1. Календарі й годинник: від давнини до наших днів
2. Еталон часу
3. "Додатковий час

Календарі й годинник: від давнини до наших днів

Час - це найважливіший і непоправний ресурс будь-якої людини. Понад 4 тисячі років люди намагаються якось вести облік часу, створюючи різні календарні системи і пристрої вимірювання часу. Календарні системи стародавнього світу відображали сільськогосподарські, політичні і ритуальні потреби, характерні для того часу. Астрономічні спостереження для встановлення зимового і літнього сонцестояння вироблялися ще 4000 років тому, тому не дивно, що перші календарі використовували астрономічні явища для фіксації періодів часу. У 14-му столітті до Різдва Христового в Китаї була визначена тривалість сонячного року - 365,25 днів, а місячний місяць - 29,5 днів. Сонячно-місячний календар діяв на близькому сході (за винятком Єгипту) і в Греції, починаючи з 3-го тисячоліття до нашої ери. Ранні календарі використовували або 13 місячних місяців по 28 днів або 12 місяців з чергується протяжністю 29 і 30 днів.

Єгипетський календар мав 12 30-ти денних місячних місяців, але був прив'язаний до сезонного появи зірки Сіріус. Для того щоб примирити цей календар з сонячним роком, був винайдений цивільний календар, в якому додано 5 днів, які доводять тривалість року до 365 днів. Однак з часом було помічено, що цивільний рік приблизно на одну чверть дня коротше, ніж сонячний рік. Обрана тривалість року забезпечувала повний збіг з сонячним роком раз за 1460 років. Цей період називається циклом Сотіса (sothic). Стародавні єгиптяни встановили тривалість сонячного року рівній 365,25 днів, що з точністю в 11 хвилин збігається з результатами сучасних обчислень. У 432 році до Різдва Христа, близько століття після китайців грецький астроном Метон вирахував, що 110 місячних місяців по 29 днів і 125 місячних місяців по 30 днів відповідають 6940 сонячним дням, що лише трохи перевищує 19 років. 19-річний цикл, названий циклом Метона, встановив тривалість місячного місяця дорівнює 29,532 сонячних днів, що з точністю 2 хвилин збігається результатами сучасних вимірів.

У стародавньому Римі використовувався місячний календар. Юлій Цезар запросив олександрійського астронома Сосігенса, який розробив календар (який пізніше став називатися юліанським), прийнятий в 46 році до Різдва Христового. Календар містив 365 днів в році з додаванням одного дня кожні 4 роки (високосний рік). Однак перші 36 років помилково додатковий день додавався кожні 3 роки. В результаті набігло зайвих три дні, які довелося компенсувати аж до 8 року нашої ери.

Під час романської епохи 15-річний цикл перепису використовувався при обчисленні податків. Послідовність імен днів тижня відтворюється через 28 років, цей період називається сонячним циклом. Таким чином, з огляду на 28-річний сонячний цикл, 19-річний цикл Метона і 15-річний перепису, отримуємо суперцикл протяжністю 7980-років, званий юлианской ерою, яка починається в 4713 році до Різдва Христового.

До 1545 році розбіжність між юліанським календарем і сонячним роком досягло 10 днів. У 1582, астрономи Христофор Клавіус і Луїджі Ліліо запропонували нову схему календаря. Папа Грегорі XIII випустив указ, де серед іншого зазначалося, що в році міститься 365,2422 днів. Для того щоб більш точно апроксимувати цю нову величину, тільки столітні роки, які діляться без залишку на 400, оголошуються високосними, що передбачає тривалість року 365,2425 днів. В даний час григоріанський календар прийнятий більшістю країн світу.

Все це розмаїття календарів призвело до того, що назріла необхідність мати стандартну і точну схему нумерації днів. За рішенням Міжнародного астрономічного Союзу був прийнятий стандарт на секунду і юліанська система нумерації днів (JDN). Стандартний день містить 86,400 стандартних секунд, а стандартний рік складається з 365,25 стандартних днів.

