Вы когда-нибудь задумывались, как работают мировые часы, чтобы все синхронизировались? Мы живем в разных часовых поясах, но от Нью-Йорка до Мельбурна секунда всегда секунда. Это потому, что каждый устанавливает свои местные часы, используя согласованный на международном уровне стандарт, называемый всемирным скоординированным временем, также известный как UTC.
UTC определяется агентством ООН под названием Международный союз электросвязи (откроется в новой вкладке). Он основан на двух измерениях: тиканье сотен сверхстабильных атомных часов (International Atomic Время) и вращение Земля (Всемирное время). Страны по всему миру устанавливают свое местное время, добавляя или вычитая из UTC в зависимости от их положения на земном шаре.
Лаура Мирс — увлеченный научный писатель, ранее она писала для наших родственных изданий «Как это работает» и журнала «Все о космосе».
Когда началось мировое время?
Всемирное координированное время, или мировые часы, существует с первого дня 1960-х годов, вскоре после того, как Луи Эссен построил первые атомные часы. Эти точные часы обещали решить многовековую проблему слишком быстрой или слишком медленной работы секундных стрелок.
До 1950-х годов самые точные часы использовали вибрирующие кристаллы кварца, чтобы отсчитывать время, но секунды ежедневно дрейфовали. В изобретении Эссена использовались квантовые свойства атомов цезия для синхронизации кристаллов.
Сейчас более 400 чрезвычайно стабильных атомных часов отслеживают время по всему миру. Каждый из них передает сигнал Международное бюро мер и весов (откроется в новой вкладке) во Франции. Бюро сравнивает их раз в месяц, чтобы получить окончательное число, называемое Международное атомное время (TIA) (откроется в новой вкладке). Каждые часы получают различный вес в расчетах в зависимости от того, насколько они стабильны.
Атомное время настолько точное, что сама Земля не может за ним угнаться. Теоретически наша планета делает один оборот вокруг своей оси за 24 часа. Но на практике, вращение Земли немного нерегулярно. Он колеблется изо дня в день и постепенно замедляется.
Неравномерность вращения Земли означает, что сейчас идет отсчет Международного атомного времени. 37 секунд быстро. (откроется в новой вкладке)Если бы мы установили часы по нему, то вскоре проснулись бы к завтраку посреди ночи.
Чтобы учесть это естественное изменение, мировые часы также учитывают вращение Земли. Международная служба вращения Земли и систем отсчета (откроется в новой вкладке) (IERS) измеряют земное время, известное как универсальное время, наблюдая за звезды мчитесь мимо, пока планета вращается. Затем они объединяют это с международным атомным временем, чтобы получить окончательную цифру для всеобщего скоординированного времени.
Насколько точны мировые часы?
Чтобы атомные часы не убегали сами по себе, когда Земля замедляется, IERS старается удерживать универсальное скоординированное время и универсальное время с точностью до 0,9 секунды друг от друга. Это включает в себя регулярные корректировки, называемые «високосными секундами».
Первая дополнительная секунда была добавлена в 1972 году, и с тех пор их было еще 26. В какие-то годы их было больше одного, в какие-то годы не было вообще ни одного. В 2020 году вращение Земли фактически ускорилось, что заставило людей задаться вопросом, нужно ли нам впервые удалять дополнительную секунду.
(откроется в новой вкладке)
Изобретение времени
Люди измеряют время на протяжении десятков тысяч лет. С самого начала существования нашего вида мы использовали вращение Земли, чтобы отслеживать день, сначала на глаз, а затем по солнечным часам. Нашей самой большой проблемой с самого начала была способность определять время в темноте, особенно в разгар зимы, когда дни были короткими. Решения включали измерение расхода песка или воды или отслеживание длины горящей свечи.
Первые механические часы появились только в эпоху Возрождения. Они использовали веса, чтобы двигать колеса, чтобы бить в колокола, чтобы указать часы. Позднее изобретатели заменили гравитацию пружинами, а прялки — качающимися маятниками. Наконец, в 20 веке были изобретены первые кварцевые часы, уступившие место атомному времени.
Как работают атомные часы?
Часы используют осцилляторы, чтобы отсчитывать время. Эти устройства имеют периодическое поведение, качаясь взад и вперед в регулярном ритме, как маятник. Чем быстрее качание, тем точнее часы.
Наиболее распространенным генератором часов является кварцевый кристалл. Он вибрирует тысячи раз в секунду, создавая волну, которая колеблется вверх и вниз по предсказуемой схеме. Проблема в том, что он не совсем стабилен.
Критические по времени задачи, такие как перемещение космического корабля, требуют часов, которые могут измерять время с точностью до миллиардных долей секунды. Кварцевые часы не могут обеспечить такой уровень точности.
Чтобы обойти это, физики привязали кристаллы кварца к естественный резонанс атомов (откроется в новой вкладке). Под воздействием точных частот атомы меняют свое энергетическое состояние. Обнаружение этих изменений позволяет контролировать вибрацию кристаллов кварца. Таким образом, когда кварцевые часы отстают от времени, мы можем мгновенно их исправить.
Дополнительные ресурсы
Вы можете узнать больше об истории хранения времени, посмотрев это Выступление Карен Менсинг на TED (откроется в новой вкладке). Чтобы узнать текущее время в странах по всему миру, посетите Часы для всех (откроется в новой вкладке)онлайн.
Библиография
“Карта часовых поясов (откроется в новой вкладке)“. Время и Дата (1995-2022).
“Сверхточные атомные оптические часы могут дать новое определение продолжительности секунды (откроется в новой вкладке)“Живая наука” (2022).
“Всемирное координированное время (откроется в новой вкладке)“. Британская энциклопедия (2022).
“Луи Эссен (откроется в новой вкладке)“. Национальная физическая библиотека (2022).
“Международное бюро мер и весов (BIPM) (откроется в новой вкладке)Международная геодезическая ассоциация (2011-2013).
“Что такое время NIST или UTC (NIST)? (откроется в новой вкладке)“. НИСТ (2022).
“Вращение Земли замедлилось. Но нам все еще может понадобиться отрицательная дополнительная секунда (откроется в новой вкладке).». Живая наука (2021).
“Первые песочные часы (откроется в новой вкладке)“. Книга Рекордов Гиннесса.
“Первые в мире механические часы (откроется в новой вкладке)“. Музей Сейко Гиндза (2022).
“Что такое атомные часы? (откроется в новой вкладке)НАСА (2019).
:quality(70):focal(1064x864:1074x874)/cloudfront-us-east-1.images.arcpublishing.com/shawmedia/PCFYSJIPGNBL5OFEFBKDZJBN7M.jpg?resize=150%2C150&ssl=1)
