В подмосковном Менделеево расположился один из флагманов отечественной метрологии — Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ФГУП "ВНИИФТРИ" Росстандарта). Здесь разрабатываются, исследуются и эксплуатируются российские эталоны времени и частоты, эталон больших длин, а также еще около полусотни других эталонов. Именно в институте отсчитывают точное московское время, а через спутники ГЛОНАСС оно передается потребителям по всему миру.
О том, как с помощью "линейки" в четыре тысячи километров специалисты института помогают ученым прогнозировать землетрясения, что придет на смену спутниковой навигации, каким градусником измерить температуру на Луне и какие часы будут тикать на летящем к Марсу космическом корабле, в интервью специальному корреспонденту РИА Новости Дмитрию Струговцу рассказал генеральный директор ВНИИФТРИ Росстандарта Сергей Донченко.
— Расскажите, чем занимается ваш институт?
— ВНИИФТРИ является одним из стратегических научных центров страны и метрологическим институтом, в котором хранятся государственные первичные эталоны Российской Федерации. Всего их 51. Среди них эталон национальной шкалы времени, эталоны твердости, акустические эталоны для воздушной и морской среды, эталоны для метрологического обеспечения работы системы ГЛОНАСС, эталоны ионизирующего излучения, эталоны качества воды по уровню pH и другие.
— Расскажите поподробнее об основных эталонах. Что они из себя представляют? Например, для сравнения качества воды у вас имеется какой-то эталонный стакан с эталонной жидкостью?
— С помощью эталонов обеспечивается единство измерений в таких важных для экономики задачах, как измерения времени и частоты, электрических и магнитных величин, координатно-временных, геометрических, радиотехнических и радиоэлектронных измерений и других. По эталонам сверяется работа технических средств. Современные эталоны представляют собой разного рода большие и не очень аппаратные измерительные комплексы.
Так вот, самое точное время в России определяется и хранится только у нас. Это государственный эталон времени и частоты. По нему все системы в России — сотовой связи, интернета, транспорта, космических систем и многих других — сверяют свои часы и приборы. Более 150 миллионов потребителей ежедневно запрашивают точное время с наших серверов.
Что касается воды, сами мы проверкой ее качества не занимаемся, хотя можем сделать и это. Мы тестируем установки для проверки качества воды, к примеру, оборудование Роспотребнадзора или испытательных центров Росстандарта. Для кислотно-щелочного равновесия в воде должно быть определенное количество растворенного кислорода и водорода. Специальная установка в нашем институте позволяет установить количество растворенных в воде элементов. Какого-то эталонного стакана, конечно, нет, но есть таблица показаний по содержанию различных растворенных в воде веществ. Результаты измерений рН используются прежде всего в фармацевтической, косметической промышленности, медицине, а также в ядерной энергетике для контроля функционирования ядерных реакторов.
— А акустический эталон — это что?
— Это комплекс технических средств для воспроизведения единицы измерений уровня звука в воздухе. Многие знают, что шумность измеряется в децибелах, вот наш эталон и определяет те самые акустические децибелы. Правильное измерение уровня звука или шума важно как для многих отраслей промышленности, так и для повседневной жизни. Например, акустический шум является одним из вредных факторов, оказывающих существенное влияние на здоровье и самочувствие человека. Для жителей больших городов это особенно актуально.
Так вот, для измерения уровня звука, воспроизводимого, например, бытовой или промышленной техникой, используется специальная аппаратура, а мы можем испытать и сертифицировать ее. Это необходимо для достоверных измерений и способствует предотвращению появления на рынке и выходу из производства техники, не соответствующей требованиям по допустимому производимому акустическому шуму.
— Расскажите об эталоне ионизирующего излучения. Это что?
— Эталоны ВНИИФТРИ в области измерений ионизирующих излучений применяются в различных сферах — в медицине, на добывающих и перерабатывающих предприятиях, в атомной промышленности, где системы радиационного контроля должны быть очень высокого уровня точности. Например, в медицине. Медицинские институты занимаются изучением влияния различных доз облучения на человеческий организм, какие-то иные объекты. Медицинские центры занимаются радиотерапией. Мы же проверяем то оборудование, которым они пользуются. Например, очень важно понимать, с каким уровнем врачи облучают больного: дадут дозу больше, можно человека убить, меньше — не уничтожишь раковую опухоль. Крайне важно знать точный уровень ионизирующего излучения, идущего от медицинского прибора. Недавно мы модернизировали данный эталон, он наиболее востребован сейчас в медицине и позволит обеспечить высокую точность приборов, которые используются в лучевой терапии.
