Звідки час
Як вважають час?
Що таке час? Цьому питанню, лише на перший погляд удаваному наївним, можна присвятити толстенную книжку, адже час є одним з основоположних понять в самих різних областях знань, накопичених людством за свою історію - астрономії, фізики, філософії, психології.
Залишаючи за рамками цієї сторінки таку розлогу тему про те, що таке час, ми хочемо розповісти вам про те, як його вимірюють. Необхідність вимірювання часу навряд чи у кого викликає сумніви - адже нам треба не спізнюватися на роботу, користуватися різними транспортом і системами зв'язку, відзначати свята, нарешті!
Для того, щоб час можна було хоч якось виміряти, потрібно вирішити три завдання. По-перше, вибрати одиниці часу і встановити шкалу часу. По-друге, створити точний лічильник - еталон. По-третє, узгоджувати свідчення еталону з тим природним процесом, на основі якого він створений.
Одиниці часу повинні бути досить зручні з одного боку, а з іншого - забезпечувати необхідну точність вимірювання. Оскільки наша планета обертається навколо власної осі, найприроднішим, і тому давно «винайденої» одиницею часу стали сонячні добу - проміжок часу, який проходить від однієї верхньої кульмінації Сонця до іншого. Але для людини добу - досить тривалий період і його доводиться розбивати на більш короткі проміжки.
Ідей, як це зробити, було чимало. Давним-давно в Єгипті числа 12 і 60 вважалися священними. Мабуть, їм ми і зобов'язані нинішніми 24 годинами в добі, вперше з'явилися в Стародавньому Вавилоні. Правда, годинник тоді були «гумовими» - рівно 12 годин від сходу сонця до його заходу (денні) і стільки ж - від заходу до сходу (нічні). Як ви розумієте, тривалість цього годинника змінювалася протягом року. Значно пізніше склалася система, яка використовується нами і зараз - в добі 24 години, кожен по 60 однакових хвилин, що складаються з однакових 60-ти секунд.
З шкалами часу - тобто з тим, куди «укладають» секунди - все йде складніше. Історично виникла в астрономії шкала всесвітнього часу задається обертанням Землі. Починаючи з 1884 року, середній сонячний час на меридіані Гринвіча називається всесвітнім часом UT (Universal Time). Для його розрахунку використовують астрономічні обсерваторії. Однак в нього необхідно вносити поправки, викликані зміщенням полюсів Землі, впливом припливів і сезонних зсувів атмосферних мас. Найбільш наближеною до рівномірної шкалою часу, яку можна отримати з спостережень добового руху зірок, є система всесвітнього часу UT2. Однак і їй одній неможливо користуватися протягом досить довгого (кілька десятків років) проміжку часу.
Можливо, у вас виникає питання, а для чого взагалі потрібні настільки точні методи вимірювання часу? Навіщо вимірювати якихось кілька мілісекунд, що накопичилися за століття? Один з найбільш очевидних прикладів - повітряний транспорт. Для визначення місця розташування літака його бортові годинник повинні збігатися з «наземними» з точністю до 0,5мкс. Але ж існують і більш складні завдання з області балістики, космонавтики, астрономії, комп'ютерних технологій.
Оскільки розвиток техніки і науки вимагало все більш точних способів вимірювання часу, необхідно було винаходити все більш досконалі зразки, які призначені для відтворення і «зберігати» одиницю часу. Розвиток фізики в ХХ столітті дозволило створити принципово новий вид годин - атомний годинник. Незважаючи на своє страхітливу назву, такий годинник зовсім не використовують для визначення часу ядерну енергію. Названі вони так тому, що дозволяють відраховувати коливання атомів, подібно клацань метронома. Ці коливання є надзвичайно стабільним і рівномірним природним процесом, не залежних від обертання Землі або руху тіл Сонячної системи. Атомний годинник останніх поколінь на основі цезію (зокрема, NIST-7) допускають погрішність не більше 1 секунди протягом 6 мільйонів років.
У 1967 році було дано визначення атомної секунди. Звучить воно так: «тривалість 9 192 631 770 коливань випромінювання, відповідного резонансної частоті переходу між двома рівнями надтонкої структури основного стану атома цезію-133, при відсутності збурень від зовнішніх полів». Поява молекулярних і атомних стандартів частоти привело до створення абсолютно нової шкали часу - шкали міжнародного атомного часу TAI (Time Atomic International).
