Первым эталоном, с которым сравнивали показания часов службы времени, был период вращения Земли вокруг своей оси относительно звезд, т. е. звездные сутки. Астрономические наблюдения были важнейшей задачей службы времени: от частоты и точности этих наблюдений фактически зависела равномерность шкалы времени. Хранение времени между астрономически ми наблюдениями, осуществлявшимися с помощью различных типов астрономических часов, приводило к тому, что шкала времени сильно искажалась. С изобретением в 1930 г. кварцевых часов и использованием их в службах времени появилась возможность надежно хранить время в перерывах между наблюдениями. Кварцевые часы быстро совершенствовались и стало возможным использовать их как независимый эталон времени для небольших, в несколько месяцев, отрезков времени: на больших интервалах сказалось старение кварца, заметно изменившее ход часов. По этой причине кварцевые часы нельзя было использовать в качестве постоянного эталона времени. Поэтому с 1956 г. поправки часов стали вычисляться в системе всемирного времени (TV2) по эфемеридному времени (ЕТ). В качестве эталона была принята секунда, равная 1/31556925,9747 части тропического года эпохи 1900 г. Однако эфемеридное время тоже нельзя считать идеально равномерным из- за ошибок наблюдений и неточности теории движения Луны.

Коренной перелом в вопросах хранения времени произошел с изобретением атомных и молекулярных стандартов частоты, с помощью которых физикам удалось создать независимые от вращения Земли эталоны времени исключительно высокой стабильности. Мы свидетели окончившегося соревнования между незримыми атомами и молекулами с небесными светилами за право быть хранителем времени. Если теперь и существует такое соревнование, то уже только между двумя системами: одна основана на применении атомов в эталонах времени, другая — на применении молекул. Обе эти системы свели погрешность определяемого времени к величинам меньшим 10~10 с, однако для обеих систем это еще не предел и, по-видимому, погрешность будет уменьшаться на один-два порядка. Задача ученых и конструкторов — создать такую систему атомных и молекулярных часов, в которых зависимость их хода от внешних условий была бы возможно минимальной. Независимая шкала времени, задаваемая с помощью атомных и молекулярных стандартов частоты, получила название атомного времени и условно обозначена ТА-1. Результаты сравнения шкал атомного времени некоторых обсерваторий показывают, что на интервале в несколько лет продолжительность секунды атомного времени у различных обсерваторий изменяется на величину около 10-1 0 с.

Наличие атомного времени дает астрономам возможность производить самые тонкие исследования неравномерности вращения Земли, так как можно сравнить астрономическую секунду с другой, более точной и независимой от вращения Земли единицей времени. Астрономические наблюдения по-прежнему будут производиться, а их результаты использоваться для решения научных и практических задач, связанных с вращением Земли, для уточнения дол гот и исходных данных, необходимых для геофизических исследований, и т. д. Атомную шкалу времени бессмысленно непрерывно контролировать с по мощью астрономических наблюдений, так как точность этих наблюдений значительно ниже из-за ошибок наблюдений и неучтенных флуктуации во вращении Земли.

Рис. 274. Общий вид атомных часов

Атомное время хранится и поддерживается в результате непрерывной работы атомных часов, основа которых — атомный (квантовый) эталон частоты. Наилучшим способом построения атомных часов (рис. 274) является, как известно, управление ходом непрерывно работающих кварцевых часов с помощью атомного стандарта частоты. Поэтому молекулярные и используются в комбинациях с кварцевыми часами.

XII Международная конференция мер и весов (Париж, 1964 г.) рекомендовала признать за величину атомной секунды продолжительность 9 192 770 колебаний излучения, соответствующего резонансной частоте энергетического перехода F=4 , mF=0=«=F=3 = 0 между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133, не возмущенного внешними полями. В дальнейшем XIII Генеральная конференция по мерам и весам (Париж, 1967 г.) утвердила это новое определение единицы времени.

