранимая Государственной службой времени, частоты и определения параметров вращения Земли на основе… … Официальная терминология
шкала времени НАП ГНСС — 68 шкала времени НАП ГНСС: Шкала времени, которая определяется показаниями часов навигационной аппаратуры потребителя ГНСС. Источник: ГОСТ Р 52928 2010: Система спутниковая навигационная глобальная. Термины и определения … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
системная шкала времени ГНСС — 63 системная шкала времени ГНСС: Шкала времени, предназначенная для временной привязки основных процессов во всех подсистемах глобальной навигационной спутниковой системы. Источник: ГОСТ Р 52928 2010: Система спутниковая навигационная глобальная … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
бортовая шкала времени — БШВ Шкала времени, формируемая бортовым эталоном времени и частоты. [РТМ 68 14 01] Тематики спутниковая технология геодезических работ Обобщающие термины средства спутниковых определений Синонимы БШВ … Справочник технического переводчика
системная шкала времени — СШВ Шкала времени высшей точности, предназначенная для синхронизации работы всех сегментов ГНСС, формируется и поддерживается наиболее стабильными эталонами времени, расположенными в системах контроля и управления и связанными с национальными… … Справочник технического переводчика
бортовая шкала времени навигационного космического аппарата ГНСС — Шкала времени, формируемая на борту навигационного космического аппарата ГНСС. [ГОСТ Р 52928 2008] Тематики навигация … Справочник технического переводчика
системная шкала времени ГНСС — Шкала времени, предназначенная для временной привязки основных процессов во всех подсистемах глобальной навигационной спутниковой системы. [ГОСТ Р 52928 2008] Тематики навигация … Справочник технического переводчика
шкала времени
шкала времени
Непрерывная последовательность интервалов времени определенной длительности, отсчитываемая от начального момента. Для шкалы времени устанавливают условный нуль, единицу величины и порядок корректировки.
[ГОСТ 8.567-99]
Тематики
Обобщающие термины
Смотреть что такое «шкала времени» в других словарях:
шкала времени — шкала времени: Непрерывная последовательность интервалов времени определенной длительности, отсчитываемая от начального момента. Для шкалы времени устанавливают условный нуль, единицу величины и порядок корректировки. [ГОСТ 8.567 99, статья… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
шкала времени Государственного эталона частоты и времени России — Шкала UTC (SU) соответствует московскому времени и смещена на 3 часа относительно всемирного координированного времени, т.е. UTC(SU)=UTC + 3 часа. Данная шкала времени не является периодическая секундная коррекция. Значение секундного расхождения … Справочник технического переводчика
шкала времени потребителя — ШВП Шкала времени, формируемая кварцевым опорным генератором приемника. [РТМ 68 14 01] Тематики спутниковая технология геодезических работ Обобщающие термины средства спутниковых определений Синонимы ШВП … Справочник технического переводчика
Шкала времени РФ национальная — 10) национальная шкала времени Российской Федерации упорядоченная числовая последовательность размеров единиц времени, воспроизводимая и хранимая Государственной службой времени, частоты и определения параметров вращения Земли на основе… … Официальная терминология
шкала времени НАП ГНСС — 68 шкала времени НАП ГНСС: Шкала времени, которая определяется показаниями часов навигационной аппаратуры потребителя ГНСС. Источник: ГОСТ Р 52928 2010: Система спутниковая навигационная глобальная. Термины и определения … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
системная шкала времени ГНСС — 63 системная шкала времени ГНСС: Шкала времени, предназначенная для временной привязки основных процессов во всех подсистемах глобальной навигационной спутниковой системы. Источник: ГОСТ Р 52928 2010: Система спутниковая навигационная глобальная … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
бортовая шкала времени — БШВ Шкала времени, формируемая бортовым эталоном времени и частоты. [РТМ 68 14 01] Тематики спутниковая технология геодезических работ Обобщающие термины средства спутниковых определений Синонимы БШВ … Справочник технического переводчика
системная шкала времени — СШВ Шкала времени высшей точности, предназначенная для синхронизации работы всех сегментов ГНСС, формируется и поддерживается наиболее стабильными эталонами времени, расположенными в системах контроля и управления и связанными с национальными… … Справочник технического переводчика
бортовая шкала времени навигационного космического аппарата ГНСС — Шкала времени, формируемая на борту навигационного космического аппарата ГНСС. [ГОСТ Р 52928 2008] Тематики навигация … Справочник технического переводчика
системная шкала времени ГНСС — Шкала времени, предназначенная для временной привязки основных процессов во всех подсистемах глобальной навигационной спутниковой системы. [ГОСТ Р 52928 2008] Тематики навигация … Справочник технического переводчика
Шкалы времени (ОП СРНС, лекция)
Содержание
Шкала времени как временная система координат
Событие, эпоха, интервал
Абсолютное время и реальные часы
Истинное солнечное время
Системы астрономического времени появились исторически первыми и основаны на суточном вращении Земли.
