Найточніший наручні або настінні годинники грішать проти еталонного часу в мільярди разів. Втім, в побуті і не потрібна точність до часток мікросекунди. Але вона абсолютно необхідна в дослідженні космосу, для створення систем навігації, управління повітряним рухом, підвищення якості теле- і радіопередач та багатьох інших цілей.
Еталон часу - особливий. Всі інші зразки вводяться в дію періодично, для звірення з ними вторинних та робочих еталонів. Але еталон, який зберігає шкалу часу, не можна зупинити, як не можна зупинити час. Він працює завжди. Є такий афоризм: час - дуже просте поняття, поки ви не намагаєтеся пояснити його кому-небудь. З повною підставою ці слова можна віднести і до еталону часу. Найменше він нагадує годинник, а обладнання і наукові підрозділи, які забезпечують експлуатацію еталона, займають великий будинок. Знаходиться воно у Всеросійському науково-дослідному інституті фізико-технічних і радіотехнічних вимірювань (ВНИИФТРИ) під Москвою.
Еталон часу - це складний комплекс, в який входять цезієві репери (генератори, що дають строго певну частоту) і водневі хранителі частоти, зберігачі шкал часу, прилади для вимірювання часових інтервалів і інша апаратура. Деякі складові еталона унікальні, наприклад РАДІООПТИЧНІ частотний міст, який служить для вимірювання частот випромінювання лазерів. У світі крім Росії такий міст є тільки в Канаді, у Франції, в США і Великобританії. Російський державний еталон часу входить в групу кращих світових еталонів, його відносна похибка не перевищує 5.10-14, тобто +0,00000000000005 секунди. За півмільйона років еталон дасть похибку в одну секунду.
А ось історія цього питання:
Еталони для вимірювання часу повинні бути засновані на періодичних процесах, період яких постійний з великою точністю. Спочатку єдиним відомим процесом такого роду було обертання Землі навколо своєї осі, і одиниця часу - секунда - визначалася як 1/86 400 частина періоду цього обертання, тобто доби. Тривалість же доби визначалася з двох послідовних спостережень проходження якогось небесного світила через площину меридіана місця спостереження. Уже древні астрономи переконалися в тому, що тривалість інтервалу між двома проходженнями Сонця через площину меридіана не збігається з тривалістю інтервалу, визначеного за спостереженнями будь-який з «нерухомих» зірок: сонячні добу виявилися на 4 хвилини більше зоряних. Це наслідок руху Землі по орбіті (обертання Землі навколо осі і її орбітальний рух відбуваються в одному напрямку). Користуватися зоряним часом незручно, так як вся наша життя пов'язане зі зміною дня і ночі, з сонячними цілодобово. Але визначити їх тривалість з великою точністю досить складно: по-перше, Сонце занадто «велике»; по-друге, сонячне випромінювання нагріває і деформує точні прилади і, нарешті, тривалість сонячної доби змінюється протягом року внаслідок зміни швидкості руху Землі по орбіті. Тому безпосереднє визначення періоду обертання Землі виконується зі спостереження зірок, а для практичних цілей враховують різницю між зоряними і сонячнимицілодобово. Так виникло своєрідне становище, при якому ми користуємося сонячним часом, визначаючи його за зірками.
Точність цезієвого еталона частоти наближається до 8 частин на 10 14. що вище, ніж 2 частини на 10 13 для гелієво-неонового лазера, стабілізованого метаном, і чим 6 частин на 10 13 для водневого мазера.
Найдовшою мірою часу є кальпа в індуїстської хронології. Вона дорівнює 4320 мільйонів років. В астрономії космічний рік є період обертання Сонця навколо центру Чумацького Шляху, він дорівнює 225 млн років. У пізньому крейдяному періоді (близько 85 млн років тому) Земля оберталася швидше, в результаті чого рік складався з 370,3 діб. Є також свідчення того, що в епоху кембрію (600 млн років тому) рік тривав більше 425 діб.
