издательская группа
Восточно-Сибирская правда

Властелины времени

9192631770 периодов электромагнитного излучения атома цезия-133. Автор не сошёл с ума. На языке физики это одна обычная секунда. На этот раз «Репортёр» побывал в иркутском «институте времени». Настоящее его название я сообщу чуть позже. Вы увидите, как выглядят атомные часы. Узнаете, почему им нужно не менее 10 миллионов лет, чтобы «убежать» всего на одну секунду. И что может заставить часы остановиться впервые за 40 лет беспрерывной работы.

Когда я была маленькой, меня страшно занимал вопрос – вот есть в Иркутске странный дом с названием ВНИИФТРИ, а где ВНИИФОДИН и ВНИИФДВА? А теперь я скажу вам правильное название того, что в Иркутске окрестили «институтом времени». Восточно-Сибирский филиал Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений (ВСФ ВНИИФТРИ). В 1965 году, когда на скальном грунте близ будущего посёлка Юбилейный вырос этот институт, он назывался Сибирским филиалом ВНИИФТРИ. Только не «всероссийского», а «всесоюзного». Позднее филиал стал самостоятельным Восточно-Сибирским НИИФТРИ (ВС НИИФТРИ), а с октября 2007 года – Восточно-Сибирским филиалом ФГУП «ВНИИФТРИ». Собственно, это он отвечает за «сигналы точного времени» для территории Сибири и Дальнего Востока. 

«Для чего вообще нужны эти сигналы?» – эта естественная мысль возникла у меня, как у человека, никогда не владевшего ни баллистической ракетой, ни плохоньким космическим кораблём. И я отправилась в институт. 

– Единая система мер – одна из основ государства, – сказал директор ВСФ ВНИИФТРИ Виктор Егоров. – Как денежная система, как оборона, как геодезия. Говоря проще, метр на всей территории страны должен быть единым, килограмм – тоже и время (секунда) также. Казалось бы, чего проще – подвести стрелки по всей стране. А задача-то очень сложная, если нужна высокая точность. Космос, оборона, навигация, энергетика, магистральные каналы связи – вот точки, где вообще всё развалится без сигналов точного времени. 

– Целый институт 40 лет подводит часы? 

– Не подводит часы, а синхронизирует собственный вторичный эталон времени и частоты с государственным эталоном времени и частоты. В стране создана единая цепочка эталонов: в Москве, Новосибирске, Иркутске, Хабаровске и Петропавловске-Камчатском. Первичный эталон хранится в головном институте ВНИИФТРИ, в подмосковном «ящике» в Менделеево. Остальные четыре города имеют вторичные эталоны и синхронизируют по государственному. Поскольку Россия – страна большая, то даже передача сигнала радиоволнами идёт с погрешностью. Поэтому постоянно, каждые сутки, время нужно синхронизировать. Но мы не только временем занимаемся. У института пять эталонов – три государственных и два вторичных: эталон времени и частоты и эталон постоянного напряжения.

– Но нас интересует время. «Вторичный государственный эталон времени и частоты» – что это?

– Это часы, только атомные. Я вам их покажу.

Атомные часы

«Эталон-копия ГЭВЧ СССР» – табличка на двери ещё советская. Когда я думала, что за этими дверями, воображение рисовало чудную картину. «Над цементным полом зала возвышался только небольшой участок блестящего отполированного обода гигантского Колеса, ось вращения которого лежала где-то в бесконечности, отчего обод выглядел просто лентой конвейера, выходящей из одной стены и уходящей в другую… Несколько бесов из обслуживающего персонала играли у Колеса – вскакивали на обод, проезжали до стены, соскакивали и мчались обратно». Всё оказалось проще и интереснее. Нас пустили туда, куда обычно и сами работники ходят редко. Атомные часы нельзя тревожить.

