Помоги проекту - поделись книгой:
Хронометрирование — одно из древнейших искусств, которые человечество оттачивало веками. Пытливые умы без устали искали и продолжают искать способы измерять время с максимально возможной точностью. И если до недавней поры они обращали свои взоры к небесам, вопрошая о точном времени космические объекты, то сегодня учёные измеряют время, вглядываясь в структуру атома и разрабатывая всё более совершенные атомные часы.
Думается, никто не будет оспаривать простую истину: измерить время можно, только рассматривая какое-либо периодическое событие. Благодаря восходам и закатам мы делим нашу жизнь на дни и годы. Студенты отмеряют семестры «от сессии до сессии», а несбыточные желания люди традиционно связывают с непериодическими событиями («когда рак на горе свистнет», например, и тому подобное).
Источники периодических событий обычно называют резонаторами. Согласно закону сохранения энергии (которая затрачивается на каждое периодическое событие), резонатор сам по себе существовать не может — ему необходим источник энергии. В случае периодического движения по нашему небосводу планет и звёзд это гравитационная энергия, для маятника в механических часах — это кинетическая энергия пружины, ну а будильник в вашем смартфоне «питается» аккумулятором.
Система «резонатор — источник энергии» именуется осциллятором. Именно благодаря ему у людей появляется возможность измерить время. Осциллятор порождает периодическое событие с определённой частотой f, которая является обратной величиной периода его колебаний T-f=1/T. Несложные математические манипуляции позволяют трансформировать эту формулу в вид, удобный для измерения времени, — T=1/f. Таким образом, единица времени может быть получена путём изменения частоты работы осциллятора.
Но тут возникает проблема, связанная с точностью осциллятора. Стоит пружине, питающей маятник, ослабнуть, и частота, с которой он раскачивается, станет другой. Значит, изменится и период колебаний, который мы принимаем за единицу времени. Выходит, «тик-таки» только что заведённых часов вовсе не такие, как «тик-таки» часов с заканчивающимся подзаводом. Мы начинаем опаздывать, потому что другие осцилляторы порождают другие периоды колебаний.
Расхождение частоты осциллятора относительно его номинала в хронометрии называют мерой неопределённости частоты и обозначают Δf.
Что же мы делаем, чтобы не опаздывать (или не торопиться — осцилляторы-то могут и вперед убегать)? Правильно: смотрим телевизор и слушаем радио, где «передают сигналы точного времени». Ага! Значит, есть всё-таки в мире самый главный осциллятор, мера неопределённости частоты которого так мала, что её можно устремить к нулю!
Как же выглядит сей грандиозный прибор, и в каком секретном бункере он хранится? На самом деле в разные времена роль осциллятора всех осцилляторов выполняли разные колебательные системы. И за наблюдение за ними отвечали разные организации.
Что именно считать эталоном единицы измерения времени, решают коллегиально. Для этого существует Генеральная конференция мер и весов (CGPM), утверждающая в рамках системы единиц измерения SI секунду — базовый отрезок времени, из множества которых и складывается вселенская стрела времени.
Точность эталонного осциллятора напрямую зависит от технологических возможностей человечества. В сущности, поиск идеального осциллятора — это и есть главнейшая задача хронометрирования. Веками решать её метрологам помогали только астрономы. Но в прошлом столетии к ним подключились физики и химики.
В стародавние времена выбор вариантов идеального осциллятора был весьма ограничен. Самым очевидным из них была наша планета, суточное вращение которой вокруг своей оси является более-менее периодичным. Именно поэтому долгое время секунда была равна 1/86400 доле продолжительности солнечных суток. Позже, однако, выяснилось, что точность этого природного осциллятора далека от идеала. Дело в том, что на продолжительность солнечных суток влияют притяжения Солнца и Луны, увеличивая, пусть и незначительно, длительность эталонной секунды. Усреднение продолжительности солнечных суток частично решило эту проблему, но для увеличения точности в 1956 году солнечную секунду пришлось заменить эфемеридной.
Эфемеридами (от греческого «годные на день») называются координаты небесных тел, вычисляемые через равные промежутки времени. Для расчёта секунды было предложено использовать эфемериды периода обращения Земли вокруг Солнца. Эталонная эфемеридная секунда стала равна 1/31556926,9747 продолжительности 1900 года, измеренной на уровне тропиков.
