Если обратиться к истории часов, то можно выделить несколько этапов развития системы определения времени. Люди вначале просто научились cчитать годы, потом поделили год на 365 дней. Появились солнечные и лунные часы.

На первых порах время играло значимую роль в сельском хозяйстве. Например, для Древнего Египта было очень важно точно предсказывать разлив Нила, который происходил шесть или семь дней в году. Если правильно угадали, значит будут и поля засеяны, и далее они не сгорят, а значит и люди сыты.

Второй важнейший скачок был связан с великими географическими открытиями. Люди начали путешествовать, торговать по всему миру. И возникла необходимость совместить время с навигацией. Вот тогда стали появляться первые морские хронометры, у которых суточная стабильность была уже на уровне нескольких секунд. Лучше всех это получалось на первых парах у англичан, которые на этом этапе истории вырвались в лидеры, как в экономической, так и военных сферах.

Следующий технологический прорыв связан с появлением железных дорог, движение паровозов нужно было синхронизировать уже на большом пространстве. Далее появилась авиация и космонавтика. А это значит, выросли скорости, актуальность точного времени ещё больше возросла. Мы же сейчас с вами живём в новом мире с новыми вызовами, и роль точных часов ещё больше.

Так вот, друзья, чтобы разобраться в данном вопросе мы отправляемся в подмосковное Менделеево, где и расположился один из флагманов отечественной метрологии — Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ФГУП «ВНИИФТРИ»). Именно там разрабатываются, исследуются и эксплуатируются российские эталоны времени и частоты, эталон больших длин, а также еще около полусотни других эталонов. Кстати, именно в этом институте отсчитывают точное московское время, а через спутники ГЛОНАСС оно передается потребителям по всему миру. Если короче, самые точные часы в стране именно там!

Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ФГУП «ВНИИФТРИ») расположен в посёлке Менделеево Московской области, одного из ближайших «соседей» Зеленограда. Собственно благодаря институту он и обязан своему развитию. Летом 1948 года на участок земли неподалеку от села Льялово и реки Клязьмы прибыли первые переселенцы — там начиналось строительство центрального научно-исследовательского института физико-технических измерений.

А так 14 сентября 1918 года был принят Советом Народных Комиссаров (СНК) РСФСР декрет о введении в РСФСР международной системы мер и весов. А 5 сентября 1938 года СНК вынес постановление «Об упорядочении измерительного хозяйства в СССР», которое стало ключевым для развития советской метрологии. При СНК образовали Комитет по делам мер и измерительных приборов, который в шестимесячный срок должен был разработать проектное задание для строительства института метрологии.

Тогда же, в 1938-м, был принят план третьей советской пятилетки (1938-1942): индустриализация в разгаре, в стране вводят в строй сотни новых промышленных предприятий, задача оснащения их измерительной техникой высшего класса стала первостепенной. Проектированием нового института занимались крупнейшие специалисты и академики того времени.

Что касается расположения и выбора именно этого места. Центр города не подходил — вокруг не должно было быть никаких механических сотрясений, электромагнитных и магнитных помех. Потенциальные участки рассматривались на Ленинских горах в Москве, у дворца в Царицыно, за пределами Москвы. Лучшим признали «Крюковский вариант» — участок на землях Льяловского колхоза в Клязьменском лесничестве, в районе станции Крюково.

Грунтовые воды залегали тут не слишком глубоко, поблизости отсутствовали промышленные объекты, Октябрьская железная дорога и Ленинградское шоссе связывали с Москвой. В итоге был определен пятилетний срок капитального строительства института — с 1941 по 1945 год, утвержден проект: 24 лаборатории, 279 тысяч кв.метров, 905 штатных сотрудников (за годы работы ВНИИФТРИ их количество дойдёт до нескольких тысяч), 623 научно-лабораторных работника, строительство 70 тысяч кв. метров жилья, финансирование — 57 723 рубля. Но началась Великая Отечественная война, и строительство пришлось отменить.

2.


