Глава четвертая. В поисках абсолюта
страница №4
...ремени на ленту. Затем обе записи дадим прослушать электронно-вычислительной машине. Магнитные ленты сыграют роль неискажающих линий связи, ЭВМ - роль общего приемника, а сигналы атомных эталонов создадут иллюзию "естественного" приема космических "радиостанций".Четыре года спустя эту идею проверили на своих радиотелескопах сначала американские, потом канадские астрономы. В Советском Союзе стали совместно работать радиотелескопы Симеиза и города Пущина-на-Оке. Потом расстояния приобрели межконтинентальный размах: Австралия - США, Швеция - США, Англия - Канада, СССР - США.
Эти сложнейшие исследования требовали слаженной работы многих научных учреждений. Например, когда в 1971г. проводился советско-американский эксперимент (сигналы принимались Советским радиотелескопом в Симеизе и американскими - в Грин-Бэнк и Голдстоуне), в нем участвовали или помогали ему такие советские и иностранные организации: Главная астрономическая обсерватория (СССР, Пулково), Институт космических исследований АН СССР, Калифорнийский технологический институт (США), Корнельский университет (США), Крымская астрофизическая обсерватория (СССР), Массачусетский технологический институт (США), Национальная ассоциация по аэронавтике и исследованию космического пространства (США), Национальная радиоастрономическая обсерватория (США), Парижская обсерватория (Франция), Смитсонианская астрофизическая обсерватория (США), Физический институт им. П.Н.Лебедева АН СССР, Хайстекская обсерватория (США), Чалмерский технологический институт (Швеция).
Немудрено, что при такой сложной организации дела возникали порой и довольно напряженные ситуации. "Советские ученые несколько раз приезжали на аэродром встречать своего американского коллегу доктора Барри Кларка, который вез с собой атомные часы для синхронизации времени, - вспоминает на страницах журнала "Наука и жизнь" один из авторов идеи "безграничного" радиотелескопа кандидат физико-математических наук Л.М.Матвеенко. - Но он никак не прилетал. Через несколько дней во время встречи профессора М.Коуэна стали выяснять, где же Кларк. Профессор недоуменно пожал плечами, и вдруг через головы встречающихся показал на одинокую фигуру: это был Кларк. А на табло атомных часов уже горела красная лампочка - до их остановки (из-за разрядки внутреннего источника тока) оставались считанные минуты. Часы все же не остановились, - их успели своевременно подключить к аккумулятору первого попавшегося под руку автомобиля".
Эксперимент дал уникальные результаты: на волне 1,35 сантиметра была получена разрешающая способность в 0,00012 секунды дуги.
Квазар - он же точка опоры
Радиоинтерферометры с расстоянием между антеннами в тысячи километров ("с большими базами"), как и всякий новый инструмент, не замедлили проявить себя открытиями. Причем открытиями тем более интересными, что они относились к таинственным квазарам.
Слово "квазар" - это сокращение английских слов "квази стар", "как бы звезда". Сфотографированные в 1960 и опознанные в 1963г., они поразили радиоастрономов необычайной мощностью излучаемой энергии: она как минимум в сотню раз превышает энергию, которую выбрасывают все сто миллиардов звезд нашей Галактики. Находятся, однако, квазары так далеко, что их свет в сотни, тысячи и десятки тысяч раз слабее света самых тусклых звезд, видимых невооруженным глазом. Гигантские оптические телескопы должны сутками смотреть в то место, куда укажет радиотелескоп, чтобы на фотопластинке появилась еще заметная точечка - портрет таинственного незнакомца.
Слово "таинственный" употреблено не ради занимательности. Все, связанное с квазарами, оказывается столь противоречивым, что и по сию пору ученые не могут разработать гипотезы, хоть сколько-нибудь примиряющей "как бы звездные" несообразности. Выбрасывая колоссальные потоки энергии, квазары вовсе не светят столь ровно, как, например, Солнце: мощность их излучения изменяется, словно ее регулирует какая-то невидимая рука. Массы их примерно в миллиард раз больше солнечной, а поперечник - только в 25 тыс. раз больше. Размеры квазаров в астрономическом понимании чрезвычайно малы. Столь ничтожный размер и столь колоссальная энергия не могут по земным понятиям принадлежать одному и тому же объекту, - однако же принадлежат. Наконец, квазары еще и движутся с невероятными скоростями, доходящими до 80 процентов скорости света, т.е. 240000 км/с (из-за этой безумной скорости ультрафиолетовые лучи, испускаемые квазаром среди прочих электромагнитных волн, превращаются для нас в обыкновенный свет и становятся видимыми).