Среднее солнечное время
Среднее местное солнечное время (LST, local mean solar time) — условное равномерно текущее время, совпадающее с солнечным в среднем.
Разница между средним и истинным солнечным временем называется уравнением времени.
Гринвичское среднее время (GMT) — это среднее солнечное время на начальном меридиане. Долгие годы эта шкала времени лежала в основе показаний часов по всему миру.
Современные аппроксимации среднего солнечного времени
Всемирное время вычисляется по наблюдениям внегалактических источников радиоизлучения, и затем пересчитывается в несколько форм, например:
Шкала всемирного времени UT1 является неравномерной относительно абсолютного времени. Секунды в ней могут быть как более длительными, так и менее длительными секунд системы СИ.
Требуется переработка текста В разделе про абсолютное время рассказать про атомное, тут уже ввести UTC на основе TAI.
C 1964 года ввели равномерно-переменную шкалу времени UTC — всемирного координированного времени, связывающую шкалу UT1 и шкалу строго равномерного Международного атомного времени TAI.
Международное атомное время TAI было введено в июле 1955 г. в качестве основного временного стандарта. С 1967 года международная система единиц СИ определяет одну секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Это число было выбрано для того, чтобы приблизить величину фундаментальной единицы времени в Международной системе научных единиц СИ к средней секунде астрономических систем времени.
Время TAI вычисляется из группы атомных часов более чем 50 лабораторий научных центров разных стран. Это делает Международное бюро мер и весов (BIH), базирующееся в Севре, вблизи Парижа, для чего использует различные методы сравнения часов. Шкала времени TAI была совмещена со шкалой UT1 1 января 1958 г.
Масштабы UTC и TAI равны, а смещение меняется скачком. Между UTC и UT1 накапливается расхождение, обусловленное, во-первых, неравномерностью шкалы UT1, а во-вторых, неравенством масштабов UT1 и TAI (1 атомная секунда не равна в точности 1 секунде UT1). При нарастании расхождения между UTC и UT1 до 0,9 с производится корректировка скачком на 1 с.
Дополнительная секунда, называемая «секунда координации» или «високосная секунда», добавляется 30 июня или 31 декабря при необходимости. Теоретически, может потребоваться и вычитание секунды, но пока, начиная с первого изменения 30 июня 1972 — все изменения были положительны, с добавлением секунды после секунды 23:59:59. Добавленная секунда обозначается 23:59:60. Добавление секунды определяется International Earth Rotation and Reference Systems Service (IERS), согласно их наблюдению за вращением Земли.
Сигналы точного времени передаются по радио, телевидению и через Интернет в системе UTC.
Декретное время — поясное время плюс один час. В 1930 году по декрету правительства на всей территории СССР время было переведено на 1 час вперед, таким образом, Москва, формально находясь во втором часовом поясе имело время, отличающееся от Гринвича на +3 часа. В течение многих лет это время являлось основным гражданским временем в СССР и России. Применялось с 16 июня 1930 года до 31 марта 1991 года в СССР, с 19 января 1992 года до 27 марта 2011 года в РФ, в настоящее время применяется в ряде стран СНГ.
Так исторически сложилось, что московское декретное время используется при расчете положения спутников на орбите по альманаху системы ГЛОНАСС, в котором время прохождения спутником восходящего узла задано именно в этой шкале.
Летнее время — сезонный перевод стрелок +1 час в последнее воскресенье марта и возврат в последнее воскресенье октября (с лета 2011 года установлено постоянным в России).
Системы динамического времени
Системная шкала времени, бортовая шкала времени
Спутниковые навигационные системы GPS и ГЛОНАСС функционируют в собственном системном времени. Все процессы измерений фиксируются в этой шкале времени. Необходимо, чтобы шкалы времени используемых спутников были согласованы между собой. Это достигается независимой привязкой каждой из шкал спутников к системному времени. Системная шкала времени есть шкала атомного времени. Она задаётся сектором управления и контроля, где поддерживается с точностью более высокой, чем бортовые шкалы спутников.