Новая эталонная мера времени, однако, не нашла широкого распространения. Причин тому несколько. Тут и сложность точного вычисления эфемерид, и не особенно очевидная практическая польза небесной секунды. Люди, далёкие от астрономии, желали видеть бег времени собственными глазами — и желательно без помощи громоздких оптических приборов, направленных в небо.
В дополнение к официально принятым астрономическим стандартам времени неустанно велись разработки «земных» осцилляторов, которые не использовали бы в работе движение небесных тел.
Первыми на роль механических осцилляторов стали претендовать маятниковые системы. Механизм маятниковых часов, описанный в 1639 году Галилео Галилеем, доминировал в качестве высокоточного измерителя времени на протяжении трёхсот лет. Апогея своего развития маятниковые осцилляторы достигли в первой половине прошлого столетия. Долгое время самыми точными маятниковыми хронометрами считались изделия немецкого мастера Клеменса Райфлера.
В середине двадцатых годов прошлого века их на этом почётном посту сменили хронометры англичанина Уильяма Шорта, отличающиеся наличием двух маятников, один из которых работал непосредственно осциллятором, а другой двигал часовые стрелки. Погрешность часов Шорта составляла потрясающие -7
Именно такие маятниковые часы стали так называемыми «регуляторами» — эталонами, устанавливаемыми в местах, где точность измерения времени критически важна, например на биржах и в портах. По этим регуляторам подстраивались все менее точные механические часы. Высокая точность маятниковых осцилляторов сделала их первыми стандартами частоты (а значит, и времени), которые признало американское Национальное бюро стандартов (NBS). Образцы изделий Райфлера и Шорта до сих пор хранятся в музее этой организации.
Электрификация всего и вся в тридцатые годы прошлого столетия позволила обнаружить стандарт частоты, существенно превосходящий по точности творения знаменитых часовщиков. Началось всё с использования не очень точных колебательных контуров на базе индуктивности и конденсаторов, однако эти схемы быстро были вытеснены кварцевыми осцилляторами.
Пьезоэлектрический эффект, обнаруженный у кристаллов кварца, оказался удивительно точным осциллятором, заодно позволяющим создавать устройства малых размеров. Вскоре кварцевые регуляторы сменили на посту в NBS эталонные маятниковые стандарты. В 1929 году исследовательский центр Bell Labs разработал для NBS четыре высокоточных кварцевых осциллятора, генерирующих частоту 100 Гц и обладающих погрешностью -9
Почему же эталонные кварцевые осцилляторы потребовали замены, если кварц — такое точное, компактное и экономичное решение? Всё дело в том, что осциллятор на основе кварца неидеален хотя бы потому, что найти два кристалла с абсолютно одинаковыми свойствами практически нереально. Кроме того, кварц подвержен старению, приводящему к «уходу» частоты. Вдобавок на его характеристики влияет масса природных и техногенных факторов: влажность, температура окружающей среды, атмосферное давление и даже вибрация.
Именно поэтому учёные, приоткрывшие завесу тайны строения атома, стали всё больше заглядываться на этот микрокосм, в котором движение электронов вокруг ядра так же периодично, как и движение планет вокруг солнца. Только на несколько порядков точнее.
Читайте также: Как устроены атомные часы. В 2012 году атомное хронометрирование будет праздновать своё сорокапятилетие. Как же устроен механизм этих атомных часов? Какие «часовщики» придумали и совершенствовали этот чрезвычайно точный механизм? Есть ли ему замена? Попробуем разобраться.
Интервью
Александр Лазуткин о перспективах космонавтики
- Александр Иванович, чем вы занимались на станции «Мир», в каких участвовали экспериментах?
- Я был бортинженером. В обязанность бортинженеров входит обеспечение работоспособности приборов и оборудования. Вторая задача — проводить эксперименты. Это то, ради чего и летают космонавты. В нашем полёте было порядка двухсот одних только медицинских экспериментов, а кроме них проводились технологические, в которых мы, например, получали новые сплавы металлов, и астрофизические.
- Вы во всех участвовали?
