Воспроизведение эталонной базы СИ

Эталон длины

Хранению эталона длины во всех странах придавали большое значение. Иногда условия хранения и сам эталон для современного специалиста показались бы весьма оригинальными. Вспомним пояс Святослава Ярославича в XI в. на Руси. Не менее любопытны усло­вия хранения французского эталона длины XVII—XVIII вв. — саже­ни Шателя (туаза). Этот эталон представлял собой металлический кривоколенный циркуль, вделанный в стену Шателя. Ножки цир­куля заканчивались двумя выступами с параллельными гранями, между которыми должны были вмещаться все находившиеся в упот­реблении торговые сажени.

Сажень Шателя прослужила около 100 лет и лишь в 1766 г. была заменена саженью Перу, с помощью которой экспедиция Француз­ской академии наук измеряла часть земной дуги в Перу в 1735— 1739 гг. Перуанский туаз, равный 6 парижским футам или 864 линиям, зна­менит в истории метрологии тем, что он, в сущности, явился осно­вой метрической системы, в то время как за метр принимали часть туаза, равную 441,296 линии.

Основатели метрической системы, ученые Французской акаде­мии наук, установив, что единица длины равна одной четверти зем­ного меридиана, поручили измерить ее астрономам Деламбру и Ме- шэну. Для измерения отрезка меридиана они воспользовались ме­тодом триангуляции, применяемым и по сей день в геодезии. Был выбран меридиан, проходящий через Париж (около 2° восточной долготы), а в качестве концов отрезка взяты Дюнкерк и Барселона (расстояние между ними около 1100 км). За базу триангуляции было выбрано расстояние от Льесена до Мелена (около 13 км), величина которого была известна в одних из старых единиц — туазах. В ходе триангуляции были промерены 100 треугольников, в ряде случаев - до 170. В результате стало известно расстояние в туазах между пун­ктами 1 и 2 (рис. 7.1). Географические широта и долгота этих пунк-

Рис. 7.1. Определение одной четвертой части окружности меридиана Земли по астрономическим наблюдениям и по измерению длины дуги 5

 

гов были измерены с очень большой точностью. Тогда при наблю­дении некоторой неподвижной звезды, зная значения географичес­ких широт ф[ и ср₂ имеем:

ф₁-Аф₁ =ф₂-Дф₂,

ф = ф₂-ф, =Дф₂-Дф,, что дает длину одной четвертой окружности меридиана:

90° ^_ф' ф '

Таким образом, было обнаружено, что длина S= 5 130 740 туа- зов, соответственно, 1 м = 0,513074 туаза.

Таким путем удалось прийти к неизменному стандарту меры в 1799 г., и был изготовлен эталон — платиновая концевая мера дли­ны в виде линейки длиной 1 м, шириной 25 мм и толщиной 4 мм.

В ходе развития измерительной техники эталон метра оказался недостаточно точным, а как концевая мера длины — часто неэффек­тивным, к тому же нельзя было вполне полагаться на неизменность материала, а значит, на постоянство самого эталона. Исследования в этом направлении привели к успеху французского химика Г. Сент- Клер-Девиля. В 1855—1859 гг., получив материалы и средства на проведение опытов от русского правительства, он впервые сумел расплавить значительное (12—15 кг) количество платины. Для это­го более или менее крупные куски платины удавалось получать лишь обжатием и ковкой, поэтому однородность изделий оставляла же­лать лучшего.

Сент-Клер-Девиль получил сплав 90% платины и 10% иридия с поистине замечательными свойствами. Сплав не поддавался дей­ствию воды и воздуха, и даже все разрушающая «царская водка» дей­ствовала на него меньше, чем на чистую платину. Расплавить ири­дий можно было только в пламени гремучего газа или в электричес­кой дуге. И при всем том он был тверже и более упруг, чем сама платина.

В начале 70-х годов XIX в. по предложению Сснт-Клср-Девиля Международный комитет мер и весов заказал лондонской фирме «Джонсон-Маттеи» 43 платиноиридиевых образца килограмма и 34 образца метра. Из них на долю России достались два образца метра - № 11 и 28 и один килограмма — № 12.

