Время

Как считают время?

Что такое время? Этому вопросу, лишь на первый взгляд кажущемуся наивным, можно посвятить толстенную книжку, ведь время является одним из основополагающих понятий в самых различных областях знаний, накопленных человечеством за свою историю – астрономии, физике, философии, психологии...

Оставляя за рамками этой страницы столь обширную тему о том, что такое время, мы хотим рассказать вам о том, как его измеряют. Необходимость измерения времени вряд ли у кого вызывает сомнения – ведь нам надо не опаздывать на работу, пользоваться различным транспортом и системами связи, отмечать праздники, наконец!

Для того, чтобы время можно было хоть как-то измерить, нужно решить три задачи. Во-первых, выбрать единицы времени и установить шкалу времени. Во вторых, создать точный счетчик – эталон. В-третьих, согласовывать показания эталона с тем природным процессом, на основе которого он создан.

Единицы времени должны быть достаточно удобны с одной стороны, а с другой – обеспечивать необходимую точность измерения. Поскольку наша планета вращается вокруг собственной оси, самой естественной, и потому давно «изобретенной» единицей времени стали солнечные сутки – промежуток времени, который проходит от одной верхней кульминации Солнца до другой. Но для человека сутки – достаточно продолжительный период и его приходится разбивать на более короткие промежутки.

Идей, как это сделать, было немало. Давным-давно в Египте числа 12 и 60 считались священными. Видимо, им мы и обязаны нынешними 24 часами в сутках, впервые появившимися в Древнем Вавилоне. Правда, часы тогда были «резиновыми» - ровно 12 часов от восхода солнца до его заката (дневные) и столько же – от заката до восхода (ночные). Как вы понимаете, длительность этих часов изменялась в течение года. Значительно позднее сложилась система, используемая нами и сейчас – в сутках 24 часа, каждый по 60 одинаковых минут, состоящих из одинаковых 60-ти секунд.

Со шкалами времени – то есть с тем, куда «укладывают» секунды - все обстоит сложнее. Исторически возникшая в астрономии шкала всемирного времени задается вращением Земли. Начиная с 1884 года, среднее солнечное время на меридиане Гринвича называется всемирным временем UT (Universal Time). Для его расчета используют астрономические обсерватории. Однако в него необходимо вносить поправки, вызванные смещением полюсов Земли, влиянием приливов и сезонных смещений атмосферных масс. Наиболее приближенной к равномерной шкале времени, которую можно получить из наблюдений суточного движения звезд, является система всемирного времени UT2. Однако и ей одной невозможно пользоваться на протяжении достаточно долгого (несколько десятков лет) промежутка времени.

Почему? Потому что период вращения Земли вокруг собственной оси – величина не постоянная. Под воздействием лунных и солнечных приливов она постоянно увеличивается на несколько миллисекунд за 100 лет. Существуют и другие факторы, вызывающие случайное изменение скорости вращения нашей планеты. Для учета таких изменений была создана шкала эфемеридного времени - идеально равномерная шкала времени. Идеальная настолько, что воспроизвести эфемеридную секунду в виде эталона невозможно – поскольку она привязана к продолжительности «тропического года в фундаментальную эпоху 1900, январь 0, 12 ч». Она просуществовала с 1952 по 1986 год и была заменена шкалами динамического времени, используемыми и сейчас.

Возможно, у вас возникает вопрос, а для чего вообще нужны столь точные методы измерения времени? Зачем измерять каких-то несколько миллисекунд, накопившихся за век? Один из самых очевидных примеров – воздушный транспорт. Для определения местоположения самолета его бортовые часы должны совпадать с «наземными» с точностью до 0,5мкс. А ведь существуют и более сложные задачи из области баллистики, космонавтики, астрономии, компьютерных технологий.

Поскольку развитие техники и науки требовало все более точных способов измерения времени, необходимо было изобретать все более совершенные эталоны, позволяющие воспроизводить и «хранить» единицу времени. Развитие физики в ХХ веке позволило создать принципиально новый вид часов - атомные часы. Несмотря на свое устрашающее название, такие часы вовсе не используют для определения времени ядерную энергию. Названы они так потому, что позволяют отсчитывать колебания атомов, подобно щелчкам метронома. Эти колебания являются чрезвычайно стабильным и равномерным природным процессом, не зависящим от вращения Земли или движения тел Солнечной системы. Атомные часы последних поколений на основе цезия (в частности, NIST-7) допускают погрешность не более 1 секунды в течение 6 миллионов лет.

В 1967 году было дано определение атомной секунды. Звучит оно так: «продолжительность 9 192 631 770 колебаний излучения, соответствующего резонансной частоте перехода между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133, при отсутствии возмущений от внешних полей». Появление молекулярных и атомных стандартов частоты привело к созданию абсолютно новой шкалы времени - шкалы международного атомного времени TAI (Time Atomic International).

