Время (координата)

ВРЕМЯ, одна из координат в современной четырёхмерной геометрии мира. В механике Ньютона предполагается, что между пространством и временем никакой связи не существует. Пространство считается плоским (не искривлённым); положение тел в таком пространстве может быть определено в трёхмерной, например, декартовой, системе координат. Время имеет одно измерение и является абсолютным в том смысле, что не зависит от положения часов в пространстве. В более широком смысле время рассматривается как некий континуум, внутри которого существует бесконечная Вселенная.

В соответствии с общей теорией относительности Эйнштейна время не может существовать в отрыве от пространства, причём искривление пространства и изменение течения времени зависят от скопления масс вещества и создаваемого ими гравитационного поля.

Определение момента наступления некоторого события или промежутка времени между событиями называется измерением времени. Техническим средством для измерения времени являются часы. К концу 20 века время научились измерять точнее, чем любую другую физическую величину. Самые точные часы имеют вариацию хода 10-14-10-15. Используя хронометрирование (измерение временных интервалов), можно вычислить физические величины, в формулу для расчёта которых входит время, с исключительно высокой точностью. К таким величинам относятся, например, длина и сила тяжести. Поэтому разработка новых часов и методов хронометрирования является важной научной задачей. Ряд работ в этой области удостоены Нобелевской премии: создание атомного цезиевого стандарта частоты (Н. Рамзей, 1989); разработка метода охлаждения атомов лазерным пучком и его использование при разработке часов на цезиевом фонтане (С. Чу, К. Коэн-Таннуджи, У. Филлипс, 1997); изучение квантовой теории оптической когерентности (Р. Глаубер, 2005).

Строгое определение момента времени требует введения шкалы времени, что предполагает выбор некоторого периодического процесса, построение теории этого процесса и задание единицы времени (соглашение о соотношении длительности единицы времени и периода выбранного процесса). Промежуток времени между событиями определяется разностью моментов, которая измеряется в принятых единицах времени.

Для измерения времени люди с давних пор использовали наблюдения за движением небесных тел. Так, в качестве единицы для измерения больших интервалов времени стал применяться год, определяемый периодом обращения Земли вокруг Солнца. Некоторые народы при построении календаря использовали смену фаз Луны, повторяющихся через интервал, называемый синодическим месяцем, который послужил основой для современного календарного месяца.

Вращение Земли вокруг оси является периодическим процессом, позволяющим определять время с высокой точностью (лишь в 20 веке появились более точные часы - кварцевые, а затем квантовые). Регулярно регистрируя момент прохождения Солнца через один и тот же меридиан, можно определить солнечные сутки, которые являются одной из основных единиц счёта времени. По традиции, пришедшей из Вавилонии и Древнего Египта, сутки делят на 24 часа, каждый час - на 60 минут, каждую минуту - на 60 секунд.

Существующие шкалы времени получили названия, связанные с характером используемого периодического процесса: солнечное, звёздное, динамическое и атомное время.

Солнечное время. Вследствие вращения Земли вокруг своей оси через небесный меридиан периодически проходят как звёзды, так и точки небесной сферы. Если фиксируется момент прохождения Солнца через меридиан, то время, определяемое из этих наблюдений, называется истинным солнечным временем. Момент верхней кульминации (смотри Кульминация небесного светила) центра видимого диска Солнца на данном меридиане называется истинным полднем, момент нижней кульминации - истинной полночью, промежуток времени между последовательными одноимёнными кульминациями - истинными солнечными сутками. За начало солнечных суток принимают истинную полночь. Течение истинного солнечного времени неравномерно вследствие неравномерного движения Земли по орбите и неперпендикулярности оси вращения Земли к плоскости орбиты. Поэтому истинное солнечное время малопригодно для практического применения.

Вместо него используется среднее солнечное время, основанное на суточном движении фиктивной точки (называемой средним экваториальным Солнцем), равномерно движущейся по экватору в ту же сторону, что и истинное Солнце. Скорость движения точки такова, что в своём годичном движении она всегда проходит через точку весеннего равноденствия одновременно с истинным Солнцем. Полный оборот по экватору фиктивная точка делает за тот же промежуток времени, что и истинное Солнце при движении по эклиптике. Аналогично истинным суткам определяются средние солнечные сутки, которые равны промежутку времени между двумя последовательными одноимёнными кульминациями среднего экваториального Солнца. За начало средних солнечных суток принимается средняя полночь (момент нижней кульминации фиктивной точки).

До 1960 года средние солнечные сутки использовались для определения фундаментальной единицы измерения - секунды, которая равнялась 1/86400 части средних солнечных суток. Следовательно, длительность секунды зависела от скорости вращения Земли. После появления кварцевых, а затем квантовых часов была обнаружена неравномерность вращения Земли, что привело к отказу от средних солнечных суток как меры точного времени и замене определения секунды.

