Астрономическое время и часовые пояса. Глава шестая

Методика проведения 5 урока
"Время и календарь"

Цель урока: формирование системы понятий практической астрометрии о методах и инструментах измерения, счета и хранения времени.

Задачи обучения:
Общеобразовательные : формирование понятий:

Практической астрометрии о: 1) астрономических способах, инструментах и единицах измерения, счета и хранения времени, календарях и летоисчислении; 2) определении географических координат (долготы) местности по данным астрометрических наблюдений;

О космических явлениях: обращении Земли вокруг Солнца, обращении Луны вокруг Земли и вращении Земли вокруг своей оси и об их следствиях - небесных явлениях: восходе, заходе, суточном и годичном видимом движении и кульминациях светил (Солнца, Луны и звезд), смене фаз Луны.

Воспитательные: формирование научного мировоззрения и атеистическое воспитание в ходе знакомства с историей человеческого познания, с основными типами календарей и системами летоисчисления; развенчание суеверий, связанных с понятиями "високосный год" и переводом дат юлианского и григорианского календарей; политехническое и трудовое воспитание при изложении материала о приборах для измерения и хранения времени (часах), календарях и системах летоисчисления и о практических способах применения астрометрических знаний.

Развивающие: формирование умений: решать задачи на расчет времени и дат летоисчисления и перевод времени из одной системы хранения и счета в другую; выполнять упражнения на применение основных формул практической астрометрии; применять подвижную карту звездного неба, справочники и Астрономический календарь для определения положения и условий видимости небесных светил и протекания небесных явлений; определять географические координаты (долготу) местности по данным астрономических наблюдений.

Ученики должны знать:

1) причины повседневно наблюдаемых небесных явлений, порожденных обращением Луны вокруг Земли (смена фаз Луны, видимое движение Луны по небесной сфере);
2) связь продолжительности отдельных космических и небесных явлений с единицами и способами измерения, счета и хранения времени и календарями;
3) единицы измерения времени: эфемеридная секунда; сутки (звездные, истинные и средние солнечные); неделя; месяц (синодический и сидерический); год (звездный и тропический);
4) формулы, выражающие связь времен: всемирного, декретного, местного, летнего;
5) инструменты и способы измерения времени: основные типы часов (солнечные, водяные, огненные, механические, кварцевые, электронные) и правила их использования для измерения и хранения времени;
6) основные типы календарей: лунный, лунно-солнечный, солнечный (юлианский и григорианский) и основы летоисчисления;
7) основные понятия практической астрометрии: принципы определения времени и географических координат местности по данным астрономических наблюдений.
8) астрономические величины: географические координаты родного города; единицы измерения времени: эфемероидную секунду; сутки (звездные и средние солнечные); месяц (синодический и сидерический); год (тропический) и продолжительность года в основных типах календарей (лунном, лунно-солнечном, солнечном юлианском и григорианском); номера часового пояса Москвы и родного города.

Ученики должны уметь :

1) Использовать обобщенный план для изучения космических и небесных явлений.
2) Ориентироваться на местности по Луне.
3) Решать задачи, связанные с переводом единиц измерения времени из одной системы счета в другую по формулам, выражающим связь: а) между звездным и средним солнечным временем; б) Всемирного, декретного, местного, летнего времени и используя карту часовых поясов; в) между различными системами летоисчисления.
4) Решать задачи на определение географических координат места и времени наблюдения.

Наглядные пособия и демонстрации:

Фрагменты кинофильма"Практические применения астрономии".

Фрагменты диафильмов "Видимое движение небесных светил"; "Развитие представлений о Вселенной"; "Как астрономия опровергла религиозные представления о Вселенной".

Приборы и инструменты: географический глобус; карта часовых поясов; гномон и экваториальные солнечные часы, песочные часы, водяные часы (с равномерной и неравномерной шкалой); свеча с делениями как модель огненных часов, механические, кварцевые и электронные часы.

Рисунки, схемы, фотографии: смены фаз Луны, внутреннего устройства и принципа действия механических (маятниковых и пружинных), кварцевых и электронные часов, атомного стандарта времени.

Задание на дом:

1. Изучить материала учебников:
Б.А. Воронцов-Вельяминова : §§ 6 (1), 7.
Е.П. Левитана : § 6; задания 1, 4, 7
А.В. Засова, Э.В. Кононовича : §§ 4(1); 6; упражнение 6.6 (2,3)

2. Выполнить задания из сборника задач Воронцова-Вельяминова Б.А. : 113; 115; 124; 125.

План урока

Методика изложения материала

В начале урока следует провести проверку знаний, приобретенных на трех предыдущих уроках, актуализируя предназначенный к изучению материал вопросами и заданиями в ходе фронтального опроса и беседы с учащимися. Часть учеников выполняет программированные задания, решая задачи, связанные с применением подвижной карты звездного неба (аналогичные задачам заданий 1-3).

Ряд вопросов о причинах небесных явлений, основных линиях и точках небесной сферы, созвездиях, условиях видимости светил и т.д. совпадает с вопросами, задававшимися в начале прошлых уроков. Они дополняются вопросами:

1. Определите понятия "блеск светила" и "звездная величина". Что вы знаете о шкале звездных величин? От чего зависит блеск звезд? Запишите на доске формулу Погсона.

2. Что вы знаете о системе горизонтальных небесных координат? Для чего она применяются? Какие плоскости и линии являются основными в этой системе? Что такое: высота светила? Зенитное расстояние светила? Азимут светила? В чем преимущества и недостатки этой системы небесных координат?

3. Что вы знаете о I экваториальной системе небесных координат? Для чего она применяются? Какие плоскости и линии являются основными в этой системе? Что такое: склонение светила? Полярное расстояние? Часовой угол светила? В чем преимущества и недостатки этой системы небесных координат?

4. Что вы знаете о II экваториальной системе небесных координат? Для чего она применяются? Какие плоскости и линии являются основными в этой системе? Что такое прямое восхождение светила? В чем преимущества и недостатки этой системы небесных координат?

1) Как ориентироваться на местности по Солнцу? По Полярной звезде?
2) Как определить географическую широту местности из астрономических наблюдений?

Соответствующие программируемые задания:

1) Сборник задач Г.П. Субботина , задания NN 46-47; 54-56; 71-72.
2) Сборник задач Е.П. Разбитной , задания NN 4-1; 5-1; 5-6; 5-7.
3) Страут Е.К. : проверочные работы NN 1-2 темы "Практические основы астрономии" (преобразуются в программируемые в результате работы учителя).

На первом этапе урока в форме лекции осуществляется формирование понятий о времени, единицах измерения и счета времени, основанных на продолжительности космических явлений (вращении Земли вокруг своей оси, обращения Луны вокруг Земли и обращения Луны вокруг Солнца), связи между различными "временами" и часовых поясах. Мы считаем необходимым дать ученикам общее понятие о звездном времени.

Нужно обратить внимание учеников:

1. Продолжительность суток и года зависит от того, в какой системе отсчета рассматривается движение Земли (связана ли она с неподвижными звездами, Солнцем и т.д.). Выбор системы отсчета отражается в названии единицы счета времени.

2. Продолжительность единиц счета времени связана с условиями видимости (кульминациями) небесных светил.

3. Введение атомного стандарта времени в науке было обусловлено неравномерностью вращения Земли, обнаруженной при повышении точности часов.

4. Введение поясного времени обусловлено необходимостью согласования хозяйственных мероприятий на территории, определяемой границами часовых поясов. Широко распространенной бытовой ошибкой является отождествление местного времени с декретным временем.

1. Время. Единицы измерения и счета времени

Время - основная физическая величина, характеризующая последовательную смену явлений и состояний материи, длительность их бытия.

Исторически все основные и производные единицы измерения времени определяются на основе астрономических наблюдений за протеканием небесных явлений, обусловленных: вращением Земли вокруг своей оси, вращением Луны вокруг Земли и вращением Земли вокруг Солнца. Для измерения и счета времени в астрометрии пользуются разными системами отсчета, связанными с теми или иными небесными светилами или определенными точками небесной сферы. Наибольшее распространение получили:

1. "Звездное " время, связанное с перемещением звезд на небесной сфере. Измеряется часовым углом точки весеннего равноденствия: S = t ^ ; t = S - a

2. "Солнечное " время, связанное: с видимым движением центра диска Солнца по эклиптике (истинное солнечное время) или движением "среднего Солнца" - воображаемой точки, равномерно перемещающейся по небесному экватору за тот же промежуток времени, что и истинное Солнце (среднее солнечное время).

С введением в 1967 году атомного стандарта времени и Международной системы СИ в физике используется атомная секунда.

Секунда - физическая величина, численно равная 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Все вышеописанные "времена" согласуются между собой путем специальных расчетов. В повседневной жизни используется среднее солнечное время.

Определение точного времени, его хранение и передача по радио составляют работу Службы Времени, которая существует во всех развитых странах мира, в том числе и в России.

Основной единицей звездного, истинного и среднего солнечного времени являются сутки. Звездные, средние солнечные и иные секунды мы получаем делением соответствующих суток на 86400 (24 h´ 60 m´ 60 s).

Сутки стали первой единицей измерения времени свыше 50000 лет назад.

Сутки - промежуток времени, в течение которого Земля делает один полный оборот вокруг своей оси относительно какого-либо ориентира.

Звездные сутки - период вращения Земли вокруг своей оси относительно неподвижных звезд, определяется как промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминациями точки весеннего равноденствия.

Истинные солнечные сутки - период вращения Земли вокруг своей оси относительно центра диска Солнца, определяемый как промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями центра диска Солнца.

Ввиду того, что эклиптика наклонена к небесному экватору под углом 23њ 26¢ , а Земля вращается вокруг Солнца по эллиптической (слегка вытянутой) орбите, скорость видимого движения Солнца по небесной сфере и, следовательно, продолжительность истинных солнечных суток будет постоянно изменяться на протяжении года: наиболее быстро вблизи точек равноденствий (март, сентябрь), наиболее медленно вблизи точек солнцестояний (июнь, январь).

Для упрощения расчетов времени в астрономии введено понятие средних солнечных суток - периода вращения Земли вокруг своей оси относительно "среднего Солнца".

Средние солнечные сутки определяются как промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями "среднего Солнца".

Средние солнечные сутки на 3 m 55,009 s короче звездных суток.

24 h 00 m 00 s звездного времени равны 23 h 56 m 4,09 s среднего солнечного времени.

Для определенности теоретических расчетов принята эфемеридная (табличная) секунда, равная средней солнечной секунде 0 января 1900 года в 12 часов равнотекущего времени, не связанного с вращением Земли. Около 35000 лет назад люди обратили внимание на периодическое изменение вида Луны - смену лунных фаз. Фаза Ф небесного светила (Луны, планеты и т.д.) определяется отношением наибольшей ширины освещенной части диска d¢ к его диаметру D : . Линия терминатора разделяет темную и светлую часть диска светила.

Рис. 32. Смена фаз Луны

Луна движется вокруг Земли в ту же сторону, в какую Земля вращается вокруг своей оси: с запада на восток. Отображением этого движения является видимое перемещение Луны на фоне звезд навстречу вращению неба. Каждые сутки Луна смещается к востоку на 13њ относительно звезд и за 27,3 суток совершает полный круг. Так была установлена вторая после суток мера времени - месяц (рис. 32).

