С чем связан эталон секунды. Основные единицы измерения и их эталоны

Единица измерения времени – секунда. Согласно прежнему определению, действующему до 1965 года, секунда принималась равной 1/86400 части средних солнечных суток. Это определение было связано с вращением Земли вокруг своей оси. Однако, как показали последующие исследования, скорость вращения Земли нельзя считать строго равномерной: она постепенно, хоть и медленно, уменьшается. Возникающая вследствие этого погрешность в определении секунды при возрастающем уровне развития науки и техники стала уже неприемлемой.

Поэтому прежнее определение секунды было заменено новым, устанавливающим ее размер в зависимости от значительного более постоянного отрезка времени – тропического года, т.е. промежутка времени между двумя весенними равноденствиями. Согласно новому определению, секунда – единица времени, равная 1/31556925,9747 части тропического года. Это новое определение не ввело новой единицы времени, но позволило повысить ее точность почтив 100 раз.

Совершенствование эталонов – важнейшая научно-техническая и экономическая проблема, решение которой требует тесного союза с фундаментальной наукой. Так, с начала 60-х годов Физический институт Академии наук СССР и метрологические институты Госстандарта ведут совместные исследования по повышению точности эталона времени и частоты. Именно такое сотрудничество позволило буквально вслед за созданием квантового генератора разработать на его основе первый молекулярный "хронометр" и заблаговременно подготовиться к переходу от астрономического времяисчисления к атомному.

Уже в 1967 году в нашей стране было реализовано принципиально новое определение, секунда – "интервал времени, в течение которого совершается 9192631770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между определенными уровнями сверхтонкой структуры основного состояния в атомах цезия-133". Точность эталона, 1967 года, где впервые роль маятника стал выполнять "колеблющийся атом", была по тем временам высокой – относительная погрешность не превышала 10 -11 , то есть миллиардной доли процента. Эта на три порядка выше, чем у замененного им "естественного эталона" – вращающейся Земли. В дальнейшем и эту погрешность удалось сократить в 100 раз и до последнего времени она составляла 10 -13 .

В декабре 1983 года Госстандарт утвердил новый эталон времени и частоты СССР. Квантовые меры, входящие в его состав, делятся на реперы и хранители. Реперы, в отличие от квантовых мер, которые в эталоне служат собственно часами, включаются только время от времени. Они генерируют опорную, базовую частоту, задавая эталонный "изначальный" размер (продолжительность) секунды. На этом их роль заканчивается. "Опираясь" на частоту репера, то есть, установив размер секунды сличением с ним, непрерывный счет времени ведут хранители, или, попросту говоря, часы.

В новом эталоне реперы двух видов – цезиевый и водородный. Цезий, как ему и положено по международному соглашению, воспроизводят размер секунды в точном соответствии с ее теоретическим определением и с двое меньшей погрешностью, чем его предшественник. Задача водородного репера – хранить воспроизведенную цезием единицу времени и частоты в ее первозданном размере. Обладая более высокой по сравнению с цезиевым репером стабильностью, водородный почти на порядок снизил погрешность хранения размера секунды. К тому же процедура воспроизведения секунды водородом значительно проще, чем цезием.

И, наконец, сами эталонные часы. Ими впервые в мировой практике создания эталонов служат водородные хранители времени, отличающиеся непревзойденной точностью хода. Их суточная погрешность не превышает двух тысячных микросекунды. Так и формируют эталонную шкалу времени, работая бок о бок, приборы трех типов: цезиевый репер задает опорный размер секунды, водородный его хранит, а водородные хранители-часы, сверяясь с репером, отсчитывают время. Ныне погрешность Государственного эталона времени и частоты – 5∙10 -14 . Это значит, что за 700 тысяч лет непрерывной работы он может накопить погрешность не более чем в одну секунду. Государственный эталон времени и частоты создан во ВНИИФТРИ в 1967 г., после неоднократных модернизаций утвержден Постановлением Госстандарта в 1998 г.

Времени-частоты-длины, введенный в действие как государственный в 1992 году, представляет собой сложную техническую систему и состоит из двух частей - Государственного первичного эталона времени, частоты и национальной шкалы времени (ГЭВЧ) и Государственного первичного эталона длины – метр. Первая часть Единого эталона ВЧД, содержащая ГЭВЧ и радиочастотный мост (РОЧМ), необходимый для перевода радиочастот цезиевых атомных часов в оптические частоты лазеров, находится во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ); вторая часть, состоящая из аппаратуры, реализующей Государственный первичный эталон длины – метр, - во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии (ВНИИМ) им. Д.И. Менделеева.

Государственный первичный эталон времени, частоты и национальной шкалы времени (ГЭВЧ) предназначен для воспроизведения и хранения:

1. единицы времени – «атомной» секунды (с);
2. единицы частоты – герца (Гц);
3. шкалы атомного времени - ТА;
4. шкалы координированного времени – UTC.

Воспроизведение единиц времени и частоты (секунды и герца) производится со средним квадратическим отклонением, не превышающим 5*10 -14 , при неисключенной составляющей систематической погрешности менее 10 -14 . Такая точность воспроизведения единиц времени и частоты необходима для решения многих научных и практических задач: осуществления дистанционного управления маневрами космических аппаратов вблизи далеких планет Солнечной системы, достижения высокой точности систем спутниковой навигации GPS и ГЛОНАСС, развития нанотехнологий, роботизированных технических систем и др.

Перед отечественной метрологией стоит задача дальнейшего повышения точности воспроизведения единиц времени и частоты, т.к. здесь имеется определённое отставание от мировых уровней .

