Уздечка на времени
Самые точные наручные или настенные часы грешат против эталонного времени в миллиарды раз. Впрочем, в быту и не нужна точность до долей микросекунды. Но она совершенно необходима в исследовании космоса, для создания систем навигации, управления воздушным движением, повышения качества теле- и радиопередач и многих других целей.
Эталон времени — особенный. Все остальные эталоны вводятся в действие периодически, для сличения с ними вторичных и рабочих эталонов. Но эталон, хранящий шкалу времени, нельзя остановить, как нельзя остановить время. Он работает всегда. Есть такой афоризм: время — очень простое понятие, пока вы не пытаетесь объяснить его кому-нибудь. С полным основанием эти слова можно отнести и к эталону времени. Меньше всего он напоминает часы, а оборудование и научные подразделения, которые обеспечивают эксплуатацию эталона, занимают большое здание. Находится оно во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) под Москвой.
Эталон времени — это сложный комплекс, в который входят цезиевые реперы (генераторы, дающие строго определенную частоту) и водородные хранители частоты, хранители шкал времени, приборы для измерения временных интервалов и другая аппаратура. Некоторые составляющие эталона уникальны, например радиооптический частотный мост, который служит для измерения частот излучения лазеров. В мире кроме России такой мост есть только в Канаде, во Франции, в США и Великобритании. Российский государственный эталон времени входит в группу лучших мировых эталонов, его относительная погрешность не превышает 5.10-14, то есть 0,00000000000005 секунды. За полмиллиона лет эталон даст погрешность в одну секунду. (О различиях атомного и астрономического времени см. “Наука и жизнь” № 11, 1976 г.).
От линейки — к лазеру
Первое определение метра — одна десятимиллионная доля четверти земного меридиана, проходящего через Париж. К 1799 году французами были выполнены необходимые измерения и изготовлен эталон — платиновая линейка. Ее и поныне называют “архивный метр”. Старшее поколение, очевидно, помнит по школьному учебнику физики рисунок линейки Х-образного сечения длиной 102 см, на которой нанесены две группы штрихов. Расстояние между средними штрихами этих групп равнялось 1 метру.
Старые эталоны (платиново-иридиевая линейка и пришедшие ей на смену кадмиевые и криптоновые лампы) не позволяли определить значение метра с погрешностью меньшей 10-7. А этого было уже недостаточно. Развитие техники, и прежде всего электроники, требовало создания деталей с более высокой точностью. Чтобы сделать новый эталон, нужно было придумать метру новое определение, причем привязанное к заведомо постоянным величинам, так называемым фундаментальным физическим константам. Было заманчиво определить метр через время и скорость. До этого додумались еще мудрецы Халдеи: во время специального обряда на горизонтальной площадке жрец ловил взглядом первую точку появления Солнца на горизонте и размеренным шагом устремлялся ему навстречу; как только над горизонтом всходил весь диск, жрец останавливался, место отмечалось — таким образом определялась мера длины “стадий” — около 185 метров.
Со временем все было в порядке — погрешность его эталона в сотни тысяч раз меньшая, чем у метра. Но возникли проблемы со скоростью. Годилась лишь одна фундаментальная константа — скорость света в вакууме, но погрешность определения ее значения не могла быть меньше, чем у эталона метра (ведь скорость — это те же метры в секунду). Образовался заколдованный круг. И разорвали его, приняв неординарное решение: считать наиболее достоверное из измеренных значений скорости света истинным, то есть не имеющим погрешностей. Так появилось новое определение метра — он равен пути, проходимому светом в вакууме за 1/2999792458 доли секунды, а метр попал в “вассальную зависимость” от времени.
Хранится российский эталон длины во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии имени Д. И. Менделеева в Петербурге. Основные части его — источник оптического излучения с известной длиной волны (лазер) и интерферометр — прибор, с помощью которого подсчитывают число волн на проверяемом образце.
700 тонн в основании 1 килограмма
Современные эталоны — это, как правило, сложные аппаратурные комплексы. А эталон массы был и остается гирей — платиново-иридиевой “образца 1889 года” (именно тогда Международное бюро мер и весов изготовило 42 эталона килограмма). Сущность самой измерительной операции также осталась прежней и сводится к сравнению двух масс при взвешивании. Конечно, изобретены сверхчувствительные весы, растет точность взвешивания, благодаря которой появляются новые научные открытия (так, например, были открыты аргон и другие инертные газы), но все же эталон массы — это источник головной боли для метрологов всего мира.