Сидерический (звездный) лунный месяц - период времени, в течение которого Луна совершает один полный оборот вокруг Земли относительно неподвижных звезд. Равен 27 d 07 h 43 m 11,47 s .

Синодический (календарный) лунный месяц - промежуток времени между двумя одноименными последовательными фазами (обычно новолуниями) Луны. Равен 29 d 12 h 44 m 2,78 s .

Рис. 33. Способы ориентации на местности по Луне

Совокупность явлений видимого движения Луны на фоне звезд и смены фаз Луны позволяет ориентироваться по Луне на местности (рис. 33). Луна появляется узеньким серпиком на западе и исчезает в лучах утренней зари таким же узким серпом на востоке. Мысленно приставим слева к лунному серпу прямую линию. Мы можем прочесть на небе либо букву "Р" - "растет", "рога" месяца повернуты влево - месяц виден на западе; либо букву "С" - "стареет", "рога" месяца повернуты вправо - месяц виден на востоке. В полнолуние Луна в полночь видна на юге.

В результате наблюдений за изменением положения Солнца над горизонтом в течение многих месяцев возникла третья мера времени - год .

Год - промежуток времени, в течение которого Земля делает один полный оборот вокруг Солнца относительно какого-либо ориентира (точки).

Звездный год - сидерический (звездный) период обращения Земли вокруг Солнца, равный 365,256320... средних солнечных суток.

Аномалистический год - промежуток времени между двумя последовательными прохождениями среднего Солнца через точку своей орбиты (обычно, перигелий), равен 365,259641... средних солнечных суток.

Тропический год - промежуток времени между двумя последовательными прохождениями среднего Солнца через точку весеннего равноденствия, равный 365,2422... средних солнечных суток или 365 d 05 h 48 m 46,1 s .

Всемирное время определяется как местное среднее солнечное время на нулевом (Гринвичском) меридиане.

Поверхность Земли разбита на 24 участка, ограниченных меридианами - часовые пояса . Нулевой часовой пояс расположен симметрично относительно нулевого (гринвичского) меридиана. Нумерация поясов дается от 0 до 23 с запада на восток. Реальные границы поясов совмещены с административными границами районов, областей или государств. Центральные меридианы часовых поясов отстоят друг от друга ровно на 15њ (1 час), поэтому при переходе из одного часового пояса в другой время изменяется на целое число часов, а число минут и секунд не изменяется. Новые календарные сутки (и Новый год) начинаются на линии перемены даты (демаркационной линии ), проходящей в основном по меридиану 180њ восточной долготы вблизи северо-восточной границы Российской Федерации. Западнее линии перемены дат число месяца всегда на единицу больше, нежели к востоку от нее. При пересечении этой линии с запада на восток календарное число уменьшается на единицу, а при пересечении линии с востока на запад календарное число увеличивается на единицу, что исключает ошибку в счете времени при кругосветных путешествиях и перемещениях людей из Восточного в Западное полушария Земли.

Поясное время определяется по формуле:
T n = T 0 + n , где Т 0 - всемирное время; n - номер часового пояса.

Декретное время - поясное время, измененное на целое число часов правительственным распоряжением. Для России равно поясному, плюс 1 час.

Московское время - декретное время второго часового пояса (плюс 1 час):
Tм = T 0 + 3 (часа).

Летнее время - декретное поясное время, изменяемое дополнительно на плюс 1 час по правительственному распоряжению на период летнего времени с целью экономии энергоресурсов.

Вследствие вращения Земли разность между моментами наступления полдня или кульминаций звезд с известными экваториальными координатами в 2 пунктах равна разности географических долгот пунктов, что дает возможность определения долготы данного пункта из астрономических наблюдений Солнца и других светил и, наоборот, местного времени в любом пункте с известной долготой.

Географическая долгота местности отсчитывается к востоку от "нулевого" (гринвичского) меридиана и численно равна промежутку времени между одноименными кульминациями одного и того же светила на гринвичском меридиане и в пункте наблюдения: , где S - звездное время в точке с данной географической широтой, S 0 - звездное время на нулевом меридиане. Выражается в градусах или часах, минутах и секундах.

Чтобы определить географическую долготу местности, необходимо определить момент кульминации какого-либо светила (обычно Солнца) с известными экваториальными координатами. Переведя с помощью специальных таблиц или калькулятора время наблюдений из среднего солнечного в звездное и зная по справочнику время кульминации этого светила на гринвичском меридиане, мы без труда определим долготу местности. Единственную сложность вычислений составляет точный перевод единиц времени из одной системы в другую. Момент кульминации можно не "караулить": достаточно определить высоту (зенитное расстояние) светила в любой точно зафиксированный момент времени, но вычисления будут довольно сложными.

На втором этапе урока ученики знакомятся с приборами для измерения, хранения и счета времени – часами. Показания часов служат эталоном, с которым можно сравнивать промежутки времени. Следует внимание учащихся на то, что необходимость в точном определении моментов и промежутков времени стимулировала развитие астрономии и физики: вплоть до середины ХХ века астрономические способы измерения, хранения времени и эталоны времени лежали в основе мировой Службы Времени. Точность хода часов контролировалась астрономическими наблюдениями. В настоящее время развитие физики привело к созданию более точных способов определения и эталонов времени, которые стали использоваться астрономами для исследования явлений, лежавших в основе прежних способов измерения времени.

Материал излагается в виде лекции, сопровождаемой демонстрациями принципа действия и внутреннего устройства часов различного типа.

2. Приборы для измерения и хранения времени

Еще в Древнем Вавилоне солнечные сутки были разделены на 24 часа (360њ : 24 = 15њ ). Позднее каждый час был разделен на 60 минут, а каждая минута на 60 секунд.

Первыми приборами для измерения времени были солнечные часы. Простейшие солнечные часы - гномон - представляют собой вертикальный шест в центре горизонтальной площадки с делениями (рис. 34). Тень от гномона описывает сложную кривую, зависящую от высоты Солнца и меняющуюся день ото дня в зависимости от положения Солнца на эклиптике, скорость движения тени тоже меняется. Солнечные часы не требуют завода, не останавливаются и всегда идут правильно. наклонив площадку так, чтобы шест от гномона был нацелен на полюс мира, мы получим экваториальные солнечные часы, в которых скорость движения тени равномерна (рис. 35).

Рис. 34. Горизонтальные солнечные часы. Углы, соответствующие каждому часу, имеют различную величину и рассчитываются по формуле:, где a - угол между полуденной линией (проекцией небесного меридиана на горизонтальную поверхность) и направлением на числа 6, 8, 10..., указывающих часы; j - широта места; h - часовой угол Солнца (15њ , 30њ , 45њ )

Рис. 35. Экваториальные солнечные часы. Каждому часу на циферблате соответствует угол в 15њ

Для измерения времени в ночное время и в ненастье изобретены песочные, огненные и водяные часы.

Песочные часы отличаются простотой конструкции и точностью, но громоздки и "заводятся" лишь на короткое время.

Огненные часы представляют собой спираль или палочку из горючего вещества с нанесенными делениями. В Древнем Китае создавались смеси, горящие месяцами без постоянного присмотра. Недостатки этих часов: низкая точность хода (зависимость скорости горения от состава вещества и погоды) и сложность изготовления (рис. 36).

Водяные часы (клепсидры) применялись во всех странах Древнего мира (рис. 37 а, б).

Механические часы с гирями и колесами были изобретены в Х-XI веках. В России первые башенные механические часы были установлены в московском Кремле в 1404 году монахом Лазарем Сорбиным. Маятниковые часы изобрел в 1657 году голландский физик и астроном Х. Гюйгенс. Механические часы с пружиной изобрели в XVIII веке. В 30-е годы нашего века изобрели кварцевые часы. В 1954 году в СССР возникла идея создания атомных часов - "Государственного первичного эталона времени и частоты". Они были установлены в научно-исследовательском институте под Москвой и давали случайную ошибку в 1 секунду раз в 500000 лет.

Еще более точный атомный (оптический) стандарт времени был создан в СССР 1978 году. Ошибка в 1 секунду происходит раз в 10000000 лет!

С помощью этих и многих других современных физических приборов удалось с очень высокой точностью определить значения основных и производных единиц измерения времени. Были уточнены многие характеристики видимого и истинного движения космических тел, открыты новые космические явления, в том числе изменения в скорости вращения Земли вокруг своей оси на 0,01-1 секунду в течение года.

3. Календари. Летоисчисление

Календарь - непрерывная система счисления больших промежутков времени, основанная на периодичности явлений природы, особенно отчетливо проявляющейся в небесных явлениях (движении небесных светил). С календарем неразрывно связана вся многовековая история человеческой культуры.

Потребность в календарях возникла в такой глубокой древности, когда человек не умел еще читать и писать. Календари определяли наступление весны, лета, осени и зимы, периоды цветения растений, созревания плодов, сбора лекарственных трав, изменений в поведении и жизни животных, изменения погоды, время земледельческих работ и многое другое. Календари отвечают на вопросы: "Какое сегодня число?", "Какой день недели?", "Когда произошло то или иное событие?" и позволяют регулировать и планировать жизнь и хозяйственную деятельность людей.

Выделяют три основных типы календарей:

1. Лунный календарь , в основе которого лежит синодический лунный месяц продолжительностью 29,5 средних солнечных суток. Возник свыше 30000 лет назад. Лунный год календаря содержит 354 (355) суток (на 11,25 суток короче солнечного) и делится на 12 месяцев по 30 (нечетные) и 29 (четные) суток в каждом (в мусульманском календаре они называются: мухаррам, сафар, раби аль-авваль, раби ас-сани, джумада аль-уля, джумада аль-ахира, раджаб, шаабан, рамадан, шавваль, зуль-каада, зуль-хиджжра). Поскольку календарный месяц на 0,0306 суток короче синодического и за 30 лет разница между ними достигает 11 суток, в арабском лунном календаре в каждом 30-летнем цикле насчитывается 19 "простых" лет по 354 суток и 11 "високосных" по 355 суток (2-й, 5-й, 7-й, 10-й, 13-й, 16-й, 18-й, 21-й, 24-й, 26-й, 29-й годы каждого цикла). Турецкий лунный календарь менее точен: в его 8 –летнем цикле 5 "простых" и 3 "високосных" года. Новогодняя дата не фиксируется (медленно перемещается из года в год): так, 1421 год хиджжры начался 6 апреля 2000 г. и закончится 25 марта 2001 года. Лунный календарь принят в качестве религиозного и государственного в мусульманских государствах Афганистане, Ираке, Иране, Пакистане, ОАР и других. Для планирования и регулирования хозяйственной деятельности параллельно применяются солнечный и лунно-солнечный календари.

2. Солнечный календарь , в основу которого положен тропический год. Возник свыше 6000 лет назад. В настоящее время принят в качестве мирового календаря.

Юлианский солнечный календарь "старого стиля" содержит 365,25 суток. Разработан александрийским астрономом Созигеном, введен императором Юлием Цезарем в Древнем Риме в 46 г. до н.э. и распространился затем по всему миру. На Руси был принят в 988 г. н.э. В юлианском календаре продолжительность года определяется в 365,25 суток; три "простых" года насчитывают по 365 суток, один високосный - 366 суток. В году 12 месяцев по 30 и 31 день каждый (кроме февраля). Юлианский год отстает от тропического на 11 минут 13,9 секунды в год. За 1500 лет его применения накопилась ошибка в 10 суток.

