Гринвичское время и открытие долготы - Дерек Хауз

68. Возвратный спуск

Одно из последствий увеличения точности первичных хранителей времени выразилось в изменении самого предназначения Гринвичской службы времени. С момента основания Эри (в 1852 г.) службы хранения времени ее работа опиралась на двое эталонных часов: звезд^юго эталона и среднего солнечного эталона. Передача сигналов точного времени по радио дала возможность с очень высокой точностью сравнивать между собой часы различных обсерваторий мира по нескольку раз в день. Более того, Гринвичская обсерватория сама имела большое количество высокоточных часов. Поэтому в 1938 г. был отменен принятый Эри стандарт - одни часы и появилась возможность использовать среднее значение времени, вычисленное по показаниям нескольких часов, причем одни из этих часов хранили звездное время, другие - солнечное. Поначалу таких хранителей в Англии было шесть: пять в Гринвиче и один в Национальной физической лаборатории в Теддингтоне; год спустя к ним добавился еще один-в Эдинбурге; все это были часы Шорта со свободными маятниками.

Теперь остановимся на современной концепции времени, в частности рассмотрим различие между понятиями: момент времени («дата» или «эпоха») и интервал времени. Любой человек, спешащий на поезд или самолет, прежде всего интересуется моментом, а, скажем, судья матча по боксу - интервалом времени. Существует еще и третье понятие: частота периодически повторяющегося явления, или число циклов этого явления в единицу времени; современное название единицы частоты - герц (Гц) идентично названию старой единицы - цикл в секунду.

Созданию кварцевых часов - которые позволили еще более повысить качество хранения времени, чем это обеспечивали часы со свободным маятником, появившиеся за несколько десятилетий до кварцевых, -способствовала заинтересованность инженеров телевидения в разработке надежного стандарта частоты электромагнитных волн. Кварцевый кристалл впервые стал применяться с возникновением радиовещания в начале 1920-х гг. и служил источником радиочастотных колебаний высокой стабильности. Впервые на возможность использования кварца в часах было указано в 1928 г. Хортоном и Маррисоном (США). В 1939 г. были установлены первые кварцевые часы в Гринвиче; точность этих часов, разработанных Дайем и Эссеном, составляла около 2 мс (1 миллисекунда=10" 3 с) в сутки. Война помешала осуществлению замысла - установить в обсерватории еще несколько кварцевых часов; служба времени была перенесена в более безопасное место - в Гравиметрическую обсерваторию в Абинжере. Резервная станция службы времени начала работать в 1941 г. в Королевской обсерватории в Эдинбурге. Сначала в Абинжере не было действующих кварцевых часов, и поэтому там ежедневно принимали сигналы времени из Национальной физической лаборатории, которая располагала парой таких часов. Эти часы вместе с часами со свободными маятниками образовывали «средние часы».

69. Механизм маятниковых часов 1768 г., сделанный Джоном Шелтоном, мастером Джорджа Грэхема и изготовителем регуляторов, используемых в Гринвиче для астрономических целей в период 1725-1925 гг. (Национальный морской музей.)

Нужды военного времени, прежде всего развитие радиолокационной техники и точных систем воздушной навигации, требовали от английской службы времени десятикратного увеличения точности радиосигналов времени. Поэтому в 1942 г. было достигнуто соглашение с отделом радио почтового управления о ежедневных передачах в Абинжер сигналов времени, показываемого кварцевыми часами, принадлежащими управлению. Это нововведение оказалось настолько успешным, что позволило в 1943 г. изъять часы Шорта из группы, образующей «средние часы». Кварцевые часы, ошибки которых определялись из астрономических наблюдений, проводившихся в Абинжере и Эдинбурге, стали первичным эталоном, на котором базировалась служба времени, тогда как часы обсерватории использовались в качестве вторичного стандарта для контроля сигналов времени. В 1944 г. контроль международных сигналов времени, передававшихся из Регби, как и позднее, в 1949 г., шеститочечных сигналов Би-би-си, осуществлялся с помощью новых кварцевых часов в Абинжере. Служба времени в Эдинбурге прекратила свое существование в январе 1946 г. и вскоре шесть принадлежащих ей кварцевых часов были переданы Гринвичской обсерватории; однако штаб-квартира службы времени по-прежнему оставалась в Абинжере, имевшем двенадцать кварцевых часов. К этому времени точность таких часов возросла до 0,1 мс в сутки. Между тем астрономы устремились прочь от смога и уличных огней Гринвича, мешавших наблюдениям, к прозрачному воздуху Хёрстмонсо, расположенному в графстве Сассекс, куда в 1957 г. переместилась из Абинжера и служба времени [1].

Увеличение точности хранения времени позволило заострить внимание на другой проблеме, которую десятый королевский астроном Харольд Спенсер Джонс резюмировал в 1950 г. следующим образом:

«Вращающаяся Земля обеспечивает нас фундаментальной единицей времени - сутками. Первое требование к любой фундаментальной единице - ее постоянство и воспроизводимость; единица должна означать одно и то же для всех людей и во все времена. При принятии суток, или, более точно, средних солнечных суток за фундаментальную единицу, из которой в качестве производных мы получаем час, минуту и секунду, следует безоговорочно предположить, что ее длина неизменна, другими словами, что Земля является совершенным хранителем времени» [2].

То, что Земля не является совершенным хранителем времени, отметил еще Иммануил Кант в 1754 г., но, чтобы представить полную историю этого вопроса, мы должны перенестись еще на шестьдесят лет назад. В 1695 г. Эдмунд Галлей, анализируя затмения, происходившие в древние времена, пришел к выводу, что движение Луны вокруг Земли ускоряется; позже это было подтверждено непосредственными измерениями. В 1787 г. Лаплас показал, что это явление можно объяснить медленными изменениями формы орбиты Земли, но в 1853 г. Адаме отметил, что изменения орбиты позволяют только наполовину объяснить видимую величину лунного ускорения. После долгих научных споров было окончательно доказано, что на основе теории тяготения Лапласа нельзя полностью объяснить ускорение движения Луны - это можно сделать, лишь допустив, что Земля в своем вращении постепенно замедляется в значительной степени из-за трения, обусловленного приливными эффектами.

70. Часы Шорта со свободным маятником 16 (главные и вторичные часы) в Гринвиче (около 1930 г.), контролировавшие сигналы времени в период 1927-1940 гг. (Национальный морской музей.)

Сегодня мы знаем, что существует три вида изменений в скорости вращения Земли, первые два из которых известны благодаря изучению движений Луны и планет, а последний был качественно обнаружен при помощи часов со свободным маятником и определен количественно с появлением кварцевых часов:

1) вековые изменения - постепенное замедление, обусловленное действием лунных и солнечных приливов, вследствие которого продолжительность земных суток увеличивается на 1,5 мс за столетие;

2) нерегулярные (или непредсказуемые) изменения, по всей видимости, вызываемые различием в скоростях вращения жидкого ядра и твердой мантии Земли, которые могут приводить к увеличению или уменьшению продолжительности суток на 4 мс за десятилетие;

3) сезонные вариации, отражающие сезонные изменения в мировом океане и воздушных массах Земли. Примером этого может служить таяние и замерзание полярных ледяных шапок и движение воздушных масс из обширных областей высокого атмосферного давления, существующих зимой в Сибири, на территории с высоким давлением летом. Земля вращается медленнее весной и в начале лета и быстрее - осенью. В результате колебания в продолжительности дня могут достигать 1,2 мс.

Существует еще одно явление, которое, хотя оно и не воздействует на скорость вращения Земли, необходимо учитывать при точном хранении времени. Это колебания полюса, или перемещение тела Земли относительно оси вращения (подобно качающемуся в механизме подшипнику), заставляющие блуждать полюса Земли приблизительно с 14-месячным периодом в пределах окружности радиусом около 8 м. Эффект колебаний полюса изменяет географические широту и долготу любого места на Земле (в чем удалось убедиться с помощью астрономических наблюдений), а это из-за изменения долготы приводит к соответствующим изменениям шкалы времени в каждом пункте на земной поверхности.

71. Покоящийся спуск

Как указал Спенсер Джонс, первое требование к фундаментальной единице - ее постоянство и воспроизводимость. Поэтому к 1950-м гг. секунда, основанная на вращении Земли, изменяющая, хотя и незначительно, свою продолжительность, перестала удовлетворять предъявляемым к ней требованиям. Возник вопрос: что же делать дальше?