. Что же увидели в квазарах радиоастрономы, когда повернули к ним зеркала своих интерферометров с большими базами? В полной мере проявилось могущество радиометодов, в три тысячи раз превысивших по разрешающей способности методы оптической астрономии. Фотографии квазаров - это расплывчатые светлые пятна. А радиоастрономы обнаружили, что квазар ЗС273, во-первых, состоит из двух частей, отделенных друг от друга 20 секундами дуги, во-вторых, в одной из них находится маленькое ядро, в-третьих, внутри ядра - еще два ядрышка размером по 0,00025 секунды. "Как бы звезда" открывалась изумленным глазам ученых в виде некой космической матрешки, словно подтверждая слова незабвенного Козьмы Пруткова: "Нет вещи столь малой, в которую не вместилась бы еще меньшая".
Те же, кого волнуют проблемы времени, заинтересовались квазарами с позиций сугубо утилитарных. Долго звезды считались неподвижными, словно гвоздями прибитыми к небесной сфере. Лишь когда вместо глаза в телескоп заглянула фотографическая пластинка, удалось заметить, что расстояние между звездами меняется, стало быть, они движутся. Если бы Гиппарх, составивший два тысячелетия назад первый каталог звезд, смог взглянуть на небо сейчас, он с удивлением заметил бы, что Арктур - одна из самых ярких звезд нашего полушария - сместился на полградуса, т.е. на целый диаметр Луны. Правда, это самая резвая звезда, другие куда степеннее, однако при точных измерениях астрономического времени, особенно если они охватывают несколько десятилетий, приходится считаться с собственным движением светил.
Зато квазары... Квазары отстоят от нас так далеко, что даже их безумные скорости еще очень долго не изменят их положения, видимого с Земли. Координатная сеть, опирающаяся на такие "верстовые столбы", - сейчас максимально возможное приближение к "абсолютно неподвижному" пространству, столь нужному астрономам. Требуется лишь определить положение квазаров на небосводе. Добиться же необходимой точности пока не удается. Радиоинтерферометры с большими базами хорошо видят малые объекты, хорошо отличают их друг от друга, а вот местоположение узнают еще плохо... Впрочем, все это трудности не принципиального, а технического порядка. Никто не сомневается, что они будут решены, и квантовые часы, без которых тут никак не обойтись, окажут науке еще одну услугу.
Чтобы их пути не пересекались
Два самолета впервые столкнулись в воздухе над Миланским аэродромом в 1910г., когда летательных аппаратов во всем мире было не более полусотни. Сегодня авиапарк только США насчитывает свыше 130 тыс. военных, сельскохозяйственных, частных, транспортных и пассажирских машин.
В 1895г. в США было всего четыре автомобиля, но два из них ухитрились-таки наехать друг на друга в городе Сент-Луисе, ранив своих водителей. Сегодня по дорогам земного шара мчится четверть миллиарда машин: дорожные происшествия случаются каждые пятнадцать секунд.
Когда произошла первая авария с морским судном, никто не знает, слишком древний это транспорт. Но мы знаем иное: сегодня парк торгового флота - 57 тыс. с лишним крупных судов, и каждые три-четыре дня из-за ошибок в навигации одно из них сталкивается с другим или садится на мель.
Транспортные средства становятся все мощнее, вместительнее, растет их скорость. Каждая авария сопровождается все большими убытками и жертвами. Безопасность движения на сухопутных и воздушных путях стала проблемой века. Решить ее - это уже признают все специалисты - нельзя без радионавигационных систем, для которых нижней ступенью будет город, аэродром, порт, а верхней - вся планета. Иными словами, проблему нельзя решить без службы точного времени.