В григорианском солнечном календаре "нового стиля" продолжительность года составляет 365, 242500 суток. В 1582 году юлианский календарь по указу Папы Римского Григория XIII был реформирован в соответствие с проектом итальянского математика Луиджи Лилио Гаралли (1520-1576 гг.). Счет дней передвинули на 10 суток вперед и условились каждое столетие, не делящееся на 4 без остатка: 1700, 1800, 1900, 2100 и т. д. не считать високосным. Тем самым исправляется ошибка в 3 суток за каждые 400 лет. Ошибка в 1 сутки "набегает" за 2735 лет. Новые столетия и тысячелетия начинаются с 1 января "первого" года данного столетия и тысячелетия: так, XXI век и III тысячелетие нашей эры (н.э.) начнется 1 января 2001 года по григорианскому календарю.

В нашей стране до революции применялся юлианский календарь "старого стиля", ошибка которого к 1917 году составляла 13 суток. В 1918 году в стране был введен принятый во всем мире григорианский календарь "нового стиля" и все даты сдвинулись на 13 суток вперед.

Перевод дат юлианского календаря на григорианский календарь осуществляется по формуле: , где Т Г и Т Ю – даты по григорианскому и юлианскому календарю; n – целое число дней, С – число полных прошедших столетий, С 1 - ближайшее число столетий, кратное четырем.

Другими разновидностями солнечных календарей являются:

Персидский календарь, определявший продолжительность тропического года в 365,24242 суток; 33-летний цикл включает в себя 25 "простых" и 8 "високосных" лет. Значительно точнее григорианского: ошибка в 1 год "набегает" за 4500 лет. Разработан Омаром Хайямом в 1079 году; применялся на территории Персии и ряда других государств до середины XIX века.

Коптский календарь похож на юлианский: в году насчитывается 12 месяцев по 30 суток; после 12 месяца в "простом" году добавляется 5, в "високосном" – 6 дополнительных дней. Используется в Эфиопии и некоторых других государствах (Египет, Судан, Турция и т.д.) на территории проживания коптов.

3. Лунно-солнечный календарь , в котором движение Луны согласовывается с годичным движением Солнца. Год состоит из 12 лунных месяцев по 29 и по 30 суток в каждом, к которым для учета движения Солнца периодически добавляются "високосные" годы, содержащие дополнительный 13-й месяц. В результате "простые" годы продолжаются 353, 354, 355 суток, а "високосные" - 383, 384 или 385 суток. Возник в начале I тысячелетия до н.э., применялся в Древнем Китае, Индии, Вавилоне, Иудее, Греции, Риме. В настоящее время принят в Израиле (начало года приходится на разные дни между 6 сентября и 5 октября) и применяется, наряду с государственным, в странах Юго-Восточной Азии (Вьетнаме, Китае и т.д.).

Помимо вышеописанных основных типов календарей были созданы и в некоторых регионах Земли до сих пор применяются календари, учитывающие видимое движение планет на небесной сфере.

Восточный лунно-солнечно-планетный 60-летний календарь основан на периодичности движения Солнца, Луны и планет Юпитера и Сатурна. Возник в начале II тысячелетия до н.э. в Восточной и Юго-Восточной Азии. В настоящее время используется в Китае, Корее, Монголии, Японии и некоторых других странах данного региона.

В 60-летнем цикле современного восточного календаря насчитывается 21912 суток (в первых 12-ти годах содержится 4371 суток; во вторых и четвертых – 4400 и 4401суток; в третьих и в пятых – 4370 суток). В этот промежуток времени укладывается два 30-летних цикла Сатурна (равных сидерическим периодам его обращения Т Сатурна = 29,46 » 30 лет), приблизительно три 19-летних лунно-солнечных цикла, пять 12-летних циклов Юпитера (равных сидерическим периодам его обращения Т Юпитера = 11,86 » 12 лет) и пять 12-летних лунных циклов. Количество дней в году непостоянно и может составлять в "простые" годы 353, 354, 355 суток, в високосные 383, 384, 385 суток. Начало года в разных государствах приходится на различные даты с 13 января по 24 февраля. Текущий 60-летний цикл начался в 1984 году. Данные о сочетании знаков восточного календаря приведены в Приложении.

Центральноамериканский календарь культур индейцев майя и ацтеков применялся в период около 300–1530 гг. н.э. Основан на периодичности движения Солнца, Луны и синодических периодов обращения планет Венеры (584 d) и Марса (780 d). "Длинный" год продолжительностью 360 (365) суток состоял из 18 месяцев по 20 суток в каждом и 5 праздничных дней. Параллельно в культурно-религиозных целях использовался "короткий год" из 260 суток (1/3 синодического периода обращения Марса) делился на 13 месяцев по 20 суток в каждом; "номерные" недели состояли из 13 дней, имевших свой номер и название. Продолжительность тропического года была определена с высочайшей точностью в 365,2420 d (ошибка в 1 сутки на накапливается за 5000 лет!); лунного синодического месяца – 29,53059 d .

К началу ХХ века рост международных научных, технических и культурно-экономических связей обусловил необходимость создания единого, простого и точного Всемирного календаря. Существующие календари имеют многочисленные недостатки в виде: недостаточного соответствия продолжительности тропического года и датам астрономических явлений, связанных с движением Солнца по небесной сфере, неравной и непостоянной продолжительности месяцев, несогласованности чисел месяца и дней недели, несоответствия их названий положению в календаре и т.д. Неточности современного календаря проявляются

Идеальный вечный календарь обладает неизменной структурой, позволяющей быстро и однозначно определять дни недели по любой календарной дате летоисчисления. Одним из наилучших проектов вечных календарей был рекомендован к рассмотрению Генеральной Ассамблеей ООН в 1954 году: при схожести с григорианским календарем он был проще и удобнее. Тропический год делится на 4 квартала по 91 сутки (13 недель). Каждый квартал начинается с воскресения и кончается субботой; состоит из 3 месяцев, в первом месяце 31 сутки, во втором и третьем – 30 суток. В каждом месяце 26 рабочих дней. Первый день года всегда воскресение. Данные по этому проекту приведены в Приложении. Он оказался не реализован по религиозным соображениям. Введение единого Всемирного вечного календаря остается одной из проблем современности.

Начальная дата и последующая система летоисчисления называются эрой . Начальную точку отсчета эры называют ее эпохой .

С древних времен начало определенной эры (известно более 1000 эр в различных государствах различных регионов Земли, в том числе 350 – в Китае и 250 в Японии) и весь ход летоисчисления связывался с важными легендарными, религиозными или (реже) реальными событиями: временем царствования определенных династий и отдельных императоров, войнами, революциями, олимпиадами, основанием городов и государств, "рождением" бога (пророка) или "сотворением мира".

За начало китайской 60-летней цикловой эры принята дата 1-го года царствования императора Хуанди - 2697 г. до н.э.

В Римской империи счет велся от "основания Рима" с 21 апреля 753 г. до н.э. и с дня воцарения императора Диоклетиана 29 августа 284 г. н.э.

В Византийской империи и позднее, по традиции, на Руси – с принятия христианства князем Владимиром Святославовичем (988 г. н.э.) до указа Петра I (1700 г. н.э.) счет лет велся "от сотворения мира": за начало отсчета была принята дата 1 сентября 5508 г. до н.э (первый год "византийской эры"). В Древнем Израиле (Палестине) "сотворение мира" произошло попозже: 7 октября 3761 г. до н.э (первый год "еврейской эры"). Существовали и другие, отличные от наиболее распространенных вышеуказанных эр "от сотворения мира".

Рост культурно-экономических связей и широкое распространение христианской религии на территории Западной и Восточной Европы породили необходимость в унификации систем летоисчисления, единиц измерения и счета времени.

Современное летоисчисление – "наша эра ", "новая эра " (н.э.), "эра от Рождества Христова" (Р.Х .), Anno Domeni (A.D. – "год господа") – ведется от произвольно выбранной даты рождения Иисуса Христа. Поскольку ни в одном историческом документе она не указана, а Евангелия противоречат друг другу, ученый монах Дионисий Малый в 278 г. эры Диоклетиана решил "научно", на основе астрономических данных вычислить дату эпохи. В основу расчетом была положены: 28-летний "солнечный круг" – промежуток времени, за который числа месяцев приходятся точно на те же дни недели, и 19-летний "лунный круг" – промежуток времени, за который одинаковые фазы Луны приходятся на одни и те же дни месяца. Произведение циклов "солнечного" и "лунного" круга с поправкой на 30-летнее время жизни Христа (28 ´ 19S + 30 = 572) дало начальную дату современного летоисчисления. Счет лет согласно эре "от Рождества Христова" "приживался" очень медленно: вплоть до XV века н.э. (т.е. даже 1000 лет спустя) в официальных документах Западной Европы указывалось 2 даты: от сотворения мира и от Рождества Христова (A.D.).

В мусульманском мире за начало летоисчисления принято 16 июля 622 года нашей эры – день "хиджжры" (переселения пророка Мохаммеда из Мекки в Медину).

Перевод дат из "мусульманской" системы летоисчисления Т М в "христианскую" (григорианскую) Т Г можно осуществить по формуле: (лет).

Для удобства астрономических и хронологических расчетов с конца XVI века применяется предложенное Ж. Скалигером летоисчисление юлианского периода (J. D. ). Непрерывный счет дней ведется с 1 января 4713 г. до н.э.

Как на предыдущих уроках, следует поручить ученикам самостоятельно дополнить табл. 6 сведениями об изученных на уроке космических и небесных явлениях. На это отводится не более 3 минут, затем учитель проверяет и корректирует работу школьников. Таблица 6 дополняется сведениями:

Материал закрепляется при решении задач:

Упражнение 4:

1. 1 января солнечные часы показывают 10 часов утра. Какое время показывают в этот момент ваши часы?

2. Определите разницу в показаниях точных часов и хронометра, идущего по звездному времени, спустя 1 год после их одновременного пуска.

3. Определите моменты начала полной фазы лунного затмения 4 апреля 1996 года в Челябинске и в Новосибирске, если по всемирному времени явление произошло в 23 h 36 m .

4. Определите, можно ли наблюдать во Владивостоке затмение (покрытие) Луной Юпитера, если оно произойдет в 1 h 50 m по всемирному времени, а Луна зайдет во Владивостоке в 0 h 30 m по местному летнему времени.

5. Сколько суток содержал 1918 год в РСФСР?

6. Какое наибольшее число воскресений может быть в феврале?

7. Сколько раз в году восходит Солнце?

8. Почему Луна всегда повернута к Земле одной и той же стороной?

9. Капитан корабля измерил в истинный полдень 22 декабря зенитное расстояние Солнца и нашел его равным 66њ 33". Хронометр, идущий по гринвичскому времени, показал в момент наблюдения 11 h 54 m утра. Определите координаты корабля и его положение на карте мира.

10. Каковы географические координаты места, где высота Полярной звезды 64њ 12", а кульминация звезды a Лиры происходит на 4 h 18 m позже, чем в обсерватории Гринвича?

