Оглавление
Глава 1.
Введение............................................................................................12
Глава 2.
Принципы измерения времени.......................................................18
2.1. Введение................................................................................................18
2.2. Время и воспроизводимость: понятие длительности.......................19
2.2.1. Хаос................................................................................................19
2.2.2. Измерение времени через измерение других величин............20
2.2.3. Локальная природа явлений........................................................20
2.2.4. Разное старение?.........................................................................21
2.2.5. Воспроизводимость и измерительные эталоны........................22
2.3. Время, эволюция и шкалы времени...................................................22
2.4. Два способа измерения времени.........................................................24
2.4.1. Использование воспроизводимости...........................................25
2.4.2. Использование динамической модели.......................................27
Глава 3.
Измерение времени и теоретические модели..........................30
3.1. Классическая модель и абсолютное время.........................................31
3.2. Специальная теория относительности...............................................33
3.2.1. Физика в инерциальных системах..............................................33
3.2.2. Лоренцевское преобразование и инвариантность интервала..........36
3.2.3. Время в специальной теории относительности........................37
3.2.4. Область применения специальной теории относительности...........38
3.3. Общая теория относительности.........................................................39
3.3.1. Обзор..............................................................................................39
3.3.2. Пост-ньютоновское приближение..............................................42
3.4. Выводы и заключение...........................................................................52
Глава 4.
Эволюция измерений времени.........................................................54
4.1. Дата, календарь и час...........................................................................54
4.2. Измерение времени, основанное на смене дня и ночи....................56
4.2.1. Среднее солнечное время............................................................56
4.2.2. Шкалы всемирного времени и часовые пояса..........................57
4.2.3. К реализации Всемирного Времени...........................................59
4.2.4. Определение секунды до 1960 г: секунда среднего солнечного времени...............62
4.3. Время, основанное на динамике Солнечной Системы: эфемеридное время...........63
4.3.1. Первые сомнения в равномерности вращения Земли..............63
4.3.2. Принятие неравномерности вращения Земли...........................63
4.3.3. Определение секунды с 1960 по 1967 гг.: эфемеридная секунда.............................66
4.3.4. Эфемеридное время: шкала сохраненная для астрономов.......68
4.4. Измерение атомного времени..............................................................68
4.4.1. Атомные стандарты частоты и
определение атомной секунды (
4.4.2. От Всемирного Времени к Международному Атомному Времени.......................74
4.5. Всемирное координированное время.................................................79
4.6. Финальные заметки..............................................................................82
Глава 5.
Время и часы............................................................................................84
5.1. Введение................................................................................................84
5.2. Нестабильность частоты и времени...................................................86
5.2.1. Определения..................................................................................86
5.2.2. Условные обозначения.................................................................87
5.2.3. Измерения во временной области..............................................88
5.2.4. Измерения в спектральной области...........................................91
5.2.5. Моделирование частотных и временных флуктуаций.............91
5.2.6. Характеристики нестабильности частоты.................................93
5.2.7. Характеристики нестабильности времени..............................101
5.2.8. Определение вклада от каждого генератора...........................102
5.3. Механические осцилляторы..............................................................103
5.4. Пьезоэлектрические осцилляторы....................................................103
5.4.1. Резонаторы..................................................................................104
5.4.2. Осцилляторы...............................................................................106
5.4.3. Характерные величины..............................................................107
5.5. Атомные стандарты времени и частоты. Представление о точности...............107
5.6. Сличения времени и частоты............................................................109
5.6.1. Общие наблюдения.....................................................................109
5.6.2. Соотношение между частотой и приращением собственного времени......110
5.6.3. Сличения времени......................................................................111
5.6.4. Сличение частоты.......................................................................125
Глава 6.
Атомные стандарты частоты.......................................................132
6.1. Спектроскопические основы атомных стандартов частоты..........132
6.1.1. Инвариантность и универсальность атомных свойств..........132
6.1.2. Спектральные свойства щелочных атомов..............................133
6.1.3. Правила отбора...........................................................................139
6.1.4. Ширина резонанса......................................................................141
6.2. Стадии работы атомных часов..........................................................142
6.2.1. Наблюдение в очень разреженных средах...............................142
6.2.2. Подготовка и детектирование атомных состояний................142
6.2.3. Устранение эффекта Доплера...................................................146
6.2.4. Взаимодействие между атомами и электромагнитным полем..................149
6.2.5. Соответствующие электронные системы................................149
6.3. Реализация приближения изолированного атома в покое.............150
6.4. Цезиевые пучковые часы...................................................................153
6.4.1. Цезиевые часы с магнитным отклонением пучка..................154
6.4.2. Цезиевые пучковые часы с оптической накачкой..................187
6.4.3. Цезиевые часы с лазерным охлаждением................................195
6.4.4. Рубидиевые часы с лазерным охлаждением............................209
6.5. Водородные мазеры.............................................................................210
6.5.1. Основные принципы работы водородного мазера..................211
6.5.2. Условия генерации.....................................................................213
6.5.3. Активный водородный генератор.............................................217
6.5.4. Пассивный водородный мазер.................................................227
6.5.5. Метрологические свойства водородного мазера.....................232
6.5.6. Криогенный водородный мазер................................................235
6.6. Часы на рубидиевой ячейке...............................................................237
6.6.1. Описание.....................................................................................237
6.6.2. Принцип действия......................................................................239
6.6.3. Электроника................................................................................240
6.6.4. Метрологические свойства часов с рубидиевой ячейкой......241
6.6.5. Современные исследования и перспективы...........................243
6.7. Часы на удержанных ионах................................................................243
6.7.1. Удержание ионов в радиочастотной ловушке.........................244
6.7.2. Удержание облака ионов............................................................249
6.7.3. Описание стандарта частоты на облаке ионов ртути............251
6.7.4. Метрологические свойства стандартов частоты
на облаке холодных ионов ртути.........................................................254
6.7.5. Стандарт частоты на ионах иттербия.......................................256
6.7.6. Стандарт частоты на ионе ртути с лазерным охлаждением....256
6.8. Другие атомные стандарты................................................................257
6.8.1. Стандарт частоты на пучке магния..........................................257
6.8.2. Оптические стандарты частоты................................................258
6.8.3. Оптический стандарт частоты на одиночном ионе в покое..................258
6.8.4. Оптические стандарты для измерения времени.....................260
6.9. Заключение..........................................................................................261
Глава 7.