- Да. Подготовка проходит по всем экспериментам ещё на Земле. Всё тщательно спланировано заранее, не успеть что-то невозможно.
- Какой из, например, медицинских экспериментов произвёл на вас самое большое впечатление?
- Есть такой эксперимент, его придумали американцы. Они захотели изучить сон человека, узнать, как факторы космического полёта влияют на его сон с точки зрения физиологии. Необходимо было зафиксировать параметры, присущие сну: сердцебиение, дыхание и прочее.
Для этого учёные поставили датчики на грудь испытуемым и записывали электрокардиограмму сердца в течение ночи. Когда человек спит, у него меняется частота дыхания, поэтому устанавливается также датчик дыхания. Мозг тоже меняет свою работу — происходит изменение электрической активности. Энцефалограмму головного мозга также записывают в течение всей ночи. Происходит изменение артериального давления. Этот процесс также измеряется в течение всей ночи и фиксируется. В зависимости от фаз сна у человека двигаются глаза, и их движение также нужно фиксировать. Во сне меняется состав крови, поэтому происходит постоянный забор крови и её анализ. Для этого в вену вводится катетер, и в течение ночи, через определённые промежутки времени, производится забор крови. И в этом состоянии, будучи окутанным датчиками и проводами, необходимо было спать.
Эксперимент начался на Земле, продолжился в космосе и закончился после возвращения на нашу планету. Это очень трудный эксперимент. Он вызывал массу недовольства. Но такова наша работа — мы должны были это делать. И мы это сделали. Люди должны знать, как ведёт себя организм в невесомости.
- Результаты эксперимента вам известны?
- Нам их не сообщают, мы только испытываем на себе те или иные методы.
- Чем отличаются астрономические наблюдения с Земли и из космоса?
- Отличие в том, что здесь мы видим маленький кусочек небосвода, а там значительно больше. И это производит очень сильное впечатление. Нам, живущем в северном полушарии Земли, не видна южная часть неба. А находясь на орбитальной станции, можно в течение одного витка наблюдать всё пространство, окружающее Землю. Да и количество звёзд там, в космосе, видно значительно больше. От такого вида дух захватывает.
- Что вы, как человек, увлекающийся астрономией, любите наблюдать?
- В детстве я мечтал увидеть кольца Сатурна, тогда я видел их только на картинках. Чтобы осуществить свою мечту, я сделал телескоп и нашёл Сатурн, но он был такой маленький и совсем не походил на то, что я видел на картинке. Когда был на станции, не хватило времени на него посмотреть. После возвращения из полёта я поехал в планетарий. Там работала небольшая обсерватория. Посмотрев в большой телескоп, я увидел Сатурн во всей красе. Ещё я люблю просто наблюдать за звёздами, не используя дополнительных приборов.
- Каков срок службы космической станции?
- Сейчас срок службы станции измеряется десятками лет. Это большой срок. То, что станции могут находиться и эксплуатироваться столь долго, позволяет надеяться, что полёты на другие планеты Солнечной системы возможны.
- Чем определяется срок службы космической станции?
- Например, дом является домом до тех пор, пока у него есть стены и крыша. Если он начнет разрушаться, сразу станет ясно, что его срок службы закончился. То же самое и с космической станцией.
- Наверняка есть прогнозы, сколько прослужит МКС.
- Станция «Мир» пролетала 15 лет. Её свели с орбиты в 2003 году. В принципе, эта станция могла летать и работать ещё не один год. Что касается МКС, то её срок существования определён до 2020 года. Возможно, он будет продлён. Но это сделают позже, ближе к этой дате. Проведут обследование корпуса станции, состояния основных систем и только затем примут решение, летать станции дальше или нет.
- Чем похожи и различны станции МКС и «Мир»?
- На «Мире» все модули были российские и советские, на МКС есть и американские, и японские, и канадские модули. Этим она и отличается. Станция внешне выглядит по-другому, другая конфигурация. На станции установлены большие панели солнечных батарей. Они значительно больше, чем солнечные батареи станции «Мир». Размеры МКС можно представить следующим образом. Если станцию положить на поверхность Земли, то она займёт площадь целого футбольного поля. Благодаря таким размерам станцию легко наблюдать с Земли. Это самая яркая звёздочка на ночном небе.