11. Определите географические координаты места, в котором верхняя кульминация звезды a - - дидактика - контрольные работы - задача

Каждое астрономическое наблюдение должно сопровождаться данными о моменте времени его выполнения. Точность момента времени может быть различной, в зависимости от требований и свойств наблюдаемого явления. Так, например, при обычных наблюдениях метеоров и переменных звезд вполне достаточно знать момент с точностью до минуты. Наблюдения же солнечных затмений, покрытий звезд Луной и в особенности наблюдения за движением искусственных спутников Земли требуют отметки моментов с точностью не меньшей, чем до десятой доли секунды. Точные же астрометрические наблюдения суточного вращения небесной сферы заставляют применять особые способы регистрации моментов времени с точностью до 0,01 и даже 0,005 секунды!

Поэтому одна из основных задач практической астрономии состоит в получении из наблюдений точного времени, хранении его и сообщении данных о времени потребителям.

Для хранения времени астрономы располагают очень точными часами, которые регулярно проверяют, определяя моменты кульминаций звезд при помощи специальных инструментов. Передача же сигналов точного времени по радио позволила им организовать всемирную Службу времени, т. е. связать все обсерватории, занимающиеся наблюдениями такого рода, в одну систему.

В обязанность Служб времени, помимо подачи в эфир сигналов точного времени, входит также передача упрощенных сигналов, которые всем радиослушателям хорошо известны. Это шесть коротких сигналов, «точек», которые подаются перед началом нового часа. Момент последней «точки», с точностью до сотой доли секунды, совпадает с началом нового часа. Любителю астрономии рекомендуется пользоваться этими сигналами для проверки своих часов. Проверяя часы, мы не должны их переводить, так как при этом механизм портите я, а астроном должен беречь свои часы, так как это один из основных его инструментов. Он должен определять «поправку часов» - разность между точным временем и их показаниями. Эти поправки должны систематически определяться и записываться в дневник наблюдателя; их дальнейшее изучение позволит определить ход часов и хорошо их исследовать.

Конечно, желательно иметь в своем распоряжении возможно лучшие часы. Что же надо понимать под термином «хорошие часы»?

Необходимо, чтобы они возможно точнее сохраняли свой ход. Сравним между собой два экземпляра обычных карманных часов:

Положительный знак поправки означает, что для получения точного времени надо к показанию часов прибавить поправку.

В двух половинах таблички приведены записи поправок часов. Вычитая из нижней поправки верхнюю и деля на количество прошедших между определениями суток, мы получаем суточный ход часов. Данные о ходе приведены в той же таблице.

Почему мы назвали одни часы плохими, а другие хорошими? У первых часов поправка близка к нулю, но их ход меняется нерегулярно. У вторых - поправка велика, но ход равномерен. Первые часы пригодны для таких наблюдений, которые не требуют отметки времени точнее, чем до минуты. Интерполировать их показания нельзя, а проверять их надо несколько раз в ночь.

Вторые, «хорошие часы», пригодны для выполнения более сложных наблюдений. Конечно, полезно их проверять чаще, но можно интерполировать их показания для промежуточных моментов. Покажем это на примере. Допустим, что наблюдение сделано 5 ноября в 23 ч. 32 м. 46 с. по нашим часам. Проверка часов, произведенная в 17 часов 4 ноября, дала поправку +2 м. 15 с. Суточный ход, как видно из таблицы, +5,7 с. С 17 часов 4 ноября до момента наблюдения прошли 1 сутки и 6,5 часа или 1,27 суток. Умножая это число на суточный ход, получаем +7,2 с. Поэтому поправка часов в момент наблюдения была равна не 2 м. 15 с., а +2 м. 22 с. Ее мы и прибавляем к моменту наблюдения. Итак, наблюдение произведено 5 ноября в 23 ч. 35 м. 8 с.

1. Местное время. Время, измеренное на данном географическом меридиане, называется местным временем этого меридиана.Для всех мест на одном и том же меридиане часовой угол точки весеннего равноденствия (или Солнца, или среднего солнца) в какой-либо момент один и тот же. Поэтому на всем географическом меридиане местное время (звездное или солнечное) в один и тот же момент одинаково.

2. Всемирное время. Местное среднее солнечное время гринвичского меридиана называется всемирным временем.

Местное среднее время любого пункта на Земле всегда равно всемирному времени в этот момент плюс долгота данного пункта, выраженная в часовой мере и считаемая положительной к востоку от Гринвича.

3. Поясное время. В 1884 г. была предложена поясная система счета среднего времени: счет времени ведется только на 24 основных географических меридианах, расположенных друг от друга по долготе точно через 15°, приблизительно посередине каждого часового пояса. Часовые пояса занумерованы от 0 до 23. За основной меридиан нулевого пояса принят гринвичский.

4. Декретное время. В целях более рационального распределения электроэнергии, идущей на освещение предприятий и жилых помещений, и наиболее полного использования дневного света в летние месяцы года во многих странах переводят часовые стрелки часов, идущих по поясному времени, на 1h вперед.

5.Вследствие неравномерного вращения Земли средние сутки, оказываются величиной непостоянной. Поэтому в астрономии пользуются двумя системами счета времени: неравномерным временем, которое получается из наблюдений и определяется действительным вращением Земли, и равномерным временем, которое является аргументом при вычислении эфемерид планет и определяется по движению Луны и планет. Равномерное время называется ньютоновским или эфемеридным временем.

9.Календарь. Типы календарей. История современного календаря. Юлианские дни.

Система счета длительных промежутков времени называется календарем. Все календари можно разделить на три главных типа: солнечные, лунные и лунно-солнечные. В основе солнечных календарей лежит продолжительность тропического года, в основе лунных - продолжительность лунного, месяца, лунно-солнечные календари основаны на обоих этих периодах. Современный календарь, принятый в большинстве стран, является солнечным календарем. Основной единицей меры времени солнечных календарей является тропический год. Продолжительность тропического года в средних солнечных сутках равна 365d5h48m46s.

В юлианском календаре продолжительность календарного года считается равной 365 средним солнечным суткам три года подряд, а каждый четвертый год содержит 366 суток. Годы продолжительностью в 365 суток называются простыми, а в 366 суток - високосными. В високосном году в феврале 29 дней, в простом - 28.

Григорианский календарь возник в результате реформы юлианского календаря. Дело в том, что расхождение юлианского календаря со счетом тропическими годами оказалось неудобным для церковного летосчисления. По правилам христианской церкви праздник пасхи должен был наступать в первое воскресенье после весеннего полнолуния, т.е. первого полнолуния после дня весеннего равноденствия.

Григорианский календарь был введен в большинстве западных стран в течение XVI-XVII вв. В России перешли на новый стиль только в 1918 г.

Вычитанием более ранней даты одного события из более поздней даты другого, данных в одной системе летосчисления, можно вычислить число суток, прошедших между этими событиями. При этом необходимо учитывать число високосных годов. Эта задача удобнее решается с помощью юлианского периода, или юлианских дней. Началом каждого юлианского дня считается средний гринвичский полдень. Начало счета юлианских дней - условное и предложено в XVI в. н.э. Скалигером, как начало большого периода в 7980 лет, являющегося произведением трех меньших периодов: периода в 28 лет,19,15 Период в 7980 лет Скалигер назвал «юлианским» в честь своего отца Юлия.

Получением моментов времени решается только первая задача службы времени. Следующей задачей является хранение точного времени в промежутках между астрономическими его определениями. Эта задача решается с помощью астрономических часов.

Для получения большой точности отсчета времени при изготовлении астрономических часов по возможности учитываются и устраняются все источники погрешности, а для их работы создаются наиболее благоприятные условия.

В часах самой существенной их частью является маятник. Пружины и колесики служат передаточным механизмом, стрелки - указывающим, а отмеряет время маятник. Поэтому в астрономических часах стараются создать возможно лучшие условия для его работы: сделать постоянной температуру помещения, устранить толчки, ослабить сопротивление воздуха и, наконец, сделать возможно меньшей механическую нагрузку.

Для обеспечения высокой точности астрономические часы помещаются в глубокий подвал, защищенный от сотрясений, В помещении круглый год поддерживается постоянная температура. Для уменьшения сопротивления воздуха и устранения влияния изменений атмосферного давления маятник часов помещается в кожух, в котором несколько понижено давление воздуха (рис. 20).

Весьма высокой точностью обладают астрономические часы с двумя маятниками (часы Шорта), из которых один - несвободный, или "рабский",- связан с передаточными и указывающими механизмами, а сам управляется другим - свободным маятником, не связанным ни с какими колесами и пружинами (рис. 21).

Свободный маятник помещается в глубоком подвале в металлическом футляре. В этом футляре создается пониженное давление. Связь свободного маятника с несвободным осуществляется через два небольших электромагнита, вблизи которых он качается. Свободный маятник управляет "рабским" маятником, заставляя его качаться в такт с собой.

Можно добиться очень малой погрешности показаний часов, но нельзя ее устранить полностью. Впрочем, если часы идут неверно, но заранее известно, что они спешат или отстают на определенное число секунд в сутки, то не представляет большого труда по таким неправильным часам вычислить точное время. Для этого достаточно знать, каков ход часов, т. е. на сколько секунд в сутки они спешат или отстают. В течение месяцев и лет для данного экземпляра астрономических часов составляются поправочные таблицы. Стрелки астрономических часов почти никогда не показывают время точно, но с помощью поправочных таблиц вполне удается получать отметки времени с точностью в тысячные доли секунды.

К сожалению, ход часов не остается постоянным. При изменении внешних условий - температуры помещения и давления воздуха,- вследствие всегда имеющейся неточности изготовления деталей и срабатывания отдельных частей одни и те же часы с течением времени могут менять свой ход. Изменение, или вариация, хода часов является главным показателем качества их работы. Чем меньше вариация хода часов, тем часы лучше.

Таким образом, хорошие астрономические часы могут быть слишком торопливыми и чрезмерно медлительными, могут убегать вперед или отставать даже на Десятые доли секунды в сутки, и все же с их помощью можно надежно хранить время и получать достаточно точные показания, если только характер их поведения постоянен, т. е. мала суточная вариация хода.

В маятниковых астрономических часах Шорта суточная вариация хода составляет 0,001-0,003 сек. Долгое время столь высокая точность оставалась непревзойденной, В пятидесятых годах нашего века инженер Ф. М. Федченко усовершенствовал подвес маятника и улучшил его термокомпенсацию. Это позволило ему сконструировать часы, у которых суточная вариация хода была снижена до 0,0002-0,0003 сек.

В последние годы конструированием астрономических часов занялись уже не механики, а электрики и радиотехники. Ими были изготовлены часы, в которых для отсчета времени взамен колебаний маятника использовались упругие колебания кристалла кварца.

Пластинка, вырезанная соответствующим образом из кристалла кварца, обладает интересными свойствами. Если такую пластинку, называемую пьезокварцем, сжать или изогнуть, то на противоположных ее поверхностях появляются электрические заряды разного знака. Если к противоположным поверхностям пьезокварцевой пластинки подвести переменный электрический ток, то пьезокварц совершает колебания. Чем меньше затухание колебательного устройства, тем постояннее частота колебаний. Пьезокварц обладает в этом отношении исключительно хорошими свойствами, так как затухание его колебаний очень мало. Этим широко пользуются в радиотехнике для поддержания постоянства частоты радиопередатчиков. Это же свойство пьезокварца - высокое постоянство частоты колебаний - позволило построить очень точные астрономические кварцевые часы.

