Секунда та її історія: як визначення часу стало справою фізиків
- Ігор Сальниченко
- 30 черв.
- Читати 12 хв
Секунда – фундаментальна одиниця часу, знайома кожному з нас. Але шлях до сучасного визначення секунди був довгим і захопливим: від спостереження за рухом Сонця і зір до надточних квантових вимірювань атомів. Як сталося, що визначення часу з давніх-давен перейшло від астрономів до фізиків? Розгляньмо еволюцію вимірювання часу – від старовинних годинників до атомних еталонів – і дізнаймося, яку роль у цьому відіграли видатні вчені та інженери.
Стародавні витоки вимірювання часу
Ще стародавні цивілізації почали усвідомлювати плин часу, спостерігаючи за регулярним рухом небесних світил[4]. Сонячні годинники та водяні клепсидри з’явилися тисячі років тому – їх використовували в Єгипті і Месопотамії для поділу дня і ночі на відрізки[4][3]. У Месопотамії шумери ввели шістдесяткову систему відліку: число 60 обрали, ймовірно, через його зручність – воно ділиться на багато цілих частин. Саме від шумерів пішла традиція ділити коло на 360 градусів і годину на 60 хвилин, а згодом – хвилину на 60 секунд. Термін «секунда» походить від латинського pars minuta secunda – "друга дрібна частина" години[3].
Однак у повсякденні античності не було потреби та можливостей точно відміряти настільки малий проміжок часу, як секунда. Наприклад, стародавні єгиптяни поділяли добу на 24 години, але тривалість їхньої години змінювалася залежно від пори року. Грецькі астрономи, такі як Гіппарх (бл. 190–120 до н. е.), користувалися дробовими поділами години і запровадили поняття середньої (рівномірної) години. Втім, хвилини і секунди залишалися радше абстрактними величинами: про них міркували теоретично, але не могли відтворити на практиці з наявними приладами[3]. Секунди ввійшли в науковий обіг лише тоді, коли технології дозволили їх вимірювати надійно.
Механічні годинники і поява секунди
Прорив у точності відліку часу стався з винайденням механічного годинника. Перші механічні годинники з’явилися в Європі у XIII–XIV століттях. Вони мали ваговий привод і колісний спуск, що дозволяло вимірювати час без залежності від Сонця чи води. Ранні механічні годинники показували лише години (іноді ділили годину на половини або чверті). Поділ години на 60 хвилин ще не був практичним – адже годинниковий механізм тієї епохи не забезпечував рівномірності ходу, а тривалість годин могла дещо коливатись протягом року. Лише наприкінці XVI століття з’явилися годинники, які мали стрілку хвилинну[4], і майстри поступово освоїли відлік менших інтервалів.
Винахід, який відкрив шлях до вимірювання секунд, – це маятник. Ідею використати коливання маятника для годинника висловив Галілео Галілей (1564–1642) ще наприкінці XVI ст., спостерігаючи рівномірні гойдання лампи у Пізанському соборі. Він помітив, що період малих коливань маятника не залежить від амплітуди – властивість, названа ізохронністю. Галілей навіть спроєктував маятниковий годинник, але не встиг його реалізувати [3]. Практично ж першим маятниковий годинник створив голландський учений Християн Гюйгенс (1629–1695). Гюйгенс у 1656 році сконструював годинник із маятником, запатентований 1657 року, доручивши виготовлення механізму майстру Саломону Костеру в Гаазі. Маятниковий хронометр Гюйгенса одразу різко підвищив точність відліку – кажуть, що він був удвічі точніший за попередні годинники.
Цікаво, що ще Марен Мерсенн (1588–1648), французький математик, розрахував довжину маятника для секунди. У 1644 році Мерсенн теоретично показав: маятник завдовжки приблизно 0,994 м (39,1 дюйма) при стандартному тяжінні матиме період повного коливання 2 секунди – тобто одну секунду на кожен напівперіод. Цей «секундний маятник» дозволяв відраховувати точні секунди. Згодом, у 1670 році, англійський годинникар Вільям Клемент додав маятник довжиною ~1 м до годинника конструкції Гюйгенса. Клемент також винайшов новий анкерний спуск, що зменшив тертя і підвищив точність. На циферблатах його годинників з’явилася окрема мала шкала для секундної стрілки[3]. Так уперше стало можливим відміряти секунди з прийнятною точністю. До кінця XVII ст. «довгий годинник» із маятником став поширеним у Європі, задаючи новий стандарт точності часу.