3. Памятник-бюст Дмитрию Ивановичу Менделееву. Наименование «Менделеево» посёлок получил в 1965 году, после образования поссовета. «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять. «Точная наука немыслима без меры», — эти слова великого русского ученого-химика Дмитрия Ивановича Менделеева (1834-1907 гг.) легли в основу названия и стали девизом института ВНИИФТРИ и его сотрудников, жителей нового научного городка.


По сути ВНИИФТРИ ведёт свою историю с 1941 года, когда самые точные маятниковые часы были вывезены из Пулковской Астрономической Обсерватории в небольшую деревню под Москвой на временное хранение. Чуть позже в 1947 году в этом месте было создано Центральное научно-исследовательское бюро службы времени. Создание института прежде всего было связано с атомным проектом, тогда стране нужны были максимально точные данные для измерений параметров ядерного взрыва. Далеко не всё можно озвучивать и показывать даже сейчас, в этом и ценность моего попадания на этот стратегический объект.

Одним из тех, кто создавал институт, был непосредственно Лаврентий Павлович Берия. И всё же официальной датой основания Всесоюзного (позже — Всероссийского) научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений, принято считать 18 февраля 1955 года, когда он и возник на базе объединения Центрального научно-исследовательского бюро единой службы времени, ЦНИИ радиоизмерений и ЦНИИ физико-технических измерений. С этого самого момента измерение времени и частоты стало главным научным направлением работы ВНИИФТРИ.

А ещё и тема космоса была в большом приоритете, а космос в принципе невозможен без синхронизации, потому что там огромные скорости. 4 октября 1957 года, в день запуска первого советского искусственного спутника Земли (ИСЗ), служба времени ВНИИФТРИ начала передавать через широковещательные радиостанции сигналы времени в виде шести точек и через специальные радиостанции секундные, минутные и пятиминутные сигналы длительными сеансами для обеспечения станций наблюдения ИСЗ.

С 1 января 1960 года институт начал круглосуточно передавать сигналы точного времени, а в 1962 году начались регулярные работы по определению параметров вращения Земли. Одной из важнейших задач, которыми занимался институт, был проект «Союз-Аполлон» в 1975 году. Перед институтом стояла задача синхронизировать аппараты по времени, чтобы прошла их стыковка. Один корабль стартовал с Байконура, а другой из штата Невада. И прежде всего нужно было синхронизировать наши часы и американские с точностью до миллиардной доли секунды. И в этом вопросе наши ученные конечно справились. Для этого специально были изготовлены лазерные часы.

С 1964 года во ВНИИФТРИ начались работы по созданию комплексов аппаратуры для государственного эталона, воспроизводящего и хранящего размер атомной секунды и атомной шкалы времени. В 1967 году эталон был официально утвержден Госстандартом в качестве Государственного первичного эталона времени, частоты и атомной шкалы времени. Основу его составили квантово-механические водородные генераторы и группа высокоточных кварцевых часов — хранителей шкалы времени.

Государственный эталон времени и частоты обеспечивал воспроизведение единиц измерений с погрешностью 1×10-11. 1 января 1972 г. сигналы радиостанций Государственной службы времени и частоты СССР были согласованы с международной шкалой с погрешностью менее 50 мкс. В 1994 году ВНИИФТРИ стал главным метрологическим центром Государственной службы времени, частоты и определения параметров вращения Земли (ГМЦ ГСВЧ).

В 1971 году году был утвержден Государственный первичный эталон единицы спектральной плотности мощности шумового радиоизлучения — первый из серии государственных эталонов, созданных в свете разработанной уточненной концепции создания эталонов основных величин в диапазоне ВЧ и СВЧ. 1974 год -Создание Государственного эталона единицы звукового давления в водной среде. 1975 год — Аттестация качественно нового комплекса Государственного эталона времени и частоты. Он вошел в число лучших эталонов мира.