На атомные часы нельзя не только дышать, а и просто находиться рядом. Один человек за три минуты способен нагреть воздух в комнате на целый градус

Рассказы о том, что под институтом «пятиэтажный дом под землёй», оказались мифом. Атомные часы размещены в цоколе здания, в двух смежных комнатах. В них довольно прохладно, стоит столик дежурного. «Вот они, атомные часы», – Виктор Егоров показывает на несколько «шкафов» с узенькими экранами, на которых светятся цифры. Все приборы – ещё 70-х годов производства. В ответ на моё недоумение начальник отдела времени и частоты, учёный хранитель эталона Владислав Акулов ухмыльнулся: «А что вас удивляет? Система «Тополь» – изобретение примерно тех же лет, и ничего, страх наводит». А Виктор Егоров ласково прикасается к одному из «шкафов». 

– Это ненадолго, скоро все сменим. А пока вот они, шесть наших водородных стандартов, работают.

– Водородные стандарты? 

– Ну как вам проще объяснить, что такое атомные часы? Помните со школы модель атома? Ядро, а вокруг него по нескольким орбитам движутся электроны. Каждая орбита – энергетический уровень. Когда электрон перепрыгивает с более высокой орбиты на более низкую, он излучает квант энергии, электромагнитную волну строго определённой частоты. В лазере этот эффект вы можете видеть как излучение. Это оптический диапазон. То же самое можно наблюдать в радиодиапазоне, не видимом глазу. К примеру, атом цезия излучает строго на частоте 9 гигагерц 192 мегагерца 631 килогерц 770 герц. Частота этого излучения мало от чего зависит – температура на сам переход почти не влияет, только на электронику, которая его фиксирует. Влияют магнитные поля, в частности поле Земли, но очень незначительно. Потому-то это очень стабильный процесс. Он и принят за единицу измерения времени. К примеру, во всём мире секунда определяется как 9192631770 периодов электромагнитного излучения атома цезия-133. А устройства для получения таких электромагнитных колебаний со стабильной во времени частотой называются «квантовые стандарты частоты». Существуют цезиевые, рубидиевые, водородные стандарты частоты. Вот у нас в институте – водородные. 

Виктор Егоров подводит нас к задней стенке одного из «шкафов». «Загляните внутрь, – улыбается он. – Чувствуете, как холодно в комнате? Колебания температуры здесь разрешены только в один градус, иначе аппаратура начнет «врать». А внутри у стандарта ещё и свой собственный термостат и экран от магнитного поля Земли. Если совсем популярно, то там внутри стрелка компаса не работает. Все эти ухищрения для того, чтобы стандарт работал максимально точно. Представьте себе, современная нестабильность этих стандартов чистоты – 10 в минус 15-й, 16-й степени.

– Я окончательно запуталась в терминах и цифрах.

– Буду проще. Если бы наши часы проработали 10 миллионов лет, то ушли бы только на одну секунду. 

Оператор – как доктор. Он обязан следить, стабильна ли температура и как изменились за сутки около 40 показателей «здоровья» атомных часов. И хорошо ли себя ведёт «группа» из шести водородных стандартов. Зачем их так много? «Они, хоть и квантовые, всё равно по-разному идут, – поясняет Виктор Егоров. – Жизнь в них какая-то есть своя, как в любом приборе. Уже в 14-15 знаке после запятой у них бывают разные показатели». «Ну вот представьте: вы на необитаемом острове втроём, и у каждого часы, – добавляет Владислав Акулов. – У одного спешат, у другого отстают, а у третьего – ровно идут. Но вы-то не знаете, у кого правильно. Поэтому сравниваете и выводите среднее время. Истинное время вашего острова. Тут всё так же». К примеру, в американской военно-морской обсерватории, являющейся национальным хранилищем времени и частоты США, размещено порядка восьмидесяти цезиевых и двадцати водородных стандартов. А в Менделеево – около 20 водородных стандартов. 

Часы – это не только комната с водородными стандартами. Это ещё несколько комнат. «Вот здесь идёт главный счёт, – проводит нас Владислав Акулов в комнату, заставленную приборами. – Здесь находятся автоматизированные системы контроля, идёт синхронизация нашего эталона с другими эталонами времени. Считайте, что вот здесь, в этой комнате, самое точное время в Восточной Сибири». Каждые сутки усреднённые данные идут в столицу. Только измерительной информации не менее 2-3 мегабайт в сутки.

– Можете пропустить, к примеру, сутки?