— Вы упомянули эталон твердости. Что он собой представляет?
— У нас в институте стоят специальные эталонные установки по проверке твердости металлов и других материалов. Измерение твердости металла, определение его качества крайне важно в таких отраслях, как металлургия, машино- и судостроение, авиация и другие. Металл должен быть твердым, не должен деформироваться, выдерживать определенные условия эксплуатации.
Это сложные установки, которые имеют специальные элементы, оказывающие давление с определенным усилием на предмет исследования. После этого высокоточными методами измеряется величина деформации металла. По величине деформации путем сравнения с эталонной мерой определяется твердость измеряемого образца.
— Насколько российские эталоны соответствуют уровню, а может быть, и превосходят зарубежные аналоги?
— Все ведущие страны мира имеют примерно одинаковые эталоны. В некоторых видах измерений чуть лучше эталоны за рубежом, в каких-то направлениях — чуть лучше мы. Государство уделяет нашей деятельности большое внимание, потому что наличие эталонов — это вопрос стратегической безопасности. Скажем, по эталону частоты и времени мы входим в тройку лучших эталонов в мире наравне с американским и германским эталонами. У нас очень хорошие эталоны в области акустических измерений, ионизирующих измерений, радиотехники. Один из лучших в мире эталонов больших длин тоже российский. Это 60-метровая лазерная "линейка". Есть километровый эталон, есть "линейка" длиной четыре тысячи километров между нами и Иркутском.
— Для чего могут потребоваться измерения "линейкой" длиной в 4 тысячи километров?
— Например, для прогноза землетрясений. Как определить предвестники землетрясений? Континентальные плиты постоянно движутся относительно друг друга, если одна наползает на другую или между двумя плитами образуется разрыв, происходит землетрясение. Как измерить передвижение плит при их размерах? Необходимо установить одну измеряющую аппаратуру на одном континенте, другую — на другом. Если на приборах фиксируется ускорение движения плиты, это первый признак того, что скоро может произойти землетрясение. Но учитывая, что измерительная аппаратура работает с сантиметровой и даже миллиметровой точностью, ее нужно где-то проверять? Для этого и используется наш эталон больших длин.
— Какие новые эталоны разрабатываются в институте?
— Работы ведутся в самых разных направлениях — в области связи, радиотехники, гравиметрических измерений. Важные проекты реализуются при поддержке наших федеральных органов исполнительной власти — Росстандарта и Минпромторга. Сейчас, например, ведется полная и глубокая модернизация эталонов системы ГЛОНАСС. Получены уникальные результаты, которые позволят повысить точность позиционирования глобальной навигационной системы и предоставить новые возможности потребителям.
Также нами разрабатываются новые оптические часы, которые смогут использоваться в перспективной космической технике, например, во время полетов к Марсу. Я думаю, что в космосе они начнут применяться лет через 10-15, раньше на Марс, скорее всего, все равно никто не полетит. Пока же они массивны для использования в космической технике. Но и часы, которые сейчас стоят на спутниках системы ГЛОНАСС, 10 лет назад были в два раза тяжелее. Технический прогресс не остановить.
— Расскажите о работах в области гравиметрических измерений. Ведь еще Ньютон открыл гравитацию в 17 веке. Чем занимаются ваши специалисты?
— Прежде всего работы, которые ведутся в институте, направлены на повышение точности измерений различных параметров гравитационного поля. Например, для измерения абсолютного значения ускорения свободного падения разрабатываются атомные (квантовые) гравиметры. Кроме того, что особенно важно, наши специалисты сегодня создают образцы гравитационных градиентометров и измерителей гравитационного потенциала — приборов, которые позволят получать полную информацию о свойствах гравитационного поля Земли. Его уровень в разных районах отличается, имеются существенные аномалии как локальные, так и распределенные. Чем точнее мы их будем измерять, тем больше возможностей по использованию полученных знаний у нас появится.