Эта шкала, как было сказано выше, очень стабильна, равномерна, и ее очень просто использовать. Однако ее невероятная точность (помните цифру более 9 миллиардов колебаний в секунду?) создает и ряд проблем – ведь получить точные показания атомных часов намного легче, чем у обычных. Добавьте сюда меняющуюся продолжительность суток – и мы получаем накапливающуюся погрешность.

Изначально эту проблему пытались решить изменением длительности атомной секунды, постоянно подгоняя ее под «обычное» время. Однако скоро стало понятно, что это чрезвычайно неудобно. В результате была создана шкала координированного времени UTC (Universal Time Coordination) – ныне существующая «наследница» среднего времени по Гринвичу (Greenwich Mean Time, GMT). В нее ввели хитрую «дополнительную секунду».

Все это очень напоминает календарь – ведь на самом деле год не равен целому числу суток, но мы не используем в качестве «хвостика» что-то вроде 32-го декабря продолжительностью в четверть обычных суток, верно? Просто раз в четыре года – в високосный год - к календарю добавляют один целый день. Так же поступают и с дополнительной секундой при расхождении шкал больше, чем на 0,9с. В этом случае шкала UTC смещается ровно на одну секунду. Последняя такая секунда на момент написания этой страницы была введена 31 декабря 2005 года, став 33-й по счету.

Передача сигналов точного времени осуществлялась различными способами. В начале ХХ века их стали пересылать по радио, позже подключилось телевидение (в отличие от мифического «25-го кадра», эталонные сигналы передаются в шестой строке каждого нечетного поля телевизионного сигнала передатчика ОРТ). Любопытная деталь – сигналы точного времени, передаваемые по звуковым сетям, содержат в себе информацию о текущем часе. Поэтому продолжительность шестого, длинного сигнала, изменяется в зависимости от времени суток.

Однако, время и прогресс не стоят на месте...

GPS и ГЛОНАСС

Появление точных и надежных часов, одновременно обладающих приемлемой компактностью и массой, легло в основу создания существующих ныне и разрабатываемых систем глобальной навигации. На данный момент полностью функционирующей системой спутниковой навигации является NAVSTAR (GPS), разработанная, реализованная и полностью эксплуатирующаяся Министерством обороны США. Первоначально проект NAVSTAR предназначался исключительно для военного применения. Однако после печального инцидента в 1983 году, когда лайнер Корейских Авиалиний с 269 пассажирами на борту (по официальной версии, его пилоты следовали ошибочным курсом), был сбит над территорией Советского Союза, президентом США Р. Рейганом было разрешено использование NAVSTAR в гражданских целях.

Аналогичная отечественная система – ГЛОНАСС принадлежит Министерству обороны РФ. Разработка ее была начата еще в СССР, а первый спутник ГЛОНАСС был запущен в октябре 1982 года. Для того, чтобы сигналы систем спутниковой навигации можно было принимать в любое время в любой точке планеты, численность орбитальной группировки должна насчитывать не менее 24 аппаратов. В составе ГЛОНАСС 24 спутника функционировало лишь в 1995 году. На данный момент орбитальная группировка насчитывает 16 космических аппаратов, и по заявлениям руководства России, ведется интенсивная работа для обеспечения ее полноценного функционирования.

Аналогичные системы разрабатываются в Китае (Бэйдоу) и Европе (Galileo). Вас удивляет, почему с темы точного измерения времени мы «перескочили» на системы определения координат? Наберитесь немного терпения, скоро вам все станет ясно.

Идея, на которой функционируют системы спутниковой навигации, чрезвычайно проста. Вокруг Земли разворачивается система спутников. Поскольку они двигаются в безвоздушном пространстве, их орбиты можно очень точно рассчитать. Соответственно, также точно можно определить их координаты в любой заданный момент времени. Зная координаты спутников и расстояние до нескольких из них, легко определить местоположение точки, откуда производился замер дальности. Да, да – это действительно просто, определить расстояние до пролетающих на огромной скорости где-то высоко над головой спутников!

Спутники через определенные промежутки времени посылают радиосигнал, который попадает в навигационный приемник. Скорость, с которой распространяется сигнал, известна – это скорость света. В идеальных условиях остается узнать время, которое прошло с момента отправки сигнала до его получения. Как его узнать? Тоже просто – сигнал закодирован особым образом, и в нем содержится информация о том, когда он покинул спутник. Остается лишь засечь, когда он получен приемником, и умножить скорость на то время, которое сигнал был в пути – простая формула из учебника физики 6-го класса. Еще немного тригонометрии уровня того же шестого класса, и имея три измеренных дальности, мы сможем точно узнать координаты точки, откуда производился замер. Но мы не зря оговорились про идеальные условия.

Определение координат по расстоянию до спутников.

Определение координат по расстоянию до спутников.