Системное время GPS (TGPS) — это Всемирное координированное время (UTC), отнесённое к началу 1980 года. Поправки TGPS к UTC регистрируются с высокой точностью и передаются в виде постоянной величины в навигационном сообщении, а также публикуются в специальных бюллетенях.
Системное время ГЛОНАСС также периодически подстраивается под Всемирное координированное время (используется Московское дискретное время на основе UTC(SU)).
В бортовую шкалу времени каждого из спутников вводится пересчётный коэффициент, зависящий от высоты орбиты и учитывающий релятивистские эффекты: движение спутника относительно наземных часов; разность гравитационных потенциалов на орбите и на поверхности Земли. Для системы ГЛОНАСС релятивистская поправка составляет 37,7 мкс в сутки.
Шкалы времени (ОП СРНС, лекция)
Содержание
Шкала времени как временная система координат
Событие, эпоха, интервал
Абсолютное время и реальные часы
Истинное солнечное время
Системы астрономического времени появились исторически первыми и основаны на суточном вращении Земли.
Среднее солнечное время
Среднее местное солнечное время (LST, local mean solar time) — условное равномерно текущее время, совпадающее с солнечным в среднем.
Разница между средним и истинным солнечным временем называется уравнением времени.
Гринвичское среднее время (GMT) — это среднее солнечное время на начальном меридиане. Долгие годы эта шкала времени лежала в основе показаний часов по всему миру.
Современные аппроксимации среднего солнечного времени
Всемирное время вычисляется по наблюдениям внегалактических источников радиоизлучения, и затем пересчитывается в несколько форм, например:
Шкала всемирного времени UT1 является неравномерной относительно абсолютного времени. Секунды в ней могут быть как более длительными, так и менее длительными секунд системы СИ.
Требуется переработка текста В разделе про абсолютное время рассказать про атомное, тут уже ввести UTC на основе TAI.
C 1964 года ввели равномерно-переменную шкалу времени UTC — всемирного координированного времени, связывающую шкалу UT1 и шкалу строго равномерного Международного атомного времени TAI.
Международное атомное время TAI было введено в июле 1955 г. в качестве основного временного стандарта. С 1967 года международная система единиц СИ определяет одну секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Это число было выбрано для того, чтобы приблизить величину фундаментальной единицы времени в Международной системе научных единиц СИ к средней секунде астрономических систем времени.
Время TAI вычисляется из группы атомных часов более чем 50 лабораторий научных центров разных стран. Это делает Международное бюро мер и весов (BIH), базирующееся в Севре, вблизи Парижа, для чего использует различные методы сравнения часов. Шкала времени TAI была совмещена со шкалой UT1 1 января 1958 г.
Масштабы UTC и TAI равны, а смещение меняется скачком. Между UTC и UT1 накапливается расхождение, обусловленное, во-первых, неравномерностью шкалы UT1, а во-вторых, неравенством масштабов UT1 и TAI (1 атомная секунда не равна в точности 1 секунде UT1). При нарастании расхождения между UTC и UT1 до 0,9 с производится корректировка скачком на 1 с.
Дополнительная секунда, называемая «секунда координации» или «високосная секунда», добавляется 30 июня или 31 декабря при необходимости. Теоретически, может потребоваться и вычитание секунды, но пока, начиная с первого изменения 30 июня 1972 — все изменения были положительны, с добавлением секунды после секунды 23:59:59. Добавленная секунда обозначается 23:59:60. Добавление секунды определяется International Earth Rotation and Reference Systems Service (IERS), согласно их наблюдению за вращением Земли.
Сигналы точного времени передаются по радио, телевидению и через Интернет в системе UTC.
Декретное время — поясное время плюс один час. В 1930 году по декрету правительства на всей территории СССР время было переведено на 1 час вперед, таким образом, Москва, формально находясь во втором часовом поясе имело время, отличающееся от Гринвича на +3 часа. В течение многих лет это время являлось основным гражданским временем в СССР и России. Применялось с 16 июня 1930 года до 31 марта 1991 года в СССР, с 19 января 1992 года до 27 марта 2011 года в РФ, в настоящее время применяется в ряде стран СНГ.