Принципы радионавигации, известны давно, еще с середины 40-х годов. Представьте три передатчика, стоящих на берегах Каспийского моря: один в Астрахани, другой в Баку, третий в Красноводске. На море как бы наложен огромный треугольник. В школе нас учат, как найти координаты точки внутри или снаружи треугольника: нужно измерить расстояния до вершин. Корабли и самолеты берут вместо линейки радиоволну. Бортовой приемник измеряет время, нужное волне, чтобы пройти к нему от передатчика. Для этого все три сигнала, излучаемых каждой станцией, связаны между собой, иначе электроника на борту не сможет их использовать. Если стабильность частоты передатчиков плоха, определить координаты удастся только весьма грубо. Так, к сожалению, и обстояло дело, пока не было квантовых стандартов. Новая же техника хранения времени и частоты - цезиевые стандарты, почти ничем не отличающиеся от государственных эталонов, - намного повысила качество работы навигационных станций. И, что самое главное, стало возможным разносить станции на огромные расстояния, объять "радиотреугольниками" не только отдельные районы, но и весь земной шар. На Землю как бы накинули сеть с разными по размеру ячейками: где-то они крупнее, где-то мельче.
Самые крупные - это радиотреугольники системы "Омега". Ее восемь станций дают возможность определять координаты судов во всем Мировом океане с ошибкой 1...2 морские мили, т.е. 1,85...3,7 километра.
Станции "Лоран" служат для навигации в Средиземном море, северном районе Атлантики, у восточного побережья США и еще в некоторых районах. Приемники этой системы проще и дешевле, чем "Омеги", да и исторически она возникла раньше. А точность ее - не хуже "омеговской", только дальность действия меньше.
Ошибки, вполне допустимые в открытом море, непозволительны для плавания вблизи берегов. Там штурман включает приемник системы "Декка", и точность возрастает до сотен метров. Наконец, в проливах и на подходах к портам ставят станции систем "Хай-Фикс", "Си-Фикс" и "Торан", по сигналам которых кораблеводитель узнает место судна с ошибкой до метра.
Почему систем так много? Потому что точность удается купить только уменьшением дальности действия. По сигналам "Омеги" решают навигационные задачи на расстояниях до 5000 километров от станции, для такой же по точности системы "Лоран-С" (она работает на плохо распространяющихся средних волнах, а не на сверхдлинных, как "Омега") дальность не более 2200 километров, "Декка" - всего 650, а "Хай-Фикс" и ее "родственницы" - порядка 400 километров. И все-таки лишь 20 процентов акватории Мирового океана охвачено высокоточными системами радионавигации...
Ну, а самолеты? На дальних трассах они держат курс с помощью бортовых навигационных систем "Омега" и "Лоран": станции наземного слежения сообщают, если самолет отклонился от курса, есть также и автономные бортовые системы навигации - точные и надежные.
Сложности начинаются при подлете к аэродрому. Самолетов становится все больше, густота движения возрастает с каждым километром, а летчик не видит других самолетов и полагается только на сообщения с земли. Операторы наземных станций слежения работают крайне напряженно, и все-таки порой не в состоянии предотвратить роковое сближение машин. Поэтому большие надежды возлагают на особо точные системы воздушной навигации, которые сейчас разрабатываются и основа которых - опять-таки цезиевые стандарты частоты.
С 1965г. в США находится в опытной эксплуатации система предотвращения столкновений в воздухе. Она обслуживает сразу до 2000 самолетов - количество, более чем достаточное даже с учетом будущего роста плотности авиадвижения. Если машины опасно сближаются, земля дает предупредительный сигнал и рекомендует каждому пилоту маневр, который надо совершить, чтобы избежать столкновения. Никаких словесных команд летчик не получает: все отображается на индикаторах приборной доски.
Разнообразие систем морской и воздушной навигации может привести к ошибочному заключению, что для автотранспорта остается только использовать уже готовые рецепты. Между тем это не так. Появляются трудности, о которых не думали ни моряки, ни авиаторы. Прежде всего, массовость: автомобилей в тысячи раз больше, чем самолетов и кораблей, вместе взятых. Далее, бортовые системы должны быть очень дешевыми, чтобы владельцы машин захотели их установить. Наконец, в автомобиле очень мало места, его электрооборудование маломощно, отсюда крайне жесткие требования к миниатюрности и небольшому потреблению энергии. Расстояния между машинами на дороге обычно очень малы, а это делает работу навигационной системы (скажем, предупреждения столкновений) чрезвычайно сложной: точность измерения времени должна быть не хуже, чем в авиации, так что без квантовых стандартов снова не обойтись...