В основу атомной секунды были положены результаты экспериментов, выполненные в Национальной физической лаборатории (Англия) над цезиевыми часами. Шкала атомного времени может основываться на одном эталоне или на осреднении показаний нескольких атомных эталонов отдельных лабораторий мира. Интегрирование частот атомных эталонов и вывод шкалы атомного времени проводит Международное бюро времени.

Теперь шкала атомного времени используется не только для научно-технических целей, но и во всей промышленности и в народном хозяйстве. В связи с этим стало возможным точное сравнение всех вторичных мер времени к, частоты с государственным эталоном, сопоставлять результаты выполненных измерений с единой шкалой времени.

Хотя шкалы атомного и астрономического времени являются независимыми, тем не менее взаимосвязь между ними необходимо поддержать с высокой степенью точности как относительно единицы времени, так и эпохи; 1900 г. Астрономические и атомные шкалы времени будут существовать па раллельно и дополнять друг друга. В том случае, когда накопится расхождение между шкалой атомного времени, в которой транслируются сигналы точного времени системы всемирного координированного времени, и шкалой; астрономического всемирного времени, эта секунда атомного времени будет введена скачком — добавлением и вычитанием целой секунды. Иначе говоря,, если через несколько месяцев обнаружится «лишняя» секунда, то после сигнала точного времени 23h 59m 58a наступит момент 0h. Каких-либо принципиальных трудностей в преобразовании атомного времени в другую шкалу с установленным смещением или в обратном преобразовании с незначительной ошибкой не имеется.

В СССР шкалу атомного времени контролируют с помощью государственного эталона времени и частоты, который основан на группе кварцевых часов, подстраиваемых по стабильной частоте водородного мазера и молекулярных квантовых генераторов. Ведущие лаборатории служб времени других стран, имеющих атомные часы, формируют свои шкалы атомного времени,, например в Англии, на применении цезиевых часов.

Сигналы точного времени передаются службой времени, имеющей в своем; распоряжении группу первоклассных кварцевых часов и атомные эталоны. На рис. 266 показана схема работы службы времени при подаче сигналов.

При подаче сигналов точного времени используется высокостабильная секунда, получаемая с помощью атомного эталона. Продолжительность этой секунды остается постоянной в течение всего года. От года к году продолжи тельность секунды может быть изменена, если шкала эфемеридного времени TVz будет расходиться со временем, задаваемым сигналами. Значение рас хождения определяется ежегодно в Международном бюро времени после предварительной консультации с различными службами времени. Чтобы система подач сигналов, производимая с помощью атомного эталона, была хорошо согласована с астрономической шкалой времени, ежегодно определяется среднегодовое значение частоты атомного эталона по шкале времени TV2.

Сигналы передаются радиопередатчиками с кварцевых часов-датчиков. Разнообразие программ передачи сигналов времени обусловлено требованиями, предъявляемыми к сигналам точного времени промышленностью и наукой. Часы-датчик снабжены программным устройством для подачи сигналов времени в определенные моменты и фазовращателем для установки на точное: время с учетом поправки основных часов — хранителей времени.

Фазовращатели представляют собой специальные установочные механизмы, позволяющие изменять фазу частоты 100 кГц, подаваемой на вход дели теля частоты. При этом повороту фазы на 360° соответствует сдвиг секундного’ импульса на выходе делителя на 0,00001 с. Поэтому ставить часы на точное время при помощи фазовращателя можно с высокой точностью. Чтобы изменить показание часов на 0,5 с, нужно, чтобы экранный диск сделал 50 тыс.. оборотов, для чего ставят мотор. Направление вращения мотора можно изменять. Это позволяет как увеличивать, так и уменьшать показания часов. Фазовращатели могут быть изготовлены на различные частоты: I, 10, 100 кГц.

Когда изменение суточного хода контролируется по атомному эталону и с его учетом производятся сигналы времени, точность подачи их резко повышается. В этом случае изменение суточного хода контролируется с точностью порядка ±0S,00001.