Так исторически сложилось, что московское декретное время используется при расчете положения спутников на орбите по альманаху системы ГЛОНАСС, в котором время прохождения спутником восходящего узла задано именно в этой шкале.
Летнее время — сезонный перевод стрелок +1 час в последнее воскресенье марта и возврат в последнее воскресенье октября (с лета 2011 года установлено постоянным в России).
Системы динамического времени
Системная шкала времени, бортовая шкала времени
Спутниковые навигационные системы GPS и ГЛОНАСС функционируют в собственном системном времени. Все процессы измерений фиксируются в этой шкале времени. Необходимо, чтобы шкалы времени используемых спутников были согласованы между собой. Это достигается независимой привязкой каждой из шкал спутников к системному времени. Системная шкала времени есть шкала атомного времени. Она задаётся сектором управления и контроля, где поддерживается с точностью более высокой, чем бортовые шкалы спутников.
Системное время GPS (TGPS) — это Всемирное координированное время (UTC), отнесённое к началу 1980 года. Поправки TGPS к UTC регистрируются с высокой точностью и передаются в виде постоянной величины в навигационном сообщении, а также публикуются в специальных бюллетенях.
Системное время ГЛОНАСС также периодически подстраивается под Всемирное координированное время (используется Московское дискретное время на основе UTC(SU)).
В бортовую шкалу времени каждого из спутников вводится пересчётный коэффициент, зависящий от высоты орбиты и учитывающий релятивистские эффекты: движение спутника относительно наземных часов; разность гравитационных потенциалов на орбите и на поверхности Земли. Для системы ГЛОНАСС релятивистская поправка составляет 37,7 мкс в сутки.
В погоне за точностью: единый эталон времени — частоты — длины
Человек живёт во времени и пространстве, и уже в глубокой древности появилась необходимость измерять время и длину — характеристику пространства. Измерить — значит сравнить измеряемую величину с другой величиной того же рода, называемой единицей измерения. Эта единица должна быть чётко определённой и неизменной величиной — эталоном. Созданием эталонов занимается наука, именуемая метрологией. За эталон времени принята секунда, за эталон длины — метр. Но вот как их определить? Скажем, секунда — это промежуток времени, в течение которого. что? Метр — это расстояние, равное. чему? Эти вопросы отнюдь не просты. Посмотрим, как отвечает на них современная метрология.
Время
Эталоны для измерения времени должны быть основаны на периодических процессах, период которых постоянен с большой точностью. Первоначально единственным известным процессом такого рода было вращение Земли вокруг своей оси, и единица времени — секунда — определялась как 1/86 400 часть периода этого вращения, то есть суток. Длительность же суток определялась из двух последовательных наблюдений прохождения какого-нибудь небесного светила через плоскость меридиана места наблюдения. Уже древние астрономы убедились в том, что длительность интервала между двумя прохождениями Солнца через плоскость меридиана не совпадает с длительностью интервала, определённого по наблюдениям любой из «неподвижных» звёзд: солнечные сутки оказались на 4 минуты больше звёздных. Это следствие движения Земли по орбите (вращение Земли вокруг оси и её орбитальное движение происходят в одном направлении). Пользоваться звёздным временем неудобно, так как вся наша жизнь связана со сменой дня и ночи, с солнечными сутками. Но определить их продолжительность с большой точностью весьма сложно: во-первых, Солнце слишком «велико»; во-вторых, солнечное излучение нагревает и деформирует точные приборы и, наконец, длительность солнечных суток изменяется в течение года вследствие изменения скорости движения Земли по орбите. Поэтому непосредственное определение периода вращения Земли выполняется по наблюдению звёзд, а для практических целей учитывают разницу между звёздными и солнечными сутками. Так возникло своеобразное положение, при котором мы пользуемся солнечным временем, определяя его по звёздам.
Так как истинные солнечные сутки не остаются одинаковыми в течение года, то в повседневной жизни за основную единицу времени принимают средние солнечные сутки, рассчитанные в предположении равномерного движения Земли по орбите. Время в таких сутках называют средним временем. Понятно, что его значение меняется с изменением географической долготы места: когда в Москве 12 часов дня, то, скажем, в Красноярске уже 16 часов, то есть возникает понятие местного времени. Местное среднее время на Гринвичском меридиане называют всемирным временем и обозначают UT (Universal Time). Это всемирное время положено в основу создания нескольких астрономических шкал времени.