Ця шкала, як було сказано вище, дуже стабільна, рівномірна, і її дуже просто використовувати. Однак її неймовірна точність (пам'ятаєте цифру понад 9 мільярдів коливань в секунду?) Створює і ряд проблем - адже отримати точні свідчення атомного годинника набагато легше, ніж у звичайних. Додайте сюди мінливу тривалість доби - і ми отримуємо накопичується похибка.
Спочатку цю проблему намагалися вирішити зміною тривалості атомної секунди, постійно підганяючи її під «звичайне» час. Однак скоро стало зрозуміло, що це надзвичайно незручно. В результаті була створена шкала координованого часу UTC (Universal Time Coordination) - нині існуюча «спадкоємиця» середнього часу за Гринвічем (Greenwich Mean Time, GMT). У неї ввели хитру «додаткову секунду».
Передача сигналів точного часу здійснювалася різними способами. На початку ХХ століття їх стали пересилати по радіо, пізніше підключилося телебачення (на відміну від міфічного «25-го кадру», еталонні сигнали передаються в шостому рядку кожного непарного поля телевізійного сигналу передавача ОРТ). Цікава деталь - сигнали точного часу, що передаються по звуковим мережам, містять в собі інформацію про поточний годині. Тому тривалість шостого, довгого сигналу, змінюється в залежності від часу доби.
Однак, час і прогрес не стоять на місці.
GPS і ГЛОНАСС
Поява точних і надійних годин, одночасно володіють прийнятною компактністю і масою, лягло в основу створення існуючих нині і розроблюваних систем глобальної навігації. На даний момент повністю функціонуючою системою супутникової навігації є NAVSTAR (GPS). розроблена, реалізована і повністю експлуатується Міністерством оборони США. Спочатку проект NAVSTAR призначався виключно для військового застосування. Однак після сумного інциденту в 1983 році, коли лайнер Корейських авіаліній з 269 пасажирами на борту (за офіційною версією, його пілоти йшли хибним курсом), був збитий над територією Радянського Союзу, президентом США Р. Рейганом було дозволено використання NAVSTAR в цивільних цілях.
Аналогічні системи розробляються в Китаї (Бейдоу) і Європі (Galileo). Вас дивує, чому з теми точного вимірювання часу ми «перескочили» на системи визначення координат? Наберіться трохи терпіння, скоро вам все стане ясно.
Ідея, на якій функціонують системи супутникової навігації, надзвичайно проста. Навколо Землі розгортається система супутників. Оскільки вони рухаються в безповітряному просторі, їх орбіти можна дуже точно розрахувати. Відповідно, також точно можна визначити їх координати в будь-який заданий момент часу. Знаючи координати супутників і відстань до кількох з них, легко визначити місце розташування точки, звідки проводилось вимірювання дальності. Так, так - це дійсно просто, визначити відстань до пролітають на величезній швидкості десь високо над головою супутників!
Супутники через певні проміжки часу посилають радіосигнал, який потрапляє в навігаційний приймач. Швидкість, з якою поширюється сигнал, відома - це швидкість світла. В ідеальних умовах залишається дізнатися час, який минув з моменту відправки сигналу до його отримання. Як його дізнатися? Теж просто - сигнал закодований особливим чином, і в ньому міститься інформація про те, коли він покинув супутник. Залишається лише засікти, коли він отриманий приймачем, і помножити швидкість на той час, який сигнал був у дорозі - проста формула з підручника фізики 6-го класу. Ще трохи тригонометрії рівня того ж шостого класу, і маючи три виміряних дальності, ми зможемо точно дізнатися координати точки, звідки проводилось вимірювання. Але ми не дарма обмовилися про ідеальні умови.
Визначення координат по відстані до супутників.
Оскільки швидкість поширення сигналу нам відома, вирішальним фактором точності вимірювань є точність визначення того проміжку часу, протягом якого сигнал проходить шлях від супутника до антени приймача. Зрозуміло, що бортові годинник компонентів всієї системи - супутників і приймача повинні бути точно синхронізовані. Розбіжність «всього» в одну соту частку секунди - і помилка у вимірі дальності становитиме майже 3 тисячі кілометрів!