Платиновый эталон метра был заменен штриховым масштабом из платиноиридиевого сплава (90% Pt, 10% Ir), неизменность кото­рого можно было считать более гарантированной. Французский ин­женер А. Треска в 1872 г. разработал для поперечного сечения эта­лона Х-образный профиль (рис. 7.2) желоба с открытой нейтраль­ной плоскостью, которая при сгибании стержня не удлиняется и не сжимается. Именно на нее и нужно было наносить деления. Все по­перечное сечение вписывается в квадрат со стороной 20 мм.

По расчетам Треска, стержень Х-образной формы по жесткос­ти в 1,5 раза уступал бронзовому прототипу английского ярда с квад­ратным поперечным сечением (2,54x2,54 см), зато по массе давал выигрыш в 4 раза, и это при том, что плотность платино-иридиево- го сплава более чем вдвое превышала плотность бронзы. Кроме того, толщина всех частей предложенной Треска меры составляла не бо­лее 3 мм, поэтому она, быстро и равномерно прогреваясь, прини­
мала температуру окружающей сре­ды без заметных искажений формы.

Соображения Треска были про­верены на практике при драмати­ческих обстоятельствах. В 1915 г., когда австрийские войска прибли­зились к Белграду, сербские этало­ны на мулах были эвакуированы в глубь страны. Во время этой эваку­ации ни о каком соблюдении посто­янных условий их хранения не мог­ло быть и речи. И тем не менее, ког­да в 1920 г. было проведено сличение эталона метра с прототи­пом, то оказалось, что его длина из­менилась меньше чем на 0,0002 мм.

В желобе были вырезаны две группы штрихов, по три штриха в

а)

б)

в) Рис. 7.2. Прототип метра: а — внешний вид; б — геометрические параметры; в — риски метра

каждой; расстояние между средними штрихами равнялось 1 м. С тех пор это расстояние стало эталоном метра. При этом фактически от­пала ссылка на длину 1 /4 земного меридиана, тем более что уже в 1837 г. Бессель установил, что новая единица была несколько коро­
че задуманной (по новейшим измерениям 1964—1967 гг. — на 2 • 10~ ⁴ м = 0,2 мм; длина 1/4 меридиана равна 10 001 954,5 м).

Однако и в отношении нового эталона не было уверенности, что его длина не станет очень слабо изменяться в силу перекристалли­зации материала. Предполагают даже, что между 1889 и 1957 гг. эта­лон укоротился на 0,5 мкм. «Метр истинный и окончательный», — записали французские ученые, принявшие за единицу длины одну десятимиллионную часть четверти парижского меридиана и создав­шие так называемый платиноиридиевый метр. Но прошло несколь­ко десятков лет, и выяснилось, что этот метр существенно отлича­ется от истинного. Это обусловило поиски другого выражения эта­лона. Кроме того, значительно возросли требования к точности измерений. В 1800 г. считалась вполне достаточной точность изме­рения длины, равная 0,25 мм; к 1900 г. предельные требования дош­ли до 0,01 мм, к 1950 г. — до 0,25 мкм, а сейчас существуют отрасли промышленности, где нужно выдерживать точность 10~⁹— Ю^-10 м. Пределы точности национальных эталонов метра составляют око­ло 10~² м.

Ко времени введения эталона метра (1889) американские уче­ные Майкельсон и Морли предложили сопоставлять метр с длиной волны светового излучения, т. е. определять, сколько длин волн ук­ладывается в 1 м. Этому предшествовали исследования во Франции.

От металлического ученые шли к спектральному эталону дли­ны. В 1829 г. французский физик Ж.Бабине (1794—1872) предложил за единицу длины принять длину определенной световой волны, которая остается абсолютно неизменной даже при космических ка­таклизмах. Хотя практическое осуществление этой идеи выходило за рамки технических возможностей того времени, она не была за­быта. Через несколько десятилетий другой французский физик И.Физо (1819—1896) писал: «Луч света с его рядами поразительно мелких, но вполне регулируемых волнообразных движений может рассматриваться как в высшей степени совершенный микрометр, особенно пригодный для измерения длины...» [18]. Практическое же осуществление этой идеи стало возможным лишь после того, как американский физик А.Майкельсон (1852—1931) существенно по­высил точность интерферометра — прибора для измерения длины
полны света, изобретенного английским физиком лордом Рэлеем (1842-1919).

