مقاييس الزمن والثانية الكبيسة
ليست وحدة قياس بل ثلاثة مقاييس: UTC وTAI وUT1 · المقدار: لحظة زمنية
في الحادي والثلاثين من كانون الأول 2016 أظهرت ساعات الدائرة الدولية لدوران الأرض 23 ساعة و59 دقيقة و60 ثانية — وقتًا لا وجود له في يوم عادي. أُقحمت الثانية لأن الأرض كانت قد تخلفت حتى ذلك اليوم عن الساعات الذرية بنحو ستة أعشار الثانية، ولولا الإقحام لتجاوز التباعد العتبة المعيّنة بالاتفاق. ومنذ ذلك الحين لم يقع إقحام واحد: فقد تسارع الكوكب على غير انتظار، ويُبحث الآن بجدّ في العمل المعاكس — ثانية لا تُضاف بل تُحذف.
لا سبيل إلى فهم ذلك إلا بالتمييز بين ثلاثة أمور يسميها الكلام اليومي بلفظة واحدة: «الزمن». فـTAI هو المقياس الذري، يسير بانتظام ولا يعبأ بالكوكب؛ وUT1 هو زاوية دوران الأرض نفسها، أي ظاهرة فلكية لها طبعها الخاص؛ أما UTC فمقياس التسوية: يسير بثوانٍ ذرية، غير أنه يتلقى بين حين وآخر ثانية كاملة مقحمة كي لا يبتعد عن الكوكب أكثر من تسعة أعشار الثانية. الأول لا يُضبط، والثاني لا يُتنبأ به، والثالث يُقرَّر بقرار لجنة ويُطبع في نشرة.
01 · التعريف
يتألف الزمن الذري الدولي TAI من قراءات نحو مئتين وخمسين ساعة ذرية موزّعة على المختبرات الوطنية، ويسير بثوانٍ من النظام الدولي دون تصحيح واحد. أما الزمن العالمي UT1 فتحدده زاوية دوران الأرض، ولذلك يتبدّل سيره مع الكوكب. والزمن العالمي المنسّق UTC يفارق TAI بعدد صحيح من الثواني، ويُبقى قريبًا من UT1 بإقحامات تعلنها الدائرة الدولية لدوران الأرض.
فكرة UTC أن يجمع ما لا يجتمع: ثانيته ذرّية منتظمة صالحة للفيزياء وللاتصالات، وقراءته فلكية مشدودة إلى الليل والنهار. ويُدفع ثمن هذا الجمع كسرًا: مرة كل بضع سنين تدخل المقياسَ ثانية زائدة، فتصير الدقيقة إحدى وستين ثانية، ويغدو الطابع 23:59:60 مشروعًا. ولهذا فإن UTC هو الوحيد من المقاييس الثلاثة الذي فيه لحظات لا يقدر عدّ الأيام المعتاد على التعبير عنها.
العتبة التي يُقرَّر بعدها الإقحام تسعة أعشار الثانية بالقيمة المطلقة، وهي لا تقوم على أسباب فيزيائية بل على تسوية بين الفلكيين ومهندسي الاتصالات، عُقدت سنة 1972. وتتابع الدائرة الفرق UT1 − UTC بقياس التداخل الراديوي وبالأرصاد الساتلية، وتنشر قرارها في النشرة C — مرتين في السنة، قبل نصف سنة من الموعد الممكن، وهو يقع إما في آخر حزيران وإما في آخر كانون الأول.
لا يمكن التحقق من UTC بأي جهاز، إذ ليست له قيمة حقيقية أصلًا: فـTAI يسلك مسلك الوحدة، وUT1 مسلك الظاهرة، وUTC مسلك الاتفاق، وقراءته تُعلن ولا تُقاس. وفي المقابل يمكن مقارنة ساعتك به إلى حدّ النانوثانية، لأن نشرات الدائرة تبيّن مقدار انحراف قراءة كل مقياس وطني عن المقياس المتفق عليه.
السُّلّم الأعلى هو الإزاحة TAI − UTC، وهي تنمو بثوانٍ كاملة؛ والمنشار الأسفل هو الفرق UT1 − UTC، يزحف نازلًا مع الأرض المتخلّفة ويقفز ثانية إلى أعلى عند كل إقحام. والخطوط الحمراء في الأسفل تعلّم عتبة الأعشار التسعة: فما إن يقترب المنشار منها حتى تقرر الدائرة إقحامًا جديدًا، فيخطو الخطان خطوتهما معًا.
الخط المتقطع هو المقياس الذري، حيث كل ثانية مساوية لسابقتها؛ والخط المتموج هو دوران الأرض، يبطّئه احتكاك المدّ والجزر وهو مع ذلك متذبذب لأن الماء والهواء يعاد توزيعهما، بل وبسبب حركات في اللبّ السائل. والخطوط الحمراء هي اللحظات التي اضطرت فيها الدائرة إلى التدخل. ولأن الخط الثاني لا يُتنبأ به، لا يمكن إعلان الإقحامات قبل عقد من الزمن: تُقرَّر قبل نصف سنة، بناءً على الأرصاد.