— Для чего это можно будет использовать? Допустим, его можно будет использовать для навигации?
— Абсолютно верно. Для решения навигационной задачи необходимы две составляющие — карта гравитационного поля и система датчиков, которые бы позволили измерять параметры гравитационного поля. Сравнение данных карты и результатов измерений даст нам возможность определить местоположение объекта на карте. Главное преимущество такой системы заключается в том, что она будет совершенно автономной, ей будут не нужны спутники или какие-либо еще дополнительные источники информации, которые можно заглушить или исказить. Именно поэтому создание систем навигации по гравитационному полю Земли является общемировой тенденцией.
Это не простая задача. Сейчас идет закладка этой будущей навигационной системы. Это грандиозный проект, над которым мы и весь мир будут работать ближайшие десятилетия.
Хороший пример зависимости времени от гравитации показали американские ученые, которые за свое изобретение получили Нобелевскую премию по физике в 2013 году. Они создали часы с точностью в несколько единиц 18-го знака после запятой. Взяли двое таких часов, установили их на одной площадке, потом приподняли одни на 30 см и показания часов изменились в 17-м знаке после запятой. Те часы, которые подняты на 30 сантиметров, из-за меньшего воздействия гравитации Земли уже идут по-другому. Этот эксперимент, кстати, так просто еще раз подтвердил и теорию относительности Эйнштейна. Если мы поднимемся на самое высокое здание мира или на гору, будем летать на самолете или в космическом корабле, там время будет идти еще медленнее. Соответственно, если мы создадим часы, которые будут иметь стабильность в единицу 18-го знака после запятой, мы сможем по отклонению течения времени детектировать разницу в высоте в единицы сантиметров.
ВНИИФТРИ также провел первый в России подобный наземный эксперимент по определению разности гравитационных потенциалов Земли на больших расстояниях. Мы разместили стационарные эталонные атомные часы в Московской области, а перевозимые — в горах Кавказа. Разность высот между часами составила 1804 метра. Показания часов изменились пропорционально разнице высот между ними. Полученные результаты подтвердили, что перевозимые квантовые часы могут быть использованы для измерения разности гравитационных потенциалов на поверхности Земли.
— При разработке новой системы навигации планируется ли как-то совершенствовать имеющуюся навигационную систему ГЛОНАСС?
— Да, конечно. Сейчас мы занимаемся разработкой новых наземных часов системы ГЛОНАСС, по которым будут синхронизироваться бортовые часы на навигационных спутниках. Планируется, что новый эталон времени ГЛОНАСС заработает в 2020 году. Его точность, по сравнению с нынешним, будет выше на порядок. Чем лучше известно расстояние до спутника, чем точнее синхронизируются наземный эталон времени и бортовые часы на спутнике, тем точнее будет сама навигация.
— Какие меры по модернизации ГЛОНАСС по части деятельности института предусмотрены на следующее десятилетие?
— В следующем десятилетии планируется еще на порядок повысить точность наземных часов ГЛОНАСС. Сейчас система обеспечивает точность определения объекта с погрешностью около 2-3 метров, а планируется десятки сантиметров. В настоящее время для навигации с такой точностью нужны специальные дифференциальные наземные станции, а в будущем потребитель будет иметь точность в десятки сантиметров только по данным спутникового сигнала.
Следующим шагом развития ГЛОНАСС станет ее интеграция с ассистирующими системами, навигацией по магнитным и гравитационным полям Земли. Основная проблема всех глобальных навигационных спутниковых систем заключается в том, что навигационный сигнал очень легко подавить радиотехническими средствами. А вот гравитационное поле практически невозможно подавить, магнитное — чуть легче, но тоже сложно. Таким образом, мы понимаем, что одно из основных направлений доработки системы ГЛОНАСС следующего поколения — ее интеграция с такими ассистирующими системами.
— Европейские специалисты предложили идею перейти всем навигационным системам на единое время, причем за основу предлагается взять время американской системы GPS. Как вы относитесь к этой идее?
