Časové stupnice a přestupná sekunda
Ne měřicí jednotka, nýbrž tři stupnice: UTC, TAI a UT1 · veličina: okamžik
Třicátého prvního prosince 2016 ukazovaly hodiny Mezinárodní služby rotace Země 23 hodin 59 minut 60 sekund — čas, který v obyčejném dni neexistuje. Sekunda byla vložena proto, že Země se do onoho dne opozdila za atomovými hodinami téměř o šest desetin sekundy, a nebýt vložení, rozcházení by překročilo práh stanovený úmluvou. Od té doby k žádnému vložení nedošlo: planeta nečekaně zrychlila a nyní se vážně uvažuje o opačném úkonu — o sekundě, kterou nebude třeba přidat, nýbrž vyškrtnout.
Vyznat se v tom lze jen tak, že rozlišíme tři věci, jež běžná řeč nazývá jediným slovem «čas». TAI je atomová stupnice, která běží rovnoměrně a na planetu nedbá; UT1 je úhel otočení samotné Země, tedy astronomický jev s vlastní povahou; a UTC je stupnice kompromisu: běží v atomových sekundách, ale čas od času dostává celou vloženou, aby se od planety nevzdálila o víc než devět desetin sekundy. První nelze seřídit, druhou nelze předpovědět a třetí se stanoví rozhodnutím výboru a tiskne se v bulletinu.
01 · Definice
Mezinárodní atomový čas TAI se skládá z údajů asi dvou set padesáti atomových hodin rozptýlených po národních laboratořích a běží v sekundách SI bez jediné opravy. Světový čas UT1 je dán úhlem otočení Země, a mění tedy chod spolu s planetou. Koordinovaný světový čas UTC se od TAI liší o celý počet sekund a je držen blízko UT1 pomocí vložení, která vyhlašuje Mezinárodní služba rotace Země.
Záměrem UTC je spojit nespojitelné: její sekunda je atomová, rovnoměrná, způsobilá pro fyziku i pro spoje, kdežto její údaj je astronomický, vázaný na den a noc. Spojení se platí zlomem: jednou za několik let vstoupí do stupnice sekunda navíc, minuta pak obsahuje šedesát jedna sekund a značka 23:59:60 se stává právoplatnou. Proto je UTC jediná ze tří stupnic, jež má okamžiky, které obyčejné počítání dnů neumí vyjádřit.
Práh, za nímž se vložení stanoví, činí devět desetin sekundy v absolutní hodnotě a nespočívá na fyzikálních důvodech, nýbrž na kompromisu mezi astronomy a inženýry spojů, uzavřeném roku 1972. Služba sleduje rozdíl UT1 − UTC radiointerferometrií a družicovým pozorováním a své rozhodnutí zveřejňuje v Bulletinu C — dvakrát do roka, půl roku před možným datem, jež připadá buď na konec června, nebo na konec prosince.
UTC nelze ověřit žádným přístrojem, neboť pravou hodnotu vůbec nemá: TAI se chová jako jednotka, UT1 jako jev a UTC jako úmluva, a její údaj se vyhlašuje, neměří. Zato vlastní hodiny s ní lze porovnat na nanosekundu, neboť bulletiny služby udávají, oč se údaj každé národní stupnice liší od dohodnutého.
Horní schodiště je posun TAI − UTC, jenž roste po celých sekundách; dolní pila je rozdíl UT1 − UTC, který se plazí dolů spolu s opožďující se Zemí a při každém vložení vyskočí o sekundu vzhůru. Červené čárky dole vyznačují práh devíti desetin: jakmile se k němu pila přiblíží, služba stanoví nové vložení a obě čáry udělají svůj krok současně.
Čárkovaná čára je atomová stupnice, kde se každá sekunda rovná předchozí; vlnitá čára je otáčení Země, brzděné slapovým třením a přitom bloudivé, protože se voda a vzduch přerozdělují, a dokonce i kvůli pohybům v tekutém jádru. Červené čárky jsou okamžiky, kdy musela služba zasáhnout. Právě proto, že druhou čáru nelze předpovědět, nelze vložení vyhlašovat desetiletí dopředu: stanoví se půl roku předem, podle pozorování.
