Хранители точного времени: звезды, часы, люди

Как связаны часы и звездное небо? До 1967 года Службы времени использовали для вычисления часов, минут и секунд положение звезд. Астрономическое время нужно было непрерывно определять, хранить и распространять, а также синхронизировать с показателями коллег по всему миру. Но как именно это происходило, что изменилось в 1967 году и каким образом узнают точное время сейчас?

Туман застилает все вокруг в парке Главной (Пулковской) астрономической обсерватории. Как будто огромное облако спустилось с неба, но главное здание ГАО РАН все равно отчетливо видно — оно ярко-желтое, не потеряешься.

Обсерватория основана в 1839 году. Более чем за 180 лет работы она обрела мировую известность благодаря высокоточным астрометрическим наблюдениям.

Виктор Леонидович Горшков, кандидат физико-математических наук, заведующий сектором геодинамики, ведет меня по длинному, ярко-голубому коридору. На стенах между кабинетами — информация для сотрудников и членов профсоюза. Не покидает ощущение другой эпохи: время здесь если не останавливается, то точно замедляется.

Виктор Леонидович работает в Службе времени Пулковской обсерватории 51 год.

— Шестидесятые были началом космической эры. Тогда все пацаны мечтали стать как минимум летчиками, а как максимум космонавтами, и я не был исключением. В старших классах мне очень нравилась математика. А потом я прочитал книгу «Элементарная астрономия» Отто Струве, правнука первого директора нашей обсерватории. Там были изложены основные принципы астрономии не только популярным языком, но и с помощью элементарных математических формул, и я подумал: «Вот это мне нравится!» В итоге я поступил на матмех Ленинградского государственного университета и стал студентом астрономической группы.

Работа любой Службы времени упрощенно сводится к трем основным задачам: определять точное время, сохранять его точность и доводить до потребителя. Раньше для решения первой задачи сотрудники вели постоянные астрономические наблюдения звезд. Так как каждая известная астрономам звезда имеет точную координату, небо можно считать циферблатом, а ось телескопа — стрелкой часов. Таким образом равномерное вращение планеты и движение звездного неба определяли естественную единицу времени — период обращения Земли вокруг своей оси (звездные сутки).

В 1834 году директором строящейся Пулковской обсерватории был назначен Василий Яковлевич Струве (при рождении Фридрих Георг Вильгельм Струве). По его инициативе основной научной задачей новой обсерватории стало создание каталогов точных абсолютных положений звезд на основе астрометрических наблюдений.

Хранили время с помощью маятниковых часов. Погрешность их хода не превышает 0,05 секунды в сутки. Для синхронизации показателей с другими Службами времени раньше использовали радиосигналы (еще раньше — телеграф). Регулярные собственные и зарубежные сигналы в Пулковской обсерватории начали принимать в 20-х годах прошлого века. В те же годы впервые организовали радио­передачи точного времени: данные распространяли сначала через петроградскую, а затем и через московскую радиостанцию. До этого Пулковская обсерватория контролировала часы Главной телеграфной конторы в Петербурге, Главной палаты мер и весов, а также других учреждений по телеграфу.

Почти до середины XIX века все географические долготы мест в России относились к Гринвичскому меридиану, и только в 1844 году Пулковcкий меридиан был избран Первым, или Начальным, меридианом в России. В 1884 году Международная меридианная конференция рекомендовала принять Гринвичский меридиан в качестве единого для удобства геодезических работ. Однако российские ученые продолжали использовать Пулковский меридиан в качестве нулевого до начала 1920-х годов.

Сейчас для передачи и синхронизации времени используют глобальные навигационные спутниковые системы, такие как GPS и ГЛОНАСС. Но изменилось не только это.

— Хранение шкалы времени претерпело одни из самых мощных изменений в инструментальном плане, — рассказывает Виктор Леонидович. — В 1967 году были приняты стандарты атомного времени и частоты, основанные на регистрации частоты переходов внешнего электрона между ближайшими энергетическими уровнями в атоме цезия-133. Количество таких переходов за одну секунду было подобрано исходя из астрономического времени и составляет 9 192 631 770 раз. Современные атомные часы обладают невероятной стабильностью хода: за миллионы лет работы их погрешность не составит даже секунды. Сейчас международная совокупность этих стандартов — главный хранитель времени на планете.

С изобретением атомного времени было установлено, что наша планета вращается неравномерно. После революционного открытия вращение Земли и астрономическое время перестали считать константами. Это стало отправной точкой для развития новой науки — геодинамики, которая изучает неравномерность движения Земли и параметры ее ориентации.

— Неравномерность вращения Земли обусловлена обменом угловыми моментами между твердыми и флюидными оболочками планеты. Представьте себе фигуристку. Когда она при вращении распахивает руки — ее движение замедляется, а когда сжимает — начинает крутиться быстрее. С Землей (условно) происходит нечто похожее, но вместо рук у нашей планеты — гидрологический и атмосферный сезонные циклы. В итоге скорость вращения Земли бывает наименьшей в апреле и ноябре, а наибольшей — в январе и июле.

В Пулковскую обсерваторию может прийти любой желающий — в Астрономический музей. Здесь представлено множество экспонатов: скульптуры, астрономические инструменты, значимые письменные источники. Сегодня у Виктора Леонидовича экскурсия «История обсерватории и Служба времени».

Через центр Круглого зала проходит Пулковский меридиан, который использовался в Российской империи в качестве нулевого. В Западном меридианном зале — старинные телескопы, которые стоят на своих «рабочих» местах.

— Вы знаете, сколько стоит самый дорогой телескоп, который еще только строится? 1,5 миллиарда долларов. А самый дорогой авианосец? 7 миллиардов долларов. И сколько уже этих авианосцев… Человечество готово тратить деньги на средства уничтожения, а телескоп только через пару лет достроят.

Сейчас в обсерватории четыре действующих телескопа. Наша группа вслед за Виктором Леонидовичем поднимается на Центральную башню. Все смотрят в окуляр телескопа на Исаакиевский собор.

— Однажды я был на Шпиц­бергене, полярном архипелаге. При работе в северных условиях нельзя выдыхать в сторону телескопа, иначе пар сразу же замерзнет на окуляре и ничего не будет видно. Засмотревшись на звезды, я совершенно забыл об этом и случайно прервал наблюдения на целый час, — вспоминает Виктор Леонидович.

Группа отправляется в другое здание. Теперь перед нами — большой 26-дюймовый рефрактор. Здесь в окуляр уже не посмотреть, так как принцип работы телескопа иной. Он автоматически фотографирует звездное небо в ясные ночи.

— Каково это — работать с таким сложным конструктом, как время?

— Мы живем в пространстве-времени и над этим не властны. К философским и космологическим проблемам Служба не имеет никакого отношения. Мы задаем шкалу времени, но не изучаем его как физический объект той Вселенной, в которой мы существуем. Мы делим его на кусочки. А вообще, время и пространство — это совершенно непостижимые сущности, и мы просто в них живем.

Разговор заходит о природе темной материи, теории относительности, парадоксе Ферми, космических путешествиях и теориях фантастов о телепортации, основанных на принципах квантовой механики.

— В общем, лучший способ сойти с ума — заниматься этими проблемами, — философски отмечает ученый.