Час і навігація: секунда у морських хронометрах
Потреба у ще точнішому вимірюванні часу виникла через практичні завдання, зокрема навігацію. До XVIII століття моряки вже вміли визначати широту за Сонцем чи Полярною зіркою, але визначити довготу в океані було складно – для цього потрібен був дуже точний годинник. Різниця в часі між точкою відплиття і поточним місцем дозволяє обчислити довготу: зміна часу на 1 годину відповідає 15° довготи. Отже, щоб знати своє схід-західне положення з похибкою до 1°, кораблю потрібен годинник, який навіть за тривалого плавання не відхилиться більше ніж на кілька секунд[3].
У 1714 році британський уряд (Адміралтейство) оголосив Longitude Prize – нагороду в 20 000 фунтів тому, хто створить прилад для визначення довготи з точністю до 1° (тобто до 4 хвилин часу). Цю проблему вдалося вирішити Джону Гаррісону (1693–1776), самоуку-годинникарю з Йоркширу. Після багаторічних експериментів Гаррісон розробив серію надзвичайно точних морських годинників – хронометрів. Перші його моделі H1, H2 та H3 були великі механізми з маятниками чи балансирами, але найвизначнішим став портативний годинник H4 – фактично кишеньковий годинник діаметром ~13 см. У 1761–1762 роках H4 пройшов випробування: під час плавання до Ямайки та назад він показав неймовірну точність, відхилившись менше ніж на 5 секунд за 2,5 місяці[4]. Це відповідало похибці близько 1,25′ довготи – значно кращій за вимоги призу. Хронометр Гаррісона дозволив морякам обчислювати довготу і врятував безліч життів, запобігши корабельним аваріям через навігаційні помилки. У результаті секунда з теоретичної абстракції перетворилася на практичну одиницю вимірювання, від якої залежала безпека мореплавства[3].
Джон Гаррісон, винахідник морського хронометра, прожив довге життя (1693–1776) і встиг побачити впровадження свого винаходу. Хоча спершу Науковий комітет сумнівався та вимагав додаткових доказів, зрештою Гаррісон отримав належну винагороду та визнання[4]. Морські хронометри, побудовані за принципами Гаррісона, стали обов’язковими приладами на кораблях у XIX столітті. Ці механічні годинники дотримувалися регулярності ходу з вражаючою для того часу точністю – їхня похибка вимірювалася секундами на добу. Таким чином, до початку ХІХ ст. секунда вже міцно закріпилася як практична одиниця часу, необхідна для науки, навігації та життя.
Електронна революція: кварцові годинники
Наступний стрибок у точності вимірювання часу пов’язаний з появою електронних технологій. 1920-ті роки ознаменувалися винайденням кварцового генератора часу. У 1927 році інженер Воррен Маррісон створив перший кварцовий годинник. Принцип його дії – використання стабільних коливань кварцової пластини під впливом змінної електричної напруги. Частота таких коливань (десятки тисяч на секунду) була надзвичайно стабільною. Кварцові годинники перевершили маятникові: похибка кращих кварцових хронометрів становила лише близько секунди за кілька років роботи.
До середини XX століття кварцові осцилятори стали основою еталонних годинників у національних обсерваторіях. Але людство вже стикнулося з іншим обмеженням: чи достатньо цього для науки? Прагнення до ще вищої точності вело дослідників до фундаментальних законів природи – у царину атомів і молекул. Тепер на арену виходять фізики, озброєні знаннями квантової механіки.
Мрія про бездоганний еталон: від Максвелла до атомного годинника
Ще задовго до практичного втілення ідея атомного еталона часу витала в наукових колах. У 1870-х роках відомі британські фізики Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) та Вільям Томсон (лорд Кельвін) (1824–1907) висловили сміливу гіпотезу: атоми можуть стати основою ідеального годинника. Вони розуміли, що атоми певного елемента є абсолютно однаковими і випромінюють світло на строго визначених частотах. Наприклад, атоми натрію чи водню мають фіксовані спектральні лінії. Максвелл і Кельвін резонно міркували: якщо взяти частоту випромінювання атома як опору, вона залишатиметься незмінною всюди у Всесвіті і протягом будь-якого часу. У 1879 році вони писали:
“Час коливання частинки натрію… абсолютно незалежний від її положення в просторі і залишатиметься тим самим, доки існує частинка”[2].
Ця далекоглядна ідея фактично передбачила народження квантових стандартів часу, хоча для її реалізації ще не було ні теорії (квантова механіка з’явилася лише у 1920-х), ні технологій.