Кварцевые часы (рис. 22) состоят из радиотехнического генератора, стабилизированного пьезокварцем, каскадов деления частоты, синхронного электромотора и циферблата со стрелками-указателями.

Радиотехнический генератор вырабатывает переменный ток высокой частоты, а пьезокварц с большой точностью поддерживает постоянство частоты его колебаний. В каскадах деления частоты производится понижение частоты переменного тока от нескольких сотен тысяч до нескольких сотен колебаний в секунду. Синхронный электромотор, работающий на переменном токе пониженной частоты, вращает стрелки-указатели, замыкает реле, подающие сигналы времени, и т. д.

Скорость вращения синхронного электромотора зависит от частоты переменного тока, которым он питается. Таким образом, в кварцевых часах скорость вращения стрелок-указателей в конечном счете определяется частотой колебаний пьезокварца. Большое постоянство частоты колебаний кварцевой пластинки обеспечивает равномерность хода и высокую точность показаний кварцевых астрономических часов.

В настоящее время изготовляются кварцевые часы различного типа и назначения с суточной вариацией хода, не превышающей сотых и даже тысячных долей секунды.

Первые конструкции кварцевых часов были довольно громоздкими. Ведь собственная частота колебаний кварцевой пластинки относительно высокая и для отсчета секунд и минут нужно снижать ее с помощью ряда каскадов деления частоты. Между тем применявшиеся для этого ламповые радиотехнические устройства занимают много места. В последние десятилетия бурно развилась полупроводниковая радиотехника и на ее основе разработана миниатюрная и микроминиатюрная радиоаппаратура. Это позволило построить малогабаритные переносные кварцевые часы для морской и воздушной навигации, а также для различных экспедиционных работ. Эти переносные кварцевые хронометры по своим размерам и весу не превышают обычные механические хронометры.

Однако если механический морской хронометр второго класса имеет суточную погрешность хода не более ±0,4 сек, а первого класса - не более ±0,2 сек, то современные кварцевые переносные хронометры имеют нестабильность суточного хода ±0,1; ±0,01 и даже ±0,001 сек.

Например, выпускаемый в Швейцарии "Хронотом" имеет размеры 245Х137Х100 мм, а нестабильность его хода за сутки не превышает ±0,02 сек. Стационарный кварцевый хронометр "Изотом" имеет долговременную относительную нестабильность не более 10 -8 , т. е. по суточному ходу погрешность около ±0,001 сек.

Однако кварцевые часы не лишены и серьезных недостатков, наличие которых существенно при астрономических измерениях высокой точности. Главные недостатки кварцевых астрономических часов - зависимость частоты колебаний кварца от температуры окружающей среды и "старение кварца", т. е. изменение частоты его колебаний с течением времени. С первым недостатком удалось справиться путем тщательного термостатирования той части часов, в которой расположена кварцевая пластинка. Старение кварца, приводящее к медленному дрейфу хода часов, пока устранить не удалось.

"Молекулярные часы"

Можно ли создать устройство для измерения интервалов времени, имеющее более высокую точность, чем маятниковые и кварцевые астрономические часы?

В поисках подходящих для этого методов ученые обратились к системам, в которых совершаются молекулярные колебания. Такой выбор, конечно, был не случайным и именно он предопределил дальнейшие успехи. "Молекулярные часы" позволили сначала в тысячи, а заем и в сотни тысяч раз увеличить точность измерения времени. Однако путь от молекулы до указателя времени оказался сложным и очень нелегким.

Почему же не удалось повысить точность маятниковых и кварцевых астрономических часов? Чем в отношении измерения времени молекулы оказались лучше маятников и кварцевых пластинок? Каковы принцип действия и устройство молекулярных часов?

Напомним, что любые часы состоят из блока, в котором совершаются периодические колебания, счетного механизма для подсчета их числа и устройства, в котором запасена энергия, необходимая для их поддержания. Однако точность показаний часов в основном зависит от стабильности работы того их элемента , который отмеряет время.

Для увеличения точности маятниковых астрономических часов их маятник делается из специального сплава с минимальным коэффициентом теплового расширения, помещается в термостат, специальным образом подвешивается, располагается в сосуде, из которого выкачан воздух, и т. д. Как известно, все эти мероприятия позволили снизить вариации хода астрономических маятниковых часов до тысячных долей секунды в сутки. Однако постепенный износ движущихся и трущихся деталей, медленные и необратимые изменения конструктивных материалов, в общем - "старение" таких часов не позволило добиться дальнейшего улучшения их точности.

В астрономических кварцевых часах время отмеряет генератор, стабилизированный кварцем, и точность показаний этих часов определяется постоянством частоты колебаний кварцевой пластинки. С течением времени в кварцевой пластинке и связанных с нею электрических контактах происходят необратимые изменения. Таким образом, этот задающий элемент кварцевых часов "стареет". При этом несколько изменяется частота колебаний кварцевой пластинки. Это и является причиной нестабильности таких часов и кладет предел дальнейшему увеличению их точности.

Молекулярные часы устроены так, что их показания, в конечном счете, определяются частотой электромагнитных колебаний, поглощаемых и испускаемых молекулами. Между тем атомы и молекулы поглощают и испускают энергию только прерывисто, только определенными порциями, называемыми квантами энергии. Эти процессы в настоящее время представляются так: когда атом находится в нормальном (невозбужденном) состоянии, то его электроны занимают нижние уровни энергии и при этом находятся на наиболее близком расстоянии от ядра. Если атомы поглощают энергию, например световую, то их электроны перескакивают в новые положения и располагаются несколько дальше от своих ядер.

Обозначим энергию атома, соответствующую самому низкому положению электрона, через Еи а энергию, соответствующую более далекому его расположению от ядра, - через Е 2 . Когда атомы, излучая электромагнитные колебания (например, световые), из возбужденного состояния с энергией Е 2 переходят в невозбужденное с энергией Е 1 , то испускаемая порция электромагнитной энергии равна ε = E 2 -E 1 . Легко видеть, что приведенное соотношение есть не что иное, как одно из выражений закона сохранения энергии.

Между тем известно, что энергия кванта света пропорциональна его частоте: ε = hv, где ε-энергия электромагнитных колебаний, v - их частота, h = 6,62*10 -27 эрг*сек - постоянная Планка. Из этих двух соотношений нетрудно найти частоту v света, испускаемого атомом. Очевидно, что v = (Е 2 - E 1)/h сек -1

Каждый атом данного типа (например, атом водорода, кислорода и т. д.) имеет свои уровни энергии. Поэтому каждый возбужденный атом при переходе в нижние состояния испускает электромагнитные колебания с вполне определенным набором частот, т. е. дает характерное лишь для него свечение. Точно так же дело обстоит v с молекулами, с той лишь разницей, что они имеют еще ряд добавочных уровней энергии, связанных с различным расположением составляющих их частиц и с их взаимным движением,

Таким образом, атомы и молекулы способны поглодать и излучать электромагнитные колебания только пределенной частоты. Стабильность, с которой атомные истемы это делают, чрезвычайно высока. Она в миллиарды раз выше стабильности любых макроскопических устройств, воспринимающих или излучающих те или иные виды колебаний, например, струн, камертонов, микрофонов и т. д. Объясняется это тем, что в любых макроскопических устройствах, например машинах, измерительных приборах и т. д., силы, обеспечивающие их устойчивость, большинстве случаев лишь в десятки или сотни раз больше внешних сил. Поэтому с течением времени и ри изменении внешних условий свойства таких приборов несколько изменяются. Музыкантам именно поэтому и приходится столь часто подстраивать свои скрипки и пианино. Напротив, в микросистемах, например атомах и молекулах, между частицами, их составляющими, действуют столь большие силы, что обычные внешние воздействия по величине намного меньше их. Поэтому обычные изменения внешних условий - температуры, давления и т. д.- не вызывают сколько-нибудь заметных изменений внутри этих микросистем.

Этим и объясняется столь высокая точность спектрального анализа и многих других методов и приборов, основанных на использовании атомных и молекулярных колебаний. Это и делает столь привлекательным использование этих квантовых систем в качестве задающего элемента в астрономических часах. Ведь такие микросистемы с течением времени своих свойств не меняют, т. е. не "стареют".

Когда инженеры занялись конструированием молекулярных часов, то методы возбуждения атомных и молекулярных колебаний уже были хорошо известны. Один из них заключается в том, что к сосуду, заполненному тем или иным газом, подводятся высокочастотные электромагнитные колебания. Если частота этих колебаний соответствует энергии возбуждения данных частиц, то происходит резонансное поглощение электромагнитной энергии. Спустя некоторое время (меньше миллионной доли секунды) возбужденные частицы (атомы и молекулы) самопроизвольно переходят из возбужденного в нормальное состояние и при этом сами излучают кванты электромагнитной энергии.

Казалось бы, что следующий шаг в конструировании таких часов должен заключаться в подсчете числа этих колебаний, ведь подсчитывается же в маятниковых часах число качаний маятника. Однако такой прямой, "лобовой" путь оказался слишком трудным. Дело в том, что частота электромагнитных колебаний, испускаемых молекулами, очень высока. Например, в молекуле аммиака для одного из основных переходов она составляет 23 870 129 000 периодов в секунду. Частота электромагнитных колебаний, испускаемых различными атомами, бывает такого же порядка величины или еще выше. Ни одно механическое устройство для подсчета числа столь высокочастотных колебаний не годится. Более того, обычные электронные устройства тоже оказались для этого непригодными.

Выход из этого затруднения был найден с помощью оригинального обходного маневра. В длинную металлическую трубку (волновод) был помещен аммиачный газ. Для удобства обращения эта трубка свернута в спираль. К одному концу этой трубки подводились от генератора высокочастотные электромагнитные колебания, а в другом ее конце был установлен прибор, измеряющий их интенсивность. Генератор позволял в некоторых пределах менять частоту возбуждаемых им электромагнитных колебаний.

Для перехода молекул аммиака из невозбужденного в возбужденное состояние нужна вполне определенная энергия и соответственно вполне определенная частота электромагнитных колебаний (ε = hv, где ε- энергия кванта, v - частота электромагнитных колебаний, h - постоянная Планка). До тех пор, пока частота электромагнитных колебаний, вырабатываемых генератором, больше или меньше этой резонансной частоты, молекулы аммиака энергии не поглощают. При совпадении этих частот значительное число молекул аммиака поглощает электромагнитную энергию и переходит в возбужденное состояние. Разумеется, при этом (в силу закона сохранения энергии) у того конца волновода, где установлен измерительный прибор, интенсивность электромагнитных колебаний оказывается меньше. Если плавно изменять частоту генератора и записывать показания измерительного прибора, то при резонансной частоте обнаруживается провал интенсивности электромагнитных колебаний.