Прежде всего заметим, что, хотя UT — среднее солнечное время, то есть определено из условия равномерного движения Земли по орбите, на его основе трудно создать равномерную шкалу по той причине, что положение любого меридиана, и в частности Гринвичского, подвержено изменениям из-за вращения Земли. Происходит это потому, что Земля — не абсолютно твёрдое тело: массы в ней непрерывно перераспределяются, вследствие чего полюса Земли незначительно (до 10–15 м) меняют положение, вызывая смещение меридианов, их соединяющих.
Существует несколько модификаций шкал всемирного времени. Из наблюдений суточных движений звёзд получается всемирное время UT0, не образующее равномерной шкалы. Если учесть поправку за смещение мгновенного полюса относительно его среднего положения, получим более равномерную шкалу UT1. Если принять во внимание ещё и сезонные вариации угловой скорости вращения Земли, получим более равномерную шкалу UT2. Наконец, учёт действия приливных явлений даёт шкалу UT1R.
Неравномерность суточного вращения и орбитального движения Земли не позволяет создать строго равномерные шкалы времени. Поэтому была введена ещё одна шкала — эфемеридное время, названное позже динамическим временем. Под ним понимают аргумент в дифференциальных уравнениях движения тел Солнечной системы в гравитационном поле. Это равномерно текущее время используют при определении эфемерид (элементов кеплеровой орбиты) спутников.
Любое время измеряют при помощи часов. После того как Галилей создал теорию маятника, а Гюйгенс изобрёл вращающийся балансир, появились маятниковые часы. И вскоре лучшие из них позволили обнаружить систематическое замедление суточного вращения Земли, вызванное океаническими приливами.
После изобретения кварцевых часов, в которых роль колебаний маятника играют упругие колебания кварцевых пластинок под действием электрического напряжения (пьезоэффект), было установлено, что и при учёте регулярного замедления длительность суток всё же непостоянна — она может изменяться в обе стороны на тысячные и даже сотые доли секунды.
К середине XX века стало ясно, что точность лучших часов превзошла точность нашего природного эталона времени — суток. Возможности астрономических методов измерения времени оказались исчерпанными.
Принципиально новые и более точные методы измерения времени пришли из радиоспектроскопии и квантовой электроники.
Каждый атом или молекула избирательно поглощает или излучает не только свет, но и радиоволны определённой длины волны λ, или частоты f, которые характеризуются непревзойдённым постоянством. Это позволило создать квантовые стандарты частоты, а следовательно, и времени (вспомним, что частота — величина, обратная периоду, то есть времени одного колебания) и построить шкалу атомного времени AT, задаваемую конкретным атомным или молекулярным эталоном.
Шкала АТ практически совершенно равномерна. В ней единицей измерения служит атомная секунда — промежуток времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 ( 133 Cs). Другими словами, за атомную секунду совершается число периодов колебаний цезиевого генератора, равное его частоте, составляющей 9 192 631 770 Гц (
9,2 Ггц). Стабильность этой частоты очень высока (то есть относительная нестабильность Δf/f, где Δf — уход частоты, очень мала). Кроме цезиевого в качестве стандартов частоты используют также рубидиевый и водородный генераторы (последний наиболее стабилен, см. таблицу).
Существует Международное атомное время ТАI (от французского названия Temps Atomic International). Оно устанавливается на основе показаний атомных часов в различных метрологических учреждениях в соответствии с приведённым выше определением атомной секунды.
Так как шкалы AT и UT не согласуются между собой, введена промежуточная шкала, называемая всемирным координированным временем UTС (Universal Time Coordinated). Это атомное время, которое корректируется на 1 с, когда его расхождение с UT1 превышает 0,5 с. Коррекция производится в последнюю секунду 30 июня или 31 декабря либо в обе даты.