— Речь идет в данном случае не о времени простых потребителей, а о системной шкале времени глобальных навигационных систем (ГНСС), которая используется внутри навигационных систем. Если переходить на единое время ГНСС, то должен быть разработан один эталон, а эталон времени — это часть суверенитета страны. Перейти на чужое время — это как отдать часть территории своей страны. Глобальные навигационные системы, а также их системные шкалы времени являются элементами национального суверенитета и не могут быть предметом признания приоритета одной над другой. Это полностью независимые системы.
— Сейчас наша страна живет по времени SU — Soviet Union. Планируется ли переход на время RU или RF?
— Исторически так сложилось, что после распада СССР никто вопрос о смене названия не поднимал. Ведь понятно, что любое изменение стоит немалых денег. Иностранные коллеги тоже вопросов никаких по этому поводу не задают. Технически, наверное, сменить название не сложно, но такой шаг потребует пересмотра законов и нормативно-технической документации во многих областях, завязанных на российский эталон времени. Я считаю, что консерватизм в этом вопросе — тоже не плохо. Аббревиатура SU узнаваема и напоминает всем о большой и сильной стране, которой Россия продолжает оставаться и сегодня.
— По каким эталонам сейчас живут бывшие советские республики?
— Во времена Советского Союза у нас во ВНИИФТРИ находился государственный первичный эталон времени СССР. Но тогда существовал принцип, который и сейчас сохранился в России, территориального распределения эталонов в целях обеспечения безопасности. Часть из них хранилась на Украине, часть в Армении, часть в Прибалтике. В каждой республике были вторичные эталоны времени. После распада СССР вновь образованные государства переименовали их в первичные национальные эталоны. Поэтому, по сути, на территории бывшего СССР сейчас нет стран, у которых имелся бы эталон, сравнимый по точности с нашим.
— Как быть со странами Прибалтики, Украины, Грузии, у которых натянутые отношения с Россией? Они сличают свои эталоны времени с нашим или используют для уточнения своего времени какие-то европейские или американские эталоны?
— Существует региональная организация по метрологии КООМЕТ ("Евро-Азиатское сотрудничество государственных метрологических учреждений"), которая была создана 12 июня 1991 года по инициативе метрологов стран Восточной Европы. Сейчас в этом региональном объединении состоит 19 стран, в том числе и мы. Наиболее точные эталоны сегодня у России и Германии. Страны Прибалтики в эту организацию не входят, они сверяют свои эталоны с Европой, а Грузия и Украина сверяют часы в рамках КООМЕТ.
— Будет ли ВНИИФТРИ как-то задействован в ФЦП "Цифровая экономика", ведь любая компьютерная сеть завязана на стандарты времени?
— Конечно. Мы должны понимать, что без метрологии не будет развития высоких технологий. Для "Цифровой экономики" основой станут каналы связи, которые будут передавать информацию. Для этого нужно синхронизовать работу оборудования, обеспечить его бесперебойную работу, разработать новые коды передачи информации. Это целый пласт новых технических идей и решений, которые должны быть реализованы. И метрология, которой мы занимаемся, является одним из базисов для развития цифровой экономики.
В данный момент в институте проходит тестирование антенных систем, которые будут формировать и принимать сигналы в стандарте пятого поколения передачи мобильной связи, так называемый стандарт 5G. Скорость и объемы передачи данных в этих сетях вырастут, но остается требование по сохранению низкой вероятности ошибки. Биты информации в вычислительной технике формируются на основе стандартов частоты. И если у этого стандарта плохая точность, вероятность ошибки увеличивается. Сети 5G впервые в истории потребовали обеспечения точности синхронизации между сотовыми станциями лучше 120 наносекунд, что является довольно сложной задачей и требует разработки новой аппаратуры частотно-временной синхронизации.
— Ваш институт относится к стратегическим объектам. Есть у вас подземный бункер, где хранятся резервные эталоны на случай форс-мажорных обстоятельств?
— Как я уже говорил, для обеспечения сохранности государственных эталонов применяется территориальное распределение эталонов по Российской Федерации. Все они зарезервированы, поэтому при любых ситуациях эталоны будут сохранены.