- Что сейчас происходит с космической отраслью?
- Сейчас Россия переживает период топтания на месте. Всё, что делалось до сегодняшнего дня, — это повторение разработок Советского Союза, ничего нового мы ещё не придумали. Корабль «Союз» нам достался от Королёва, станция, модули — всё это разработки советского времени. Даже скафандры, которые мы используем, — это тоже разработки той поры. То есть ничего нового у нас нет, и сейчас пришло понимание, что пора что-то делать.
- Но ведь это понятно уже не первый год.
- Да, нужно было начинать что-то делать уже давно. Но есть объективная причина того, что космическая отрасль уже много лет топчется на месте, — это отношение к проблеме руководства нашей страны. До сегодняшнего дня оно смотрело на вопрос косо: космонавтика не приносит больших денег, соответственно она не интересует правительство в должной мере.
Но сейчас американцы начинают разрабатывать новый носитель, новый корабль. У китайцев появилась своя космическая программа. У Европы есть собственный носитель, она в состоянии самостоятельно делать космические корабли. Наше правительство на этом фоне вынуждено относиться к космонавтике более лояльно. Если не платить за разработки, не заказывать новую технику, это приведёт к тому, что мы вылетим из списка космических держав и останемся последними. А ведь были первыми.
Такая перспектива может устраивать только «чужого среди своих» — человека, который желает плохого нашему государству. Если на космонавтику не будут выделяться деньги, значит, у руководства страны стоит именно такой человек.
Перспективы-то хорошие. Мы в ближайшее время просто вынуждены полететь на Марс, как бы фантастически это ни прозвучало. Технически это осуществимо. Мы стоим перед вопросом, есть ли жизнь на Марсе. Пока человек сам не ответит на этот вопрос, он не успокоится.
- Когда полетим на Марс?
- В 1984 году я читал план развития космонавтики до 2000 года. В нём были чётко прописаны шаги, которые заканчивались марсианской экспедицией. Если бы Советский Союз не распался, к 2000 году мы были бы уже на Марсе. Лететь до Марса — 9 месяцев, вся экспедиция будет длиться два года, то есть срок, который человек в состоянии прожить в космосе, это доказано. Технических препятствий нет, главное, чтобы руководители страны дали отмашку. Считается, что это будут 2020-е годы: сначала полёт на Луну, потом на Марс. Скорее всего, между 2020 и 2030 годами полёт состоится.
- Что вы думаете о негосударственных попытках освоения космоса?
- Это хороший ход, и он естественный. Сейчас негосударственные фирмы начинают буквально атаковать отрасль. Кто-то создаёт ракету, кто-то корабль, делаются попытки с помощью частных разработок подняться на самолёте выше 100 км. Неважно, государство занимается освоением космоса или нет. Инициатива не переходит в частные руки по той причине, что разработки стоят очень дорого, частной компании их не поднять. Но когда открывается возможность использовать результаты государственных предприятий, которые уже чего-то достигли, частный бизнес может внести большой вклад. И это изменит менталитет людей.
— Вы занимались подготовкой космонавтов к полётам. На что вы обращали их особое внимание?
- Я лишь курировал подготовку, а отвечает за неё Центр подготовки космонавтов. Я наблюдал, как готовятся ребята, и обращал их внимание на те ошибки, на которые им не указывали методисты.
- Всё ли можно отработать на тренажёрах?
- Практически всё. Но это не значит, что мы в состоянии отработать все чрезвычайные ситуации, которые могут возникнуть. Человека в детстве учат ходить, но его не учат отдельно ходить по ровной и неровной поверхности или перепрыгивать ямки. Главное — научиться самой технике, а неровности — это уже нештатные ситуации, и тут ты уже сам поймёшь, как реагировать. Тренажёры учат базовым знаниям, например, что нужно делать, если произойдёт разгерметизация. Навыки, полученные на тренажёрах, позволяют справиться с любой ситуацией.
- В некоторых областях, например в авиации и науке, остро ощущается нехватка молодых специалистов. Как в этом смысле обстоят дела с космонавтикой?
- То же самое. В космонавтике мало платят, поэтому люди туда не идут. Вторая причина — нет рекламы этой отрасли, люди больше получают информации о том, как устроиться в банк, как стать менеджером или ещё каким-нибудь «-джером».