У схемі JDN, запропонованої в 1583 французьким вченим Джозефом Юліусом Скалигером, JDN 0.0 відповідає 12 годинам (полудень) першого дня юлианской ери посилання - 1 січня 4713 до нашої ери. Роки до нашої ери підраховуються згідно юліанським календарем, в той час як роки нашої ери нумеруються по григоріанським календарем. 1 січня 1 року після Різдва Христового в григоріанському календарі відповідає 3 січня 1 року юліанського календаря, в JDN 1721426 день відповідає 12 годинам першого дня нашої ери.

Залежно від того, які процеси, що впливають на шкалу всесвітнього часу, враховуються при її побудові, розрізняються три системи всесвітнього часу:

• UT0 - всесвітній час, отримане безпосередньо з астрономічних спостережень. Воно не універсально, оскільки залежить від положення обсерваторії на поверхні Землі;
• UT1 - всесвітній час, в яке внесено поправки, пов'язані зі зміною довгот обсерваторій внаслідок руху полюсів;
• UT2 - всесвітній час, в якому враховані також сезонні варіації в швидкості обертання Землі. Вони обчислюються на підставі досліджень, виконаних у попередні роки. Тому час UT2 називають попередніми рівномірним або квазіравномерним. UT2 - найбільш можливе наближення до рівномірної шкалою часу, яке можна отримати з спостережень добового руху зірок.

Шкалу часу UT2 можна вважати досить рівномірною протягом року або декількох років. Але через кілька десятиліть її рівномірність буде порушена внаслідок повільних вікових та нерегулярних змін в швидкості обертання Землі. Тому шкала всесвітнього часу непридатна для побудови теорій руху планет і їх супутників. У рівняння руху небесних тіл як незалежний аргумент входить ефемеридних час ЕТ (Ephemeris Time). Це-рівномірно поточний час ньютоновой механіки. Шкала ефемеридного часу задається орбітальним рухом тіл Сонячної системи. Основна одиниця виміру ефемеридного часу - тропічний рік в фундаментальну епоху в 1900, тобто проміжок часу між послідовними проходженнями центру істинного Сонця через середню точку весняного рівнодення в епоху 1900 р ефемеридних секунда дорівнює +556925,9477 частини тропічного року для початкової епохи. Ефемеридні добу містять 86400 ефемеридних секунд.

Так як перевирахованой положення небесних тіл прив'язані до ефемеридних часу, а спостережувані - Гринвічем, зіставлення тих і інших положень дозволяє обчислити різницю ефемеридного і всесвітнього часу. Різниця між цими шкалами пояснюється в основному віковим уповільненням обертання Землі. З 1903 по 1977 рік ця різниця досягла майже 49 с. Точні значення різниці ефемеридного і всесвітнього часу можуть бути отримані лише з великим запізненням для минулих моментів часу.

Еталон часу

Еталоном часу може стати будь-який циклічний процес з досить стабільним періодом. Для вимірювання часу спочатку використовували сонячний годинник (Вавилон, 3,5 тисячі років тому), які були придатні тільки вдень при безхмарному небі. Їм на зміну прийшли водяний годинник, здатні працювати цілодобово (якщо дозволяв обсяг судини). Пізніше були винайдені пісочний годинник (з'явилися приблизно тисячу років тому), які могли забезпечити точність близько 15-20 хвилин за добу. Революцію в сфері вимірювання часу викликало винахід механічних годинників (Вестмістерскіе куранти 1288 рік). Перші години з маятником були виготовлені Х. Гюйгенсом в 1657 році, через 13 років був винайдений анкерний механізм. Механічним хронометрам людство зобов'язане великим географічним відкриттям 18 століття (Дж. Кук). Перші години з використанням електрики був розроблені А. Бейном в 1840 році, а перші кварцові годинники побачили світ в 1918 році. У 1937 році кварцові годинники Л. Ессена були встановлені в Грінвічській лабораторії (GMT), вони мали точність 2 мс на добу. У 1944 році радіостанція BBC стала передавати сигнали точного часу з похибкою близько 0,1 мс / добу. Зараз кварцові годинники можна побачити на зап'ястях людей і в будь-якому комп'ютері. Перші атомні годинники були виготовлені в 1949 році. Без цих технологічних звершень технічний прогрес 20-го століття був би неможливий.