Связанные одной цепью
Когда на всех были только одни часы - солнце, крестьяне трудились от зари до зари, городские ворота открывались с восходом, а запирались на закате, к молитве же собирал богобоязненных граждан где колокол, где крик муэдзина с минарета.
Начало XIII в. - это начало цехов. Они строго следили не только за качеством товара, но и за временем работы. В уставе парижского цеха слесарей конца XIV в. мы читаем: "Мастера и подмастерья обязаны кончить работу в субботу с последним ударом колокола к вечерне на приходской церкви". Булочники в понедельник начинали печь хлеб, когда на Нотр-Дам звонили к заутрене.
В 1370г. французский король Карл V установил куранты на башне своего дворца и еще двое курантов в разных частях Парижа, распорядившись всем церквам отбивать за ними часы, чтобы "все знали время, светит солнце или нет".
Петр Великий велел стрелять в полдень из пушки: давать сигнал на обед и выдачу матросам традиционной "чарки". По выстрелу и сейчас в Ленинграде можно проверить часы, хотя, конечно, в наши дни пушечная пальба не более чем дань традиции.
В 1839г. профессор Мюнхенского университета Карл-Август Штейнгель создал первые в истории часы, работавшие от гальванического элемента, и спустя десять лет несколько городских часов Мюнхена оказались связаны с астрономической обсерваторией телеграфным проводом. Родилась система единого времени - СЕВ, без которой сегодня невозможно представить ни своей собственной жизни, ни жизни страны.
Мы просыпаемся и набираем номер "говорящих часов", чтобы проверить свой вечно отстающий будильник, - вот первое наше приобщение к городской системе единого времени. По графику отправляются с конечных остановок автобусы, троллейбусы и трамваи - все они "привязаны" контрольными часами к той же городской СЕВ.От Калининграда до Владивостока, от Мурманска до Кушки все железные дороги страны работают в ритме единого Московского времени, так же как все аэродромы Советского Союза и все телевизионные центры. В системах единого времени нуждаются энергосистемы и шахты, нефтепромыслы и трубопроводы, системы сбора метеорологической информации и слежения за искусственными спутниками Земли - сотни и сотни объектов должны согласовывать показания множества часов с очень высокой точностью.
Но, может быть, нет смысла связывать эти часы линиями передачи сигналов? Может быть, выгоднее продето устанавливать всюду столь хорошие часы, чтобы их показания не расходились, и этим ограничиться? Математический анализ показывает, что такое предположение совершенно неверно. "Создание СЕВ является наиболее рентабельным способом повышения точности показания времени, - пишет доктор технических наук В.А.Шполянский. - Выгоднее повышать точность одних (ведущих) часов, чем точность целой группы часов, получая при этом один и тот же эффект. Экономический выигрыш при этом тем больше, чем больше объем создаваемой СЕВ".
Первая бытовая система единого времени в России состояла всего из двух часов. По предложению Д.И.Менделеева был проложен кабель от "нормальных", т.е. эталонных, часов Главной палаты мер и весов до Генерального штаба, под аркой которого и установлены были на затейливом кронштейне небывалые дотоле часы, никогда не бегущие и не отстающие. Об этом извещала надпись на циферблате: "Верное время". Надпись эту может прочитать и сегодня каждый, кто идет под аркой к Зимнему дворцу или к Невскому проспекту.
Впрочем, еще раньше принялись создавать свои системы единого времени астрономы. Знать точное время обсерватории - это знать ее координаты. Ученые воспользовались новинкой: телеграфом. Первая телеграфная линия была проложена в США в 1843г., а два года спустя американские астрономы уже передавали друг Другу сигналы о том, что выбранная звезда проходит через меридиан обсерватории. После этого достаточно было взглянуть на часы, сделать несложный подсчет - и разница долгот была определена.