Поскольку скорость распространения сигнала нам известна, решающим фактором точности измерений является точность определения того промежутка времени, в течение которого сигнал проходит путь от спутника до антенны приемника. Понятно, что бортовые часы компонентов всей системы – спутников и приемника должны быть точно синхронизированы. Расхождение «всего» в одну сотую долю секунды – и ошибка в измерении дальности будет составлять почти 3 тысячи километров!

Вот именно этот момент нас и интересует. В системе позиционирования NAVSTAR (GPS) на борту каждого спутника размещено от 2 до 4 атомных часов. Синхронизация бортовых часов космического сегмента системы осуществляется из наземного центра управления (впрочем, последние серии спутников NAVSTAR способны синхронизировать время и между собой – на случай сбоев связи с центром управления).

Идея использовать атомные часы в составе GPS-приемника весьма сомнительна – во-первых, его стоимость будет составлять несколько десятков тысяч долларов, а во-вторых, о портативности такого устройства не может быть и речи. Выход из этого положения находится также довольно просто. На практике в GPS-приемниках используются обычные кварцевые часы, широко применяемые в разнообразной электронной аппаратуре. Их точность несравнима с атомными часами, но для вычисления местоположения используется измерение дальности до еще одного, четвертого спутника. При этом, даже не зная разницы между часами спутников и приемника, определяется диапазон координат, в котором предположительно располагается приемник. А поскольку он не может находиться одновременно в нескольких местах, приемник просто начинает последовательно перебирать величину поправки к своим часам, пока не находит такую, при которой данные четырех спутников указывают точно на одну точку. Автоматически при этом часы приемника синхронизируются с часами спутников.

Расчет GPS-приемником своего точного местоположения.

Расчет GPS-приемником своего точного местоположения.

Как синхронизируют часы компьютеров

Одним из важных условий объединения компьютеров в вычислительные сети является синхронизация их системных часов. И если, например, простой просмотр веб-страниц в окне браузера не требует совпадения часов у сервера и клиента, то в случае построения корпоративных сетей это условие является одним из обязательных.

Службы, обеспечивающие сетевое взаимодействие, компоненты системы безопасности очень чувствительны к точности часов. Например, протокол аутентификации Kerberos, который широко используется в сетях, построенных на основе ОС Windows, просто не «пустит» клиента в сеть, если время на его локальных часах отличается от времени сервера более чем на 5 минут.

Приложениям, использующим сложные базы данных, которые обслуживают большое количество запросов, требуется намного более точное время, чем то, которым обычно обходится человек. Причем, не только одинаковое на всех входящих в систему машинах, но и совпадающее с истинным. В качестве примера можно привести системы учета сотовых операторов, обрабатывающие ежесекундно громадный поток информации, отмечая время начала и окончания звонков абонентов, рассчитывая продолжительность разговоров, и обеспечивая пересылку SMS и MMS сообщений.

Для синхронизации часов компьютеров обычно используется специально разработанный протокол NTP (Network Time Protocol). Он состоит из набора достаточно сложных алгоритмов, позволяющих точно (до нескольких микросекунд) и надежно (сверяться можно сразу с несколькими источниками точного времени) выполнить процесс синхронизации.

Сам протокол NTP постоянно совершенствуется – реализована уже его четвертая версия. Кроме того, существует его «облегченный» вариант - SNTP (Simple Network Time Protocol), совместимый с NTP. SNTP используют в сетях, не накладывающих высоких требований на точность. Основное их различие – в составе NTP работают специальные фильтры, позволяющие рассчитать точное время даже в случае передачи пакетов по сетям, обладающим неизвестной и случайной задержкой, в частности, Internet.

Модель NTP иерархична. Ступени иерархии называются стратумами (stratum). Серверы, находящиеся на вершине иерархии (First stratum, Stratum1), непосредственно подключены к источнику точного времени (таким, как атомные часы, или GPS-часы) и используют наиболее точное время. Самый простой способ получения точного времени на сегодняшний день – это синхронизация со спутниками GPS, именно поэтому выше мы рассказали о том, как работают системы NAVSTAR-GPS и ГЛОНАСС.

Иерархия NTP-серверов.

Иерархия NTP-серверов.

Основное использование протокола NTP в сети Internet выполняется по схеме «клиент-сервер». Компьютер-клиент отправляет запрос NTP-серверу, в соответствии с ответом которого клиент настраивает свои внутренние часы. В ОС от Microsoft, начиная с Windows XP, пользователь домашнего компьютера, или компьютера входящего в рабочую группу, может самостоятельно задать сервер времени, по которому будут настраиваться локальные часы компьютера. Стоит отметить два момента – синхронизация осуществляется по протоколу SNTP, а предлагаемый в качестве основного сервер time.windows.com работает в третьем стратуме.

Синхронизация системных часов в ОС Windows.

Синхронизация системных часов в ОС Windows.

Кроме такого режима, существуют и другие, которые применяются, по преимуществу, в локальных сетях – например рассылка широковещательных пакетов NTP-сервером через определенные промежутки времени.

Адрес нашего сервера времени, работающего в первом стратуме, можно получить на этой странице.