– Нет. Каждые сутки мы должны синхронизироваться с Москвой. Наше время должно быть сведено с московским в пределах ста наносекунд. Это одна десятая микросекунды. Что это такое? За одну наносекунду свет проходит 30 сантиметров. В микросекунду – 300 метров. 

– Проще говоря, наши эталоны «тикают» одновременно.

– А с кем сверяются в Менделеево? 

– Первичный эталон времени и частоты для России абсолют. Но есть Международное бюро времени, с которым можно свериться и узнать, насколько мы отклонились. Есть такое понятие – «всемирное координированное время». Оно выводится Международным бюро времени на основе около 200 национальных шкал атомных эталонов. 

За водородными часами следят не менее 20 человек: группа обработки сигналов, группа управления специализированной радиостанцией в Ангарске, которая имеет собственные водородные часы, «привязанные» к иркутскому эталону. И передаёт на регион сигналы точного времени и образцовые частоты. «Мы тоже принимаем сигналы, излучаемые станцией, смотрим, не ушли ли её часы, и даём коррекцию, – рассказывает Виктор Егоров. – Все поправки вносятся из Иркутска дистанционно». Ангарская радиостанция – источник тех самых «шести точек», которые мы потом слышим в наших радиоприёмниках. Вот только в советское время все радиостанции страны были синхронизированы по одному эталону, а теперь неизвестно, где берёт свои «шесть точек» какая-нибудь коммерческая станция. Не исключено, что с китайских часов на стене. 

В институте работает целая команда, которая отвечает за обеспечение эталона электроэнергией. Часы ни на секунду не должны останавливаться. Сейчас институт запитан практически непосредственно от ГЭС и от подстанции «Южная». «Ну а если уж совсем у нас электричество закончится, предусмотрен вот такой резерв», – Владислав Акулов открывает двери одной комнаты – там протянуты ряды огромных аккумуляторов с надписями: «Батарея 1, 2, 3, 4». Они на постоянной подзарядке. Ёмкость каждой батареи – 350 ампер-часов. Примерно 6–7 аккумуляторов для среднего автомобиля. 

Круглые сутки дежурный оператор следит за состоянием аппаратуры эталона. Снимают показания, а случись что – вызывают специалистов. «Когда ураган повалил деревья в Иркутске, здесь появились все, кто был нужен, – рассказывает Владислав Акулов. – Пришли, приплыли, без разницы». 

– С 1965 года было, чтобы часы останавливались?

– Ни разу. 

Город наступает

А вот теперь может наступить иное время. Как оказалось, служба времени не отвечает задачам развития современного Иркутска. 40 лет назад институт стоял на отшибе, за городской чертой, и в его окрестностях грибы собирали. Место такое было выбрано специально, чтобы иметь хорошие условия для наблюдений. Сейчас «институт времени» активно осаждают многочисленные стройки, которые ведутся частниками по соцзаказу мэрии. Новый жилой посёлок Ершовский, куда едут молодые семьи и «ветхие» переселенцы, построен, по словам Виктора Егорова, на коммуникациях института без согласования, и теперь в систему канализации института включены эти жилые дома. «Наши коммуникации просто не предназначены для такой нагрузки, и новые жилые дома, по существу, не имеют канализации, – уверен Егоров. – И если случится какая-то авария на водопроводе или на канализации, наши атомные часы в цокольном этаже могут остаться без кондиционеров или быть просто затоплены. Это не жалобы чудаков-учёных, мы – часть федеральной службы времени, работаем на правительство, нам просто нельзя давать сбои. А что делать с площадкой, где у нас планируется новая квантово-оптическая система? Она ведь была выбрана не случайно. Там нужна чистая, ничем не закрытая, небесная полусфера. А там с одной стороны уже возводится шестиэтажный частный дом, хотя у нас с городом была договорённость о малоэтажной застройке. 

– А вы им установку на крышу дома поставьте. 

– Нельзя, у них крыши «гуляют». На нашей площадке антенны стоят на специальных стационарных вкопанных столбах. И устроено всё так, чтобы промерзающий грунт их не сдвигал, потому что точность счёта идёт на миллиметры. И переносить ничего нельзя, потому что это будет другая точка и все наблюдения надо будет начинать по-новому. Дома нам закрывают горизонт, мы теряем обзор спутников. Уже сейчас идут искажённые сигналы. А на домах ещё и металлические крыши, и они могут дать мешающие отражённые сигналы на наши антенны. Мы писали письма в мэрию Иркутска – только ответы в общих словах, никакого движения. 

