На начальной стадии развития электрических часов электроэнергия служила лишь для завода механического ведущего устройства – груза или пружины. Электрические часы, существенно отличающиеся от классических шестеренчатых, сконструировал англичанин Александр Бэйн, изобретатель электромеханического телеграфа. В 1840 году он получил патент на электрические часы, главными деталями которых были обычные механические, приводимые в действие пружиной, зато индикатор времени был уже основан на суммировании электрических импульсов, подаваемых маятником часов. К 1847 году Бэйн завершил работу над действительно электрическими часами, сердцем которых был контакт, управляемый маятником, раскачиваемым электромагнитом. Колебания складывал электромагнитный счетчик, соединенный колесной передачей со стрелками на циферблате.
В начале XX века электрические часы окончательно вытеснили механические в системах хранения и передачи точного времени. Наиболее точными часами, основанными на свободных электромагнитных маятниках, были часы Уильяма Шортта, установленные в 1921 году в Эдинбургской обсерватории. Из наблюдения за ходом трех часов Шортта, изготовленных в 1924, 1926 и 1927 годах в Гринвичской обсерватории, определили их среднесуточную погрешность в 1/300 с, что соответствует ошибке 1 секунда в год. Точность часов со свободным маятником Шортта позволила обнаружить изменения продолжительности суток. И в 1931 году начался пересмотр абсолютной единицы времени – звездного времени, с учетом движения земной оси. Эта ошибка, которой до того пренебрегали, достигала в своем максимуме 0,003 секунды в сутки. Новая единица времени была позднее названа Средним звездным временем. Точность часов Шортта была непревзойденной, вплоть до появления кварцевых часов.
В 1918 году были впервые построены часы, которые использовали свойства кварцевого резонатора. В 1937-м кварцевые часы, разработанные Льюисом Эссеном, были установлены в Гринвичской обсерватории, их точность составляла около 2 мс/ сутки. А в 1944-м международные сигналы времени в виде шеститочечных сигналов Би-би-си генерировались с помощью кварцевых часов, точность которых возросла уже до 0,1 мс/сутки.
Во второй половине ХХ века пришла пора часов электронных. В них место электрического контакта занял транзистор, а в роли маятника выступил кварцевый резонатор.
Сегодня именно кварцевые резонаторы в наручных часах, персональных компьютерах, стиральных машинах, автомобилях, сотовых телефонах формируют время нашей жизни.
Атомный эталон
Новый толчок в развитии устройств для измерения времени был дан физиками-атомщиками. В 1964 году двое советских ученых – Н.Г. Басов и А.М. Прохоров – и американец Чарльз Таунс получили Нобелевскую премию по физике за работы по развитию микроволновой спектроскопии. А в 1949-м были построены первые атомные часы, где в качестве источника колебаний выступил не маятник и не кварцевый генератор, а сигналы, связанные с квантовым переходом электрона между двумя энергетическими уровнями атома. Эта электромагнитная волна, то есть фотон радиоизлучения, характеризуется очень высокой стабильностью энергии и частоты колебаний.
Поскольку атомы могут как отдавать, так и поглощать фотоны, первые атомные часы действовали по принципу поглощения фотонов атомами аммиака, но так как на практике они оказались не очень точны, к тому же громоздки и дороги, то широкого распространения не получили. Тогда было решено обратиться «за помощью» к другому химическому элементу – цезию, атомы которого при надлежащем выборе условий способны поглощать электромагнитные волны с частотой 9192 МГц. Используя это его свойство, Джон Шервуд и Роберт Мак-Кракен создали первый цезиевый пучковый резонатор, а в 1955-м появились первые атомные часы на основе атомов цезия. Помимо него, в атомных часах также используются атомы водорода и рубидия.