1. История системной единицы времени - секунды

Первые системы единиц измеряемых величин возникли в Древнем Вавилоне и Древнем Египте и представляли собой не столько системы единиц, сколько системы мер используемых единиц, т.е. тех естественных или искусственных материальных образцов, которые определяют единицу измеряемой величины. Таким мерами были гири определенных достоинств, специально изготовленные тары определенного объема для сыпучих и жидких веществ, части тела человека, имеющие примерно одинаковые линейные размеры и т.п. Общепринятые единицы измерения времени, такие как год, месяц, сутки (день и ночь) хотя объективно имели свои меры в виде вращающейся вокруг своей оси Земли и обращающихся вокруг общих центром масс космических систем Солнце-Земля и Земля-Луна, но это были такие меры, которые не поддавались контролю со стороны государственных чиновников, да к тому же во времена Древних цивилизаций еще не были достаточно хорошо изучены. Что касается более мелких единиц времени, то они были весьма неопределенны и не имели своих мер. В первой научно обоснованной системе единиц физических величин, разработанной научной комиссией Академии наук революционной Франции также еще не было единицы времени.

Впервые единица длительности – секунда – появилась в разработанной Ф. Гауссом в 1832 году системе СГС – сантиметр – грамм – секунда, как третья основная единица системы. И хотя секунда в это время еще не имела меры, уже существовала и добилась значительных успехов созданная в 1676 г. Гринвичская астрономическая обсерватория специально предназначенная для определения и хранения точного времени.

Возможность придать секунде определенную меру возникла в 1929 году, когда Национальное бюро стандартов США начало использовать кварцевые часы. Мерой секунда могло стать определенное число колебаний кварцевого осциллятора, но секунда не была переопределена и ее величина осталась связанной с длительностью суток.

Впервые стабильная мера длительности, позволившая придать секунде определенную меру, возникла с изобретением атомных часов. Такой мерой, по определению Международного комитета по мерам и весам (1967 г.), стала длительность 9 102 631 770 переходов между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

2. История системной единицы длины - метра

Единица длины – метр – впервые появилась во Франции в период Великой французской революции. Специальная комиссия Французской академии наук решила связать единицу длины с естественной мерой - одной десятимиллионной долей четверти Парижского меридиана и назвать эту единицу «подлинным и окончательным метром» (metre vrai et definitive ). С целью получения этой единицы длины были проведены измерения длины дуги Парижского меридиана между Дюнкерком и Барселоной; на основе полученных результатов изготовили образец метра в виде платиновой линейки шириной около 25 мм и толщиной в 4 мм. Эта мера была сдана в архив Французской республики и стала называться «архивным метром». Но по мере повышения точности геодезических и астрономических измерений выяснилось, что длина одной десятимиллионной доли четверти меридиана не остается постоянной величиной. Поэтому «архивный метр» довольно быстро потерял достоинство естественной меры длины и стал рассматриваться как искусственный стандарт единицы длины. Тем не менее «архивный метр» почти столетие прослужил в качестве международного стандарта длины.

В конце XIX столетия решили уточнить этот стандарт. С этой целью было изготовлено 31 эталонов в виде стержней из платино-иридиевого сплава с Х-образным сечением с двумя штрихами, нанесенными при помощи «архивного метра». Наиболее точное соответствие «архивному метру» (в пределах точности измерения) показал эталон № 6 при 0° С и в 1889 году на I Генеральной конференции по мерам и весам его и приняли в качестве прототипа метра. Он хранится в Международном бюро мер и весов в городе Севре (близ Парижа). Из оставшихся 30 эталонов 28 были распределены по жребию между странами, участвовавшими в конференции 1889 года, а два оставлены как «эталон-копия» и «эталон-свидетель». Россия получила два эталона метра: № 11 и № 28. Последний декретом Совнаркома в 1918 году был узаконен в качестве государственного эталона или прототипа метра для СССР. Он хранится (до сих пор) во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева в Санкт-Петербурге и используется только для сравнения с ним вторичных эталонов или эталонов-копий.

С развитием точных методов интерферометрических измерений появилась идея выразить метр в длине световых волн и в 1927 г. VII Генеральная конференция по мерам и весам постановила считать, что 1 метр равен длине 1 553 164,13 волн красной линии кадмия при определенных условиях (температуре, давлении и т.д.). К 30-м годам ХХ века точность интерферометрических измерений превысила ширину штрихов на эталоне метра и его копиях. В 1960 году XI Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение метра: он стал равен длине 1 650 763,73 волн излучения в вакууме, соответствующей оранжевой линии изотопа криптона с атомным весом 86 (86 Kr ). Эта линия намного уже, чем линия кадмия. Новое определение метра повысило точность эталона в 100 раз. Однако она в относительной мере на четыре порядка ниже точности, достигнутой в эталонах времени. Это, в частности, ограничивало точность измерения скорости света, поскольку скорость света определялась измерением времени распространения света на базисе известной длины, поэтому точность измерения лимитировалась точностью криптонового эталона длины, а не точностью измерения времени.

Путь к повышению точности измерения длины открыло использование изобретённых в 1960-м году лазеров.