Следующий шаг в конструировании молекулярных часов как раз и заключается в использовании этого эффекта. Для этого было собрано специальное устройство (рис. 23). В нем генератор высокой частоты, снабженный блоком питания, вырабатывает высокочастотные электромагнитные колебания. Для увеличения постоянства частоты этих колебаний генератор стабилизирован с. помощью пьезокварца. В существующих приборах такого типа частота колебаний генератора высокой частоты выбирается равной нескольким сотням тысяч периодов в секунду в соответствии с собственной частотой колебаний используемых в них кварцевых пластинок.

Рис. 23. Схема "молекулярных часов"

Так как эта частота слишком высока для того, чтобы непосредственно управлять каким-либо механическим устройством, то с помощью блока деления частоты она понижается до нескольких сотен колебании в секунду и лишь после этого подается на сигнальные реле и синхронный электромотор, вращающий стрелки-указатели, расположенные на циферблате часов. Таким образом, эта часть молекулярных часов повторяет схему описанных ранее кварцевых часов.

Для того чтобы возбудить молекулы аммиака, часть электромагнитных колебаний, вырабатываемых генератором высокой частоты, подается на умножитель частоты переменного тока (см. рис. 23). Коэффициент умножения частоты в нем выбран так, чтобы довести ее до резонансной. С выхода умножителя частоты электромагнитные колебания поступают на волновод с аммиачным газом. Прибор, стоящий на выходе волновода,- дискриминатор,- отмечает интенсивность прошедших через волновод электромагнитных колебаний и воздействует на генератор высокой частоты, изменяя частоту возбуждаемых им колебаний. Дискриминатор устроен так, что когда на вход волновода поступают колебания с частотой ниже резонансной, то он подстраивает генератор, увеличивая частоту его колебаний. Если же на вход волновода поступают колебания с частотой выше резонансной, то он снижает частоту генератора. При этом настройка в резонанс получается тем более точной, чем круче идет кривая поглощения. Таким образом, желательно, чтобы провал интенсивности электромагнитных колебаний, обязанный резонансному поглощению их энергии молекулами, был возможно более узким и глубоким.

Все эти связанные между собой приборы - генератор, умножитель, волновод с аммиачным газом и дискриминатор- представляют собой цепь обратной связи, в которой молекулы аммиака возбуждаются генератором и в то же время управляют им, заставляя его вырабатывать колебания нужной частоты. Таким образом, в конечном счете в молекулярных часах в качестве стандарта частоты и времени используются молекулы аммиака. В первых молекулярных аммиачных часах, разработанных по этому принципу Г. Лионсом в 1953 г., нестабильность хода составляла около 10 -7 , т. е. изменение частоты не превышало десятимиллионной доли. В дальнейшем нестабильность была снижена до 10 -8 , что соответствует ошибке в измерении интервалов времени на 1 сек за несколько лет.

В общем, это, конечно, прекрасная точность. Однако оказалось, что в построенном приборе кривая поглощения электромагнитной энергии получилась далеко не столь резкой, как предполагалось, а несколько "размазанной". Соответственно этому и точность всего устройства получилась значительно ниже ожидавшейся. Проведенные в последующие годы тщательные исследования этих молекулярных часов позволили выяснить, что их показания в некоторой мере зависят от конструкции волновода, а также от температуры и давления находящегося в нем газа. Было установлено, что именно эти эффекты являются источниками нестабильности работы таких часов и ограничивают их точность.

В дальнейшем эти дефекты молекулярных часов полностью устранить так и не удалось. Однако удалось придумать другие, более совершенные типы квантовых измерителей времени.

Атомные цезиевые часы

Дальнейшего усовершенствования стандартов частоты и времени удалось достигнуть на основе ясного понимания причин недостатков аммиачных молекулярных часов. Напомним, что основными недостатками аммиачных молекулярных часов являются некоторая "размазанность" резонансной кривой поглощения и зависимость оказаний этих часов от температуры и давления газа в волноводе.

Каковы же причины этих дефектов? Можно ли их устранить? Оказалось, что размазывание резонанса происходит в результате теплового движения частиц газа, заполняющих волновод. Ведь некоторые из газовых частиц движутся навстречу электромагнитной волне и поэтому для них частота колебаний несколько выше той, которую дает генератор. Другие газовые частицы, напротив, движутся от приходящей электромагнитной волны, как бы убегают от нее; для них частота электромагнитных колебаний несколько ниже номинальной. Лишь для относительно очень небольшого числа неподвижных газовых частиц воспринимаемая ими частота электромагнитных колебаний равна номинальной, т.е. даваемой генератором.

Описанное явление представляет собой хорошо известный продольный эффект Допплера. Именно он и приводит к тому, что резонансная кривая уплощается и размазывается и обнаруживается зависимость силы тока на выходе волновода от скорости движения газовых частиц, т.е. от температуры газа.

Группе ученых из Американского бюро стандартов удалось справиться с этими трудностями. Однако то, что они сделали, в общем оказалось новым и значительно более точным стандартом частоты и времени, хотя при этом были использованы некоторые уже известные вещи.

В этом приборе используются уже не молекулы, а атомы. Эти атомы не просто заполняют сосуд, а движутся пучком. Причем так, что направление их движения перпендикулярно к направлению распространения электромагнитной волны. Легко понять, что в этом случае продольный эффект Допплера отсутствует. В приборе использованы атомы цезия, возбуждение которых происходит при частоте электромагнитных колебаний, равной 9 192 631 831 периодов в секунду.

Соответствующий прибор смонтирован в трубке, в одном конце который расположена электрическая печь 1, разогревающая металлический цезий вплоть до испарения, а в другом - детектор 6, сосчитывающий число долетевших до него атомов цезия (рис. 24). Между ними находятся: первый магнит 2, волновод 3, подводящий высокочастотные электромагнитные колебания, коллиматор 4 и второй магнит 5. Когда печь включена, то пары металла через щель врываются в трубку и узкий пучок атомов цезия летит вдоль ее оси, подвергаясь по пути воздействию магнитных полей, созданных постоянными магнитами, и высокочастотного электромагнитного поля, подведенного с помощью волновода от генератора к трубке так, что направление распространения волн перпендикулярно к направлению пролета частиц.

Такое устройство позволяет решить первую часть задачи: возбудить атомы, т. е. перевести их из одного состояния в другое, и в то же время избегнуть продольного эффекта Допплера. Если бы исследователи ограничились только этим усовершенствованием, то точность прибора хотя и увеличилась бы, но не намного. Ведь в пучке атомов, вылетающих из накаленного источника, всегда есть невозбужденные и возбужденные атомы. Таким образом, когда вылетевшие из источника атомы пролетают сквозь электромагнитное поле и возбуждаются, то к уже имеющимся возбужденным атомам добавляется еще некоторое число возбужденных. Поэтому изменение числа возбужденных атомов получается относительно не очень большим и, следовательно, эффект от действия электромагнитных волн на пучок частиц оказывается не очень резким. Понятно, что если бы вначале возбужденных атомов не было совсем, а потом они появились, то общий эффект был бы намного более контрастным.

Итак, возникает дополнительная задача: на участке от источника до электромагнитного поля пропустить атомы, находящиеся в нормальном состоянии, и изъять возбужденные. Для ее решения ничего нового изобретать не пришлось, так как еще в сороковые годы нашего века Рабби, а затем Рамзеем соответствующие методы были разработаны для спектроскопических исследований. Эти методы основаны на том, что все атомы и молекулы имеют определенные электрические и магнитные свойства и эти свойства оказываются различными у возбужденных и невозбужденных частиц. Поэтому в электрическом и магнитном полях возбужденные и невозбужденные атомы и молекулы отклоняются по-разному.

В описываемых атомных цезиевых часах на пути пучка частиц между источником и высокочастотным электромагнитным полем постоянный магнит 2 (см. рис. 24) был установлен так, что невозбужденные частицы фокусировались на щель коллиматора, а возбужденные выводились из пучка. Второй магнит 5, стоящий между высокочастотным электромагнитным полем и детектором, напротив, был установлен так, что из пучка выводились невозбужденные частицы, а на детекторе фокусировались только возбужденные. Такая двойная сепарация приводит к тому, что детектора достигают лишь те частицы, которые до вхождения в электромагнитное поле были невозбужденными, а затем в этом поле перешли в возбужденное состояние. При этом зависимость показаний детектора от частоты электромагнитных колебаний оказывается очень резкой и соответственно резонансная кривая поглощения электромагнитной энергии получается очень узкой и крутой.

В результате описанных мероприятий задающий блок атомных цезиевых часов оказался способным реагировать даже на очень малую расстройку генератора высокой частоты, и таким образом была достигнута очень высокая точность стабилизации.

Остальная часть прибора, в общем, повторяет принципиальную схему молекулярных часов: генератор высокой частоты управляет электрическими часами и одновременно через цепи умножения частоты возбуждает частицы. Дискриминатор, связанный с цезиевой трубкой и высокочастотным генератором, реагирует на работу трубки и подстраивает генератор так, чтобы частота вырабатываемых им колебаний совпадала с частотой, при которой происходит возбуждение частиц.

Все это устройство в целом носит название атомных цезиевых часов.

В первых моделях цезиевых часов (например, цезиевых часах Национальной физической лаборатории Англии) нестабильность составляла лишь 1 -9 . В приборах такого типа, разработанных и построенных в последние годы, нестабильность удалось снизить до 10 -12 -10 -13 .

Ранее уже говорилось о том, что даже лучшие механические астрономические часы вследствие износа их деталей с течением времени несколько меняют свой ход. Даже кварцевые астрономические часы не лишены этого недостатка, так как из-за старения кварца имеет место медленный дрейф их показаний. В цезиевых атомных часах дрейф частоты не обнаружен.

При сравнении различных экземпляров этих часов между собой наблюдалось совпадение частоты их колебаний в пределах ±3*10 -12 , что соответствует ошибке лишь в 1 секунду за 10 000 лет.

Однако и это устройство не лишено недостатков: искажения формы электромагнитного поля и относительная кратковременность его воздействия на атомы пучка ограничивают дальнейшее увеличение точности измерения интервалов времени с помощью таких систем.

Астрономические часы с квантовым генератором

Еще один шаг в отношении увеличения точности измерения интервалов времени был сделан с помощью молекулярных генераторов - приборов, в которых используется излучение молекулами электромагнитных волн .

Это открытие было неожиданным и закономерным. Неожиданным - потому, что казалось, что возможности старых методов исчерпаны, а других нет. Закономерным - потому, что ряд известных эффектов уже составлял почти все части нового метода и оставалось только должным образом эти части скомбинировать. Впрочем, новая комбинация известных вещей составляет суть многих открытий. Всегда нужна большая смелость мышления для того, чтобы ее придумать. Довольно часто после того, как это сделано, все кажется очень простым.

Приборы, в которых для получения стандарта частоты используется излучение молекул, получили название мазеров; это слово образовано из начальных букв выражения: microwave amplification by stimulated emission of radiation, т. е усиление радиоволн сантиметрового диапазона с помощью индуцированного излучения. В настоящее время приборы такого типа чаще всего называют квантовыми усилителями или квантовыми генераторами.

Что подготовило открытие квантового генератора? Каковы его принцип действия и устройство?

Исследователям было известно, что когда возбужденные молекулы, например молекулы аммиака, переходят на более низкие уровни энергии и испускают электромагнитное излучение, то естественная ширина этих линий испускания чрезвычайно мала , во всяком случае во много раз меньше ширины линии поглощения, используемой в молекулярных часах. Между тем при сравнении частоты двух колебаний от ширины спектральных линий зависит острота резонансной кривой, а от остроты резонансной кривой - достижимая точность стабилизации.