- Расскажите тогда, как стать космонавтом?
- Нет специального училища, надо просто захотеть. Формально нужно иметь высшее образование, то есть быть умным, и пройти медицинскую комиссию, в этом случае ты уже можешь претендовать на место космонавта. У нас нет быстрой программы подготовки космонавтов, она длительная, от 5 лет и выше. Человек, который приходит в отряд, должен понимать, что сразу он свою мечту не осуществит. Он её не только сразу не осуществит, но и вообще может никогда этого не сделать. На любом этапе он может быть исключён из отряда космонавтов по тем же двум причинам: плохо учится, плохое здоровье. И если первый случай ещё зависит от тебя, можно подтянуть знания, то здоровье-то от Бога. Если начнутся неподконтрольные процессы, например, станет меняться кровь, — тебя отчислят, ты не полетел.
- У вас без проблем прошли все эти этапы?
- Я старался не допускать острых ситуаций. Начинались проблемы со здоровьем — уделял больше времени здоровью, проблемы с учёбой — учёбе. У меня такого не было, но я знаю людей, которые хотели полететь при любом раскладе и не полетели. Это личная трагедия.
- Что делать, чтобы космонавтика снова стала престижной областью?
- Нужно поднять уровень образования. Причём начинать лучше со среднего, чтобы из школы выходили нормально подготовленные молодые люди, а не такие, как сейчас. Когда ты получаешь хорошее образование, определиться со своими способностями и предпочтениями проще.
Скажем, тебе выдают определённый набор знаний. Если ты их хорошо усвоил, то ты способен выбрать, что именно тебе из них нравится и почему. Это помогает определиться с профессией и осознанно учиться в вузе, а не потому, что только сюда смог поступить или потому что так захотели родители.
Второе — государственная политика. Руководитель страны должен заявить, что с сегодняшнего дня мы обращаем внимание на такую область человеческой деятельности, как, например, инженерия. Нам нужны инженеры, конструкторы, которые создадут авиационную, космическую технику. Сегодня делается упор на то, чтобы научить молодёжь плавать в этом мире. Школы и вузы учат основам бизнеса, учат, как грамотно организовывать дело. Меньше внимания уделяется естественным дисциплинам.
В итоге, получив знания, как создавать бизнес, молодой человек думает, что он уже может решить любые задачи, и начинает внедряться в разные области, в том числе в космонавтику и авиацию. А необходимых знаний у него нет. Вот и начинают появляться совершенно пустые, нежизнеспособные проекты. Начинают падать самолёты, не выходят на нужные орбиты спутники и межпланетные станции. Это очень плохо. Ситуация должна измениться.
Терралаб
CES 2012: цифровые фотоаппараты
В этом году, как обычно, на CES показали множество компактных цифровых фотоаппаратов самых разных классов — от примитивных «мыльниц» до весьма продвинутых камер с качественной оптикой и ручными настройками. Кроме того, на выставке представили несколько интересных моделей, вполне способных стать законодателями мод в своём классе.
В этом году японская компания Panasonic привезла на CES новые модели недорогих компактных цифровых фотоаппаратов.
Начинающим фотографам адресована модель Lumix DMC-S2, оснащённая четырнадцатимегапиксельной ПЗС-матрицей, вариообъективом с четырёхкратным оптическим зумом (фокусное расстояние 28-112 в 35-миллиметровом эквиваленте, светосила f/3.1-6.5), оптическим стабилизатором изображения и жидкокристаллическим экраном с диагональю 2,7 дюйма. Аппарат способен снимать HD-видео с разрешением до 720/30p и монофоническим звуком. Диапазон светочувствительности — 100-1600 единиц ISO (с расширением до 6400), диапазон выдержек — от 8 до 1/1600 с.
Фотоаппарат Lumix DMC-S5 почти не отличается от S2, как внешне, так и конструктивно: единственное его преимущество — ПЗС-матрица 16,1 мегапикселя. В остальном всё то же, что и у «младшего брата», включая интеллектуальный автоматически режим управления iA, фирменный оптический стабилизатор изображения MEGA O.I.S., режимы панорамной съёмки и автоматической ретуши.
Поделиться книгой: