Как потомок великого поэта создал самые точные атомные часы в СССР, и зачем ИТ точное время

Сегодня хочу рассказать историю потомка известной фамилии, который прославил ее не в мире литературы, как сделал это его прапрапрадед, а в мире точных наук. Удивительно, как ни происхождение, ни эпоха не смогли помешать светлому уму 20 века.

Сережа Геренг был обычным совестим мальчиком. Папа – Борис, агроном, работал в Народном комиссариате земледелия СССР, а мама – Марина трудилась в библиотеке Исторического музея, подрастал брат Борис.

Впереди ждало счастливое детство в молодом советском государстве. Но, судьба распорядилась иначе – в 1929 году из семьи ушел отец, а в 1935 от скарлатины умерла мама. Так Борис и Сергей остались на попечении у недавно освободившегося из заключения деда и двоюродной бабушки. Чем же так провинился их дед Сергей Мезенцев? Он был дворянином, до революции владел поместьем, был генерал-майором в свите великого князя Михаила Николаевича, а затем и Николая II, за что и расплачивался после прихода советской власти.   

Невзирая на трудные времена детей любили и опекали родственники матери и отца. И несмотря на то, что в 1937 году дедушку повторно арестовали, и как стало ясно только много лет спустя - расстреляли, Сережу и Борю не тронули...

Дети хорошо учились, мечтали о велосипеде и покорении Севера. Братья готовились к будущим путешествиям — закалялись, зимой открывали окна и спали на холоде, но Север братьям не покорится, зато будут взяты другие высоты.

Летчик и моряк

 Началась война. Сергей – едва окончив 10 класс в 1942 году отправился в армию.

«Я уже знал, перейдя в 10-й класс, что все моего года рождения будут призываться в конце года. Мне исполнилось только-только семнадцать лет».

Сергей служил в штурмовом и истребительном авиационных полках в должности механика-моториста, занимался ремонтом и обслуживанием самолётов-штурмовиков и истребителей, которые возвращались после боевых вылетов. Был награждён медалью «За победу над Германией в Великой Отечественной войне в 1941—1945 годов».

Младшего Бориса призвали только в январе 1944-го, он стал моряком-зенитчиком Балтийского флота и был награжден медалью «За оборону Ленинграда», которой очень гордился.

Вернуться к мирной жизни Сергею и Борису удалось лишь в 1946 году, тогда к братьям Геренгам вернулась и фамилия знаменитого родственника. Теперь фронтовики Сергей и Борис Пушкины начинали мирную жизнь студентов в советской России.

Сережа и Боря праправнуки великого российского писателя Александра Сергеевича Пушкина. Потомкам дворянского рода нелегко пришлось в годы советской власти, но в истории оба брата оставили собственный след, сделав вклад в звучание фамилии предка.  

Сергей поступил на электрофизический факультет Политехнического института по специальности «Радиотехника», а Борис, стал студентом Автомеханического института. Оба брата стали инженерами, поскольку обладали склонностью к точным наукам, чего нельзя было сказать об их великом предке, который имел 2 по математике, когда учился в Царскосельском лицее.

Обоих ждало признание и успешная карьера. Сергей Борисович станет выдающимся учёным-метрологом, а его брат — изобретателем в авиационной промышленности.

Пока братья успешно учатся, знакомятся со своими будущими женами, живут мирную и вполне счастливую жизнь. К моменту завершения учебы Сергей уже был женат и воспитывал дочь.

В столице — 15 часов, …, в Петропавловске-Камчатском — полночь

Последний курс Сергей Пушкин заканчивал, работая в недавно созданном метрологическом институте, который со временем превратился в Институт метрологии времени и пространства (ВНИИФТРИ). Сергей со временем дорос до должности начальника службы времени. Романтично все-таки звучит, но к романтике, конечно же, никакого отношения не имело.

Из воспоминаний Сергея Пушкина

Как-то раз он шёл на работу и увидел, что роют канаву и спешно прокладывают кабель. Оказалось, что накануне проходил военный парад. В определенное время между шпилями кремлевских башен должны были пролететь самолёты, но появились они на 20 секунд позже. Это стало поводом для большого скандала, стали проверять, в чём дело. Выяснилось, что в Кремле часы неправильное время показывали и тогда в институт спешно провели кабель, чтобы давать сигналы точного времени в Кремль.

После этого случая лаборатории, где трудился Пушкин, поручили организовать передачу сигналов проверки времени (известные, как «6 точек») через сеть радиостанций страны.

«До этого сигналы проверки точного времени передавал астрономический институт Штенберга. Там были маятниковые часы, дежурный смотрел, когда наступало время, и связывался по телефонной линии с радио домом. Они телеграфным ключом нажимали две точки — тире».