Вообще же, со времени изобретения атомных часов их точность повышалась в среднем вдвое каждые 2 года, и хотя предела совершенству в этом вопросе не видно и по сей день, в 1967 году было решено перейти на атомный эталон времени. И вот почему. О том, что вращение Земли замедляется, ученые знали давно, но в какой-то момент выяснилось, что величина этого замедления – непостоянна, да и определить закономерности вариаций скорости вращения Земли не представляется возможным. И это значительно затрудняло работу астрономов и хранителей Времени. В настоящее время Земля вращается с замедлением примерно на 2 миллисекунды за 100 лет. При этом сезонные и 10-летние колебания длительности суток также достигают тысячных долей секунды. Поэтому на очередном этапе развития общества точность Гринвичского среднего времени – общепринятого с 1884 года мирового эталона, определение которого основывалось на среднем солнечном времени, – стала недостаточной.
Принимая во внимание это обстоятельство, международный Комитет по мерам и весам в 1954 году предложил определение секунды как 1/31 556 925,9747 доли тропического года на 1 января 1900 года в 12 часов звездного времени. И лишь в 1967-м состоялся переход от столь неудобного и неуточняемого определения секунды к атомному эталону времени. Сегодня секунда – это промежуток времени, точно равный 9 192 631 770 периодам излучения, который соответствует переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома Цезия 133.
Переход к атомному времени поставил следующий вопрос – что будет, если атомные часы сломаются? Так родилась концепция групповых стандартов – «ансамбля часов». Три комплекта обеспечивают независимую оценку стабильности, четвертые – на случай поломки. Более того, при определенном алгоритме измерений у ансамбля часов можно получить лучшие характеристики.
На сегодняшний момент в качестве шкалы времени используется Всемирное Координированное Время (UTC, Universal Time Coordinated), основанное на определении секунды через квантовый резонанс в атоме цезия (Cs133). За UTC не стоят никакие «материальные» часы». Эта шкала формируется Международным бюро мер и весов (BIPM) путем объединения данных лабораторий хранения времени различных стран, а также данных Международной службы вращения Земли (IERS). Точность UTC почти в миллион раз выше, чем астрономическое Гринвичское среднее время. Ошибка, свойственная атомным часам при определении секунды, составляет менее ± 0,3 нс за сутки, что эквивалентно одной секунде за 10 миллионов лет.
Поскольку Время научились измерять с такой высокой точностью, то в 1983 году на Международной конференции по мерам и весам было дано новое определение эталона длин: «Метр – длина пути, который свет проходит в вакууме за 1/299792458 секунды».
В 1982 году в спор между астрономическим определением эталона Времени и победившими его атомными часами вмешался новый астрономический объект – миллисекундный пульсар. Радиотелескопы фиксируют импульсный поток, который покинул звезду 30 тысяч лет назад. Астрономы выдвинули гипотезу, что электромагнитные импульсы с периодом 1,55780645169838 миллисекунды излучает нейтронная звезда с массой Солнца, радиусом 10 км, вращающаяся со скоростью 642 оборота в секунду. Эти сигналы по стабильности не уступают лучшим атомным часам. Наличие таких высокостабильных галактических часов, внешних по отношению к нашей Солнечной системе, позволит ученым получать много новой информации о межзвездной среде, об орбите Земли, а также продолжить эксперименты по обнаружению гравитационных волн, которые могут искажать пространство и время, как это было предсказано Эйнштейном в начале XX века.
В XXI веке в Интернете появилось свое электронное, Гринвичское, время. С 1 января 2001 года английским правительством было официально объявлено о новом стандарте времени Greenwich e-time (GET), который будет использоваться для обеспечения глобальных электронных платежей (транзакций) через Интернет.
Швейцарская фирма Swatch, создав самые тонкие наручные часы толщиной менее 1 мм, не остановилась на достигнутом и ввела собственное интернет-время, разделив сутки на 1 000 частей и ведя его отсчет из штаб-квартиры компании. Стать мировым стандартом этому времени не суждено, хотя идея эта реализована, в том числе и в виде наручных часов.