Обнаружилось, что газовый лазер на смеси гелия и неона (Не-Nе) может генерировать чрезвычайно узкие спектральные линии (так называемые продольные моды ) - гораздо ýже, чем у криптонового стандарта. Однако частóты этих линий могут «плавать», меняться неконтролируемым образом (например, вследствие изменения длины резонатора). Поэтому, чтобы получить источник света намного лучший, чем криптоновая лампа, необходимо стабилизировать частоту лазерного излучения. Такой стабилизации достигли использованием молекулярных линий поглощения некоторых газов, у которых частота одной из линий поглощения близка к частоте излучения лазера. Например, гелий-неоновый лазер может генерировать на трёх длинах волн: 0,63, 1,15 и 3,39 мкм; при этом линии с длиной волны 0,63 мкм весьма точно соответствует линия поглощения молекулы паров йода J 2 , а линии с длиной волны 3,39 мкм - линия поглощения молекулы метана СН 4 . Ячейку с поглощающим газом помещают внутрь резонатора лазера. Если изменять длину резонатора, настраивая лазерную частоту на центр спектральной линии поглощающего газа, в излучении лазера появляется резонансный пик с предельно узкой шириной спектра. Это состояние непрерывно поддерживает система автоподстройки длины резонатора. Лазеры на Не-Nе/J 2 127 и особенно Не-Ne/CH 4 обеспечивают генерацию очень узких линий излучения со стабильностью частоты того же порядка, что и в стандартах времени. Естественно, возникла мысль об использовании стабилизированных лазеров в качестве стандартов длины вместо криптонового эталона. Этому способствовало ещё одно обстоятельство.

В начале 1970-х годов в США, Англии и СССР были выполнены эксперименты по уточнению скорости света в вакууме с, основанные на независимом измерении частоты ν и длины волны λ высокостабильного лазера (произведение νλ равно с). Обработка результатов этих экспериментов дала значение с = 299 792 458 ± 1,2 м/с с относительной погрешностью 4.10 -9 . До этих экспериментов она была равна 3.10 -7 , то есть измерения скорости света с использованием стабилизированных лазеров повысили точность примерно на два порядка. Но дальнейшее уточнение значения с было невозможно, так как величина 4.10 -9 практически целиком обусловлена недостаточной точностью криптонового эталона длины, сравнением с которым вычислялась длина волны λ. Выход из этого положения оказался довольно неожиданным и оригинальным. Было решено: не будем стремиться уточнять с, а примем полученное значение 299 792 458 м/с за мировую константу. Поскольку скорость связывает расстояние и время, это позволило дать новое определение метра - через единицу времени. И в 1983 году на XVII Генеральной конференции по мерам и весам постановили: «Метр - это расстояние, проходимое светом в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды».

3. Разработка единого эталона времени-частоты-длины

Приведенное выше определение метра полностью отменяет криптоновый эталон длины и вообще делает метр не зависящим ни от какого источника света. Но зато придаёт ему зависимость от размера секунды, а значит, и герца - единицы частоты. Так впервые была установлена связь между длиной, временем и частотой. Эта связь привела к идее о создании единого эталона времени - частоты - длины (ВЧД), основанного на соотношении λ = с/ν, где λ - длина волны излучения стабилизированного лазера, ν - его частота. Плодотворность этой идеи в том, что частоту можно измерить с погрешностью, обеспеченной современным эталоном частоты (скажем, 10 -13 и менее). А так как значение с фиксировано, то и значение λ будет определено с той же погрешностью, что по крайней мере на четыре порядка точнее, чем при использовании прежнего криптонового эталона длины.

Однако эталон частоты, задающий атомную секунду, - цезиевый генератор, частота которого лежит в радиодиапазоне. И чтобы измерить частоту лазера ν сравнением с эталонной частотой, надо осуществить переход эталонной частоты в оптический диапазон, то есть умножить её до оптических значений. Однако эталонная частота имеет нецелочисленную величину и неудобна для преобразований. Поэтому обычно вместо цезиевого генератора используют более низкочастотный кварцевый генератор с удобным значением частоты, например 5 Мгц. Но такой генератор имеет гораздо меньшую стабильность частоты и сам по себе служить эталоном не может. Необходимо стабилизировать его частоту по цезиевому стандарту, придав ему такую же стабильность.

Это осуществляется при помощи схемы фазовой автоподстройки частоты. Низкая частота кварцевого генератора f кв увеличивается радиотехническими средствами в некоторое число (n) раз и в смесителе вычитается из частоты цезиевого эталона f эт. Подбором конкретных значений n и f кв разностную частоту (f эт - nf кв) можно сделать приблизительно равной частоте кварцевого генератора: (f эт - nf кв) = f кв.

Сигнал разностной частоты (f эт - nf кв) после усиления поступает на один вход фазового детектора, а на другой его вход подаётся сигнал частоты f кв от кварцевого генератора. На выходе фазового детектора возникает напряжение, величина и знак которого зависят от отклонения разностной частоты от частоты f кв. Это напряжение поступает на блок управления частотой кварцевого генератора, сдвигая её до тех пор, пока она не станет точно равной разностной частоте. Другими словами, любая расстройка частот (f эт - nf кв) и f кв вызывает появление управляющего сигнала, сводящего эту расстройку к нулю, благодаря чему частота кварцевого генератора автоматически поддерживается неизменной и её стабильность оказывается практически равной стабильности цезиевого эталона. Теперь можно осуществлять передачу этой частоты в оптический диапазон.

Для этой цели используется радиооптический частотный мост (РОЧМ), в котором при помощи многозвенной цепочки различных СВЧ-генераторов и промежуточных лазеров субмиллиметрового и инфракрасного диапазонов выполняется последовательное умножение эталонной частоты 5 МГц до значений 1014 Гц. Так создаются эталоны частоты в оптическом диапазоне - оптические стандарты частоты. В качестве таких стандартов утверждены пять стабилизированных газовых лазеров.