Килограмм никак не связан ни с физическими константами, ни с какими-либо природными явлениями. Поэтому эталон берегут тщательнее, чем зеницу ока — в буквальном смысле не дают пылинке на него сесть, ведь пылинка — это уже несколько делений на чувствительных весах. Международный прототип эталона достают из хранилища не чаще одного раза в пятнадцать лет, российский — раз в пять лет. Все работы ведутся со вторичными эталонами (только их допускается сравнивать с основным), от вторичного эталона значение массы передается рабочим эталонам, от них — к образцовым наборам гирь.
Проходят годы, и эталон килограмма худеет или полнеет. Определить, что именно с ним происходит, принципиально невозможно — здесь плохую услугу оказывает одинаковость всех эталонов массы. Поэтому во многих метрологических лабораториях мира ведутся интенсивные поиски новых путей создания и определения эталона килограмма. Например, есть идея привязать его к вольту и ому, единицам измерения электрических величин, и взвесить с помощью эталона единицы силы тока — ампер-весов. Теоретически можно представить себе эталон килограмма в виде идеального кристалла, содержащего известное число атомов определенного химического элемента (точнее — одного его изотопа). Но способы выращивания таких кристаллов пока не известны.
Словом, мы, возможно, стоим на пороге революционного открытия в метрологии. Но пока “капризный килограмм” требует к себе большого почтения. Эталонные весы во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева установлены на специальном фундаменте в 700 тонн, не связанном со стенами здания, чтобы исключить влияние вибраций. Температура в помещении, где за сутки на весы устанавливаются две килограммовые гири, поддерживается с точностью до 0,01оС, а все операции ведутся из соседней комнаты с помощью манипуляторов. Погрешность эталона массы России не превышает +0,002 мг.
Когда погрешность не грех
Создание и эксплуатация эталонов требуют и больших сооружений, и больших затрат. Мы уже говорили о многотонном фундаменте эталона килограмма, не менее “легкий” фундамент и у радиооптического моста эталона времени. При эталоне метра “состоит” пятидесятиметровый интерферо метр для поверки мерных проволок и рулеток, при эталоне звукового давления в воде — гидроакус тический бассейн с 360 тоннами деаэрированной (“безвоздушной” — без растворенного воздуха) воды. Эталон единицы плотности потока нейтронов окружен массивными бетонными стенами; эталоны напряженности электрического и магнитного полей размещаются в больших залах, оборудованных специальными поглощающими покрытиями. Уникальное помехозащитное оборудование для испытаний включает наземный фундамент в 2500 тонн, подвешенный на пружинах.
Итак, точность обходится недешево. И все же разница в погрешности между отдельными видами эталонов колоссальная — от 5.10-14 до 2,5.10-3, то есть в сто миллиардов раз. Почему? Во-первых, никто не занимается уменьшением погрешности эталонов, исходя только из научной любознательности — все определяют запросы науки и техники. Именно поэтому могут существовать уникальные экспериментальные установки, погрешность которых (во время эксперимента) меньше, чем у некоторых государственных эталонов. Со временем на базе таких установок создаются госэталоны нового поколения.
Во-вторых, метрологи сталкиваются с трудностями фундаментальными, связанными со свойствами (физической сущностью) эталонируемых величин. Например, напряженность электрического и магнитного полей необходимо измерять в свободном пространстве, создать эффект которого в помещении непросто. Еще сложнее обеспечить нужную конфигурацию поля. Поэтому погрешность эталона около одного процента считается вполне приемлемой. Не меньшие трудности встречают специалисты в области ионизирующих излучений. Заставить элементарные частицы отдать всю свою энергию в калориметре — задача принципиально невыполнимая. Приходится мириться с погрешностями, доходящими до пяти процентов.
Но вот с чем трудно мириться — с недальновидным отношением власть предержащих к метрологии, проявившимся в последние годы. Уровень эталонной базы страны определяет в конечном счете конкурентоспособность ее продукции на международном рынке, развитие науки и даже престиж государства. Бисмарк когда-то сказал: “Страна, которая не может содержать свою армию, будет содержать чужую”. Без эталонов, без единства измерений не обойтись. Не будет своих эталонов, придется платить за чужие. И платить дорого.