Европа к такому способу поначалу отнеслась с сомнением, а Россия вообще не была связана телеграфом со своими западными соседями. Для измерения долготы приходилось возить часы из одной обсерватории в другую. Первая экспедиция состоялась в 1843г., когда из Пулкова в германский город Альтону (сейчас он уже полностью слился с Гамбургом) отправились на корабле 68 хронометров. Их возили туда и обратно пятнадцать раз, чтобы по возможности исключить случайные ошибки. Спустя три года эксперимент повторили, на этот раз посуху: из Петербурга в Москву на возах поехало 40 хронометров. Точность сравнения оказалась вполне удовлетворительной, но способ требовал слишком больших затрат, и к нему более не прибегали.
А во второй половине века, точнее - к 1860г., передача сигналов времени по телеграфу стала привычным делом для ученых и в России.
Очень урожайными на всевозможные системы единого времени оказались 1900...1904гг. Именно тогда в Петербурге заработала замечательная для тех лет СЕВ в Политехническом институте: в нее входило 60 вторичных часов, действующих от центрального механизма. В германском городе Карлсруэ провода от главных городских часов протянулись не только в общественные здания, но и в частные дома. В Гамбурге каждый мог узнать время по телефону: в трубке звучали точки и тире азбуки Морзе (записывать голос на пленку тогда еще не умели).
В том же 1904г. на сцену выступило радио. Станция г. Бостона на восточном побережье США начала первые передачи сигналов точного времени. На первых порах ими пользовались только моряки торговых судов для проверки хронометров. Но после того как в Германии были сверены по радио часы обсерваторий на горе Брокен и в Потсдамском геодезическом институте, астрономы взяли на вооружение и это техническое средство. В 1907г. ритмические сигналы времени зазвучали на волне германской "Радио Норддойч" и канадской радиостанции порта Галифакс, в 1910-м к ним присоединилась парижская Эйфелева башня. В 1920г. радиостанции Москвы и Петрограда тоже включились в "хор" хранителей времени. Часы городов, отделенных друг от друга тысячами километров, стали "идти в ногу" с точностью до сотой секунды.
Отсюда было уже рукой подать до Всемирной службы времени, и ее действительно вскоре создали. В 1924г. в нее вступила наша страна.
Радио остается главным средством связи часов между собой и в эпоху атомного времени. Но возможности метрологов в последней четверти века несравненно богаче.
Очень удобными для передачи сигналов времени оказались навигационные системы "Лоран" и в особенности "Омега", которая, как уже говорилось, работает на сверхдлинных волнах, а их распространение в отличие от длинных, средних и коротких не зависит ни от времени суток, ни от поры года.
Почти бесплатно можно передавать информацию о времени, замешивая ее в телевизионный сигнал. Помимо данных об изображении, он несет еще в себе синхронизирующие импульсы, благодаря которым электронные лучи в трубках передающей камеры и телевизора работают согласно (иначе мы ничего кроме хаотически бегающих полос на экране не увидели бы). Импульсы можно "окрасить", т.е. незначительно изменить их форму, чтобы, помимо своей основной работы, они стали связующим звеном между эталоном и часами, встроенными в телевизор, или другим эталоном.
В нашей стране уже более 20 каналов телевидения служат для передачи сигналов времени между Москвой и Свердловском, Горьким, Берлином и другими городами. Впрочем, не только по наземным телеканалам удается сравнить работу атомных часов. Советские исследователи используют для этой цели также станции системы "Орбита" и спутники "Молния".
Но метрологам порой нужно воочию убедиться, что часы не врут. И эталоны времени превращаются в путешественников: нет ничего столь нового, как хорошо забытое старое.
Летом 1974г. один из цезиевых эталонов ВНИИФТРИ поехал на машине по маршруту Москва - Ленинград - Минск - Киев - Николаев - Харьков - Киев - Москва. Защищенные от толчков мягкой подвеской, квантовые часы ехали в индивидуальной автомашине. Ехали на рассвете, когда дороги свободны, - любая авария сорвала бы этот дорогой и очень важный опыт. Казалось бы, зачем везти эталон, если его сигналы можно передать по радио? Но радиопередачу искажают помехи, на нее оказывают немалое влияние атмосфера и ионосфера. "Личные контакты" сверхточных часов позволяют, помимо прочего, оценить эти искажения, а впоследствии, при сравнении хода эталонов по радио, вносить необходимые поправки.
Через моря и океаны атомное время доставляют на самолетах. Первый такой эксперимент провели в 1967г. Несколько атомных эталонов из Швейцарии побывали в центрах службы времени США, Канады и стран Дальнего Востока.