Понятно, что исследователей чрезвычайно заинтересовала возможность добиться более высокой точности измерения интервалов времени при использовании не Только поглощения, но и излучения молекулами электромагнитных волн. Казалось бы, что для этого уже все есть. Ведь в волноводе молекулярных часов возбужденные молекулы аммиака самопроизвольно высвечиваются, т. е. переходят на более низкие уровни энергии и при этом испускают электромагнитное излучение с частотой 23 870 129 000 периодов в секунду. Ширина этой спектральной линии испускания действительно очень мала. Кроме того, так как волновод молекулярных часов заполнен электромагнитными колебаниями, подводимыми от генератора, и частота этих колебаний равна частоте квантов энергии, испускаемых молекулами аммиака, то в волноводе происходит индуцированное излучение возбужденных молекул аммиака, вероятность которого намного больше, чем самопроизвольного. Таким образом, этот процесс увеличивает общее число актов излучения.

Тем не менее для наблюдения и использования молекулярного излучения система типа волновода молекулярных часов оказалась полностью непригодной. Ведь в таком волноводе невозбужденных частиц аммиака намного больше, чем возбужденных, и даже с учетом индуцированного излучения акты поглощения электромагнитной энергии происходят значительно чаще, чем акты испускания. К тому же неясно, как в таком волноводе выделить кванты энергии, излученные молекулами, когда тот же объем заполнен электромагнитным излучением от генератора, причем это излучение имеет ту же частоту и значительно большую интенсивность.

Не правда ли, все процессы оказываются настолько перемешанными, что на первый взгляд выделить из них нужный представляется невозможным? Однако это не так. Ведь известно, что по своим электрическим и магнитным свойствам возбужденные молекулы отличаются от невозбужденных, а это дает возможность их разделения.

В 1954-1955 гг. эта задача была блестяще решена Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым в СССР и Гордоном, Цайгером и Таунсом в США * . Эти авторы воспользовались тем, что электрическое состояние возбужденных и невозбужденных молекул аммиака несколько различно и, пролетая через неоднородное электрическое поле, они отклоняются по-разному.

* (Дж. Зингер, Мазеры, ИЛ, М., 1961; Басов Н. Г., Летохов В. С, Оптические стандарты частоты, УФН, т. 96, вып. 4, 1968. )

Напомним, что между двумя электрически заряженными параллельными пластинками, например обкладками конденсатора, создается однородное электрическое поле; между заряженными пластинкой и острием или двумя заряженными остриями - неоднородное. Если изображают электрические поля с помощью силовых линий, то однородные поля представляются линиями одинаковой густоты, а неоднородные - линиями густоты неодинаковой, например, меньшей у плоскости и большей у острия, где линии сходятся. Способы получения неоднородных электрических полей той или иной формы давно известны.

Молекулярный генератор представляет собой комбинацию из источника молекул, электрического сепаратора и резонатора, собранных в трубке, из которой выкачай воздух. Для глубокого охлаждения эта трубка помещена в жидкий азот. Этим достигается высокая стабильность работы всего устройства. Источником частиц в молекулярном генераторе служит баллон с узким отверстием, заполненный аммиачным газом. Через это отверстие узкий пучок частиц с определенной скоростью поступает в трубку (рис. 25, а).

В пучке всегда есть невозбужденные и возбужденные молекулы аммиака. Однако обычно невозбужденных намного больше, чем возбужденных. В трубке на пути этих частиц расположен заряженный электричеством конденсатор, состоящий из четырех стержней,- так называемый квадрупольный конденсатор. В нем электрическое поле неоднородное, причем имеет такую форму (рис. 25, б), что, проходя через него, невозбужденные молекулы аммиака рассеиваются в стороны, а возбужденные отклоняются к оси трубки и таким образом фокусируются. Поэтому в таком конденсаторе происходит сепарация частиц и другого конца трубки достигают лишь возбужденные молекулы аммиака.

В этом другом конце трубки расположен сосуд определенных размеров и формы -так называемый резонатор. Попав в него, возбужденные молекулы аммиака через некоторый короткий промежуток времени самопроизвольно переходят из возбужденного состояния в невозбужденное и при этом испускают электромагнитные волны определенной частоты. Про этот процесс говорят, что молекулы высвечиваются. Таким образом удается не только получить молекулярное излучение, но и выделить его.

Рассмотрим дальнейшее развитие этих идей. Электромагнитное излучение резонансной частоты, взаимодействуя с невозбужденными молекулами, переводит их з возбужденное состояние. То же излучение, взаимодействуя с возбужденными молекулами, переводит их в невозбужденное состояние, стимулируя таким образом их излучение. В зависимости от того, каких молекул больше, невозбужденных или возбужденных, преобладает процесс поглощения или индуцированного испускания электромагнитной энергии.

Создав в некотором объеме, например резонаторе, существенное преобладание возбужденных молекул аммиака и подводя к нему электромагнитные колебания резонансной частоты, можно осуществить усиление сверхвысокой частоты. Понятно, что это усиление происходит за счет непрерывной подкачки в резонатор возбужденных молекул аммиака.

Роль резонатора не ограничивается лишь тем, что он является сосудом, в котором происходит высвечивание возбужденных молекул. Так как электромагнитное излучение резонансной частоты стимулирует излучение возбужденных молекул, то чем больше плотность этого излучения, тем активнее идет этот процесс индуцированного излучения.

Выбрав размеры резонатора в соответствии с длиной волны данных электромагнитных колебаний, можно таким образом создать в нем условия для возникновения стоячих волн (аналогично выбору размеров органных труб для возникновения в них стоячих волн соответствующих упругих звуковых колебаний). Изготовив стенки резонатора из соответствующего материала, можно добиться того, чтобы они отражали электромагнитные колебания с наименьшими потерями. Оба эти мероприятия позволяют создать в резонаторе высокую плотность электромагнитной энергии и таким образом увеличить коэффициент полезного действия всего устройства в целом.

При прочих равных условиях усиление в этом устройстве оказывается тем больше, чем выше плотность потока возбужденных молекул. Замечательно, что при некоторой достаточно высокой плотности потока возбужденных молекул и подходящих параметрах резонатора интенсивность излучения молекул становится достаточно большой для того, чтобы перекрыть различные потери энергии, и усилитель превращается в молекулярный генератор сверхвысокочастотных колебаний - так называемый квантовый генератор. При этом подводить к резонатору электромагнитную энергию высокой частоты уже нет необходимости. Процесс индуцированного испускания одних возбужденных частиц поддерживается за счет излучения других. Более того, при подходящих условиях процесс генерации электромагнитной энергии не обрывается и в том случае, когда некоторая ее часть отводится в сторону.

Квантовый генератор с очень большой стабильностью Дает высокочастотные электромагнитные колебания строго определенной частоты и может быть использован для измерения интервалов времени. При этом нет необходимости в том, чтобы он работал непрерывно. Достаточно Периодически через определенные промежутки времени сравнивать частоту электрического генератора астрономических часов с этим молекулярным стандартом частоты и в случае необходимости вводить коррекцию.

Астрономические часы с коррекцией по молекулярному аммиачному генератору были построены в конце пятидесятых годов. Их кратковременная нестабильность не превышала 10 -12 за 1 минуту, а нестабильность долговременная была около 10 -10 , что соответствует искажениям в отсчете интервалов времени лишь на 1 сек за несколько сот лет.

Дальнейшее улучшение стандартов частоты и времени было достигнуто на основе этих же идей и использования в качестве рабочего тела некоторых других частиц, например таллия и водорода. При этом особенно перспективным оказался квантовый генератор, работающий на пучке атомов водорода, разработанный и построенный в начале шестидесятых годов Гольденбергом, Клепнером и Рамзеем. Этот генератор также состоит из источника частиц, сепаратора и резонатора, смонтированных в трубке (рис. 26), погруженной в соответствующий хладоагент. Источник испускает пучок атомов водорода. В этом пучке имеются невозбужденные и возбужденные атомы водорода, причем невозбужденных значительно больше, чем возбужденных.

Так как возбужденные атомы водорода отличаются от невозбужденных своим магнитным состоянием (магнитным моментом), то для их сепарации используется уже не электрическое, а магнитное поле, создаваемое парой магнитов. Существенными особенностями обладает и резонатор водородного генератора. Он выполнен в виде колбы из плавленого кварца, внутренние стенки которой покрыты парафином. Благодаря многократным (около 10 000) упругим отражениям атомов водорода от слоя парафина длина пролета частиц и соответственно время их пребывания в резонаторе, по сравнению с молекулярным генератором, увеличивается в тысячи раз. Таким образом удается получить очень узкие спектральные линии излучения атомов водорода и по сравнению с молекулярным генератором снизить нестабильность всего устройства в тысячи раз.

Современные конструкции астрономических часов с водородным квантовым генератором по своим показателям превзошли цезиевый атомно-лучевой стандарт. Систематический дрейф у них не обнаружен . Их кратковременная нестабильность составляет лишь 6*10 -14 в минуту, а долговременная - 2*10 -14 за сутки, что в десять раз меньше, чем у цезиевого стандарта. Воспроизводимость показаний часов с водородным квантовым генератором равна ±5*10 -13 , в то время как у цезиевого стандарта воспроизводимость равняется ±3*10 -12 . Следовательно, и по этому показателю водородный генератор приблизительно в десять раз лучше. Таким образом, с помощью водородных астрономических часов можно обеспечить точность измерения времени порядка 1 сек за интервал около сотни тысяч лет.

Между тем ряд исследований последних лет показали, что эта столь высокая точность измерения интервалов времени, достигнутая на основе атомно-лучевых генераторов, еще не является предельной и может быть повышена.

Передача точного времени

Получением и хранением точного времени задача службы времени не ограничивается. Не менее важной ее частью является такая организация передачи точного времени, при которой эта точность не была бы утрачена.

В старину передача сигналов времени производилась с помощью механических, звуковых или световых устройств. В Петербурге ровно в полдень стреляла пушка; можно было также сверить свои часы по башенным часам Института метрологии, ныне носящего имя Д. И. Менделеева. В морских портах в качестве сигнала времени употреблялся падающий шар. С кораблей, стоящих в порту, можно было видеть, как ровно в полдень шар срывался с вершины специальной мачты и падал к ее подножию.

Для нормального хода современной интенсивной жизни очень важную задачу представляет обеспечение точным временем железных дорог, почты, телеграфа и больших городов. Здесь не требуется столь высокая точность, как при астрономических и географических работах, но необходимо, чтобы с точностью до минуты во всех частях города, во всех концах нашей огромной страны все часы показывали время одинаково. Эта задача обычно решается с помощью электрических часов.

В часовом хозяйстве железных дорог и учреждений связи, в часовом хозяйстве современного города электрические часы играют большую роль. Устройство их очень простое, и тем не менее с точностью до одной минуты во всех пунктах города они показывают одинаковое время.