В 1990-е годы стали для института важным этапом, поставившим перед институтом новые задачи. После распада Советского Союза часть эталонной базы России оказалась за её пределами. На ВНИИФТРИ были возложены задачи по восстановлению утраченных эталонов. В институте были воссозданы группа эталонов различного ранга, обеспечивающих измерение мощности электромагнитных колебаний, Государственный первичный эталон pH, Государственный первичный эталон удельной электрической проводимости жидкостей и др.

4.


Сегодня ФГУП «ВНИИФТРИ» — это один из крупнейших национальных метрологических институтов, который осуществляет деятельность по воспроизведению национальной шкалы времени и эталонных частот, определению параметров вращения Земли, по разработке, совершенствованию, содержанию, сличению и применению государственных первичных эталонов единиц величин, проводит фундаментальные и прикладные научные исследования, экспериментальные разработки. Он имеет статус Государственного научного центра РФ, который регулярно подтверждает с 1994 года, признан одним из лидеров среди российских метрологических институтов в системе Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии РФ (Росстандарт).

Кроме того, предприятие активно участвует в выполнении Федеральной целевой программы ГЛОНАСС в части создания средств обеспечения единства измерений, является головной научной организацией Росстандарта по созданию новых и модернизации существующих методов и средств координатно-временного и навигационного обеспечений с целью достижения заданных точностных характеристик ГЛОНАСС. Кстати, в 2019 году специалисты ВНИИФТРИ представили свою новую разработку — сверхминиатюрный квантовый стандарт частоты рубидиевый. Уникальное в России оборудование позволит вывести на новый сверхточный уровень технологии навигационных систем, сетей 5G и безопасного беспилотного транспорта.

В состав ВНИИФТРИ входит четыре филиала: Восточно-Сибирский, Дальневосточный, Камчатский, а также Западно-Сибирский, — которые являются обособленными структурными подразделениями и ведут фундаментальные и прикладные исследования в области обеспечения единства измерений. А так в институте действуют 10 научно-исследовательских отделений (НИО), которые занимаются фундаментальными и прикладными исследованиями. Также в состав предприятия входят Испытательные лаборатории, которые являются подразделениями Научно-исследовательского центра (НИЦ) и имеют широкую область аккредитации.

5.


Институт «ВНИИФТРИ» является одним из крупнейших центров государственных эталонов и включен в перечень стратегических предприятий России. Сегодня ФГУП «ВНИИФТРИ» выпускает около 90 видов продукции, в том числе высокоточные средства измерений, и продолжает расширять номенклатуру. Во ВНИИФТРИ хранятся и эксплуатируются около 35% всех государственных первичных эталонов Российской Федерации. Эталонная база института включает в себя 55 Государственных первичных эталонов и более 200 вторичных, специальных и рабочих эталонов. Свыше 80% радиотехнических эталонов страны созданы, хранятся и совершенствуются во ВНИИФТРИ.

Два эталона воспроизводят основные единицы Международной системы единиц СИ — секунду и кельвин (в диапазоне значений температур от 0,3 до 273,16 К). Три эталона, созданных и функционирующих в институте, входят в число лучших в мире: Государственный первичный эталон времени и частоты (ГЭТ 1-2018); Государственный первичный эталон показателя рН активности ионов водорода в водных растворах (ГЭТ 54-2019); Государственный первичный эталон единицы температуры — кельвина в диапазоне (0,3 — 273,16) К (ГЭТ 35-2010).

6. Представляете, одна секунда равна продолжительности 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями невозмущенного основного состояния атома цезия-133.


7. Между прочим, в пятерку лучших в мире входят их Государственный первичный эталон pH и Государственный первичный специальный эталон единицы длины.


Сейчас эталоном секунды служат атомные часы, которые воспроизводят колебания, соответствующие переходу между сверхтонкими подуровнями состояния атома цезия-133. Во всех странах, где существуют службы точного времени, секунда формируется часами атомного типа. Погрешность в подсчете периодов атома цезия составляет 1 ,2 на 10 в минус 16 степени. Такая же погрешность — у немцев, американцев, французов и т.д.