Майкельсон создал интерферометр для измерения скорости света в 1881 г., а через шесть лет он совместно с американским хи­миком Э.Морли опубликовал статью «О методах использования длины волны света натрия в качестве естественного и практическо­го эталона длины». Позднее от желтых линий натрия он перешел к зеленым линиям ртути, а потом к ярко-красным линиям кадмия. В 1892 г. Майкельсон сообщил о своих исследованиях астроному Б.Гульду, представлявшему США в Международном бюро мер и весов. По настоянию последнего директор бюро Р.Бенуа пригласил Майкельсона в Париж для проведения совместных работ (рис. 7.3).

В экспериментах Майкельсона — Бенуа для измерения рассто­яний до 20 см использовалась красная линия кадмия, которая обла-

 

Линіа

Прожектор

Зеркало на горе Мауит-Видьсон

Вращающаяся восьмигранная призма^^н

'■'і!;!-.'.''

Зеркало на горе Сан-Антоиио

 

Прюма

Линза Наблюдатель

 

Юпитеру. ~

Орбита Земли { (

...........

/ Солнце ^^............ Орбита Юпитера-^

" і -і Т~Ч

^^....... Диаметр орбиты Земли • х^Д

б)

Рис. 7.3. Интерферометр Майкельсона (а) и схема измерения (б)

дала наибольшей известной тогда длиной когерентности. Но при измерениях больших расстояний интерференционная картина ста­новилась расплывчатой, а счет максимумов и минимумов — невоз­можным. Для измерения длины, достигающей метра, приходилось устанавливать ряд малых эталонов по 20 см и затем шаг за шагом продвигаться дальше. Ценой многочисленных усилий к 1893 г. было установлено, что на длине платиноиридиевого эталона, хранящегося в Международном бюро мер и весов в Париже, укладывается 1 553 163,5 длины волны красной линии кадмия.

В последующие 47 лет было проведено девять измерений дли­ны волны красной линии кадмия с помощью более совершенных и удобных установок. В результате было установлено, что на 1 м ук­ладывается 1 553 164,13 длины волны красной линии кадмия. Это означало, что ее длина волны равна 643,84696 ± 0,0001 нм. В 1927 г. это значение было допущено в качестве стандарта наряду с эталоном метра.

В 1940 г. американский физик Л.Альварец предложил избрать в качестве эталона длину зеленой линии искусственного изотопа ¹⁹⁸Hg, дающего более тонкие спектральные линии, чем природная ртуть. В 1950 г. эта идея была осуществлена на практике и в 1954 г. предложена на рассмотрение X Генеральной конференции по мерам и весам наряду с предложениями использовать в качестве эталона длины линии изотопов криптона и кадмия. Конференция постано­вила опробовать все предложенные методы, с тем чтобы к 1960 г. ус­тановить эталон длины через световую волну.

После обширных исследований выбор пал на длину волны оран­жевой линии ⁸⁶Кг, и на XI Генеральной конференции в 1960 г. метр был определен как 1 650 763,730 длины волны этого излучения в вакууме. Платиноиридиевые эталоны, принятые в 1889 г., сменил спектральный эталон, позволивший уменьшить неопределенность воспроизведения единицы длины с 1—2 • 10~⁷ до 2 • 10~⁸, т. е. на це­лый порядок.

Совершенствование лазерной техники открыло новые возмож­ности для реализации эталона длины. По сравнению с определени­ем метра по длине волны оранжевой линии криптона лазерные тех­нологии обеспечивают два существенных преимущества:

> длина когерентности для излучения лазера составляет до 10⁴ м и намного больше, чем для света криптоновой лампы (до 0,8 м). То есть становятся возможными измерения для объектов длиной, пре­вышающей 1 м;

> большая интенсивность лазера как источника света делает возможным фотоэлектрический счет интерференционных полос.

Использование микропроцессов при определении единиц вре­мени и длины позволило определить с высокой точностью фунда­ментальную физическую константу — скорость света — и ввести новый эталон единицы длины. В настоящее время расчеты при оп­ределении единицы длины основывают на соотношении для элект­ромагнитных волн: с = Xv, где с — скорость света в вакууме; А, — дли­на электромагнитного излучения; v — частота излучения. В качестве источников излучения выбирают высокостабильные лазеры. Рабо­ты по измерению длин волн излучений таких лазеров в метрологи­ческих лабораториях ряда стран показали совпадение значения ско­рости света с относительной неопределенностью, которая находится на уровне 10~⁹. Эта неопределенность в основном зависит от нео­пределенности значения единицы длины, так как неопределен­ность измерения частоты на несколько порядков меньше. В ок­тябре 1983 г. на XVII Генеральной конференции по мерам и весам скорость света отнесли к точным физическим константам. Ее ве­личина составила 299 792 458 м/с, что позволило ввести новое опре­деление единицы длины: метр равен длине пути, проходимого светом за 1/ 299 792 458 часть секунды. Это так называемый световой метр. Здесь скорость света, выраженная в метрах в секунду, является аб­солютно точной, не подлежащей дальнейшим измерениям фунда­ментальной физической константой и представляет собой есте­ственный абсолютный эталон единицы скорости.