Длина
Обратимся теперь к единице длины — метру. Его история также довольно интересна. Впервые понятие метра появилось во Франции в период Великой французской революции. Учёные того времени решили заимствовать единицу измерения длины, так сказать, из самoй природы, и в качестве неизменного прототипа длины специальная комиссия Французской академии наук предложила взять длину одной десятимиллионной доли четверти Парижского меридиана. Это расстояние и назвали метром (metre vrai et definitif — метр подлинный и окончательный). После этого были проведены измерения длины дуги Парижского меридиана между Дюнкерком и Барселоной, на основании которых, а также в соответствии с теоретическим определением изготовили образец метра в виде платиновой линейки — концевой меры шириной около 25 мм и толщиной 4 мм. Эта мера сдана в архив Французской республики, поэтому её в дальнейшем стали называть «архивным метром». Но далее оказалось, что вследствие всё возрастающей точности геодезических измерений значения метра и соответствующей части меридиана будут расходиться. Кроме того, длина меридианов, как уже отмечалось выше, не остаётся строго постоянной из-за смещения полюсов. И тогда решили больше не связывать значение меры длины с одной сорокамиллионной частью Парижского меридиана. Метр перестал быть «естественной» мерой.
За точное значение метра был принят так называемый международный прототип, выбранный следующим образом. Изготовили 31 эталон в форме стержней Х-образного сечения из платино-иридиевого сплава с двумя штрихами, расстояние между которыми равно размеру метра, и провели сравнение этих эталонов с «архивным метром». В пределах точности измерений эталон № 6 при 0 о С оказался равным длине «архивного метра», и в 1889 году на I Генеральной конференции по мерам и весам его приняли в качестве международного прототипа метра. Он хранится в Международном бюро мер и весов в городе Севре (близ Парижа). Из оставшихся 30 эталонов 28 были распределены по жребию между странами, участвовавшими в конференции 1889 года, а два оставлены как «эталон-копия» и «эталон-свидетель». Россия получила два эталона метра: № 11 и № 28. Последний декретом Совнаркома в 1918 году был узаконен в качестве государственного эталона или прототипа метра для СССР. Он хранится (до сих пор) во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева в Санкт-Петербурге и используется только для сравнения с ним вторичных эталонов или эталонов-копий.
Так как существующие эталоны хотя и очень мало, но всё же изменяются с течением времени и метр нельзя считать естественной мерой единицы длины, метрологи задались вопросом: нельзя ли всё-таки установить естественный эталон длины, «привязав» его к стабильным природным процессам или явлениям. И здесь, как и в случае с эталоном времени, решение пришло из спектроскопии и квантовой электроники. Поскольку, как уже отмечалось, частоты и длины волн атомов и молекул отличаются исключительным постоянством, это природные константы, и поэтому в принципе атом или молекула каждого (любого) вещества обладает свойствами эталона частоты и длины.
С развитием точных методов интерферометрических измерений появилась идея выразить метр в длинах световых волн, и в 1927 году VII Генеральная конференция по мерам и весам постановила: 1 метр равен 1 553 164,13 длины волны красной линии кадмия при определённых условиях (температуре, давлении и пр.) К 30-м годам ХХ века точность интерферометрических измерений превысила ширину штрихов на эталоне метра и его копиях. И в 1960 году XI Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение метра: он стал равен 1 650 763,73 длины волны излучения в вакууме, соответствующей оранжевой линии спектра изотопа криптона с атомным весом 86 ( 86 Kr). Поскольку эта линия намного более узкая, чем у кадмия (чему, в частности, способствует то, что криптоновую лампу помещают в криостат с жидкой углекислотой), новое определение метра повысило точность эталона длины примерно в 100 раз.
В том же 1960 году, когда за эталон длины приняли криптоновый стандарт, был создан принципиально новый источник излучения — лазер, и началось бурное развитие лазерной техники. Обнаружилось, что газовый лазер на смеси гелия и неона (Не-Nе) может генерировать чрезвычайно узкие спектральные линии (так называемые продольные моды, см. «Наука и жизнь» № 9, 2003 г.) — гораздо yже, чем у криптонового стандарта. Однако частоты этих линий могут «плавать», меняться неконтролируемым образом (например, вследствие изменения длины резонатора). Поэтому, чтобы получить источник света намного лучший, чем криптоновая лампа, необходимо стабилизировать частоту лазерного излучения. Такой стабилизации достигли использованием молекулярных линий поглощения некоторых газов, у которых частота одной из линий поглощения близка к частоте излучения лазера. Например, гелий-неоновый лазер может генерировать на трёх длинах волн: 0,63, 1,15 и 3,39 мкм; при этом линии с длиной волны 0,63 мкм весьма точно соответствует линия поглощения молекулы паров йода I2, а линии с длиной волны 3,39 мкм — линия поглощения молекулы метана СН4. Ячейку с поглощающим газом помещают внутрь резонатора лазера. Если изменять длину резонатора, настраивая лазерную частоту на центр спектральной линии поглощающего газа, в излучении лазера появляется резонансный пик с предельно узкой шириной спектра. Это состояние непрерывно поддерживает система автоподстройки длины резонатора. Лазеры на Не-Nе/I2 127 и особенно Не-Ne/CH4 обеспечивают генерацию очень узких линий излучения со стабильностью частоты того же порядка, что и в стандартах времени. Естественно, возникла мысль об использовании стабилизированных лазеров в качестве стандартов длины вместо криптонового эталона. Этому способствовало ещё одно обстоятельство.