Следовательно, эталон длины, воспроизводящий метр в его новом определении, реализуется при помощи атомного (цезиевого) эталона времени и частоты, дополненного РОЧМ. Этот комплекс и представляет собой единый эталон ВЧД. При этом характерно, что размеры всех единиц - единицы времени (секунды), частоты (герца) и длины (метра) - задаются всего двумя природными константами: резонансной частотой перехода в атоме цезия-133 и скоростью света в вакууме.

В последнее время найдена более перспективная возможность создания единого эталона ВЧД, связанная с разработкой фемтосекундных «оптических часов», способных служить также «оптическим метром» («Наука и жизнь» № 9, 2003 г.). При этом отпадает необходимость в цепочке передачи благодаря генерированию высокостабильной «оптической гребёнки» в чрезвычайно широком диапазоне спектра. Такая гребёнка, воспринимаемая как белый свет, возникает при прохождении фемтосекундных импульсов от лазера на сапфире с титаном через оптическое волокно со специально созданной микроструктурой. Подробности о такого рода разработках можно найти в нобелевской лекции Дж. Холла, опубликованной на русском языке под названием «Определение и измерение оптических частот: перспективы оптических часов - и не только» (УФН, 2006, № 12).

Кроме того, была найдена возможность повышения точности цезиевого эталона времени. Ещё в 1997 году Международное бюро мер и весов подчеркнуло, что в определении атомной секунды фигурирует атом цезия, который покоится при температуре абсолютного нуля (по шкале Кельвина) . В новейших модификациях цезиевых часов (которые называют фонтанными) это условие почти идеально достигается путём лазерного охлаждения атомов. С использованием такого метода в американском Национальном институте стандартов и технологии (NIST) были построены эталонные цезиевые часы , обеспечивающие относительную точность воспроизведения единицы времени - секунды - порядка 3.10 -16 (уход часов составляет 1 секунду за 70 миллионов лет ). Но ещё более перспективны стандарты частоты, основанные на переходах в ионах ртути, иттербия или стронция , излучающие не в микроволновом, а в оптическом диапазоне. Точность отдельных лабораторных разработок таких оптических часов уже сейчас достигает 2.10 -15 , а в принципе они могут обеспечить точность воспроизведения единиц времени и частоты на уровне 10 -17 -10 -18 . К такой точности вплотную подошли японские исследователи. В экспериментальном образце стронциевых оптических часов, разработанном в Токийском университете группой Хидетоси Катори, ионы стронция находятся в оптической ловушке на перекрестье шести лазерных лучей, под воздействием которых они удерживаются в «энергетических ямах», почти не взаимодействуя и излучая свет исключительно стабильной частоты. Точность стронциевых часов в тысячу раз превосходит точность цезиевых, используемых сегодня в качестве эталона времени и частоты. Предполагают, что вскоре эталон будет заменён и применение таких сверхточных оптических часов позволит соответственно увеличить точность единого эталона времени - частоты - длины.

Использованная литература: Голубев А. В погоне за точностью… частоты-длины//Наука и жизнь. 2009. № 12.

Ильгиз А. Хасанов

Метр – единица длины метрической системы мер.

Согласно первому определению, принятому во Франции в 1791 г., метр был равен 1· 10 -7 части четверти длины парижского меридиана. Размер метра был определен на основе геодезических и астрономических измерений Жана Деламбра и Пьера Мешена. Первый этап метр был изготовлен французским мастером Ленуаром под руководством французского физика и геодезиста Жана Шарм Борда в 1799 г. в виде концевой меры длины – платиновой линейки шириной около 25 мм, толщиной около 4 мм, с расстоянием между концами, равным принятой единицы длины. Он получил наименование «метр архива» или «архивный метр». Однако, как оказалось, определенный таким образом метр не мог быть вновь точно воспроизведен из-за отсутствия точных данных о фигуре Земли и значительных погрешностей геодезических измерений.

В 1872 г. Международная метрическая комиссия приняла решение об отказе от «естественных» эталонов длины и о принятии архивного метра в качестве исходной меры длины. По нему был изготовлен 31 эталон в виде штриховой меры длины – бруса из сплава Pt(90%) –Ir(10%). Поперечное сечение эталона имеет формуX, придающую ему необходимую прочность на изгиб. Вблизи концов нанесено по 3 штриха. Расстояние между осями средних штрихов определяет при 0 0 С длину метра. Эталон № 6 оказался равным архивному метру. Постановлением 1-й Генеральной конференции по мерам и весам этот эталон, получивший обозначение, был принят в качестве международного прототипа метра.

Прототип метра и две его контрольные копии хранятся в Севре (Франция) в Международном бюро мер и весов. Во всесоюзном научно – исследовательском институте им Д.И. Менделеев (ВНИИМ) в Санкт – Петербурге хранятся две копии № 11 и № 28. международного прототипа метра. При введении метрической системы мер в СССР (1918) государственным эталоном метра была признана копия № 28. международный прототип метра, погрешность которого 1· 10 -7 , и национальные прототипы обеспечивали поддержание единства и точности измерений на необходимом для науки и технике уровне в течение десятков лет.

Однако рост требований к точности линейных измерений и необходимость создания воспроизводимого эталона метра стимулировали исследование по определению метра через длину световой волны. 11-я Генеральная конференция по мерам и весам (1960) приняла новое определение метра, положенное в основу Международной системы единиц (СИ) : «Метр – длина, равная 1630763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2 p 10 b5d 5 атома криптона – 86». Для обеспечения высокой точности воспроизведения метра в международной спецификации строго оговорены условия воспроизведения первичного этапа излучения. Монохроматическое излучение, соответствующее оранжевой линии криптона, создается специальной лампой, заполненной газообразным криптоном – 86. Свечение газа возбуждается генератором высокой частоты 100-200 МГц, во время работы лампу охлаждают до температуры тройной точки азота (63 К). Лампу устанавливают перед интерферометром, на котором измеряют концевые и штриховые меры в длинах световых волн.