02 · التحويل
اللحظة نفسها في مقاييس مختلفة
أدخل لحظة بأي صورة مألوفة — سنة عشرية، أو تاريخًا يوليانيًا، أو عدّ ثوانٍ منذ بدء حقبة يونكس — فتُظهر البطاقة كيف تبدو اللحظة نفسها في المقاييس الأخرى وأي إزاحات كانت سارية في ذلك اليوم.
الانتقالات بين المقاييس الذرية دقيقة إلى حدّ النانوثانية، لأن ثوابت تحددها: فـTT يفارق TAI بمقدار 32,184 s، ومقياس GPS بمقدار 19 s بالضبط. وحده سطر UT1 تقريبي: يُؤخذ من النشرة A، ويُعطى للمستقبل تنبؤًا.
عدّ الثواني في معيار POSIX مرتَّب بحيث يكون في اليوم 86 400 ثانية بالضبط دائمًا، ولا تجد الثانية المقحمة فيه ما تُعبَّر به: فإما أن يكرر النظام القراءة نفسها مرتين، وإما أن يردّ الساعة إلى الوراء. وبسبب هذه النافلة سقطت في حزيران 2012 خوادم نصف الخدمات الكبرى، وصارت شركات عدة منذ ذلك الحين تمطّ الثانية الزائدة على يوم كامل، ناشرةً إياها طبقةً رقيقة على ساعاتها.
| القيمة | ملاحظة | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · مراتب العِظَم
مقياس لوغاريتمي: من النانوثانية إلى خمس ساعات04 · أدوات القياس
بِمَ تُمسك المقاييس وبِمَ تُراجَع
تُقذف سحابة من ذرّات مبرَّدة إلى أعلى وتمرّ مرتين بالمرنان نفسه — في الصعود وفي السقوط — وهذا يتيح قياس تردد الانتقال حتى الرقم السادس عشر. وهذه المعايير الأولية تحدد طول الثانية ولا تحفظ قراءة للوقت: تُشغَّل بضعة أيام لمراجعة سير الساعات الأخرى.
يحفظ الميزر تردده أشد انتظامًا من النافورة على مدد تتراوح بين ساعة ويوم، لكنه ينزاح ببطء جانبًا، ولذلك يعمل في المختبرات حارسًا للمقياس لا معيارًا للتردد: يُقارَن سيره كل بضعة أيام بمعيار أولي. والميزرات هي التي تعطي تلك القراءة المتصلة التي يُركَّب منها TAI بعدئذٍ.
يستقبل هوائيان في قارّتين مختلفتين ضجيج الكوازار نفسه، وفرق زمن وصول الإشارة يفضح توجّه الأرض إزاء مصادر بعيدة. وهكذا بالضبط يُقاس UT1، إذ لا تُعرف زاوية دوران الكوكب بأي ساعة — إنما تُرصد رصدًا، والدائرة تفعل ذلك ليل نهار.
يحمل كل قمر اصطناعي على متنه ساعات ذرية، والمستقبِل الذي التقط أربع إشارات يستعيد لا موضعه فحسب بل الوقت أيضًا بدقة عشرات النانوثواني. غير أن المقياس المرسَل خاص به: فنظام GPS ليس فيه إقحام البتة، ويقف على بُعد تسع عشرة ثانية بالضبط من TAI، والفرق الجاري إزاء UTC يسافر في حقل مستقل من رسالة القمر.
05 · قواعد الكتابة
طابع زمني بلا مقياسه ليس طابعًا
تُكتب أسماء المقاييس بأحرف كبيرة، بلا نقاط وبلا فراغات في الداخل، ويُضاف إلى القراءة نفسها دائمًا في أي مقياس أُخذت: حرف Z أو إزاحة على كتابة معيار ISO 8601، وذكرٌ مستقل لـTAI أو GPS إذا كان الزمن ذريًا. وتُكتب فروق المقاييس بإشارتها وبالثواني، ويُقدَّم المقياس الذي يُطرح منه.
الكتابة الأولى مستحيلة لأن الإقحام يجري في آخر اليوم بحسب UTC، بينما تقع اللحظة نفسها في نطاق موسكو عند الثالثة ليلًا فيصير الطابع 02:59:60. والثانية تضع علامة مساواة بين المقياس والزمن المتوسط التاريخي لخط غرينتش، وقد هُجر في علم القياس منذ زمن بعيد. والثالثة تخلط اتجاه الطرح: المقياس الذري يسبق ولا يتأخر. أما الرابعة فلا يمكن أن ترد في نشرة أصلًا، لأن الدائرة ملزمة بإقحام ثانية قبل أن يبلغ الفرق مثل هذه القيمة بزمن طويل.