Лише у 1930-х роках почали складатися передумови для створення атомного годинника. Американський фізик Ізідор Рабі (1898–1988) розробив методику магнітного резонансу для атомних пучків і в 1939 році запропонував використати її як еталон частоти. У 1940 році Рабі експериментально виміряв мікрохвильову частоту переходів в атомах цезію – близько 9,191 млрд коливань на секунду[2]. Ця величина згодом стала ключовою для визначення секунди. 1944 року Рабі отримав Нобелівську премію з фізики – його метод заклав основу атомної хронометрії.
Перший робочий прототип атомного годинника створив у 1948 році американський інженер Гарольд Льюїс Лайонс (1913–1998) у Національному бюро стандартів (NBS, США). Лайонс обрав не цезій, як пропонував Рабі, а молекулу аміаку (NH₃), яка теж має резонансні частоти в мікрохвильовому діапазоні. 12 серпня 1948 року команда Лайонса “намацала” резонансне поглинання мікрохвиль аміачними молекулами і зафіксувала частоту ~23,9 млрд Гц для певного переходу. Вони зорієнтували високостабільний кварцовий генератор на цю частоту, фактично визначивши секунду як інтервал, за який молекула аміаку здійснює 23,9 млрд коливань випромінювання[2].
Перший атомний годинник Лайонса презентували публіці на початку 1949 року. Це була громіздка установка, увінчана традиційним циферблатом, щоб показати, що пристрій справді показує час. Втім, аміачний стандарт виявився не точнішим за найкращі кварцові години тієї пори. Лайонс сам скептично ставився до перспектив атомного годинника, зазначивши у 1950 році, що навряд чи такий стандарт потрібен у побуті, адже “діяльність людини завжди визначатиметься сходом і заходом сонця”[2]. Як виявилося, він помилявся – атомний час став необхідним не лише для науки, а й для суспільства (згадаємо GPS, інтернет і енергосистеми, що потребують синхронізації часу з точністю наносекунд).
Попри обмеження першого прототипу, сам факт його створення був надзвичайно важливим. Лайонс довів принципову здійсненність мрії Максвелла і Кельвіна – атомний маятник успішно працював[2]. Стало ясно, що нова епоха часометрії не за горами. Надалі дослідники переключили увагу на інший елемент – цезій, як і радив Рабі. Цезій-133 виявився ідеальним кандидатом: важкий атом, зручний для експериментів, його внутрішні енергетичні рівні чітко розділені і слабко впливаються зовнішніми полями.
В 1955 році англійський фізик Луїс Ессен (1908–1997) у Національній фізичній лабораторії (NPL, Велика Британія) сконструював перший у світі цезієвий атомний годинник, достатньо стабільний для використання як стандарт часу[2]. Він використав нову схему, запропоновану американським науковцем Норманом Ремзі(1915–2011): пучок нагрітих атомів Cs-133 пролітав послідовно через дві зони мікрохвильового поля, розділені 50-см проміжком[2]. Резонансне випромінювання на частоті ~9,192631770 ГГц змушувало атоми змінювати свій стан, і ці переходи рахувалися для відліку часу. Ессен жартома запросив директора NPL «стати свідком смерті астрономічної секунди і народження атомного часу»[2].
Ессен разом з астрономом Вільямом Марковіцем (1907–1998) з Обсерваторії ВМС США провели визначальний експеримент. Марковіц дуже точно виміряв тривалість секунди за класичним методом – спостерігаючи рух Місяця і обертання Землі (ефемеридний час). Паралельно Ессен та його колега в NPL підрахували, скільки коливань цезієвого атома припадає на цю астрономічну секунду. У 1958 році вони опублікували результат: 9 192 631 770 періодів випромінювання відповідають тривалості однієї секунди. Похибка вимірювання становила лише 2×10⁻⁸ – тобто менше 0,02 мікросекунди[2]! Таким чином було встановлено міст між старим (астрономічним) і новим (атомним) визначенням секунди. Виявилося, що фізики можуть відтворити одиницю часу точніше, ніж це робить сама природа через обертання Землі.
До кінця 1950-х атомні годинники швидко удосконалювалися. 1958 року в США запрацював стандарт NBS-1, 1960 – NBS-2, невдовзі свої прилади побудували у Франції, Канаді, Японії та інших країнах[2]. Точність зросла настільки, що стало очевидно: старе визначення секунди (через добу чи рік) вже заважає прогресу. Потрібно було формально перейти на новий еталон.