Машина времени

Это особенно печально, когда понимаешь: благополучие института в руках местечковых чиновников, а задачи его – далеко за пределами городской черты. К примеру, тут определяют параметры вращения Земли. Пока не было атомных часов, никто не замечал, что Земля, оказывается, вращается неравномерно. Оказалось, что скорость вращения зависит от сезона лето-зима, есть и вековое замедление, вызванное приливами под действием гравитационных сил Луны, Солнца, других планет. Изменения во вращении возможны и при сильных землетрясениях. «Это неравномерное вращение тоже нужно уметь определять и предсказывать», – говорит Виктор Егоров. 

– Зачем?

– А вот смотрите на глобус. Видите, координатная сетка нанесена? Она привязана к полюсам. А что такое полюс? Это место, откуда выходит воображаемая ось вращения Земли. Так вот она не сохраняет своего положения в теле Земли. Полюс двигается в круге диаметром примерно метров сто. Мы не можем на местности вкопать столб и сказать – здесь проходит такой-то меридиан. Сегодня он здесь, завтра там. Сетка координат на самом деле «ездит» по земной поверхности. Для нас с вами это незаметно, да и не нужно, в общем. А пилоту, который вынужден делать так называемую «слепую» посадку самолёта, когда ошибиться можно не более чем на метр, жизненно необходимо знать точные координаты. Вот для этого мы должны представлять, где на сегодняшний день находится полюс и с какой скоростью в данный момент вращается Земля. 

А ещё иркутские учёные начали заниматься определением качества сигналов российской спутниковой навигационной системы «ГЛОНАСС», аналога зарубежной GPS. «Мы принимаем сигналы этих спутников и смотрим их качество – как они изменяются от часа к часу, от спутника к спутнику. Это огромная многофункциональная задача».

Егоров открыл двери в пустое светлое помещение. «Можете фотографировать, потому что скоро вы сюда уже не попадёте», – смеётся Владислав Акулов. «Это место для новых атомных часов, – говорит его коллега. – В перспективе в институте будет размещена новая квантово-оптическая система. Кроме приёма сигналов «ГЛОНАСС» и GPS, есть ещё один способ определения параметров вращения Земли – это лазерная локация спутников. И она у нас будет. В ближайшие два года, я думаю». 

Только на систему энергообеспечения новых квантовых часов уйдёт 29 миллионов рублей по линии головного института. Это более надёжное питание, новые аккумуляторы и дизель-генераторы. «Плюсуйте сюда четыре «водорода», каждый по восемь с лишним миллионов рублей, – говорит Виктор Егоров и показывает в угол комнаты. – Тут мы оборудуем специальный бокс на четыре новых «водорода», они будут уже не такими громоздкими, как сейчас. Мы закупим лучшие в России водородные стандарты у Нижегородского института «Кварц». Бокс закроют полностью, будут прозрачные окна, а систему управления вынесут наружу. В самом боксе с «водородами» температура будет колебаться уже в диапазоне трёх десятых градуса. Влажность – плюс-минус 5%. «Вход одного человека в такую комнату буквально на три минуты повышает влажность на один процент», – пояснил Владислав Акулов. 

– А человека из бани?

– А мы не только из бани, мы вообще никого в бокс не пустим. 

В новом помещении пока будут работать четыре новых и четыре старых генератора, со временем громоздкие «шкафы» уйдут в прошлое. Четыре новых водородных стандарта в течение года отладят, отсинхронизируют, а старые будут продолжать работать. Часы не остановятся. 

Мы уже покидали институт, когда вспомнили, что не задали главный вопрос – «А машина времени где?». «Там, за углом стоит, непокрашенная, – сурово сказал хранитель эталона времени Владислав Акулов. – Приходите к концу года. Запустим».

Читайте также

Подпишитесь на свежие новости

Мнение
Проекты и партнеры
  все
Свежий номер