02 · Převod
Týž okamžik v různých stupnicích
Zadejte okamžik v jakékoli obvyklé podobě — jako desetinný rok, jako juliánské datum, jako počet sekund od začátku epochy Unix — a list ukáže, jak týž okamžik vypadá v ostatních stupnicích a jaké posuny toho dne platily.
Přechody mezi atomovými stupnicemi jsou přesné na nanosekundu, neboť je určují konstanty: TT se liší od TAI o 32,184 s a stupnice GPS přesně o 19 s. Jen řádek s UT1 je přibližný: bere se z Bulletinu A a pro budoucnost se udává jako předpověď.
Počítání sekund v normě POSIX je zařízeno tak, že den jich má vždy přesně 86 400, a vložená sekunda v něm nemá čím být vyjádřena: soustava buď zopakuje týž údaj dvakrát, nebo posune hodiny zpět. Kvůli této maličkosti spadly v červnu 2012 servery poloviny velkých služeb a několik podniků od té doby roztahuje sekundu navíc na celý den tím, že ji v tenké vrstvě rozetře po svých hodinách.
| Hodnota | Poznámka | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Řády veličin
logaritmická stupnice: od nanosekundy do pěti hodin04 · Měřicí přístroje
Čím se stupnice drží a čím se ověřují
Oblak ochlazených atomů se vrhne vzhůru a dvakrát projde týmž rezonátorem — při vzestupu a při pádu —, což dovoluje změřit frekvenci přechodu do šestnácté číslice. Takové prvotní etalony určují délku sekundy a žádný časový údaj nevedou: zapínají se na několik dnů, aby ověřily chod ostatních hodin.
Maser drží svou frekvenci znatelně rovnoměrněji než fontána na úsecích od hodiny do dne, ale pomalu se odchyluje stranou, a proto slouží v laboratořích jako strážce stupnice, a nikoli jako etalon frekvence: jeho chod se každých několik dnů porovnává s prvotním etalonem. Právě masery dávají onen nepřerušený údaj, z něhož se TAI později skládá.
Dvě antény na různých světadílech přijímají šum téhož kvasaru a rozdíl v době příchodu signálu prozradí natočení Země vůči vzdáleným zdrojům. Právě tak se měří UT1, neboť žádnými hodinami nelze úhel otočení planety zjistit — lze jej pouze pozorovat, a služba to činí nepřetržitě.
Každá družice nese na palubě atomové hodiny a přijímač, jenž zachytil čtyři signály, obnoví nejen své místo, ale i čas s přesností desítek nanosekund. Vysílaná stupnice je však vlastní: soustava GPS nemá vložení vůbec žádná, stojí přesně devatenáct sekund od TAI a běžný rozdíl vůči UTC putuje ve zvláštním poli zprávy družice.
05 · Pravidla zápisu
Časová značka bez své stupnice není značkou
Názvy stupnic se píší velkými písmeny, bez teček a bez mezer uvnitř, a k samotnému údaji se vždy připojuje, ve které stupnici je vzat: písmeno Z nebo posun v zápisu podle normy ISO 8601, zvláštní zmínka TAI či GPS, je-li čas atomový. Rozdíly stupnic se píší se znaménkem a v sekundách, přičemž první stojí ta, od níž se odečítá.
První zápis je nemožný, protože vložení se koná na konci dne v UTC, kdežto v moskevském pásmu připadá týž okamžik na tři hodiny v noci a značka pak zní 02:59:60. Druhý klade rovnítko mezi stupnici a historický střední čas greenwichského poledníku, v metrologii dávno nepoužívaný. Třetí plete směr odčítání: atomová stupnice jde napřed, ne pozadu. A čtvrtý se v bulletinu vůbec objevit nemůže, neboť služba je povinna vložit sekundu dávno předtím, než rozdíl takové hodnoty dosáhne.