Наши цезиевые часы входят в число самых точных часов в мире. Значение каждого основного цезиевого эталона из той или иной страны определяется раз в месяц, а затем все отсылают данные в Международное бюро мер и весов для так называемых частотных сличений. По совокупности данных от реперов там выводится среднее мировое значение единицы времени.

8. Что примечательно, наш эталон обозначается буквами SU (Soviet Union). Да, что было в СССР, чаще всего про качество, особенно в науке и оборонке!


Впервые Государственный первичный эталон единиц времени, частоты и национальной шкалы времени (далее — ГЭВЧ) был утвержден Постановлением комитета стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР № 146 от 02.11.1967 года. В состав ГЭТ 1-1967 входили водородные стандарты частоты и кварцевые часы, аппаратура внутренних и внешних сличений, аппаратура формирования рабочих шкал времени, средства обеспечения эталона гарантированным электроснабжением.

С 1967 года по настоящее время прошло шесть переаттестаций ГЭВЧ. В 1975 году во ФГУП «ВНИИФТРИ» был разработан и введен в состав ГЭТ 1 первый метрологический цезиевый репер частоты МЦР 101. С тех пор эталон воспроизводит единицы в соответствии с определением секунды в международной системе единиц (СИ), которое было принято в 1967 году на 13-ой Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ). В дальнейшем это определение несколько раз уточнялось.

Сегодня количество типов средств измерений времени и частоты, включённых в Государственный реестр — более 1700, в Российской Федерации содержится и применяется 7 вторичных эталонов единиц времени и (или) частоты, более 100 000 рабочих эталонов, совокупное количество средств измерений, прослеживаемых к ГЭТ 1 — более 50 млн.

9. Здесь время — это не просто часы, к которым мы все привыкли, а большой аппаратный комплекс. Он определяет единицу времени с очень высокой точностью и формирует национальную шкалу. Над ней работает целая группа российских ученых-физиков. Вот так эталон времени выглядел раньше.


10.


11. В институте и его филиалах сейчас трудятся более 1500 сотрудников. Кстати, местных специалистов так и называют хранителями времени. Одним из важных направлений института является распространение эталонного времени по Интернету. Метрологи получают около 500 миллионов запросов на синхронизацию точного времени в сутки.


12. А это современный Государственный первичный эталон единиц времени, частоты и национальной шкалы времени.


13. Эталон времени состоит из двух частей. Одна из них используется для «хранения» времени — это водородные «хранители», стандарты частоты, основанные на водородном мазере. Вторая — это первичный цезиевый эталон, который используется для корректировки первого. А вот как-то так и выглядят атомные часы, если по науке, то Хранитель частоты и времени на охлаждённых атомах рубидия.


14. Да, такие часики на руках не поносишь :)


15. Точность измерения секунды достигается путем охлаждения и замедления атомов лазерным лучом. Чем медленней они двигаются в этой сложной системе, тем точнее определяется секунда.


Как я уже сказал выше, сейчас самые точные часы — атомные. Они основаны на принципе электромагнитных колебаний, излучаемых атомами или молекулами при переходе из одного энергетического состояния в другое. Эталон атомного времени не имеет ни суточных, ни вековых колебаний, не стареет и обладает достаточной определенностью, точностью и воспроизводимостью.

Но нашему ВНИИФТРИ и этого мало, местные специалисты активно работают над созданием ядерных часов. В настоящее время точность оптических стандартов времени и частоты в наиболее продвинутых лабораториях мира достигла уровня 18-19-го знака. Ожидаемая точность ядерных часов будет выше как минимум на порядок.

16.


В лаборатории круглосуточно и круглогодично поддерживается определенная температура. Сюда нельзя даже заходить без особой надобности — любое колебание температуры может нанести вред процессу определения секунды. Ведь здесь хранится основа национального эталона времени.

17.


18.