Нерівномірність добового обертання і орбітального руху Землі не дозволяє створити строго рівномірні шкали часу. Тому була введена ще одна шкала - ефемеридних час, назване пізніше динамічним часом. Під ним розуміють аргумент в диференціальних рівняннях руху тіл Сонячної системи в гравітаційному полі. Це рівномірно поточний час використовують при визначенні ефемерид (елементів кеплерова орбіти) супутників.
Будь-який час вимірюють за допомогою годинника. Після того як Галілей створив теорію маятника, а Гюйгенс винайшов обертається балансир, з'явилися маятниковий годинник. І незабаром кращі з них дозволили виявити систематичне уповільнення добового обертання Землі, викликане океанічними приливами.
Після винаходу кварцових годин, в яких роль коливань маятника грають пружні коливання кварцових платівок під дією електричної напруги (п'єзоефект), було встановлено, що і при обліку регулярного уповільнення тривалість доби все ж непостійна - вона може змінюватися в обидві сторони на тисячні і навіть соті частки секунди.
До середини XX століття стало ясно, що точність кращих годин перевершила точність нашого природного еталона часу - доби. Можливості астрономічних методів вимірювання часу були вичерпані.
Принципово нові і більш точні методи вимірювання часу прийшли з радіоспектроскопії і квантової електроніки.
Кожен атом або молекула вибірково поглинає або випромінює не тільки світло, а й радіохвилі певної довжини хвилі λ, або частоти f. які характеризуються неперевершеним постійністю. Це дозволило створити квантові стандарти частоти, а отже, і часу (згадаймо, що частота - величина, зворотна періоду, тобто часу одного коливання) і побудувати шкалу атомного временіAT. задається конкретним атомним або молекулярним еталоном.
Шкала АТ практично зовсім рівномірна. У ній одиницею виміру служить атомна секунда - проміжок часу, протягом якого відбувається 9 192 631 770 коливань, відповідних резонансній частоті енергетичного переходу між рівнями надтонкої структури основного стану атома цезію-133 (133 Cs). Іншими словами, за атомну секунду відбувається число періодів коливань цезієвого генератора, рівне його частоті, що становить 9 192 631 770 Гц (
9,2 Ггц). Стабільність цієї частоти дуже висока (тобто відносна нестабільність Δf / f. Де Δf - догляд частоти, дуже мала). Крім цезієвого як стандарти частоти використовують також рубідієвий і водневий генератори (останній найбільш стабільний, див. Таблицю).
Існує Міжнародне атомне час ТАI (від французького назви Temps Atomic International). Воно встановлюється на основі показань атомного годинника в різних метрологічних установах відповідно до наведеними вище визначенням атомної секунди.
Наведене вище визначення атомної секунди прийнято міжнародними організаціями в 1967 році, і в тому ж році на основі цього визначення в СРСР був створений новий Державний стандарт часу і частоти. Сучасний його варіант включає в себе цезієвий і водневий генератори і забезпечує зберігання і відтворення секунди і Герца з похибкою, близькою до 1 · 10 -14.
UTC є міжнародним стандартом, на підставі якого обчислюється локальне ( «місцеве» або цивільне) час в різних часових поясах. Час UTC «йде» синхронно з міжнародним атомним часом - TAI. Еталон атомного часу має надзвичайно високу стабільність, у нього немає добових або вікових коливань, і його висока точність не змінюється з часом. Саме в стабільності і точності атомного годинника криється проблема, яка робить їх застосування не зовсім зручним для людини.
Так уже склалося, що найбільш звичним для більшості людей є час, засноване на русі Сонця (або інших астрономічних об'єктів, наприклад, зірок) по небесній сфері. Однак, швидкість обертання Землі навколо власної осі постійно змінюється. По-перше, ця величина не зовсім рівномірна на коротких проміжках (від доби до століть, ця нерівномірність викликається різними кліматичними і геологічними процесами), а по-друге, приливної прискорення, яке викликається Місяцем, постійно сповільнює обертання Землі, скорочуючи земну добу приблизно на 2 , 3 мс в століття.