Во ВНИИМе создан эталонный интерферометр, позволяющий измерять меры длины до 100 мм со средним квадратическим отклонением, не превышающим 3· 10 -8 .

В 1983 г. на 17-й Генеральной конференции по мерам и весам было принято современное определение метра: «Метр – длина пути, проходимого светом в вакууме 1/ 299792458 долю секунды».

Килограмм – единица массы.

Килограмм равен массе международного прототипа, хранимого в Международном бюро мер и весов.

При создании в 18 в. метрической системы мер килограмм был определен как масса 1 дм 3 воды при температуре ее наибольшей плотности (4 0 С), однако прототип килограмма в 1799 г. был выполнен в виде цилиндрической гири из платины. Масса прототипа килограмма оказалась приблизительно на 0,028 г. больше массы 1 дм 3 воды. В 1889 г. было принято существующее определение килограмма и в качестве международного прототипа килограмма была утверждена гиря со знакомА (готическое К), изготовленная из платиновоиридиевого сплава (10%Ir) и имеющая форму цилиндра диаметром и высотой 39 мм. Из 40 изготовленных копий прототипа две (№12 и №26) были переданы России. Эталон №12 принят в СССР (России) в качестве государственного первичного эталона единицы массы, а №26 – в качестве эталона-копии.

Между массой и весом тел долгое время различий не делали, поэтому килограмм использовался не только как единица массы, но и как единица веса (сила тяжести). Разграничение единиц массы и веса было установлено на 3-й Генеральной конференции по мерам и весам (1901 г.), в резолюции которой было подчеркнуто, что вес тел равен произведению его массы на ускорение свободного падения, и было установлено понятие нормального веса и нормального ускорения свободного падения (980,665 см/сек 2). С этого времени была введена отдельная единица силы и веса – килограмм – сила. Этот же принцип сохранен в Международной системе единиц, в ней для измерения силы принята единица ньютон.

Хотя килограмм не относится к единицам, определяемым через неизменные константы, взятые из природы, то есть его прототип является не воспроизводимым, по точности (относительная погрешность сличения с прототипом не превышают 2· 10 -9). Он удовлетворяет запросам современной науки и техники.

Секунда – единица времени.

На 13-й Генеральной конференции по мерам и весам (1967) принято следующее определение секунды: «Секунда – время, равная 9192631770 периода излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия 133 Cs». Определяемая таким образом секунда называется атомной. Она воспроизводится с помощью цезиевых эталонов частоты и времени, позволяющих определить частоту излучения атомов цезия 133 Csпри переходе между двумя фиксированными энергетическими уровнями.

Наряду с атомной секундой в астрономии и ряде других наук применяется астрономическая секунда, размер которой связан с периодами обращения Земли вокруг Солнца, она определяется на основании астрономических наблюдений. Эта секунда называется эфемеридной. За эфемеридную секунду принята 1/31556925,9747 доля тропического года на 0 января 1900 года в 12 часов эфемериадного времени (т.е. года, начавшегося в полдень 31 декабря 1899г.). Точная дата в определении секунды указывается в связи с тем, что тропический год сам не является постоянным. До введения эфемеридной секунды (1956г.) эталоном времени служила секунда, определяемая как 1/86400 доля средних солнечных суток. Однако она не была достаточно стабильной из-за неравномерности вращения Земли. Введение эфемеридной, а затем атомной секунды позволило на несколько порядков повысить точность воспроизведения атомной секунды цезиевым эталоном составляет около 10 -12 .

Кельвин – единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. До 1968г. именовалась градус Кельвина. Названа в честь английского физика Уильяма Томсона (Кельвина). Применяется как единица Международной практической температурной шкалы.

1 К равен 1 0 Цельсия. 1 0 Цельсия равен 1/100 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, точка таяния льда принята за 0 0 С, кипения воды – за 100 0 С. предложена в 1742 г. шведским астрономом и физиком Андерсом Цельсием.

В 1968 г. Международным комитетом мер и весов была установлена Международная практическая температурная шкала (МПТШ – 68) на основе 11 первичных воспроизводимых температурных точек (от тройной точки равновесного водорода 13,81К до точки затвердевания золота 1337,58К).

Промежуточные точки МПТШ – 68 воспроизводятся по интерполяционным формулам, устанавливающим связь между температурой и термометрическими свойствами приборов, этолонированных по этим точкам.

В диапозоне между 13,81К и 630,74 0 С в качестве эталонного прибора применяют платиновый термометр сопротивления, в диапозоне 630,74 0 С – 1064,43 0 С термопару с электродами платинородий (10%Rh)- платина. Выше 1337,58К (1064,43 0 С) – с помощью закона излучения Планка. В области низких температур от 0,3 до 5,2К определяют по упругости паров жидкого 7 He; еще более низкие – термометрами сопротивления (угольными, германиевыми из сверхпроводящих сплавов и другими) и магнитными методами.

Ампер – единица силы электрического тока. Названа в честь А. Ампера.

С момента введения ампера в качестве единицы силы тока (1881г., 1-й Международный конгресс электриков) его определение претерпело ряд изменений. Вначале ампер был определен как сила тока, который протекает по проводнику сопротивления 1Ом при разности потенциалов на концах проводника в 1В. При этом вольт определятся как 10 8 , а Ом – как 10 9 соответствующих единиц электромагнитной системы СГСМ.