Мало точно определить время, но его нужно эталонно сохранять. Комплекс по хранению времени состоит из 16-ти хранителей, которые разнесены по нескольким корпусам. Это довольно крупные установки, спрятанные в в специальные термостатированные шкафы. От стабильности работы этих «часов в шкафах» зависит стабильность всей системы времени, формируемой институтом.

19.


20. Комплексы хранителей времени. Кстати, далеко не во всех странах водородные стандарты частоты имеются в таком количестве, как у нас. Лишь опять США нас немного обходит. Так по количеству на военно-морской базе США 87 хранителей, но каждый отдельно взятый заметно уступает нашим в точности.


21. Стандарты частоты и времени водородные.


22.


23. А это уже Государственный специальный эталон длины ГЭТ 199-2018 с рабочим диапазоном от 60 м до 4000 км. Глобальные навигационные спутниковые системы, геодезия и картография, мониторинг характеристик объектов повышенной опасности, создание перспективных транспортных систем. Вот его основная область применения. Он был разработан и создан во ВНИИФТРИ в 2007- 2011 гг. Модернизирован в 2012-2017 годах. Утверждён приказом Федерального агентства о техническому регулированию и метрологии № 447 от 12.03.2018 года.


Вы будете удивлены, но секунды используются метрологами даже для измерения длины. В отделе метрологического обеспечения геодезических измерений, где хранится наш национальный стандарт большой длины, мне объясняют, что 1 метр — это единица длины, равная пути, проходимому светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды. По нему настраивают так называемый 60-метровый компаратор — сравнивающее устройство с погрешностью в 1 микрометр (в 40 раз меньше, чем толщина волоса). Благодаря ему мы имеем возможность проводить калибровку, к примеру, высокоточных геодезических трекеров — лазерных измерителей длины, фоторегистраторов длины различного назначения.

24.


25.


26.


27.


В состав данного эталона входят: Эталонный измерительный комплекс длины в диапазоне до 60 м на основе гелий-неонового лазера; Эталонный измерительный комплекс в диапазоне длин до 60 м на основе фемтосекундного лазера и измерительного базиса; Интерферометр лазерный транспортируемый; Лазерный эталон сравнения и эталонные базисы в диапазоне 24 м — 3000 м; Эталон сравнения на основе приемников КНС и опорных базисных пунктов в диапазоне 1 км — 4 000 км.

28.


29. Есть тут и большая радиобезэховая лаборатория, которая создавалась, в том числе, в рамках реализации работ по поддержанию, развитию и использованию системы ГЛОНАСС.

 

30.


31. Стены этой камеры покрыты специальным звукопоглощающим материалом, благодаря этому там нет отраженного звука, то есть эха. Если побыть в камере неподвижно, то можно ощутить, что такое полная тишина, но долго находиться в такой тишине некомфортно. Если провести внутри сутки-двое, человек может просто сойти с ума.


32.


33. Управление процессами в радиобезэховой лаборатории происходит отсюда.


Вместе с развитием спутниковых навигационных систем, во ВНИИФТРИ ведутся исследования в области гравиметрии и измерения гравитационного поля Земли. Новые разработки будут способствовать созданию комплексных систем позиционирования, в том числе, с использованием гравитационной навигации. Главное преимущество новых систем позиционирования — возможность непрерывного определения местоположения, независимо от внешних условий и состояния сигналов ГНСС.

В частности, расширит возможности исследования Земли и ее гравитационного поля, что позволит обнаруживать на раннем этапе сейсмическую активность и прогнозировать ее, предсказывать извержения вулканов, а также наблюдать за изменениями ледяного покрова Земли и уровня мирового океана.

34. Обсерватория ВНИИФТРИ.


35.


36.


Для обычного человека неточность времени в несколько минут или секунд обычно не критична. Но для промышленности, телекоммуникации и цифровой экономики важна даже микросекунда. Поэтому очень здорово, что наши ученые не только молятся на существующие эталоны, но и не забывают создавать новые продукты на зависть всему миру!

37.

источник