Народження атомної секунди (визначення 1967 року)
Протягом тривалого часу секунда визначалася астрономічно. Історично (ще з XVII–XVIII ст.) секунду уявляли як 1/86 400 частину середньої сонячної доби, де 86 400 = 24 год × 60 хв × 60 с. Ця середня сонячна секунда служила практичним стандартом, поки точність вимірювань не виявила її невизначеність. Виявилося, що доба – не стабільна величина: через припливне тертя та інші геофізичні ефекти швидкість обертання Землі сповільнюється на частки секунди за століття[3]. Ба більше, упродовж року тривалість сонячної доби коливається на кілька мілісекунд через нерівномірний рух Землі по орбіті. Для прецизійних потреб усе це неприпустимо.
Тому в середині ХХ століття було введено проміжне визначення – так звана ефемеридна секунда. З 1956 року другу визначили як 1/31 556 925,9747 частину тривалості тропічного року на дату 0 год 0 хв 0 с 1 січня 1900 року[1][3]. Іншими словами, основу часу перенесли з доби на рік (точніше, на орбітальний рух Землі). Це визначення узгодила Міжнародна астрономічна спілка, а 1960 року схвалила 11-та Генеральна конференція мір і ваг (ГКМВ)[5,6]. Ефемеридна секунда була стабільнішою, але її реалізація вимагала астрономічних спостережень (наприклад, позицій Місяця). Тим часом фізики вже мали надійний атомний еталон, який перевершував точністю все астрономічне. Назрівав час змін.
1965 року 12-та ГКМВ попередньо визнала визначення секунди через атомний стандарт частоти, прирівнявши його до ефемеридної секунди (точність перевірки ~2×10⁻⁹. А остаточно атомну секунду ввели 1967 року на 13-й ГКМВ у Парижі. У резолюції 1 було записано сучасне визначення:
Важливо, що йдеться про атом Cs-133 у стані спокою при температурі 0 K і за відсутності зовнішніх полів – ці уточнення додав Міжнародний комітет мір і ваг у 1997–1999 роках[3]. Таким чином, з 1967 року визначення часу стало справою фізиків у буквальному сенсі: еталон секунди тепер реалізується в лабораторіях метрологів, а не в обсерваторіях астрономів.
Це рішення мало величезне значення для науки і техніки. Воно було ухвалене, коли стало зрозуміло, що точність атомних годинників на порядок вища за астрономічні методи[3]. Новий еталон часу можна відтворити в будь-якій країні за допомогою відповідної апаратури – достатньо мати доступ до цезію та мікрохвильового генератора. Фактично, секунда стала першою одиницею SI, визначеною через фундаментальну фізичну сталу (частоту квантового переходу). Це випередило навіть визначення метра через квантові стандарти (метр перевизначили в 1983 р. через швидкість світла).
Всесвітній атомний час і високосні секунди
Запровадження цезієвого еталона секунди дозволило створити глобальну часову шкалу, незалежну від обертання Землі. У 1960-х метрологічні лабораторії різних країн об’єднали свої атомні годинники в мережу. Було введено поняття Міжнародного атомного часу (TAI) – шкали, яку веде Міжнародне бюро мір і ваг (BIPM) шляхом усереднення показів кількох сотень найточніших годинників світу[4]. TAI ідеально рівномірний (її “тик” – атомна секунда), однак виникла інша проблема: як співвіднести новий час із традиційним астрономічним? Адже цивільний час доби все ще прив’язаний до дня і ночі.
Було вирішено зберегти цивільний час максимально близьким до сонячного. Для цього запровадили компромісну шкалу – Всесвітній координований час (UTC)[4]. UTC йде тим самим кроком, що й атомний TAI (цезієві секунди), але періодично до нього додають (або теоретично віднімають) одну секунду, щоб наздогнати уповільнення обертання Землі[1]. Такі вставки дістали назву високосна секунда (або секунда координації). Починаючи з 1972 року, коли систему ввели, додаткові секунди додають приблизно раз на 1,5–2 роки – в основному 30 червня або 31 грудня, коли різниця між атомним і астрономічним часом наближається до 0,9 с. Станом на 2017 рік було додано 27 секунд координації, останню – 31 грудня 2016 року[3]. Таким чином, UTC постійно узгоджується з обертанням планети: різниця між ним і астрономічним часом UT1 не перевищує ±1 с[4].