Трудности практического воспроизведения теоретически установленных абсолютных электрических единиц привели к введению международных электрических единиц (1893 г.), основанных на вещественных эталонах. Международный ампер был определен как сила не изменяющегося электрического тока, который, проходя через водный раствор азотокислого серебра, выделяет 1, 11800 мг серебра в 1 сек. Прогресс, достигнутый затем в области электрических измерений, позволил отказаться от вещественного эталона ампера (с 1948г.) В международной системе единиц ампер определяется через механическое взаимодействие двух токов: «Ампер есть сила не изменяющегося тока, который, будучи поддерживаем в двух параллельных прямолинейных проводниках бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенных на расстоянии 1м один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу, равную 2· 10 -7 единицы силы системы МКС на 1м длины». Ампер воспроизводится с помощью так называемых токовых весов, или ампер – весов, которые позволяют с высокой точностью определить силу механического взаимодействия двух катушек с током, а следовательно, и значение силы тока.

Моль – единица количества вещества. Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов (частиц), сколько атомов содержится в нуклиде углерода 12 С массой 0,012 кг (точно), (т.е. 6,022· 10 23). Решением 14-й Генеральной конференции по мерам и весам (1971 г.) моль введен в Международную систему единиц в качестве 7-й основной единицы.

Кандела – единица силы света. Кандела – сила света, испускаемого с площади 1/600 000 м 3 сечения полного излучателя в перпендикулярном этому сечению направлении при температуре, равной температуре затвердевания платины (2042 К) при давлении, равном 101325 Па. Первичный световой эталон единицы силы света – канделы, постоянный и воспроизводимый на основе законов теплового излучения, осуществлен в виде обладающего свойствами абсолютно черного тела так называемого полного излучателя при температуре затвердевание платины: огнеупорна трубочка изThO 2 погружен в металл, разогреваемый токами высокой частоты. Этот световой эталон разработан в США, принят по международному соглашению 1 января 1948 г. и осуществлен в 8 национальных лабораториях.

Конвертер длины и расстояния Конвертер массы Конвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питания Конвертер площади Конвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептах Конвертер температуры Конвертер давления, механического напряжения, модуля Юнга Конвертер энергии и работы Конвертер мощности Конвертер силы Конвертер времени Конвертер линейной скорости Плоский угол Конвертер тепловой эффективности и топливной экономичности Конвертер чисел в различных системах счисления Конвертер единиц измерения количества информации Курсы валют Размеры женской одежды и обуви Размеры мужской одежды и обуви Конвертер угловой скорости и частоты вращения Конвертер ускорения Конвертер углового ускорения Конвертер плотности Конвертер удельного объема Конвертер момента инерции Конвертер момента силы Конвертер вращающего момента Конвертер удельной теплоты сгорания (по массе) Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему) Конвертер разности температур Конвертер коэффициента теплового расширения Конвертер термического сопротивления Конвертер удельной теплопроводности Конвертер удельной теплоёмкости Конвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излучения Конвертер плотности теплового потока Конвертер коэффициента теплоотдачи Конвертер объёмного расхода Конвертер массового расхода Конвертер молярного расхода Конвертер плотности потока массы Конвертер молярной концентрации Конвертер массовой концентрации в растворе Конвертер динамической (абсолютной) вязкости Конвертер кинематической вязкости Конвертер поверхностного натяжения Конвертер паропроницаемости Конвертер паропроницаемости и скорости переноса пара Конвертер уровня звука Конвертер чувствительности микрофонов Конвертер уровня звукового давления (SPL) Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давления Конвертер яркости Конвертер силы света Конвертер освещённости Конвертер разрешения в компьютерной графике Конвертер частоты и длины волны Оптическая сила в диоптриях и фокусное расстояние Оптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×) Конвертер электрического заряда Конвертер линейной плотности заряда Конвертер поверхностной плотности заряда Конвертер объемной плотности заряда Конвертер электрического тока Конвертер линейной плотности тока Конвертер поверхностной плотности тока Конвертер напряжённости электрического поля Конвертер электростатического потенциала и напряжения Конвертер электрического сопротивления Конвертер удельного электрического сопротивления Конвертер электрической проводимости Конвертер удельной электрической проводимости Электрическая емкость Конвертер индуктивности Конвертер Американского калибра проводов Уровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицах Конвертер магнитодвижущей силы Конвертер напряженности магнитного поля Конвертер магнитного потока Конвертер магнитной индукции Радиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излучения Радиоактивность. Конвертер радиоактивного распада Радиация. Конвертер экспозиционной дозы Радиация. Конвертер поглощённой дозы Конвертер десятичных приставок Передача данных Конвертер единиц типографики и обработки изображений Конвертер единиц измерения объема лесоматериалов Вычисление молярной массы Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

1 наносекунда [нс] = 1E-09 секунда [с]

Исходная величина

Преобразованная величина

секунда миллисекунда микросекунда наносекунда пикосекунда фемтосекунда аттосекунда 10 наносекунд минута час день неделя месяц синодический месяц год юлианский год високосный год тропический год сидерический год сидерический день сидерический час сидерическая минута сидерическая секунда фортнайт (14 суток) десятилетие столетие тысячелетие (миллениум) семилетие восьмилетие девятилетие пятнадцатилетие пятилетие планковское время год (грегорианский) сидерический месяц аномалистический месяц аномалистический год драконический месяц драконический год