Разность между истинным и средним солнечным временем называется уравнением времени, которое в течение года изменяется в пределах от -14 минут 22 секунд до +16 минут 24 секунд.

Среднее солнечное время Гринвичского меридиана называется всемирным временем (Universal Time, UT); его определение связано с вращением Земли. В связи с неравномерностью вращения Земли вводят так называемые UT0 и UT1. UT0 - всемирное время, полученное из наблюдений, то есть время на мгновенном гринвичском меридиане, соответствующем мгновенному полюсу Земли; UT1 - всемирное время среднего гринвичского меридиана, определяемого средним положением полюса Земли; оно получается добавлением к UT0 поправок, учитывающих движение полюсов.

Для того, чтобы перейти от всемирного времени к местному, необходимо знать долготу места. В соответствии с решением Международного астрономического союза (MAC) долгота считается положительной к востоку от Гринвичского меридиана и измеряется от 0° до 360°. Чтобы найти местное время, надо к UT прибавить долготу, выраженную в часах (360° соответствует 24 часам).

Местное время одинаково для всех точек, расположенных на одном меридиане. Следовательно, при перемещении на восток стрелки часов нужно непрерывно переводить вперёд, а при движении на запад - назад. Чтобы устранить это неудобство, в 19 веке во многих странах была принята поясная система счёта времени. Земной шар был разбит на 24 пояса, шириной примерно по 15° долготы каждый. Часовые пояса имеют номера от 0 до 23. В действительности ширина поясов не равняется 15°, так как границы поясов сдвигаются в соответствии с государственными границами, административным делением внутри страны и тому подобное. Начальный меридиан нулевого пояса проходит через Гринвичскую обсерваторию. В 1-й часовой пояс (который определяет среднеевропейское время) входят Франция, Испания, Германия и др.

Поясное время соседних часовых поясов отличается на 1 час. По меридиану 180° проходит линия перемены дат (точнее, эта линия изгибается, учитывая государственные границы). Новые сутки на Земле начинаются на этой линии. При пересечении линии перемены дат с востока на запад необходимо прибавить один день и, наоборот, при пересечении с запада на восток - вычесть один день, то есть считать одну дату дважды.

В России поясное времени было введено в 1919 году. В 1930 году на всей территории СССР было введено декретное время, отличающееся от поясного на +1 часть. Кроме того, с 1981 года ежегодно вводится летнее время: стрелки часов переводят на час вперёд в последнее воскресенье марта и на час назад в последнее воскресенья сентября (до 1996) или октября (после 1996). Время российской части 2-го часового пояса, в котором находится Москва, называют московским временем. Разница между московским и всемирным времени составляет 3 часа зимой и 4 часа летом.

Звёздное время. Шкала времени, основанная на наблюдении за движением точки весеннего равноденствия, называется звёздной. Момент верхней кульминации точки весеннего равноденствия принимается за начало звёздных суток, которые делятся на звёздные часы, минуты и секунды. Звёздное время определяется непосредственно из астрономических наблюдений и необходимо для решения задач астрономогеодезии, навигации и др.

Звёздное время, так же как и UT, определяется вращением Земли. Поэтому обе шкалы связаны друг с другом точным соотношением, из которого следует, что 24 часа среднего солнечного времени равны 24 часам 3 минутам 56,555 секундам звёздного времени. Шкала звёздного времени, как и UT, является неравномерной.

Динамическое время. Теории движения Земли и других тел Солнечной системы, основанные на уравнениях динамики, позволяют определить так называемые шкалы динамического времени. Так, в рамках механики Ньютона определяется шкала эфемеридного времени, в рамках теории относительности Эйнштейна - шкалы барицентрического и земного времени. Эти шкалы используются при решении задач космической навигации.

Попытка астрономов использовать всемирное и звёздное время как равномерные шкалы оказалась неудачной. В качестве новой, более точной шкалы времени была предложена шкала, определяемая периодическим движением тел в Солнечной системе. В механике Ньютона время считается абсолютным (не зависящим от системы координат) аргументом в уравнениях, которые определяют эфемериды планет, Солнца и Луны. Используя принятую теорию движения планет, Солнца и Луны, а также наблюдения за небесными телами, можно построить строго равномерную (в ньютоновском приближении) шкалу времени. Такая шкала называется эфемеридным временем (Ephemeris Time, ET). ET рассматривалось как независимая переменная в теории орбитального движения Луны, Земли и других планет. ET было определено MAC в 1952 году и использовалось до 1984 года.

Введение ET привело к замене определения единицы времени. Прежнее определение секунды в 1960 году было заменено следующим; секунда есть 1/31556925,9747 часть тропического года для момента 1900 год, январь 0, 12 ч эфемеридного времени. Эта секунда названа эфемеридной. Секунда ET более постоянна по величине, чем секунда, определяемая средними солнечными сутками, но её гораздо труднее измерить. Один из недостатков шкалы ET - задержка при её вычислении и сложность практической реализации. Необходимо проводить наблюдения тел Солнечной системы, определять координаты тел, сравнивать их с теоретически вычисленными координатами. Лишь по прошествии минимум одного года можно установить разницу между UT и ET; точность вычисления этой разницы ограничивается точностью оптических наблюдений.