Электрические часы бывают первичные и вторичные. Первичные электрические часы имеют маятник, колеса, спуск и являются настоящими измерителями времени. Вторичные электрические часы являются лишь указателями: часового механизма в них нет, а имеется лишь сравнительно простое устройство, передвигающее стрелки раз в минуту (рис. 27). При каждом размыкании тока электромагнит отпускает якорь и прикрепленная к якорю "собачка", упираясь в храповое колесо, поворачивает его на один зуб. Сигналы электрического тока подаются на вторичные часы либо от центральной установки, либо от первичных электрических часов. В последние годы появились говорящие часы, сконструированные по принципу звукового кино, которые не только показывают, но и сообщают время.

Для передачи точного времени ныне служат, главным образом, электрические сигналы, посылаемые с помощью телефона, телеграфа и радио. В течение последних десятилетий техника их передачи совершенствовалась, а точность соответственно возрастала. В 1904 г. Бигурдан передал ритмические сигналы времени с Парижской обсерватории, которые были приняты обсерваторией Монсури с точностью 0,02-0,03 сек. В 1905 г. регулярную передачу сигналов времени начала Вашингтонская морская обсерватория, с 1908 г. стали передавать ритмические сигналы времени с Эйфелевой башни, а с 1912 г. и с Гринвичской обсерватории.

В настоящее время передача сигналов точного времени ведется во многих странах. В СССР такие Передачи ведет Государственный астрономический институт им. П. К. Штернберга, а также ряд других организаций. При этом для передачи по радио показаний среднего солнечного времени используется целый ряд различных программ. Например, широковещательная программа сигналов времени передается в конце каждого часа и состоит из шести коротких импульсов. Начало последнего из них соответствует времени того или иного часа и 00 мин 00 сек. В морской и воздушной навигации применяется программа из пяти серий по 60 импульсов и трех серий по шесть коротких сигналов, разделенных более длинными сигналами. Кроме того, есть еще ряд специальных программ сигналов времени. Сведения о различных специальных программах сигналов точного времени публикуются в специальных изданиях.

Погрешность передачи сигналов времени по широковещательным программам составляет около ±0,01 - 0,001 сек, а по некоторым специальным ±10 -4 и даже ±10 -5 сек. Таким образом, в настоящее время разработаны методы и приборы, которые позволяют получать, хранить и передавать время с весьма высокой степенью точности.

В последнее время в области хранения и передачи точного времени были реализованы существенно новые идеи. Предположим, что нужно, чтобы в ряде пунктов какой-либо территории точность показаний стоящих там часов была не хуже ±30 сек, при условии непрерывной работы всех этих часов в течение года. Такие требования предъявляются, например, к городским и железнодорожным часам. Требования не очень жесткие, однако для того, чтобы их выполнить с помощью автономных часов, нужно, чтобы суточный ход каждого экземпляра часов был лучше ±0,1 сек, а для этого требуются прецизионные кварцевые хронометры.

Между тем, если для решения этой задачи используется система единого времени , состоящая из первичных часов и большого числа связанных с ними вторичных часов, то высокой точностью должны обладать лишь первичные. Следовательно, даже при повышенных затратах на первичные часы и соответственно малых на вторичные можно во всей системе обеспечить хорошую точность при относительно небольшой общей стоимости.

Конечно, при этом нужно сделать так, чтобы вторичные часы сами не вносили ошибки. Описанные ранее вторичные часы с храповым колесом и собачкой, в которых по сигналу раз в минуту передвигается стрелка, иногда дают сбои. Причем с течением времени ошибка их показаний накапливается. В современных вторичных часах применяется различного рода проверка и коррекция показаний. Еще большую точность обеспечивают вторичные часы, в которых используется переменный ток промышленной частоты (50 гц), частота которого строго стабилизирована. Основной частью этих часов является синхронный электродвигатель, приводимый в движение переменным током. Таким образом, в этих часах сам переменный ток является непрерывным сигналом времени с периодом повторения 0,02 сек.

В настоящее время создана Всемирная система единого времени ВОЗАК (WOSAC; название составлено из первых букв слов: World-wide Sinchronisation of Atomic Clocks). Главные первичные часы этой системы расположены в г. Риме, штат Нью-Йорк, США, и состоят из трех атомихронов (атомных цезиевых часов), показания которых усредняются. Таким образом обеспечивается точность отсчета времени, равная (1-3)*10 -11 . Эти первичные часы связаны с всемирной сетью вторичных часов.

Проверка показала, что при передаче сигналов точного времени по ВОЗАК от штата Нью-Йорк (США) до острова Оаху (Гавайские острова), т. е. приблизительно на 30 000 км, согласование показаний времени обеспечивалось с точностью до 3 микросекунд.

Высокая точность хранения и передачи меток времени, достигнутая в наши дни, позволяет решать сложные и новые вопросы дальней космической навигации, а также хотя и старые, но по-прежнему важные и интересные вопросы о движении земной коры.

Куда же плывут материки?

Теперь мы можем вернуться к задаче о движении материков, описанной в предыдущей главе. Это тем более интересно, что за полвека, прошедшие со времени появления работ Вегенера до нашего времени, научные споры вокруг этих идей еще не утихли. Например, У. Манк и Г. Макдональд в 1960 г. писали: "Некоторые данные Вегенера неоспоримы, однако большая часть его аргументов целиком основана на произвольных предположениях". И далее: "Большие сдвиги континентов имели место до изобретения телеграфа, средние сдвиги - до изобретения радио, а после этого практически никаких сдвигов не наблюдалось".

Эти язвительные замечания не лишены оснований по крайней мере в первой своей части. Действительно, долготные измерения, производившиеся в свое время Вегепером и его сотрудниками в их экспедициях по Гренландии (в одной из которых Вегенер трагически погиб), были выполнены с точностью, недостаточной для строгого решения поставленной задачи. Это отмечали еще его современники.

Одним из наиболее убежденных сторонников теории движения материков в современном ее варианте является П. Н. Кропоткин. В 1962 г. он писал: "Палеомагнитные и геологические данные свидетельствуют о том, что в течение мезозоя и кайнозоя лейтмотивом движения земной коры было раздробление двух древних материков - Лавразии и Гондваны и расползание их частей в сторону Тихого океана и к геосинклинальному поясу Тетис". Напомним, что Лавразия охватывала Северную Америку, Гренландию, Европу и всю северную половину Азии, Гондвана - южные материки и Индию. Океан Тетис протягивался из Средиземноморья через Альпы, Кавказ и Гималаи в Индонезию.

Тот же автор далее писал: "Единство Гондваны прослежено теперь с докембрия до середины мела, а ее раздробление выглядит теперь как длительный процесс, начавшийся в палеозое и достигший особенно большого размаха с середины мелового периода. С этого времени прошло 80 миллионов лет. Следовательно, расстояние между Африкой и Южной Америкой возрастало со скоростью 6 см в год. Такая же скорость получается по палеомагнитным данным для перемещения Индостана из южного полушария в северное". Проделав по палеомагнитным данным реконструкцию расположения материков в прошлом, П. Н. Кропоткин пришел к выводу, что "-в это время континенты действительно были сбиты вместе в такую глыбу, которая напоминала очертания вегенеровской первичной материковой платформы".

Итак, сумма данных, полученных разными методами, показывает, что современное расположение материков и их очертания сформировались в далеком прошлом в результате ряда разломов и значительного перемещения материковых глыб.

Вопрос о современном движении материков решается на основании результатов долготных исследований, проведенных с достаточной точностью. Что в данном случае означает достаточная точность, можно увидеть из того, что, например, на широте Вашингтона изменению долготы на одну десятитысячную секунды соответствует смещение на 0,3 см. Поскольку предполагаемая скорость движения составляет около 1 м в год, а современным службам времени уже доступно определение моментов времени, хранение и передача точного времени с точностью до тысячных и десятитысячных долей секунды, то для получения убедительных результатов достаточно провести соответствующие измерения с интервалом в несколько лет или несколько десятков лет.

С этой целью в 1926 г. была создана сеть из 32 пунктов наблюдения и проведены астрономические долготные исследования. В 1933 г. были проведены повторные астрономические долготные исследования, причем в работу включилась уже 71 обсерватория. Эти измерения, проведенные на хорошем современном уровне, хотя и за не очень длинный интервал времени(7 лет), показали, в частности, что Америка не удаляется от Европы на 1 м в год, как думал Вегенер, а приближается к ней приблизительно со скоростью 60 см в год.

Таким образом, с помощью очень точных долготных измерений наличие современного перемещения больших материковых глыб было подтверждено. Более того, удалось выяснить, что отдельные части этих материковых глыб имеют несколько различное движение.

На обсерваториях есть инструменты, при помощи которых определяют точнейшим образом время - проверяют часы. Время устанавливают по положению, занимаемому светилами над горизонтом. Для того чтобы часы обсерватории шли как можно точнее и равномернее в промежутке между вечерами, когда их проверяют по положению звезд, часы помещают в глубокие подвалы. В таких подвалах круглый год сохраняется постоянная температура. Это очень важно, так как изменения температуры влияют на ход часов.

Для передачи сигналов точного времени по радио на обсерватории имеется специальная сложная часовая, электрическая и радиоаппаратура. Передаваемые из Москвы сигналы точного времени - одни из самых точных в мире. Определение точного времени по звездам, хранение времени при помощи точных часов и передача его по радио - все это составляет Службу времени.

ГДЕ РАБОТАЮТ АСТРОНОМЫ

Научную работу астрономы ведут на обсерваториях и в астрономических институтах.

Последние занимаются главным образом теоретическими исследованиями.

После Великой Октябрьской социалистической революции в нашей стране были созданы Институт теоретической астрономии в Ленинграде, Астрономический институт им. П. К. Штернберга в Москве, астрофизические обсерватории в Армении, Грузии и ряд других астрономических учреждений.

Подготовка и обучение астрономов происходит в университетах на механико-математических или физико-математических факультетах.

Главная обсерватория в нашей стране - Пулковская. Она была построена в 1839 г. вблизи Петербурга под руководством крупнейшего русского ученого . Во многих странах ее справедливо называют астрономической столицей мира.

Симеизская обсерватория в Крыму после Великой Отечественной войны была полностью восстановлена, а недалеко от нее выстроена новая обсерватория в селе Партизанском под Бахчисараем, где теперь установлен крупнейший в СССР телескоп-рефлектор с зеркалом диаметром в 1 ¼ м, а скоро будет установлен рефлектор с зеркалом диаметром в 2,6 м - третий по величине в мире. Обе обсерватории теперь составляют одно учреждение - Крымскую астрофизическую обсерваторию Академии наук СССР. Астрономические обсерватории есть в Казани, Ташкенте, Киеве, Харькове и других местах.

На всех обсерваториях у нас ведется научная работа по согласованному плану. Достижения астрономической науки в нашей стране помогают широким слоям трудящихся выработать правильное, научное представление об окружающем нас мире.

Много астрономических обсерваторий существует и в других странах. Из них наиболее известны старейшие из существующих - Парижская и Гринвичская, от меридиана которой ведется счет географических долгот на земном шаре (недавно эта обсерватория перенесена на новое место, дальше от Лондона, где много помех для ночных наблюдений неба). Самые крупные в мире телескопы установлены в Калифорнии на обсерваториях Маунт-Паломар, Маунт-Вильсон и Ликской. Последняя из них построена в конце XIX в., а первые две - уже в XX в.