Не желая подвергать чувствительные эталоны лишним перевалкам с одного транспорта на другой, метрологи передают сигналы с борта самолета по радио. Самолет как можно ниже пролетает над зданием, где хранится другой эталон, чтобы исключить влияние помех на радиопередачу. Такой способ и быстр, и точен.
Но давайте спросим метрологов: "Зачем вам так много разных систем сравнения? Не ограничиться ли одной-двумя?"
"Нет, - ответят специалисты, - одной-двух мало. У каждого способа есть свои ошибки, не свойственные другому. Сравнивая часы каждый раз по-новому, мы исключаем одни погрешности и - от этого никуда не денешься - вводим другие. А в итоге средняя ошибка резко падает. Это для нас - самое главное".
Поэтому вас, читатель, не удивит еще одна система сравнения часов: на этот раз космическая. Ее предложил Д.В.Аллен, сотрудник Отдела атомных эталонов частоты и времени США.В качестве источника информации он выбрал пульсар - удивительное небесное тело, впервые обнаруженное в 1967г. английским радиоастрономом Гербертом Хьюишем и его сотрудницей Жаклин Белл. Эта звезда (а точнее - звезды, потому что сейчас известно уже немало пульсаров) напоминает маяк, то вспыхивающий, то угасающий. Астрономы отождествили пульсары с быстро вращающимися нейтронными звездами, которые уже давно были открыты на бумаге методами математическими. Некоторые пульсары регулярно изменяют не только свою радиояркость, но и яркость лучей обычного света. Этим обстоятельством и решил воспользоваться Аллен. Нужно направить телескопы лабораторий времени на такую звезду (например, NP0532 в Крабовидной туманности), записать световые сигналы и сигналы атомных часов на пленку, а потом сравнить их. Технические подробности метода весьма сложны, но важен принцип: атомные эталоны разных стран могут быть "привязаны" через пульсар друг к другу - ведь пленками можно обмениваться.
Итак, способов сравнения хода часов на планете существует много, но есть ли единое для всех время?
Сколько нуждающихся - столько времен
Москвич проверяет свои часы по Московскому времени, житель Лондона - по Гринвичскому, японец - по Токийскому. Это вполне естественно: в каждом городе свое время суток, если они не лежат на одном меридиане. Но поезжайте из Москвы в Киев или в Минск, и вам не придется переводить своих часов, хотя оба города расположены много западнее столицы. Зато в Воронеже, который находится почти на одном меридиане с Москвой, время на час впереди московского. В чем дело? Отвечая на этот вопрос, мы в известном смысле повторяем то, что говорилось в первой главе этой книги, только в другом повороте: дело в так называемых часовых поясах, в их границах.
XIX в. с его телеграфными линиями ввел в европейских странах единое время - обычно время столиц. По нему работал телеграф, ходили поезда железных дорог и были выставлены часы на ратушах. В России с ее огромной территорией Петербургское время - время Пулковской обсерватории - было узаконено только для телеграфа и железнодорожного транспорта, а города продолжали жить каждый по времени своего меридиана. А в Канаде и США каждый штат считал себя суверенной территорией и ревниво относился к любым попыткам центральной власти, подлинным или мнимым, эту суверенность ущемить. В том числе и к попыткам ввести единое время. Подливали масла в огонь железные дороги. Каждая желала, чтобы поезда по ней ходили только по ее особому единому времени. Через континент, от Атлантического до Тихого океана, пролегли линии, пересекающие несколько штатов. Какое время принять? На станциях машинисты решали головоломные задачи, пытаясь разобраться в показаниях часов города, штата и железной дороги. А там, где сходилось несколько линий, дело вконец запутывалось.
Канадский инженер-связист С.Флеминг служил на железной дороге. Он хорошо понимал всю нелепость создавшегося положения. Как положить конец разнобою? Флеминг вспомнил о старом испытанном приеме "не нашим, не вашим" и предложил разделить всю страну на часовые пояса, по 15 градусов в каждом. Внутри пояса время принимается всюду одинаковым, а на границе сразу переводят стрелки на час вперед или назад. Флеминг утверждал, что разделить поясами выгодно не только Северную Америку, а и вообще всю Землю, за нулевую же линию следует взять Гринвичский меридиан - середин