Куда летит время. Увлекательное исследование о природе времени - Алан Бёрдик

Из сотен часов и групп тактовых генераторов, которые обслуживают представители пятидесяти восьми стран – участниц МБМВ, насчитывается около пятидесяти налаженных ведущих генераторов синхроимпульсов, ежечасно генерирующих секунды, – по одному на каждую страну, и этого достаточно для передачи сигналов официального времени в любой точке государства. Однако воспроизведение секунд у разных хронометров все равно расходится на несколько наносекунд – на миллиардные доли секунды. Этого недостаточно, чтобы озадачить электронные корпорации, учитывающие погрешности только до миллисекунд, или создавать помехи в работе телекоммуникаций, у которых трафик измеряется в микросекундах. С другой стороны, обеспечение бесперебойного функционирования различных систем навигации, таких как система GPS, управляемая Министерством обороны США, или система «Галилео», разработанная в ЕС, требует согласования часов до наносекунд. Показания часов в разных странах мира должны быть согласованы или хотя бы приведены к некоторой общей точки синхронизации. В роли целевого ориентира выступает всемирное координированное время.

Всемирное координированное время рассчитывается путем сведения показаний часов стран-участниц при одновременном воспроизводстве секунд, в результате чего выясняется, какие из хронометров спешат, какие отстают и насколько велика разница в показаниях. Выполнение задачи сопряжено с рядом технических сложностей. Начнем с того, что часы разделяют сотни и тысячи километров. Учитывая продолжительность пересылки электронного сигнала, содержащего команду начать отсчет времени, на большие расстояния, трудно понять, что подразумевается под одновременным началом отсчета на практике. В отделе Ариас научились обходить эту проблему путем передачи данных с помощью спутников GPS. Местоположение каждого спутника в системе координат хорошо известно, причем на каждом из них установлены часы, синхронизированные с сигналами Военно-морской обсерватории США. Располагая данными сведениями, МБМВ может точно рассчитать момент, в который происходит отправка ответного сигнала от часов, расположенных в разных странах мира.

Тем не менее все равно поблизости маячит тень неопределенности. Невозможно точно установить местоположение спутника; влияние неблагоприятных погодных условий и состояния атмосферы способно замедлить или исказить тракт передачи сигнала, что может помешать верному определению времени его распространения. Оборудование глушит электронный шум, искажающий результаты измерений. Для наглядности Ариас обратилась к аналогии, встав у двери своего кабинета: «Если я сейчас спрошу вас, который час, вы ответите, а я сравню показания ваших часов с показаниями моих часов, – сказала она. – Мы стоим лицом к лицу. Если я попрошу вас выйти и закрыть дверь, а затем спрошу вас, который час, я задам вопрос, а потом скажу: „Нет, повторите еще раз, здесь шумно“, – тут ее губы издали смешной жужжащий звук: – Бррррррррп!» Внесение поправок на шум и проверка достоверности сообщений, которые МБМВ принимает от часов, разбросанных по всему миру, требует огромного количества ресурсов и усилий.

«У нас восемьдесят лабораторий в разных странах мира, – сообщила Ариас. В некоторых странах две лаборатории и более. – И везде нам нужно организовать синхронизацию показаний часов». Голос моей собеседницы звучал мягко и ободряюще, как у Джулии Чайлд, разъясняющей почтенной публике тонкости приготовления хорошего вишисуаза. Для начала парижская команда Ариас собирает все необходимые ингредиенты: сведения о разнице показаний для каждой пары абонентских хронометров в масштабах наносекунд плюс объемный массив локальных данных по истории функционирования каждого часового агрегата. Далее собранные сведения пропускают через то, что Ариас называла алгоритмом, учитывающим количество работающих хронометров (в произвольно выбранный день отдельные экземпляры могут находиться в ремонте или проходить повторную поверку), а также дают незначительную статистическую поблажку более точным хронометрам и под конец взбивают все ингредиенты до образования однородной смеси.

Для обработки данных одной вычислительной техники недостаточно. Для учета мелких, но существенных нюансов требуется человеческий интеллект. Во-первых, не во всех лабораториях расчет данных по часам ведется одним и тем же способом. Во-вторых, какие-то часы с недавних пор ведут себя странно, так что их показания нуждаются в пересмотре. В-третьих, из-за сбоя в работе программного обеспечения часть минусов в электронной таблице случайным образом превратилась в плюсы, и нужно восстановить первоначальные знаки. Работа с алгоритмом также в некоторой степени требует участия человека, виртуозно производящего математические действия. «Здесь сказывается индивидуальный подход», – утверждает Ариас. По ее выражению, итогом всех произведенных операций становится модель среднестатистических часов в лучшем значении слова: время, которое они показывают, точнее, чем можно ожидать от отдельных часов или группы тактовых генераторов. По определению и по всеобщему согласию, по крайней мере по соглашению пятидесяти восьми стран, подписавших договор, показания среднестатистических часов считаются эталонными.

Расчет всемирного координированного времени – длительный процесс. На одно только уточнение данных и устранение электронного шума всех GPS-приемников уходит два-три дня. Если бы расчет всемирного координированного времени велся непрерывно, задача оказалась бы нереализуемой по причинам логистического характера, поэтому каждый экземпляр абонентских часов снимает показания местного времени раз в пять дней точно в полночь по UTC. На четвертый или пятый день текущего месяца каждая лаборатория подает собранные сведения на обработку в МБМВ, а затем команда Ариас анализирует, обобщает, проверяет и публикует полученные данные.

«Мы стараемся уложиться в кратчайшие сроки, не пренебрегая ни одной проверочной процедурой, – говорит Ариас. – Весь процесс занимает примерно пять дней. Мы получаем исходные данные на четвертый или пятый день месяца, приступаем к расчетам седьмого числа и публикуем результаты на восьмой, девятый или десятый день месяца». Если рассуждать технически, свод исходных данных представляет собой международное атомное время, а определение UTC производится путем прибавления к показаниям времени на местах необходимого количества високосных секунд. «Само собой, ни одни часы в мире не показывают всемирное время точно, – признается Ариас. – В вашем распоряжении только местное воспроизводство всемирного координированного времени».

Внезапно меня осенило: всемирные часы существуют только на бумаге и только в ретроспективе. Ариас улыбнулась моей догадке. «Когда меня спрашивают, можно ли взглянуть на самые точные часы в мире, я отвечаю: „Конечно, милости просим, вот самые лучшие часы на свете“», – с этими словами она вручила мне кипу бумаг, скрепленных в углу канцелярской скрепкой. Это оказался ежемесячный отчет – циркулярное письмо, рассылаемое во все абонентские лаборатории точного времени. Подготовка отчета под названием «Циркуляр Т» – первостепенная задача отдела времени МБМВ и главный критерий интеллектуальной продуктивности коллег Ариас. «Каждый месяц мы издаем новый циркуляр, содержащий информацию о прошедшем времени, которое истекло месяц назад».