Сергею Борисовичу поручили разработать аппаратуру и организовать передачу сигналов точного времени для проверки показаний и автоматической синхронизации часов технического и бытового назначения. Что и было сделано осенью 1957 года. 4 октября в день запуска первого искусственного спутника Земли, Служба времени ВНИИФТРИ начала передавать через широковещательные радиостанции сигналы времени в виде шести точек. На этом достижения Сергея Пушкина не заканчивались оставит след он и в мировой истории.

 Время – вода

Пока прерву рассказ про Сергея Пушкина, мы еще вернемся к его достижениям, а сейчас небольшой экскурс в историю счисления времени. Как вообще произошло, что часы Кремля показывали не точное время? Для этого нужно разобраться с тем, как это время измеряли. Такие привычные нам маленькие наручные часы всегда готовые подсказать точное время не такое уж древнее изобретение. Удивительно, но от появления солнечных часов до создания точных атомных прошло больше 3 500 лет. И все это время люди усердно работали над усовершенствованием механизмов.

Первыми простейшими часами стали солнечные часы, ночью, когда Солнца не было видно, время определяли по водяным. Сосуд наполняли водой, она капля за каплей вытекала, уровень ее понижался, а деления на сосуде указывали который час.

Так хорошо нам знакомые песочные часы впервые появились всего тысячу лет назад. И это тесно связано с развитием стеклодувного мастерства, ведь только специальным образом отлитая стеклянная форма позволила создать относительно точный прибор. При помощи песочных часов можно было измерять лишь небольшие промежутки времени, обычно не более получаса. И погрешность таких измерений для нашего сейчас понимания была просто огромная – примерно ± 15 – 20 минут в сутки.

История знает немало революций в мире измерения времени. Одна из них –  колесные часы. Во-первых, они мерили время и днем, и ночью, во-вторых в приборе были подобия знакомых нам шестеренок и стрелок.  Привод часов в действие осуществлялся при помощи гири был надежным и простым, а сила тяги –  достаточно постоянной. Однако, у механизма был один недостаток, на него, как и на всех нас действовали законы физики, которые делали измерения все-таки недостаточно точными. И вот где-то в 10 – 13 веке появляются механические часы. Точная дата создания прибора не известна, но такой хронометр в 1288 году уже украшал башню Вестминстерства.  

И кажется, вот они – часы к которым мы все привыкли, но нет. Они были очень далеки от нынешнего идеала, хоть внешне и похожи.

Кому вообще в те времена сильно были нужны точные часы? Правильный ответ – ученым и мореплавателям, при чем последним очень не повезло. Все изобретаемые часы недостаточно точно работали в море. Великие первооткрыватели и мореходы использовали девайсы с песком, но как я уже писала, они, во-первых, мерили малые промежутки времени, а во-вторых имели существенную погрешность. Поэтому поиски часов для мореходов продолжались долгие годы, за это время: появился крутильный маятник, вращательный балансир, анкерный спуск, а вместо гирь начали использовать пружины, это значительно повысило точность приборов и уменьшило их размеры, но существенно не изменило ситуацию для мореплавателей.

Однако эпоха великих географических открытий требовала создания точного и надежного измерителя времени. Например, из-за невозможности точно измерить время лунные таблицы, составляемые астрономами 1670-х годов для определения долготы, были не точны (погрешность от 1 до 2,5°), что приводило к ошибке от 60 – 250 км в зависимости от района земли. А это в свою очередь мешало плыть туда, куда было запланировано и не редко приводило к настоящим трагедиям. То есть вместо того, чтобы мирно причалить к какому-нибудь острову моряки, например, могли разбиться о скалы или сесть на мель. А так как морские путешествия и походы были невероятным толчком к развитию экономики, культуры и науки, то плавать люди хотели страстно. Делать это нужно было безопасно.

И вот спустя десятилетия попыток в 1735 году йоркширский столяр Джон Харрисон создал морские часы, кстати масштабно их использовать стали только после некоторых доработок, сократив их погрешность меньше чем до секунды в сутки (на это кстати ушло примерно 30 лет).

Испытывал хронометр Джеймс Кук, составивший благодаря ему карту островов Полинезии. Итак, еще каких-то 30 – 50 лет и на помощь путешественникам приходит электричество. Электрические часы решили проблему синхронизации на больших расстояниях, прибавляем еще несколько десятилетий и в 1899 году началась эра передачи сигналов точного времени по радио. Всё, все трудности с измерением времени в морских походах наконец-то были решены (каких-то + -500 лет понадобилось)! И всё бы хорошо, Землю померили, на рифы не налетаем, на свидание не опаздываем, но как говорится: «Многие знания – многие печали». Развитие физики, химии и конечно же военных дисциплин требовали все более точного измерения временных промежутков. Эта потребность открывает новый период развития технологий метрологии (наука об измерении, в том числе и времени).