Введенные таким образом согласованные метрологические оп­ределения единиц длины и времени стали естественным эталоном единицы скорости и согласуются с теорией относительности, в рам­ках которой значение скорости света не зависит от выбора системы отсчета. На основе определения светового метра во ВНИИФТРИ и ВНИИМ им. Д.И. Менделеева создан объединенный эталон единиц времени, частоты и длины.

Таким образом, в XX в. метрологи вернулись к идее француз­ских ученых XVTII в. — доверить создание эталона самой природе.

Эталон единицы массы

Бережное хранение эталона массы осуществляется со Средних веков. Так, образцовый ливр (фунт) Людовика Святого - эталон для монет Французского королевства XIII в. - находился в парижском храме тамплиеров. Это был своеобразный ломбард, куда состоятель­ные люди сдавали на хранение золото и драгоценности. Лучшего места в те времена невозможно было придумать: резиденция тамп­лиеров считалась двойной крепостью, которую охраняли как имя Бога, так и мечи рыцарей.

До XVIII — начала XIX в. эталоном массы служил фунт, выпол­ненный из позолоченной бронзы или платины. В России, например, за основную единицу в XIX в. был принят фунт, но значение его вос­производилось уже новым эталоном — платиновой гирей, изготов­ленной в 1827 г. по бронзовому золоченому фунту 1757 г. Первона­чально в 1799 г. килограмм был введен в качестве произвольно выб­ранной единицы веса. Одна из наиболее употребительных единиц — это фунт весом 409,51241 г, который возник в старину как две нов­городские серебряные гривны по 204,7 г каждая. Иногда фунт на­зывали двойной гривной, большой гривной или даже просто грив­ной. В последнем случае имелась в виду серебряная гривна весом 204,7 г (гривна серебра, гривенка).

В XVIII в. монетным ведомством устанавливалось такое соот­ношение между русским и иностранными фунтами: «...английский фунт = 1 русский фунт 13 золотников 44 доли, лондонский фунт = = 1 русский фунт 9 золотников 51 доля, амстердамский фунт = = 1 русский фунт 19 золотников 33 доли...». Отметим, что русский фунт весом 409,51241 г, ныне признанный основным, отличается как от английского торгового весом 453,592 г, так и от тройского фунта весом 373,242 г. Русский фунт равен 15 унциям, т. е. упоми­навшемуся нами фунту Карла Великого, известному с IX в. В XVII в. название «большая гривна» в России было вытеснено названием «фунт». Нередко в те времена применялось и название «ансырь».

Надо сказать, что в наше время наиболее распространенным во всем мире является английский торговый фунт. С XVIII в. в апте­карском деле России использовалась английская аптекарская сис­тема с английскими фунтом, унцией, граном. Вес аптекарского рос­сийского грана составлял 62,0209 мг.

Существует еще и метрический фунт весом 0,5 кг. В Венгрии его называют «ванфорт», в Китае — «цзинь». Применяют этот фунт так­же в Бельгии, Голландии, Германии, Дании.

Английская весовая система, имеющая много общего с англий­ской денежной системой, дает наиболее компактный набор гирь для произвольного взвешивания. Объясняется это тем, что если гово­рить о наиболее рациональных наборах гирь, то ими являются на­боры гирь с соотношениями два (тогда любой вес можно воспроиз­вести гирями на одной чашке весов) и три (тогда для уравновеши­вания любого веса придется класть гири на обе чашки весов). Десятичная система дает возможность использовать соотношение 1: 2, тогда как с соотношением 1: 3 дело обстоит несколько слож­нее. В английской же системе использование гирь с соотношением 1: 3 сохранено.

