Часы аналогичной конструкции были сделаны по проекту Ф. М. Федченко на ленинградском заводе «Эталон» со «свободным» маятником, изготовленным из инвара (сплава стали и никеля), который почти не реагирует на изменения температуры, давления воздуха и различные вибрации. Часы длительное время использовались на астрономических обсерваториях и были достаточно точными; их суточная вариация хода не превышала ± (0,003–0,004) секунды.
В 1952–1955 гг. Ф. М. Федченко сконструировал высокоточные астрономические маятниковые часы АУФ-1. Еще более точными стали часы АУФ-2 и, наконец, образцовые часы АУФ-3 со среднеквадратической вариацией суточного хода 0,2–0,3 с, или в относительном выражении (2–3)·10-9; это были самые точные маятниковые часы в мире. Точность хода обеспечивалась специальной системой термокомпепсации маятника. Питание обеспечивалось окисно-ртутным элементом, рассчитанным на непрерывную работу в течение трех-четырех лет. Хранятся они под колпаком барокамеры, в которой выдерживается давление в 3–5 мм ртутного столба (400–670 Паскалей).
В 1986 г. часовщик X. Пекли (ФРГ) создал оригинальные часы-комбайн с астрономическим хронометром: они показывают время любого часового пояса, восход и заход Солнца, фазы Луны и ведут счет дней и недель.
§ 12. Кварцевые и атомные часы
Наблюдения Солнца, планет и звезд дают возможность определять вековые колебания периода вращения Земли. Однако астрономов интересуют и короткопериодические колебания.
При нынешнем развитии науки и техники необходима точность измерения времени до тысячных и даже миллионных и миллиардных долей секунды.
Повышение требований к точности определения времени необходимо, например, в системах автоматического управления производственными и технологическими процессами в промышленности и на всех видах транспорта, при изучении сверхбыстрых процессов, происходящих в атомном ядре, при установлении эффективности технических средств связи между континентами, при запусках космических аппаратов и космических полетах. По сверхточному времени сверяются результаты на станциях оптического наблюдения за искусственными спутниками Земли и во многих других случаях. Даже такой далеко не полный перечень подтверждает широкие и разносторонние сферы применения приборов для определения точного времени и показывает, насколько обширен круг задач, выполняемых с их помощью. Решение таких задач требует и более точных часов, чем выпускаемые для этих целей заводом «Эталон».
Более точными часами, пришедшими на смену маятниковым в 30-е годы, были кварцевые часы. В них взамен маятника использовались упругие пьезоэлектрические колебания пластинок кварца, т. е. деформации этих пластинок при подведении к их граням переменного электрического тока. Такие колебания кварца обладают при определенных условиях абсолютной стабильностью, не зависящей от силы земного тяготения, землетрясений и других явлений природы.
Для кварцевых часов, которые в течение нескольких месяцев хранят время с точностью до 10-10 секунды, вариация их суточного хода стабильна (до нескольких миллионных долей секунды) и она в тысячу раз меньше, чем у маятниковых. Но кварцевая пластинка сравнительно быстро «стареет», поэтому разность в показаниях двух кварцевых часов может в течение нескольких лет достигнуть десяти секунд. Тем не менее с помощью кварцевых часов, которые входили в состав первого в СССР Государственного эталона времени и частоты, были обнаружены изменения в скорости вращения Земли — естественного эталона времени, оказавшегося нестабильным.
Кварцевые часы, погрешность хода которых не превышает микросекунды за день, применяются в качестве первичных для электронной станции в Гамбурге, гарантирующей синхронную работу всех электронных часов, включенных в систему; станция может управлять сетью, состоящей примерно из 20 000 вторичных электронных часов.
Завод художественных часов в Москве начал выпуск кварцевых настенных часов с кукушкой, отличающихся высокой точностью хода.
Часовая промышленность СССР освоила выпуск наручных электронно-кварцевых часов, отличающихся высокой точностью хода; за сутки они могут отстать или уйти вперед не более чем на две секунды.
После разработки академиками Н. Г. Басовым и Л. М. Прохоровым в 1954 г. генераторов высокостабильных колебаний [27] были созданы часы, маятником в которых служат колебания молекул аммиака. Такие часы называют «квантовыми» или «атомными», а иногда «молекулярными». Они позволяют получать «атомные секунды». Время, отсчитываемое по таким часам, называют атомным. 24 атомных часа составляют атомные сутки, содержащие 86 400 атомных секунд, которые не связаны ни с вращением Земли, ни с временем, определяемым астрономически.
Исследования показали возможность достижения точности хода атомных часов до миллионной доли секунды в сутки, т. е. они могут отстать на одну секунду от времени, определяемого астрономически, лишь за 500 000 лет. Работу таких часов, представляющих комплекс сложных приборов, контролирует квантовый генератор. Атомные часы хранятся во Всесоюзном Ордена Трудового Красного Знамени НИИ физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) под Москвой. Они и являются центром времени и частоты СССР; их официальное название «Государственный первичный эталон времени и частоты». Для таких часов — хранителей точного времени, установленных в глубоком подвале, обеспечивается специальный режим; им необходим абсолютный покой. Их оберегают от колебаний температуры, влажности, давления, от вибрации и других внешних воздействий; даже незначительные колебания гасятся специальной конструкцией их фундамента. Это от них идут шесть коротких сигналов, передаваемых в нашей стране каждый час по радио: информация о точном времени, которую ежедневно слышат миллионы людей.
Высокая точность атомных часов позволила по разности всемирного и атомного времени определить сезонные неравномерности вращения Земли, что является причиной нестабильности в длительности суток, в годовом и полугодовом периодах, составляющие соответственно 0,0005 и 0,0003 секунды. Установлено, что, например, в июле сутки короче апрельских и ноябрьских примерно па 0,001 секунды. Однако, несмотря на высокую точность атомного счета времени, необходимость во времени, определяемом астрономически, сохраняется при решении ряда задач астрономии, геодезии и других наук.
На XIII Международной конференции по мерам и весам, состоявшейся в 1967 г., было рекомендовано за единицу времени — секунду принять «продолжительность 9 192 631 770 колебаний излучения, соответствующего резонансной частоте перехода между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущений от внешних полей». После этого в СССР и во всех развитых странах за эталон времени приняли «атомную секунду». Она, как показали исследования, совпадает с секундой среднего солнечного времени, представляющей 1/86 400 часть средних солнечных суток, с точностью порядка 10-8. Атомная секунда, вызвавшая настоящую революцию в вопросах определения точного времени в промежутках между астрономическими определениями, являлась до 1983 г. эталоном времени в СССР [28].
28
В 1970 г. на Всемирной выставке в г. Осака (Япония) «ЗКСПО-70» демонстрировалась система отсчета точного времени, центром которой были атомные часы, установленные на башне высотою 19 м; их погрешность в отсчете времени, как рекламировали специалисты, составляет одну секунду в тысячу лет.