Нужно сказать, что все мировое сообщество с тех пор как научилось измерять время, перемещаться между континентами и вести торговлю с другими странами, но особенно, в 19 веке активно дискутирует над вопросами метрологии (это касается не только измерения времени, но и стандартов измерения весов, длин и т.д.) Введение системы СИ, утверждение среднего времени по Гринвичу и многие другие стандартизирующие договоренности и законы появляются в 19 веке. Царская Россия эти общепринятые стандарты принимала, развиваясь в общей канве научного знания. 16 июня 1842 в Санкт-Петербурге года было основано Депо образцовых мер и весов. Этот день считается днем рождения первого метрологического учреждения России, ныне ВНИИМ им. Д. И. Менделеева. Множество полезных и значимых работ провели сотрудники этого учреждения (оно работает и по сей день), долгие годы его руководителем был сам Д.И. Менделеев, но сегодня рассказ не об этом.

Итак, всю предыдущую часть главы мы говорили о часах, предназначенных для замера астрономического временем, в основе которого была астрономическая секунда, равная 1/86400 части средних солнечных суток, но научное знание развивалось и учёные заметили, что скорость вращения Земли неравномерна и для более точного измерения времени нужно ориентироваться на что-то другое. На помощь пришла атомная физика. В конце 19 века появляются первые теории, что колебательными элементами в часах могут быть атомы некоторых элементов, развитие идей микроволновой спектроскопии, простыми словами возможности атомов элементов излучать и поглощать энергию, привело к созданию такого концепта, как атомное время и собственно атомные часы.

Первые атомные часы появились еще в 1949 году, в качестве источника колебаний в них выступал не маятник и не кварцевый генератор, а сигналы, связанные с квантовым переходом электрона между двумя энергетическими уровнями атома. Они к слову были недостаточно точными как хотелось бы. Тогда ученые начали экспериментировать с атомами в составе механизмов, использовали: цезий, водород, рубидий. Эксперименты были достаточно успешными, как и сама идея, так в 1955 г. международное атомное время TAI начали использовать в качестве временного стандарта. Атомная секунда определена как 9 192 631 770 колебаний невозмущенных переходов между двумя энергетическими уровнями цезия 133. Шкала времени TAI была совмещена со шкалой UT1.

Итак, точное время стали высчитывать при помощи квантовых (атомных) часов делали это в специальных учреждениях, так называемых центрах/службах времени. Это вынужденная мера, так как механизмы были весьма сложными, дорогими и требовали профессионализма в использовании и настройке. С тех пор именно c данными от этих точных механизмов так или иначе сверяются навигационные системы мира, часы в компьютере и т.д.. В мире существует не так много центров стандартов частоты, в которых установлены атомные часы. Они есть в США, Японии, Германии, Франции, Великобритании и у нас. В России эталонные атомные часы находятся во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений, о котором я уже кратко писала и появились они там благодаря усилиям группы ученых во главе с Сергеем Пушкиным.

Конструктор самых точных атомных часов

Итак, чтобы обеспечивать все возрастающие потребности ученых и военных был создан институт, у истоков которого, стояли Борис Власов, Владимир Титов, Виктор Татаренков, Сергей Пушкин, и др.

С 1961 года в институте началась работа по обоснованию создания Службы единого времени высокой точности. Это было необходимо для обеспечения всех видов и родов войск Вооружённых сил СССР частотно-временной информацией в соответствии с их тактико-техническими требованиями. Так, в 1964 году во ВНИИФТРИ начались работы по созданию комплексов аппаратуры для создания государственного эталона, воспроизводящего и хранящего размер атомной секунды и атомной шкалы времени. Лидирующую позицию в этой работе занимал Сергей Пушкин. В 1967 году эталон был официально утвержден Госстандартом. Основу его составили квантово-механические водородные генераторы и группа высокоточных кварцевых часов. Государственный эталон времени и частоты обеспечивал воспроизведение единиц измерений с погрешностью 1×10-11.

 Обычно атомные часы состоят из нескольких частей:

·       квантовый дискриминатор,

·       кварцевый генератор,

·       комплекс электроники.

Кварцевый генератор-автогенератор, в качестве резонансного элемента которого используются пьезоэлектрические моды кварцевого кристалла. Генерируемые им электромагнитные колебания имеют фиксированную частоту, равную, как правило, 10 МГц, 5 МГц или 2,5 МГц. Обычно долговременная стабильность кварцевого резонатора мала Δ