О времени подробнее

Общие сведения. Физические свойства времени

Время можно рассматривать двояко: как математическую систему, созданную, чтобы помочь нашему пониманию Вселенной и течения событий, или как измерение, часть структуры Вселенной. В классической механике время не зависит от других переменных и ход времени постоянен. Теория относительности Эйнштейна, наоборот, утверждает, что события, одновременные в одной системе отсчета, могут происходить асинхронно в другой, если она в движении по отношению к первой. Это явление называется релятивистским замедлением времени. Вышеописанная разница во времени значительна при скоростях, близких к скорости света, и была экспериментально доказана, например, в эксперименте Хафеле-Китинга. Ученые синхронизировали пять атомных часов и оставили одни неподвижным в лаборатории. Остальные часы дважды облетели вокруг Земли на пассажирских самолетах. Хафеле и Китинг обнаружили, что «часы-путешественники» отстают от стационарных часов, как и предсказывает теория относительности. Воздействие гравитации, так же, как и увеличение скорости, замедляет время.

Измерение времени

Часы определяют текущее время в единицах, меньших чем одни сутки, в то время как календари - это абстрактные системы, представляющие более длительные интервалы времени, такие как дни, недели, месяцы и годы. Самая маленькая единица времени - секунда, одна из семи единиц СИ. Эталон секунды это: «9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133».

Механические часы

Механические часы обычно измеряют число циклических колебаний событий заданной длины, как, например, колебания маятника, совершающего одно колебание в секунду. Солнечные часы отслеживают движение Солнца по небу в течение дня и отображают время на циферблате при помощи тени. Водяные часы, широко использовавшиеся в древности и в средние века, измеряют время при помощи переливания воды между несколькими сосудами, в то время как песочные часы используют песок и аналогичные материалы.

Фонд Long Now в Сан-Франциско разрабатывает 10000-летние часы под названием Clock of the Long Now, которые должны просуществовать и остаться точными на протяжении десяти тысяч лет. Проект направлен на создание простой, понятной и удобной в обращении и ремонте конструкции. В конструкции часов не будут применяться драгоценные металлы. В настоящее время конструкция предполагает обслуживание человеком, включая завод часов. Время отслеживается при помощи двойной системы, состоящей из неточного, но надежного механического маятника и ненадежной (из-за погоды), но точной линзы, которая собирает солнечный свет. На момент написания статьи (январь 2013 года) строится опытный образец этих часов.

Атомные часы

В настоящее время атомные часы - это самые точные приборы измерения времени. Их используют для обеспечения точности при радиовещании, в глобальных навигационных спутниковых системах, и во всемирном измерении точного времени. В таких часах тепловые колебания атомов замедляются путем их облучения светом лазеров соответствующей частоты до температуры, близкой к абсолютному нулю. Счет времени осуществляется с помощью измерения частоты излучения, возникающего в результате перехода электронов между уровнями, причем частота этих колебаний зависит от электростатических сил между электронами и ядром, а также от массы ядра. В настоящее время наиболее распространенные атомные часы используют атомы цезия, рубидия, или водорода. Атомные часы, основанные на цезии - наиболее точные в долгосрочном использовании. Их погрешность составляет менее одной секунды за миллион лет. Водородные атомные часы примерно в десять раз более точны в течение более коротких отрезков времени, до недели.

Другие приборы измерения времени

Среди других измерительных приборов - хронометры, измеряющие время с точностью, достаточной для использования в навигации. С их помощью определяют географическое положение, основываясь на положении звезд и планет. Сегодня хронометр обычно имеется на судах в качестве резервного навигационного устройства, и морские специалисты знают, как пользоваться им в навигации. Однако глобальные навигационные спутниковые системы применяются чаще, чем хронометры и секстанты.

Всемирное координированное время

Во всем мире всемирное координированное время (UTC) используется как универсальная система измерения времени. Оно основано на системе Международного атомного времени (TAI), которая для расчета точного времени использует средневзвешенное время более 200 атомных часов, расположенных по всему миру. С 2012 года TAI на 35 секунд опережает UTC, потому что UTC, в отличие от TAI, использует средние солнечные сутки. Так как солнечный день немного длиннее 24 часов, для координации UTC с солнечным днем к UTC добавляются секунды координации. Иногда эти секунды координации вызывают различные проблемы, особенно в сферах, где используются компьютеры. Чтобы подобные проблемы не возникали, некоторые учреждения, такие как отдел серверов в компании Гугл, вместо секунд координации используют «високосное смазывание» - удлинение ряда секунд на миллисекунды, чтобы в сумме эти удлинения были равны одной секунде.

UTC основано на показаниях атомных часов, в то время как среднее время по Гринвичу (GMT) основано на длине солнечного дня. GMT является менее точным, потому что оно зависит от периода вращения Земли, который непостоянен. GMT широко использовалось в прошлом, но теперь вместо него используют UTC.

Календари

Календари состоят из одного или нескольких уровней циклов, таких как дни, недели, месяцы и годы. Их делят на лунные, солнечные, лунно-солнечные.

Лунные календари

Лунные календари основаны на фазах Луны. Каждый месяц - один лунный цикл, а год - 12 месяцев или 354,37 дней. Лунный год короче солнечного года, и, как следствие, лунные календари синхронизируются с солнечным годом только один раз в каждые 33 лунных года. Один из таких календарей - Исламский. Его используют в религиозных целях и как официальный календарь в Саудовской Аравии.