Измерения атомного времени....................................................262
7.1. Определения........................................................................................262
7.1.1. Определение секунды................................................................262
7.1.2. Международное атомное время и его связь с геоцентрическим и барицентрическим координатными временами......................................263
7.2. Установление международного атомного времени.........................266
7.2.1. Алгоритмы шкалы времени.......................................................266
7.2.2. Алгоритм для международного атомного времени.................268
7.3. Свойства TAI и UTC..........................................................................280
7.3.1. Надежность..................................................................................280
7.3.2. Точность показаний...................................................................280
7.3.3. Стабильность частоты................................................................280
7.3.4. Точность частоты........................................................................281
7.4. Мировая организация измерений времени......................................282
7.4.1. Всемирное координированное время.......................................282
7.4.2. Локальное представление UTC и независимые локальные атомные времена........284
7.4.3. Другие формы атомного времени.............................................286
7.5. Распространение времени и частоты...............................................287
7.5.1. Частота.........................................................................................287
7.5.2. Время............................................................................................288
7.6. Итоги и перспективы.........................................................................289
Глава 8.
Астрономические времена...............................................................292
8.1. Всемирное время.................................................................................292
8.1.1. Концептуальные определения...................................................292
8.1.2. Практическое определение UT1...............................................295
8.1.3. Другие виды всемирного времени............................................297
8.1.4. Техника измерений.....................................................................298
8.1.5. Неравномерности вращения Земли..........................................302
8.1.6. Применение всемирного времени............................................305
8.2. Эфемеридное время............................................................................307
8.2.1. Определение................................................................................307
8.2.2. Установление эфемеридного времени.....................................308
8.2.3. Трудности и текущие решения.................................................309
8.3. Пульсарное время................................................................................310
Глава 9.
Применение сверхточного времени и частоты........................316
9.1. Фундаментальные исследования.......................................................317
9.1.1. Метрология..................................................................................317
9.1.2. Измерение физических констант.............................................319
9.1.3. Воздействие на атомную физику..............................................320
9.1.4. Строение пространства-времени и гравитация......................321
9.2. Определение положения, геодезия и навигация.............................326
9.2.1. Принципы время частотных методов.......................................326
9.2.2. Глобальная система определения положения..........................328
9.2.3. Другие системы определения положения................................332
9.3. Интерферометрия со сверхдлинной базой (РСДБ).........................333
9.4. Программа TOPEX-POSEIDON........................................................334
9.5. Телекоммуникация..............................................................................338
Глава 10.
Навигационная система GPS - генератор координатно-временного поля........................................................340
10.1. Физические и геометрические принципы действия GPS............341
10.1.1. Геодезические построения.......................................................341
10.1.2. Методы измерения расстояний...............................................343
10.1.3. Орбиты спутников....................................................................345
10.2. Сигналы GPS.....................................................................................347
10.2.1. Техника формирования кодовых последовательностей......347
10.2.2. Структура и передача в эфир навигационного сигнала......349
10.2.3. Прием и обработка сигналов...................................................351
10.3. Методы учета факторов, искажающих результаты измерений.................354
10.3.1. Влияние ионосферы.................................................................354
10.3.2. Влияние тропосферы................................................................356
10.3.3. Другие факторы........................................................................357
10.4. Алгоритмы и точность координатно-временных определений... 359
10.4.1. Абсолютный и относительные методы измерений...............359
10.4.2. Особенности обработки фазовых измерений........................362
10.4.3. Точность различных методов GPS-измерений......................363
10.5. Организационная структура GPS...................................................366
10.5.1. Космический, управляющий и пользовательский сегменты 366
10.5.2. Функциональные дополнения к GPS.....................................371
10.5.3. Международная служба IGS....................................................372
10.6. Области применения GPS................................................................375
Приложение 1.
Акронимы для лабораторий времени...........................................378
Приложение 2.
Сокращения............................................................................................380
Приложение 3.
Определение основных единиц СИ..............................................382
Приложение 4.
Международные службы...................................................................384
Ссылки......................................................................................................386
Предметный указатель.......................................................................398
(К. Одуан, Б. Гино “Измерение времени. Основы GPS” 2002)