Шкала ET была первой шкалой динамического времени. Повышение точности наблюдений и определение атомной шкалы времени привело к созданию новых динамических шкал времени. Такими шкалами являются шкалы барицентрического динамического времени (Temps Dynamique Barycentrique, TDB) и земного динамического времени (Temps Dynamique Terrestre, TDT), барицентрического и геоцентрического координатного времени (Temps Coordonnéе Barycentrique, ТСВ, и Temps Coordonnéе Geocentrique, TCG), а также земного времени (Temps Terrestre, TT). Они используются для вычисления барицентрической или геоцентрической эфемерид. На уровне точности, с которой может быть определено ET (порядка 0,001 с), эти шкалы эквивалентны.

Шкала ТТ является основой для вычисления видимых геоцентрических эфемерид небесных тел и может считаться равномерной шкалой времени. ТТ показывали бы квантовые часы, если бы они были расположены на поверхности геоида. Построение идеальной равномерной шкалы времени ограничено недостаточной полнотой знаний о строении Солнечной системы, точностью наблюдений тел и вычисления их положений, а также точностью определения моментов наблюдений.

Атомное время. Шкала атомного времени основана на показаниях квантовых часов. Единица атомного времени связана с частотой излучения или поглощения энергии при переходе атомов из одного квантового состояния в другое. Современная шкала времени, которая используется и в астрономии, и в повседневной жизни, является атомной шкалой.

Шкала атомного времени (Temps Atomique International, TAI) была построена в середине 20 века. Она базируется на использовании квантовых стандартов частоты, которые, в свою очередь, основаны на резонансном переходе атомов с одного энергетического уровня на другой. Шкала TAI равномерна на длительных промежутках времени. За единицу измерения времени принимается атомная секунда (секунда СИ), определяемая в соответствии с резолюцией XIII конференции Международного комитета мер и весов (1967) как промежуток времени, в течение которого совершается 9192 631 770 колебаний, соответствующих частоте электромагнитной волны, излучаемой атомом цезия 133Cs при резонансном переходе между энергетическими уровнями сверхтонкой структуры основного состояния при отсутствии внешних магнитных полей на уровне моря. Длительность секунды TAI была выбрана такой, чтобы она соответствовала длительности секунды ET для 1900.

С 1969 года шкала TAI основывается на показаниях многих квантовых часов, расположенных в лабораториях разных стран. Показания часов сравниваются между собой с учётом релятивистских поправок и объединяются по специально разработанному алгоритму, позволяющему уменьшить ошибки при включении новых или удалении из обработки старых часов. Для вывода TAI необходима синхронизация часов. Сейчас для этой цели используются глобальные космические навигационные системы GPS и ГЛОНАСС. На спутниках установлены высокостабильные стандарты частоты, на основе которых формируется собственная атомная шкала. Учитывая время распространения сигнала от спутника, можно определить показание наземных часов в шкале GPS или ГЛОНАСС, то есть синхронизовать их.

В России непрерывным получением высокоточной времячастотной информации и данных о вращении Земли занимается Государственная служба времени и частоты (ГСВЧ).

Поскольку шкала времени UT1 связана с вращением Земли (которое замедляется), а TAI от него не зависит, шкалы UT1 и TAI непрерывно расходятся. С 1964 года используется шкала всемирного координированного времени (Universal Time Coordinated, UTC), которая связана не с суточным вращением Земли, а с атомной шкалой TAI. Она определяется путём изменения показаний часов, функционирующих в системе TAI, на +1 секунду, чтобы разность UT1-UTC не превосходила 0,9 секунды. Это изменение осуществляется преимущественно 31 декабря и/или 30 июня. Таким образом, шкала UTC отличается от TAI на целое число секунд, а от UT1 не более чем на 0,9 секунды. Так, 31 декабря 2005 года была добавлена очередная секунда, и разница между UT1 и TAI составила 33 секунды.

Сигналы точного времени, распространяемые радиостанциями, соответствуют шкале UTC. Шкалы атомного и динамического времени независимы как друг от друга, так и от шкал солнечного и звёздного времени, то есть от вращения Земли. Но повседневная жизнь человека определяется вращением Земли, поэтому одной из важных задач астрономии является определение связи атомного и солнечного времени. Эта задача может быть решена лишь с помощью регулярных наблюдений радиоисточников, звёзд и тел Солнечной системы.

Лит.: Хауз Д. Гринвичское время и открытие долготы. М., 1983; Одуан К., Гино Б. Измерение времени. Основы GPS. М., 2002; Жаров В. Е. Сферическая астрономия. М.,2002.