Солнечные календари

Солнечные календари основаны на движении Солнца и временах года. Их система отсчета - солнечный или тропический год, то есть время, необходимое Солнцу для завершения одного цикла времен года, например, от зимнего солнцестояния до зимнего солнцестояния. Тропический год равен 365,242 дням. Из-за прецессии земной оси, то есть, медленного изменения в положении оси вращения Земли, тропический год примерно на 20 минут короче, чем время, необходимое Земле для одного оборота по орбите вокруг Солнца относительно неподвижных звезд (сидерический год). Тропический год постепенно становится короче на 0,53 секунды каждые 100 тропических лет, поэтому в будущем, вероятно, нужна будет реформа, чтобы синхронизировать солнечные календари с тропическим годом.

Наиболее известный и широко используемый солнечный календарь - григорианский. Он основан на юлианском календаре, который, в свою очередь, основан на старом римском. Юлианский календарь предполагает, что год состоит из 365,25 дней. На самом деле, тропический год на 11 минут короче. В результате этой неточности, к 1582 году юлианский календарь ушел на 10 дней вперед, по сравнению с тропическим годом. Григорианский календарь стали использовать, чтобы исправить это несоответствие, и постепенно он заменил другие календари во многих странах. В некоторых местах, в том числе в православной церкви, до сих пор используют юлианский календарь. К 2013 году разница между юлианским и григорианским календарями составляет 13 дней.

Чтобы синхронизировать 365-дневный григорианский год с 365,2425-дневным тропическим, в григорианском календаре добавляют високосный год длиной 366 дней. Это делается каждые четыре года, за исключением годов, которые делятся на 100, но не делятся на 400. Например, 2000 год был високосным, а 1900 - нет.

Лунно-солнечные календари

Лунно-солнечные календари - сочетание лунного и солнечного календарей. Обычно месяц в них равен лунной фазе, и месяцы чередуются между 29 и 30 днями, так как приблизительная средняя длина лунного месяца - 29,53 день. Чтобы синхронизировать лунно-солнечный календарь с тропическим годом, каждые несколько лет к году лунного календаря добавляется тринадцатый месяц. Например, в еврейском календаре тринадцатый месяц прибавляется семь раз в течение девятнадцати лет - это называется 19-летним циклом, или метоновым циклом. Китайский и индуистский календари - также примеры лунно-солнечных календарей.

Прочие календари

Другие типы календарей основаны на астрономических явлениях, таких как движение Венеры, или исторических событиях, таких как смена правителей. Например, японское летоисчисление (年号 нэнго, буквально, название эры), используется в дополнение к григорианскому календарю. Название года соответствует названию периода, который также называется девизом императора, и году правления императора этого периода. При вступлении на престол, новый император утверждает свой девиз, и начинается отсчет нового периода. Девиз императора позже становится его посмертным именем. Согласно этой схеме, 2013 год называется Хэйсэй 25, то есть, 25-й год правления императора Акихито периода Хэйсэй.

Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.

Эталон единицы массы

На I Генеральной конференции по мерам и весам в 1889 году, утвердившей международные прототипы метра и килограмма, кроме двух эталонов метра, Россия получила два эталона килограмма(№12 и №26), который представлял собой гирю из сплава платины и иридия. Созданный одновременно с платино-иридиевым эталоном метра, прототип килограмма с аналогичными ему копиями до настоящего времени является носителем и воплощением единицы массы СИ – килограмма. Определение килограмма: «килограмм – единица массы – равен массе международного эталона килограмма».

В состав государственного эталона входят:

1. Копия международного прототипа килограмма – платино-иридиевая гиря, в виде прямого цилиндра с закругленными ребрами диаметром и высотой 39 мм, носящая знак №12

2. Равноплечие призменные весы №1 и №2 на 1 кг с дистанционным управлением, служащие для передачи размера единицы массы вторичным эталонам.

Эталон хранится на кварцевой подставке под двумя стеклянными колпаками в стальном шкафу, помещенном в хранилище эталонов, при атмосферном давлении, температуре 20 0 С и относительной влажности воздуха 65%. Чтобы предотвратить износ эталона, с ним сличают только два эталона-копии один раз в десять лет. Размер единицы массы от первичного эталона к рабочим передается с помощью эталонов-копий.

Определение единицы временипретерпело наибольшее изменение. Первоначально, за единицу времени – секунду принимали 1/86400 средних солнечных суток. Это определение секунды было связано с вращением Земли вокруг своей оси, которое, как обнаружили позднее, происходит неравномерно. Затем в основу определения единицы времени положили период вращения Земли вокруг Солнца – тропический год. Размер секунды был определен как 1/31556925,9747 часть тропического года. Но поскольку тропический год тоже изменяется, то в 1960 году для определения секунды был принят тропический год, отнесенный к определенному моменту времени: 12 часов 31 декабря 1899 года..

В 1967 году XIII Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение секунды, основанное на физическом явлении, которое позволяет более точно и стабильно воспроизводить ее размер. «Секунда – 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133».

В соответствии с определением единицы времени ее воспроизведение осуществляется атомно-лучевыми часами, блок-схема которых показана на рис.2.3.

Рис.2.3. Блок-схема цезиевых часов.

Электромагнитные колебания кварцевого генератора умножаются до частоты спектральной линии цезия. В резонаторе атомно-лучевой трубки энергия высокочастотных колебаний поглощается атомами цезия. При отклонении частоты кварцевого генератора от номинального значения интенсивность переходов атомов цезия и, следовательно, плотность пучка на выходе трубки резко сокращается. Блок авторегулирования, связанный с трубкой, вырабатывает сигнал, возвращающий частоты кварцевого генератора к номинальному значению.

Погрешность вопроизведения частоты цезиевыми часами составляет 10 -12 с -1 .