А.Я. Купфер добился того, что разница в весе платинового фун­та и фунта 1747 г. составляла в пустоте только 0,0042 доли. Был из­готовлен также «второй нормальный фунт» — латунный, золоченый (вторичный эталон), вес которого отличался в пустоте от первичного на 0,001 доли. Этот фунт употребляли для поверки образцовых мер.

В 1894—1898 гг. Д.И. Менделеевым был изготовлен новый пла- тиноиридиевый эталон фунта по купферовскому платиновому про­тотипу, который «не имел возможности изменить свой вес со вре­мени его устройства» (Д.И. Менделеев). Были изготовлены также три копии образца и образцовые разновесы: платиноиридиевый, платиновый и золотой.

Первоначально прототип массы должен был совпадать по сво­ей массе с 1 дм³ воды при ее наибольшей плотности при температу­ре 3,98 °С и давлении 1 физ. атм (101 325 Па = 760 торр). Однако затем было найдено, что максимальная плотность воды равна 0,999972 г • см~³, т. е. прототип массы оказался на 28 мкг больше, чем был задуман. Трудности воспроизведения единицы массы ука­занным способом привели к использованию килограммовой гири.

Рис. 7.4. Платиноиридиевая гиря 1 кг, 1984 г. ВНИИМ

 

Масса — это единственная основная единица, связанная с суще­ствованием искусственно созданного материального прототипа, который может быть выбран свободно и который не требует произ­ведения опытов для обеспечения неизменности прототипа. Однако важно также, чтобы этот прототип можно было легко воспроизвес­ти. Прототип 1 кг массы представляет собой находящийся в Меж­дународном бюро мер и весов в Севре под Парижем цилиндр из сплава платины (90%) и иридия (10%) диаметром около 39 мм и та­кой же высоты. Выбор этого сплава обеспечивает стойкость, одно­родность и высокую полируемость поверхности (так что его легко очищать).

В состав государственного эталона килограмма России входят:

> копия № 12 международного прототипа, хранящаяся в МБМВ;

> равноплечие призменные весы № 1 и 2 на 1 кг для передачи по поверочной схеме размера единицы вторичным эталоном.

Созданный одновременно с платиноиридиевым прототипом метра прототип килограмма был утвержден эталоном массы (рис. 7.4).

Чтобы предотвратить износ эталона, с ним сличают только два эталона-копии один раз в 10 лет.

Известно, что масса тела — это довольно сложная физическая величина, которая характеризует реакцию тела на воздействие гра­витационных и других внешних сил. Механизм возникновения мас­сы тела остается невыясненным до конца даже в рамках современ­ных теорий фундаментальных взаимодействий. Недавно обнаруже­ны массы нейтрино (нейтральных лептонов), необычайная малость которых, возможно, свидетельствует о существовании принципи­ально нового механизма образования масс фундаментальных вели­чин.

Эталон массы. Задание единицы массы своим искусственно со­зданным материальным прототипом не соответствует современно­му уровню науки. Приведем некоторые недостатки использования действующего эталона килограмма. Существует вероятность, что платиноиридиевый прототип килограмма может быть поврежден или даже разрушен. Большая плотность сплава, из которого он сде­лан, приводит к понижению точности сравнения в воздухе с вторич­ными, стальными эталонами килограмма, используемыми в прак­тике при многочисленных измерениях масс. Происходит постоян­ное неконтролируемое старение прототипа килограмма, которое достигает 5 • 10 кг за 100 лет. В настоящее время минимальная от­носительная неопределенность, которая достигается при практичес­ких измерениях массы, находится на уровне 10~⁷, что в некоторых случаях не отвечает современным требованиям к точности измере­ний масс. Действительно, в качестве примера приведем значения от­носительных неопределенностей при измерениях масс электрона, протона, нейтрона и альфа-частицы (табл. 7.1). Для всех представ­ленных в таблице результатов измерений, выраженных в килограм­мах, относительная стандартная неопределенность равна 1,7 • 10~⁷.