Ось саме цей момент нас і цікавить. В системі позиціонування NAVSTAR (GPS) на борту кожного супутника розміщено від 2 до 4 атомних годин. Синхронізація бортового годинника космічного сегмента системи здійснюється з наземного центру управління (втім, останні серії супутників NAVSTAR здатні синхронізувати час і між собою - на випадок збоїв зв'язку з центром управління).
Ідея використовувати атомний годинник в складі GPS-приймача вельми сумнівна - по-перше, його вартість становитиме кілька десятків тисяч доларів, а по-друге, про портативності такого пристрою не може бути й мови. Вихід із цього становища знаходиться також досить просто. На практиці в GPS-приймачах використовуються звичайні кварцові годинники, широко застосовуються в різноманітної електронної апаратури. Їх точність непорівнянна з атомним годинником, але щоб визначити ваше місце використовується вимір дальності до ще одного, четвертого супутника. При цьому, навіть не знаючи різниці між годинами супутників і приймача, визначається діапазон координат, в якому імовірно розташовується приймач. А оскільки він не може перебувати одночасно в декількох місцях, приймач просто починає послідовно перебирати величину поправки до своїх годинах, поки не знаходить таку, при якій дані чотирьох супутників вказують точно на одну точку. Автоматично при цьому годинник приймача синхронізуються з годинниками супутників.
Розрахунок GPS-приймачем свого точного місця розташування.
Як синхронізують годинник комп'ютерів
Служби, що забезпечують мережеву взаємодію, компоненти системи безпеки дуже чутливі до точності годин. Наприклад, протокол аутентифікації Kerberos. який широко використовується в мережах, побудованих на основі ОС Windows. просто не «пустить» клієнта в мережу, якщо час на його локальних годинах відрізняється від часу сервера більш ніж на 5 хвилин.
Додатків, що використовують складні бази даних, які обслуговують велику кількість запитів, потрібно набагато більше точний час, ніж той, яким зазвичай обходиться людина. Причому, не тільки однакове на всіх вхідних в систему машинах, але і збігається з істинним. Як приклад можна привести системи обліку мобільних операторів, які обробляють щомиті величезний потік інформації, відзначаючи час початку і закінчення дзвінків абонентів, розраховуючи тривалість розмов, і забезпечуючи пересилання SMS і MMS повідомлень.
Для синхронізації годин комп'ютерів зазвичай використовується спеціально розроблений протокол NTP (Network Time Protocol). Він складається з набору досить складних алгоритмів, що дозволяють точно (до декількох мікросекунд) і надійно (звірятися можна відразу з декількома джерелами точного часу) виконати процес синхронізації.
Сам протокол NTP постійно вдосконалюється - реалізована вже його четверта версія. Крім того, існує його «полегшений» варіант - SNTP (Simple Network Time Protocol). сумісний з NTP. SNTP використовують в мережах, що не накладають високі вимоги на точність. Основна їх відмінність - у складі NTP працюють спеціальні фільтри, що дозволяють розрахувати точний час навіть в разі передачі пакетів по мережах, що володіє невідомою і випадкової затримкою, зокрема, Internet.
Модель NTP ієрархічна. Щаблі ієрархії називаються стратум (stratum). Сервери, що знаходяться на вершині ієрархії (First stratum, Stratum1), безпосередньо підключені до джерела точного часу (таким, як атомний годинник, або GPS-годинник) і використовують найбільш точний час. Найпростіший спосіб отримання точного часу на сьогоднішній день - це синхронізація з супутниками GPS. саме тому вище ми розповіли про те, як працюють системи NAVSTAR-GPS і ГЛОНАСС.
Основне використання протоколу NTP в мережі Internet виконується за схемою «клієнт-сервер». Комп'ютер-клієнт відправляє запит NTP-сервера, відповідно до відповіддю якого клієнт налаштовує свій внутрішній годинник. В ОС від Microsoft. починаючи з Windows XP. користувач домашнього комп'ютера, або комп'ютера входить в робочу групу, може самостійно задати сервер часу, за яким будуть налаштовуватися локальні годинник комп'ютера. Варто відзначити два моменти - синхронізація здійснюється по протоколу SNTP. а пропонований в якості основного сервер time.windows.com працює в третьому стратум.
Синхронізація внутрішнього годинника в ОС Windows.