06 · Sousední stupnice
Vedle stojí všechny stupnice, jež počítají týž čas od jiných počátků nebo v jiné vztažné soustavě: terestrický čas TT, jímž se počítají efemeridy, atomová stupnice družicových soustav a barycentrický souřadnicový čas, který přihlíží k tomu, že hodiny na Zemi jdou jinak než v hmotném středu sluneční soustavy.
bez vložení a oprav
pozorovaný jev
stupnice efemerid
Z listů Simetria vedle stojí sekunda, jež dává jednotku všem třem stupnicím, den a hodina, kde je tatáž nerovnoměrnost otáčení vidět z druhé strany, a letopočet, u něhož se neliší jednotky, nýbrž počátky.
07 · Historický oddíl
Sekunda, kterou nejprve vymysleli a nyní ruší
Louis Essen a Jack Parry sestavili v National Physical Laboratory první cesiové hodiny a objevili nemilou věc: přístroj se ukázal stálejším než to, čím jej chtěli ověřovat. Od té chvíle přestala být Země etalonem času a stala se předmětem pozorování a o osm let později byla sekunda znovu určena frekvencí cesiového přechodu.
První podoba UTC se Zemi přizpůsobovala jinak: jednou do roka se vyhlašovala oprava samotné frekvence, takže se sekunda stupnice úmyslně lišila od sekundy SI, a nadto se čas od času posouval údaj o desetiny. Mořeplavcům to vyhovovalo, fyzikům nikoli, a od pružné sekundy se upustilo s uznáním, že vzácný zlom je lepší než trvale nesprávná jednotka.
Od prvního ledna 1972 běželo UTC v rovnoměrných sekundách SI, přesně deset za atomovou stupnicí, a získalo právo na vložení. Práh devíti desetin sekundy byl zvolen jako střední cesta mezi požadavky námořníků, kteří potřebovali astronomickou vazbu, a inženýrů spojů, kteří potřebovali nepřetržitost.
Dvacátá sedmá Generální konference pro váhy a míry rozhodla snížit práh na nulu, to jest vzdát se vložení, nejpozději v roce 2035. Důvod netkví v pohodlí programátorů, nýbrž v tom, že Země začala zrychlovat: od roku 2020 byly rekordy krátkých dnů překonány několikrát a namísto obvyklého vložení může být poprvé zapotřebí sekundu vyškrtnout — a na to není připravena žádná soustava na světě.
Stupnice, jejíž údaj se vyhlašuje, a neměří
Každá veličina v tomto katalogu má přístroj, jenž dokáže říci, čemu se rovná, a jedině UTC takový přístroj nemá a mít nemůže. Atomové hodiny měří intervaly, interferometry měří otáčení Země, kdežto otázku, zda na konci června vložit sekundu, rozhodují lidé a tiskne se v bulletinu, neboť práh devíti desetin sekundy je věcí úmluvy, a nikoli přírody. Odtud podivná vlastnost: odchylka od UTC u kterýchkoli hodin na planetě je známa na nanosekundu, kdežto správnost samotného UTC nemá čím být ověřena — je správné z definice.
Úmluvná povaha stupnice se nejlépe projevila při přípravě jejího zrušení. Vložení se rozhodli odstranit nikoli proto, že by se naučili měřit otáčení planety jemněji, nýbrž proto, že cena zlomu vzrostla: burzovní časové značky, družicová navigace a spojové sítě trpí sekundou navíc více, než by námořníci trpěli rozcházením se sluncem. Až se práh sníží na nulu, přestane UTC Zemi dohánět a vzdálí se od ní nejprve o minutu za století a potom o víc — a co s tím rozcházením počít, rozhodnou už příští pokolení.
Katalog · měřicí jednotky
List pro každou veličinu
Sedm základních jednotek SI, dvaadvacet odvozených s vlastními jmény a veličiny mimo soustavu, bez nichž by nefungovala ani technika, ani kalendář.