У 1967 р в бюро мір і ваг (BIPM, Bureau International des Poids et Mesures) був прийнятий цезієвий (Cs133) еталон часу: секундою називається інтервал між 9 192 631 770 міжрівневий переходами атома Cs133 (цезій-133). Число переходів вибрано для відповідності із середнім сонячним часом). Еталонні годинник, збережені в BIPM, постійно звіряються з близько двомастами атомними годинами в національних лабораторіях на всіх континентах, що гарантує збереження еталонного точного часу навіть в разі будь-яких глобальних катастроф. Це еталонне час називають міжнародним атомним часом - TAI (Temps Atomique International). Саме з цим часом скоординовані супутники, наприклад супутники глобальної системи позиціонування (GPS, Global Positioning System), що передають сигнали точного часу в усі точки планети. Помилка даного еталону часу складає близько 0,3 нс / добу.

Не виключено, що з врмени еталоном часу стане випромінювання мілісекундного пульсара (відкритий в 1982 році), що має період +1,55780645169838 мс. Цей пульсар імовірно має масу Сонця, радіус 10 км і обертається зі швидкістю 642 обороту в секунду.

З 1 січня 2001 року англійським урядом було офіційно оголошено про новий стандарт часу Grinwich e-time (GET), який буде використовуватися для забезпечення глобальних електронних платежів через Інтернет.

Калібрований еталон часу, наприклад атомний годинник, досить складне і дороге пристрій, що вимагає кваліфікованого обслуговування. З цієї причини багато користувачів не можуть дозволити собі такі витрати і змушені звертатися до послуг віддалених еталонів. Це може бути первинний еталон, розміщений десь в локальній мережі, або радіо-годинник. Умови доступу до мережі вже припускають наявність певної дисперсії для часу доставки калібрувальної інформації. Якщо ж еталон розміщений далеко в Інтернет, значення затримки і дисперсії можуть зрости багаторазово. Для забезпечення більшої надійності калібрування зазвичай використовують кілька еталонів, а для зниження впливу тимчасових разбросов залучають досить складні алгоритми усереднення.

"Додатковий час

Атомний годинник дозволили створити дуже стабільну і рівномірну шкалу часу. Але тривалість доби, як ми вже говорили, змінюється, тому хід атомних годин не збігається з ходом земних. Розбіжність між атомною і всесвітньої шкалами часу складає приблизно секунду в рік. Аналогічна проблема існує і в календарному рахунку часу. Рік не дорівнює цілому числу доби, але ми хочемо, щоб рік "йшов в ногу" з календарем. Додаючи у високосному році один день до календаря, можна підтримувати відповідність між календарем і порами року. Для узгодження фізичної шкали атомного часу TAI спочатку змінювали тривалість секунди. Секунда була "гумової", але це виявилося незручно, тому була введена шкала координованого часу UTC (Universal Time Coordination, Temps Universel Coordonné), що включає в себе поняття "додаткової секунди". До речі, всупереч поширеній помилці, назва UTC не є абревіатурою ні англійською, ні французькою мовами.

З 1 січня 1972 року велика частина сигналів точного часу стала передаватися в шкалі UTC. Початку передач передувало узгодження шкал атомного і всесвітнього часу. Справа в тому, що в 1971 році розбіжність між ними досягло 10 с. Тому в Наприкінці 1971 року було проведено спеціальну корекція сигналів точного часу таким чином, що за шкалою всесвітнього координованого часу відлік 1972 рік, січень 1, 00:00:00 відповідав моменту атомного часу Міжнародного бюро часу 1972 року, січень 1, 00:00: 10. Було прийнято за правило, що різниця між координованим часом і атомним не повинна перевищувати 0,75 - 0,9 с. Приблизна величина різниці UT1-UTC визначається заздалегідь і повідомляється всім радіостанціям, передають сигнали часу, за місяць вперед. Коли різниця UT1-UTC досягає 0,75 - 0,9 с, Міжнародне бюро часу оголошує про введення додаткової секунди (позитивної або негативної), і шкала UTC зміщується точно на одну секунду. Зазвичай це відбувається 31 грудня або 30 червня:

• позитивна секунда починається в 23:59:60 і кінчається в 00:00:00 першої доби наступного місяця;
• якщо вводиться негативна секунда, після 23:59:58, через 1 секунду слід 00:00:00 першого дня наступного місяця.