06 · المقاييس المجاورة
وإلى جانبه تقف كل المقاييس التي تعدّ الزمن نفسه من مبادئ أخرى أو في إطار مرجعي آخر: الزمن الأرضي TT الذي تُحسب به التقاويم الفلكية، والمقياس الذري للنظم الساتلية، وزمن الإحداثيات المركزي الثقلي الذي يراعي أن الساعات على الأرض تسير غير سيرها في مركز كتلة المجموعة الشمسية.
بلا إقحامات ولا تصحيحات
ظاهرة تُرصد
مقياس التقاويم الفلكية
من بطاقات Simetrium يجاورها ثانية، التي تمنح المقاييس الثلاثة وحدتها، اليوم و الساعة، حيث يُرى الاضطراب نفسه في الدوران من جهة أخرى، و التقويم، الذي لا تختلف فيه الوحدات بل نقاط البدء.
07 · القسم التاريخي
الثانية التي ابتُكرت أولًا ثم تُلغى الآن
ركّب لويس إسن وجاك باري في المختبر الفيزيائي الوطني أول ساعة سيزيوم فاكتشفا أمرًا مزعجًا: بدا الجهاز أثبت مما أرادا أن يراجعاه به. ومن تلك اللحظة كفّت الأرض عن أن تكون معيار الزمن وصارت موضوع رصد، وبعد ثماني سنوات أُعيد تعريف الثانية بتردد انتقال السيزيوم.
كانت الصورة الأولى لـUTC تتكيف مع الأرض على نحو آخر: مرة في السنة يُعلن تصحيح للتردد نفسه، فتفارق ثانية المقياس ثانية النظام الدولي عن قصد، وتُزاح القراءة فوق ذلك بين حين وآخر بالأعشار. لاءم ذلك البحّارة ولم يلائم الفيزيائيين، فتُركت الثانية المطاطية اعترافًا بأن كسرًا نادرًا خير من وحدة خاطئة على الدوام.
من أول كانون الثاني 1972 سار UTC بثوانٍ منتظمة من النظام الدولي، متأخرًا عشر ثوانٍ بالضبط عن المقياس الذري، ونال حق الإقحامات. واختيرت عتبة تسعة أعشار الثانية وسطًا بين مطالب البحّارة، الذين احتاجوا رباطًا فلكيًا، ومطالب مهندسي الاتصالات، الذين احتاجوا الاتصال المتصل.
قرر المؤتمر العام السابع والعشرون للأوزان والمقاييس خفض العتبة إلى الصفر، أي التخلي عن الإقحامات، في موعد أقصاه 2035. والسبب ليس راحة المبرمجين بل أن الأرض أخذت تتسارع: فمنذ 2020 كُسرت أرقام قياسية لأيام قصيرة مرات عدة، وقد يلزم بدل الإقحام المعتاد حذف ثانية لأول مرة — وليس في العالم نظام واحد مستعدّ لذلك.
مقياس تُعلَن قراءته ولا تُقاس
لكل مقدار في هذا الفهرس جهاز يستطيع أن يقول كم يساوي، وUTC وحده لا جهاز له ولا يمكن أن يكون. الساعات الذرية تقيس الفترات، ومقاييس التداخل تقيس دوران الأرض، أما مسألة إقحام ثانية في آخر حزيران فيبتّها بشر وتُطبع في نشرة، لأن عتبة تسعة أعشار الثانية أمر اتفاق لا أمر طبيعة. ومن هنا خاصية عجيبة: انحراف أي ساعة على الكوكب عن UTC معروف إلى النانوثانية، بينما صحة UTC نفسه لا شيء يُقارن بها — فهو صحيح بحكم التعريف.
تجلّت طبيعة المقياس الاتفاقية أوضح ما تكون في الإعداد لإلغائه. فقد تقرر رفع الإقحامات لا لأن دوران الكوكب صار يُقاس أدقّ، بل لأن ثمن الكسر ارتفع: طوابع البورصة والملاحة الساتلية وشبكات الاتصال تعاني من ثانية زائدة أكثر مما يعاني البحّارة من تباعد عن الشمس. وحين تُخفَّض العتبة إلى الصفر يكفّ UTC عن اللحاق بالأرض ويبتعد عنها أولًا دقيقة في القرن ثم أكثر — وما يُصنع بذلك التباعد ستقرره أجيال قادمة.
الفهرس · وحدات القياس
جواز لكل كمية
سبع وحدات أساسية في النظام الدولي، واثنتان وعشرون مشتقة لها أسماؤها، ومقادير خارج النظام لا تقوم بدونها لا التقنية ولا التقويم.