У системі SI секунда нині є базовою одиницею, на якій ґрунтуються інші: через секунду визначено герц (1 Гц = 1 с⁻¹), метр (через фіксовану швидкість світла 299 792 458 м/с)[4], а опосередковано – навіть кілограм, вольт тощо (через фундаментальні сталі, значення яких встановлено з врахуванням секунди). Точність відтворення секунди визначає точність більшості вимірювань у фізиці. Сучасні національні еталони часу – це комплекси з кількох цезієвих і водневих стандартів, що безперервно порівнюються між собою і з міжнародною шкалою TAI. Наприклад, в Україні державний еталон часу (створений 1997 р. в Інституті метрології, Харків) забезпечує відтворення UTC(UA) з похибкою близько 0,1 мікросекунди відносно UTC[3].
Новітні досягнення: найточніші годинники та перспективи
Атомні годинники на цезії служать людству вже понад півстоліття. За цей час їх точність постійно зростала. Якщо перші зразки мали похибку ~1 секунду за кілька тисяч років, то сучасні – за сотні мільйонів років. Наприклад, американський еталон NIST-F2 (уведений 2014 року) накопичує похибку 1 секунду приблизно за 300 млн років[3]. Це досягається завдяки технології фонтана цезієвих атомів: атоми охолоджують лазерами майже до 0 K та змушують вільно падати крізь мікрохвильову камеру, що усуває вплив гравітації та зіткнень. Такі установки потребують серйозної інженерії, але їхній принцип лишається вірним визначенню 1967 року.
Проте прогрес не зупиняється. Нині в лабораторіях розробляють оптичні атомні годинники, що працюють на ще вищих частотах (видиме та ультрафіолетове випромінювання). Замість мікрохвиль 10¹⁰ Гц вони використовують оптичні лазери з частотою ~10^15 Гц, які взаємодіють, наприклад, з йонами стронцію, ітербію або ртуті в електромагнітних пастках. Такі прилади вже досягли фантастичної точності: похибка <1 секунди за весь вік Всесвіту (~15 млрд років). Оптичний годинник на стронції настільки чутливий, що може зафіксувати різницю ходу часу при підйомі всього на 2 см вгору – це наслідок ефекту загальної теорії відносності (гравітаційного уповільнення часу)[4]. Таким чином, передбачення Альберта Айнштайна (1879–1955) про залежність часу від гравітації і руху отримують пряме підтвердження у вимірах.
Очікується, що в найближчому десятилітті оптичні стандарти часу можуть стати настільки надійними й зручними, що міжнародне співтовариство перегляне визначення секунди. Фахівці вже обговорюють можливе перевизначення секунди (можливо, близько 2030 р.), щоб використати переваги оптичних годинників[3]. Це означатиме черговий історичний етап: секунда буде визначена через ще фундаментальнішу сталу – частоту оптичного переходу певного атома чи йона. Втім, якою б не була техніка, сутність одиниці часу залишиться сталою – вона й далі дорівнюватиме визначеній кількості періодів електромагнітного випромінювання.
Висновок:
Шлях розвитку визначення секунди яскраво ілюструє прогрес науки. Від перших тіней на циферблаті сонячного годинника до атомних резонансів у надсучасних лабораторіях – людство завжди прагнуло точніше виміряти час. Секунда перестала бути прив’язаною до нестабільного обертання Землі і стала пов’язаною з незмінними властивостями атомів. Це перетворення стало можливим завдяки генію винахідників – від Гюйгенса і Гаррісона до Рабі та Ессена. У підсумку визначення часу стало справою фізиків: сьогодні міжнародний час підтримують не небесні світила, а мережа атомних годинників по всьому світу[4]. І хто знає, можливо, у майбутньому роль “секундних маятників” гратимуть ще екзотичніші квантові системи – але вже наступне покоління фізиків впише ці сторінки історії секунди.
Список використаних джерел:
Encyclopædia Britannica. Second (unit of time) – Jonathan D. Betts. URL: https://www.britannica.com/science/second
NIST (National Institute of Standards and Technology). A Brief History of Atomic TimeURL: https://www.nist.gov/atomic-clocks/brief-history-atomic-time
Вікіпедія (укр.). Секунда (стаття) URL: https://uk.wikipedia.org/wiki/Секунда
Вікіпедія (англ.). Atomic clock URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_clock
Resolution 1 of the 13th CGPM, 1967/68. SI unit of time (second)URL: https://www.bipm.org/en/committees/cg/cgpm/13-1967/resolution-1
Бюро міжнародних мір і ваг. Historical perspective: Unit of time (second) URL: https://www.bipm.org/en/history-si/second
Comments