Однако эталон частоты, задающий атомную секунду, — цезиевый генератор, частота которого fэт = 9 192 631 770 Гц лежит в радиодиапазоне. И чтобы измерить частоту лазера ν сравнением с эталонной частотой, надо осуществить переход эталонной частоты в оптический диапазон, то есть умножить её до оптических значений. Однако эталонная частота имеет нецелочисленную величину и неудобна для преобразований. Поэтому обычно вместо цезиевого генератора используют более низкочастотный кварцевый генератор с удобным значением частоты, например 5 Мгц. Но такой генератор имеет гораздо меньшую стабильность частоты и сам по себе служить эталоном не может. Необходимо стабилизировать его частоту по цезиевому стандарту, придав ему такую же стабильность.
Это осуществляется при помощи схемы фазовой автоподстройки частоты. Низкая частота кварцевого генератора fкв увеличивается радиотехническими средствами в некоторое число (n) раз и в смесителе вычитается из частоты цезиевого эталона fэт. Подбором конкретных значений n и fкв разностную частоту (fэт – nfкв) можно сделать приблизительно равной частоте кварцевого генератора: (fэт – nfкв) = fкв.
Сигнал разностной частоты (fэт – nfкв) после усиления поступает на один вход фазового детектора, а на другой его вход подаётся сигнал частоты fкв от кварцевого генератора. На выходе фазового детектора возникает напряжение, величина и знак которого зависят от отклонения разностной частоты от частоты fкв. Это напряжение поступает на блок управления частотой кварцевого генератора, сдвигая её до тех пор, пока она не станет точно равной разностной частоте. Другими словами, любая расстройка частот (fэт – nfкв) и fкв вызывает появление управляющего сигнала, сводящего эту расстройку к нулю, благодаря чему частота кварцевого генератора автоматически поддерживается неизменной и её стабильность оказывается практически равной стабильности цезиевого эталона. Теперь можно осуществлять передачу этой частоты в оптический диапазон.
Для этой цели используется радиооптический частотный мост (РОЧМ), в котором при помощи многозвенной цепочки различных СВЧ-генераторов и промежуточных лазеров субмиллиметрового и инфракрасного диапазонов выполняется последовательное умножение эталонной частоты 5 МГц до значений 10 14 Гц. Так создаются эталоны частоты в оптическом диапазоне — оптические стандарты частоты. В качестве таких стандартов утверждены пять стабилизированных газовых лазеров.
Следовательно, эталон длины, воспроизводящий метр в его новом определении, реализуется при помощи атомного (цезиевого) эталона времени и частоты, дополненного РОЧМ. Этот комплекс и представляет собой единый эталон ВЧД. При этом характерно, что размеры всех единиц — единицы времени (секунды), частоты (герца) и длины (метра) — задаются всего двумя природными константами: резонансной частотой перехода в атоме цезия-133 и скоростью света в вакууме.
Следует упомянуть, что в последнее время найдена более перспективная возможность создания единого эталона ВЧД, связанная с разработкой фемтосекундных «оптических часов», способных служить также «оптическим метром» («Наука и жизнь» № 9, 2003 г.). При этом отпадает необходимость в цепочке передачи благодаря генерированию высокостабильной «оптической гребёнки» в чрезвычайно широком диапазоне спектра. Такая гребёнка, воспринимаемая как белый свет, возникает при прохождении фемтосекундных импульсов от лазера на сапфире с титаном через оптическое волокно со специально созданной микроструктурой. Подробности о такого рода разработках можно найти в нобелевской лекции Дж. Холла, опубликованной на русском языке под названием «Определение и измерение оптических частот: перспективы оптических часов — и не только» (УФН, 2006, № 12).
