30 июня ученые перевели часы, на которые ориентируются все службы точного времени мира, на секунду назад. Такой экстравагантный жест делается не впервые - всего с 1972 года земной год удлиняли на одну секунду 25 раз. Означает ли это, что через несколько миллионов лет Земля вообще перестанет вращаться вокруг собственной оси?
Каждую ночь часы в разных странах мира отсчитывают секунды, оставшиеся до наступления нового дня: 23:59:58, 23:59:59, 00:00:00. Однако в прошлую субботу время двигалось не как обычно: после привычных 23:59:59 условные Главные Часы планеты показали странную цифру 23:59:60 и только потом на них высветилось 00:00:00. Лишняя секунда возникла не случайно - решение добавить ее было принято еще пятого января 2012 года специалистами Международной службы вращения Земли. Именно эти люди отвечают за "планетарные" часы - так называемое всемирное координированное время (UTC).
Непостоянная Земля
Люди пытались измерять время еще с далекой древности. Умение определять, какой длины интервалы разделяют те или иные события - например, заход солнца и выход из своих убежищ хищников или посев семян и сбор урожая, во многом определяла шансы на выживание. Интуитивно Homo sapiens могли прикидывать продолжительность временных отрезков, потому что внутри у них, как и у других животных, работали биологические часы, но по мере развития цивилизации такого приближенного знания стало не хватать.
Первым эталоном времени стало Солнце, точнее, вращение Земли вокруг него. Сутки и год были естественными измерителями, помогавшими нашим предкам дробить жизнь на строго определенные промежутки времени. Разделив относительно крупный день на равное количество частей, люди получили часы, минуты и секунды. В одни сутки "влезло" 1440 минут и 86400 секунд.
Такие естественные часы устраивали человечество довольно долго - собственно говоря, большинство людей успешно обходятся ими и сегодня. Но в какой-то момент ученые, наблюдавшие движение небесных тел, заподозрили, что с таким удобным и не требующим наладки измерителем времени не все в порядке. Точные измерения показали, что, во-первых, в году помещается не целое число суток (этот недостаток компенсировали введением високосного года), а во-вторых, что продолжительность суток непостоянна - то есть на каждый следующий оборот вокруг собственной оси Земля каждый раз тратит немного другое количество времени, чем на предыдущий.
Причина такой неравномерности - гравитационное влияние других космических тел (так называемые приливные силы), находящихся неподалеку от нашей планеты, прежде всего Солнца и Луны. Соседи Земли по Солнечной системе как бы "тянут" ее к себе, слегка затормаживая вращение планеты вокруг звезды. Кроме того, движение Земли может ускоряться или замедляться под влиянием процессов, происходящих на самой планете - например, землетрясение, вызвавшее цунами в Индонезии в декабре 2004 года, укоротило 2004-й год на 3 миллисекунды.
Непостоянство Земли никак не отменяло необходимости ввести однозначный эталон времени. Поэтому в 1960 году на Генеральной конференции по мерам и весам было принято решение утвердить следующее определение секунды: за длительность этого временного интервала была принята 1/31556925,9747 часть 1900-го года (если говорить более точно, за эталон были выбраны не просто 365 дней с 1 января по 31 декабря 1900-го года, а тропический год, отсчитываемый как промежуток времени между двумя последовательными прохождениями Солнца через точку весеннего равноденствия).
Но с новым определением секунды или без него Земля продолжала вращаться медленнее, чем раньше - например, с 1820-го года сутки удлинились на 2 миллисекунды (то есть теперь в них укладывалось не 86400 секунд, а 86400,002 секунды). За год, таким образом, набегало 0,73 секунды, а за 10 лет - больше 7 секунд. Ученые задумались о новом временном эталоне, который бы всегда был "под руками", а не существовал в записях вековой давности.
Единый эталон
Универсальный временной стандарт обнаружился не в гигантских космических объектах, а на противоположном конце размерной шкалы - внутри атомов. Физики выяснили, что их электроны периодически "прыгают" с одного энергетического уровня на другой, испуская при этом излучение строго определенной длины волны, соответствующей "метражу" прыжка. Длина волны такого излучения - расстояние между двумя соседними горбами или впадинами - всегда постоянна. Зная длину волны излучения, можно определить его частоту - то есть число горбов (или впадин), которые проходят мимо выбранной точки пространства за единицу времени.
Так же как и длина волны, частота - неизменная величина, а так как в ее определении фигурирует единица времени, можно использовать частоту излучения какого-либо атома для получения его (времени) эталона. Ровно это и сделали физики, утвердив в 1967 году на 13-й Генеральной конференции по мерам и весам новое определение секунды. Вот оно: секунда - это интервал времени, равный 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного (квантового) состояния атома цезия-133 в покое при 0 кельвинов и отсутствии возмущения внешними полями.
Теперь, наконец, у ученых появился постоянный эталон времени, не зависящий (точнее, не так очевидно зависящий) от гравитационного влияния соседей Земли по Солнечной системе. По итогам наблюдения за атомами цезия-133 устанавливается так называемое атомное время (TAI). В свою очередь всемирное координированное время (UTC), по которому летают спутники, запускаются ракеты и отсчитываются часовые пояса, является результатом компромисса между астрономическим UT1 и атомным TAI. UT1 - это старая шкала, основанная на вращении Земли вокруг Солнца, которая постоянно "плывет" из-за нестабильной скорости движения нашей планеты.
Международная служба вращения Земли постановила, что расхождение между двумя шкалами не должно превышать 0,9 секунды, и поэтому время от времени к TAI добавляют лишнюю секунду (ее еще называют високосной). Добавляют - потому что TAI обычно отстает от всемирного скоординированного времени из-за замедления вращения Земли. Причем планета тормозится неравномерно, и, чтобы правильно учитывать накапливающуюся разницу, специалисты внимательно наблюдают за движением Земли и вносят коррективы по мере необходимости. Всего с 1972 года земной год удлиняли на одну секунду 25 раз.
Все эти сведения выглядят устрашающе - из них вполне можно сделать вывод, что через какие-нибудь несколько десятков миллионов лет наша планета замедлится настолько, что вообще перестанет вращаться вокруг собственной оси. И это будет неверный вывод. Чтобы понять, почему это так, удобно использовать аналогию с двумя часами, одни из которых идут точно и отсчитывают за сутки 86400 секунд, а вторые чуть тормозят, и на них за то же время набегает 86401 секунда. Вторые часы не изменяют скорости хода, однако за пару дней разница в показаниях двух хронометров составит уже 2 секунды, а за неделю – все 7. Чтобы синхронизировать показания часов, их владелец должен каждый день переводить либо первые часы на секунду вперед, либо вторые - на секунду назад. Хотя и те, и другие все время идут с постоянной скоростью.
То же самое происходит с двумя временными шкалами: с каждым годом Земля не вращается все медленнее и медленнее - она просто замедлилась по сравнению с 1900 годом. Но, несмотря на то, что разница в скорости вращения более или менее постоянна, UTC приходится регулярно выравнивать с UT1.
Читатель может спросить: а зачем мучиться с двумя шкалами, когда можно просто отказаться от UT1 и перейти на однозначную и надежную атомную шкалу TAI? С таким предложением согласятся многие ученые, однако практически переход на время TAI составляет значительные трудности - слишком много систем в настоящее время ориентируются в своей работе на UTC. Но, думается, рано или поздно человечество окончательно забудет, что такое високосные секунды.