Результаты измерений приведенных величин в атомных едини­цах массы (а.е.м. — 1/12 часть массы изотопа углерода ¹²С) имеют относительные неопределенности на несколько порядков меньшие и находятся на уровне Ю^-10 (для а-частицы — порядка Ю^-11). Таким образом, точность измерений одной и той же физической величи­ны может существенно зависеть от выбора единицы ее измерения. Поскольку входящие в таблицу массы электрона и протона опреде­ляют точность измерения ряда других физических постоянных, вы-

Таблица 7.1 Значения масс некоторых фундаментальных частиц в разных единицах массы — кг и а.е.м. Частица Масса, кг Стан­дартная относи­тельная неопреде­ленность Атомная единица массы, а.е.м. Стан­дартная относи­тельная неопреде­ленность Электрон Протон Нейтрон а-частица 9,1093826(16)-10"^311,67262171(29)-Ю^-271,67492728(29) • 10~^276,6446565(11)-10"^27 1,7- 10"^71,7 ■ 10"^71,7 • 10^^71,7-10"^7 5,4857990945(24) ■ 10"^41,00727646688(13) 1,00866491560(55) 4,001506179149(56) 4,4- Ю^-101,3 • 10"^105,5 • Ю-^101,4- 10-"

 

бор, например, в качестве единицы измерения атомной единицы массы привел бы к резкому повышению точности измерения масс, т. е. к достижению качественно нового уровня точности измерений.

При выборе в качестве единицы массы значения массы какой- либо фундаментальной частицы, например электрона, протона или атома углерода ¹²С, т. е. при замене платиноиридиевого прототипа килограмма, необходимо определить с относительной неопределен­ностью Ю^-8 число Авогадро или постоянную Планка. Это направ­ление метрологических исследований сейчас интенсивно развива­ется. Основное требование к новому эталону килограмма заключа­ется в том, чтобы относительная неопределенность передачи единицы массы не превышала Ю^-8 при условии долговременной стабильности единицы не менее 5 • 10~⁹ в течение года.

Изложенное особенно важно, поскольку еще три основные еди­ницы СИ — ампер, моль и кандела — косвенным образом находят с помощью килограмма, поэтому несовершенство принятого в насто­ящее время определения эталона единицы массы сказывается и на них. Действительно, ампер связан с силой взаимодействия двух про­водников с током. Поскольку единица силы — ньютон — оценива­ется через единицу массы, то и единица электрического тока ока­зывается связанной с единицей массы. Единица силы света — кан­дела — определяется с помощью единицы мощности, которая также косвенно связана с единицей массы. Единицу количества вещества — моль — находят через единицу массы как количество субстанции, со­держащее такое же число элементарных единиц этой субстанции, какое содержится в 0,012 кг изотопа углерода ¹²С. При этом пред­полагается, что его свободные атомы находятся в покое в основном состоянии.

Приоритетным направлением метрологических работ по заме­не эталона килограмма, вероятнее всего, является использование кристаллов кремния сверхвысокой чистоты. Для этого в Европей­ском союзе реализуется проект SIMUS (Silicon for Mass Unit and Standard), в рамках которого, в частности, осуществляется выращи­вание кристаллов кремния в различных условиях. Как правило, пос­ле создания идеального кристалла ему придают вид шара и затем ис­пользуют оптический интерферометр для определения диаметра. Молярную массу кремния определяют с помощью масс-спектромет­ра, межатомное расстояние — путем комбинированного применения рентгеновской и оптической интерферометрии.

Эталон единицы времени

Древние философы сравнивали время с медленно текущей ре­кой. И это соответствовало тогдашнему созерцательному характеру восприятия мира. Нынешние понятия значительно динамичнее. И естественно, что ход времени в энергичном атомном веке отме­ряет атом.

Человек с глубокой древности пытался научиться хорошо ори­ентироваться на местности. Эти попытки дали толчок развитию аст­рономии. И как следствие - прорыв в эпоху Великих географичес­ких открытий (XV-XVT вв.). Главная задача, стоявшая перед иссле­дователями прошлых веков, состояла в определении положений на суше и на море. Нужны были координаты.

Понятия географической широты и долготы, определяющие ме­сторасположение какого-либо пункта на поверхности Земли, воз­никли, вероятно, в Древней Греции примерно за 300 лет до н. э. Но трактовались они не так, как мы понимаем их сейчас: сегодня ши­рота — это количество градусов к северу или к югу от экватора, а дол­гота — количество градусов к востоку или к западу от некоего выб­ранного меридиана. Древние же эллины эти величины обычно вы­ражали в интервалах времени: так, широту нужного пункта опреде­ляли продолжительностью самого длинного светового дня в году, а разницу долгот между двумя пунктами — различием их местного времени. Насколько известно, первым математически точную кон­цепцию географической широты и долготы предложил Клавдий Птолемей (ок. 90—160 г.), который вместо традиционных временных координат привел в своей «Географии» сетку значений, исчисляе­мых в градусах, где широты измерялись от экватора, а долготы — от самой западной точки известного мира — «островов Фортуны» (Ка­нарские острова).

Прошло более тысячелетия, прежде чем удалось сколько-нибудь существенно усовершенствовать метод определения долготы. В Ев­ропе XIII в. уже изобрели первые механические часы — это стало одним из самых важных изобретений Средневековья. Само назва­ние «часы» (от лат. clocca — колокол) говорит о том, что первые об­разцы отсчитывали (отбивали) время для религиозных и мирских нужд, и только позднее они стали астрономическими и навигаци­онными инструментами.

Эпоха географических открытий настоятельно потребовала ре­шить вопрос об определении долготы не только не суше, но и на море. В 1567 г. испанский король Филипп II назначил вознаграж­дение за решение проблемы определения долготы в открытом море. Затем в 1598 г. уже Филипп III озадачился той же проблемой: он пообещал награду 6 тыс. дукатов любому, кто сможет «открыть дол­готу». В полном объеме этого приза не удостоился никто, но для поощрения некоторым изобретателям выплачивались значительные суммы. Старались не отстать друг от друга и Голландия, Португалия, Венеция — там также назначили солидные призы за решение этой проблемы.

Очевидно, самой известной личностью, причастной к испан­ской премии, был Галилео Галилей (1564—1642). Исследуя колеба­ния маятника как механизма, позволяющего регулировать ход часов, Галилей внес весомый вклад в развитие науки измерения времени и долготы. Однако до конца данную задачу Галилей так и не решил.

Ее решил голландский математик Христиан Гюйгенс в 1657 г. Он отказался от маятника и заменил его пружиной. Правда, первый приемлемый морской хронометр с балансирной пружиной изгото­вили лишь через столетие.

Для обеспечения мореплавателей необходимыми астрономичес­кими данными английский король Карл II Стюарт в 1674 г. поручил организовать обсерваторию. Для этого выбрали Гринвичский замок, расположенный на высоком холме с прекрасным видом на Темзу в центре королевского парка, находящего вдали от дымного Лондо­на. Через два года Гринвичская обсерватория заработала. Основная ее цель на тот период состояла в решении проблемы определения долготы так называемым методом лунных расстояний. Для этого не­обходимы были точный каталог положения звезд и не менее точные таблицы движения Луны.

Но в то время настоящего прорыва в области определения дол­готы не произошло. Английские корабли по-прежнему тонули, гиб­ли тысячи людей. Причем причинами трагедий были не только не­изведанные течения, туман, плохие компасы — в гораздо большей степени этому способствовали слабое знание географических коор­динат злополучных рифов, плохие карты, некачественные лоции.

Снова были назначены огромные награды «за долготу». Многие астрономы с неиссякаемым энтузиазмом принялись измерять лун­ные расстояния, составлять каталоги положения звезд. В конце кон­цов нашелся астроном, который создал лунные таблицы требуемой точности. Это был Тобиас Майер (1723—1762) из Геттингема. Ис­пользуя уравнения Эйлера и основываясь как на собственных на­блюдениях, так и на наблюдениях астрономов Гринвича, он соста­вил таблицы движения Солнца и Луны. Эти данные позднее опуб­ликовали в 1767 г. в «Морском альманахе» Маскелайна. Расчеты в альманахе Маскелайна основывались на гринвичском меридиане. Теперь штурманы, используя «Морской альманах», прокладывали курсы, ориентируясь именно по нему. Получив долготу, отсчитыва­емую от Гринвича, они фиксировали свое положение на морской карте, где долготная сетка отмечалась по меридиану Гринвича.

Поначалу в каждом государстве время отсчитывалось по-свое­му и никакой координации в этом вопросе между странами не су- шествовало. Так продолжалось до тех пор, пока в 1884 г. на Между­народной конференции в Вашингтоне, в которой участвовали пред­ставители 26 государств, не было принято предложение канадца Флеминга о введении поясного времени в 24 зонах с разницей в один час. Там же и тогда же пришли к выводу, что необходимо устано­вить единый нулевой меридиан. Причем отсчет времени и долготы стал вестись с местечка Гринвич: так были отмечены заслуги Грин­вичской обсерватории, где работали великие астрономы. Именно Гринвич дал свое имя нулевому меридиану.

Ныне сигналы времени в Англии уже не рождаются в самом Гринвиче. Эталонное время теперь координируется Парижем (и называется оно всемирным). Сегодняшнее время поистине всемир­но, так как оно основывается на показании часов, имеющихся в рас­поряжении двадцати четырех стран.

Современная единица массы поддается овеществлению, можно многократно сравнивать свой объект с эталоном, находящимся в надежном хранилище. В отношении времени все обстоит совершен­но иначе:

> время не поддается хранению, оно бежит безостановочно;

> при измерениях времени «сейчас» проводится качественное сравнение с прошедшими отрезками времени;

> диапазон измерений времени чрезвычайно высок — от астро­номических параметров в несколько миллионов световых лет до ре­гистрации естественно-научных процессов длительностью в доли наносекунды (10~⁹ с).

Все старые определения шкалы времени основывались на визу­альном наблюдении движения звезд по небу, смене дня и ночи. За свою историю эталон времени неоднократно менялся. До 1957 г. секунда определялась по вращению Земли вокруг своей оси. С 1957 по 1967 г. — по движению Земли по орбите вокруг Солнца. В 1967 г. произошла замена самих астрономических эталонов времени (час­тоты) квантовым.

На протяжении веков понятие времени человечество связыва­ло со сменой дня и ночи, что и стало первыми временными метка­ми. Но сама продолжительность дня (светлого времени суток) зави­села от времени года, поэтому являлась периодической функцией времени года. Деление суток на 24 ч, часа — на 60 мин, минуты — на 60 с скорее всего пошло от шумеров или от древних вавилонян и египтян с их шестидесятеричной системой счета. Уже в XV в. время стало определяться по движению небесных светил.

Астрономическая шкала времени в основном определялась дву­мя движениями — вращением Земли вокруг своей оси (север—юг) и обращением Земли вокруг Солнца по почти эллиптической орбите. Интервал между двумя последовательными прохождениями Солн­ца через Гринвичский меридиан назван продолжительностью ис­тинного солнечного дня. В силу наклона земной оси и эллиптично­сти Земли продолжительность истинных солнечных суток непосто­янна. Это обусловлено и законом всемирного тяготения, по которому Земля в перигелии движется быстрее, чем в офелии.

Экспериментальные наблюдения (рис. 7.5) показывают, что раз­ница в длительности суток в июне и декабре составляет около 16 с, а между весной и летом, осенью и зимой достигает 20 с.

Если бы скорость вращения Земли была строго постоянна и находилась в целочисленном отношении к ее скорости обращения по орбите около Солнца, то определение средних солнечных суток приводило бы одновременно к определению единицы времени — се­кунды. Это, однако, не так. Необходимо принимать во внимание, что при установлении количества дней в году должны учитываться времена года. При этом снова можно было опираться на наблюде­ния Солнца или звезд, что привело к введению нового понятия — тропический год.

Месяцы Рис. 7.5. Изменение продолжительности истинных солнечных суток на протяжении одного года

 

Из наблюдения продолжительности суток или высоты Солнца над горизонтом видно, что на протяжении года продолжительность суток изменяется. Число средних солнечных суток, прошедших от одного весеннего равноденствия до другого, т. е. между двумя пос­ледовательными прохождениями Солнца через точку весеннего рав­ноденствия, равно продолжительности тропического года. Продол­жительность среднего тропического года (1 троп. = 365,24220 сред­него солнечного дня) превышает 365 дней примерно на 1/4 дня. Поэтому каждые 4 года прибавляется один день (високосный год). Чтобы правильно учитывались следующие десятичные знаки, пер­вый год столетия не считается високосным, а 1972 г. был специаль­но удлинен — кроме добавочного (високосного) дня, в него вклю­чили две дополнительные секунды (по 1 с добавили также 1 января 1973 г. и 1 января 1974 г.).

Необходимость введения среднего тропического года основыва­ется на том, что нужно учитывать малые колебания его продолжи­тельности. Земля не является совершенно жесткой, и к тому же она не шарообразна, а сплюснута к экватору. Были обнаружены суще­ствование широтных колебаний и явления нутации. И то и другое приводит к малым колебаниям положения экватора Земли. Но так как пересечения эклиптики и небесного экватора определяют точ­ки весеннего и осеннего равноденствия, то и эти точки также совер­шают малые колебательные движения.