Tidsskalaerne og skudsekundet
Ingen måleenhed, men tre skalaer: UTC, TAI og UT1 · størrelse: et tidspunkt
Den enogtredivte december 2016 viste urene ved Den Internationale Jordrotationstjeneste 23 timer 59 minutter 60 sekunder — et klokkeslæt, som ikke findes i et almindeligt døgn. Sekundet blev indskudt, fordi Jorden til den dag var kommet næsten seks tiendedele sekund bagud for atomurene, og uden indskuddet ville afvigelsen have overskredet den tærskel, der er fastsat ved aftale. Siden har der ikke været et eneste indskud: planeten har uventet sat farten op, og nu drøftes for alvor den omvendte handling — et sekund, som ikke skal lægges til, men stryges.
Man finder kun rede i det ved at skelne mellem tre ting, som dagligsproget kalder med ét ord, «tid». TAI er atomskalaen, der går jævnt uden at tage hensyn til planeten; UT1 er Jordens egen drejningsvinkel, altså et astronomisk fænomen med sit eget sind; og UTC er kompromisets skala: den går i atomsekunder, men får fra tid til anden et helt indskudt sekund for ikke at fjerne sig fra planeten med mere end ni tiendedele sekund. Den første lader sig ikke justere, den anden lader sig ikke forudsige, og den tredje fastsættes ved et udvalgs beslutning og trykkes i en bulletin.
01 · Definition
Den internationale atomtid TAI sammensættes af visningerne fra omkring to hundrede og halvtreds atomure spredt over de nationale laboratorier og går i SI-sekunder uden en eneste rettelse. Verdenstiden UT1 er givet ved Jordens drejningsvinkel og skifter derfor gang med planeten. Koordineret verdenstid UTC afviger fra TAI med et helt antal sekunder og holdes tæt ved UT1 ved indskud, som bekendtgøres af Den Internationale Jordrotationstjeneste.
UTC's tanke er at forene det uforenelige: dens sekund er atomart, jævnt, egnet til fysik og til kommunikation, mens dens visning er astronomisk, bundet til dag og nat. Foreningen betales med et brud: hvert par år kommer et ekstra sekund ind i skalaen, minuttet indeholder da enogtres sekunder, og stemplet 23:59:60 bliver lovligt. Derfor er UTC den eneste af de tre skalaer med tidspunkter, som den almindelige tælling af døgn ikke kan udtrykke.
Tærsklen, hvorover et indskud fastsættes, er ni tiendedele sekund numerisk, og den hviler ikke på fysiske grunde, men på et kompromis mellem astronomer og kommunikationsingeniører, indgået i 1972. Tjenesten følger forskellen UT1 − UTC med radiointerferometri og satellitobservationer og offentliggør sin beslutning i Bulletin C — to gange om året, et halvt år før den mulige dato, som falder enten i slutningen af juni eller i slutningen af december.
UTC kan ikke efterprøves med noget instrument, thi en sand værdi har den slet ikke: TAI opfører sig som en enhed, UT1 som et fænomen, og UTC som en aftale, og dens visning bekendtgøres, den måles ikke. Til gengæld kan ens eget ur sammenlignes med den på nanosekundet, thi tjenestens bulletiner angiver, hvor meget hver national skalas visning afviger fra den aftalte.
Trappen foroven er forskydningen TAI − UTC, som vokser med hele sekunder; saven forneden er forskellen UT1 − UTC, som kryber nedad sammen med den efterblevne Jord og springer et sekund opad ved hvert indskud. De røde streger forneden markerer tærsklen på ni tiendedele: så snart saven nærmer sig den, fastsætter tjenesten et nyt indskud, og begge linjer tager deres skridt samtidig.
Den stiplede linje er atomskalaen, hvor hvert sekund er lig det foregående; den bølgede linje er Jordens drejning, bremset af tidevandets gnidning og tillige omflakkende, fordi vand og luft omfordeles, og endog på grund af bevægelser i den flydende kerne. De røde streger er de øjeblikke, hvor tjenesten måtte gribe ind. Netop fordi den anden linje ikke lader sig forudsige, kan indskud ikke bekendtgøres et årti i forvejen: de fastsættes et halvt år før, ud fra observationer.
02 · Omregning
Ét og samme tidspunkt i forskellige skalaer
Indtast et tidspunkt i en hvilken som helst vanlig form — som decimalår, som juliansk dato, som tælling af sekunder siden Unix-epokens begyndelse — og bladet viser, hvordan samme tidspunkt tager sig ud i de øvrige skalaer, og hvilke forskydninger der gjaldt den dag.
Overgangene mellem atomskalaerne er nøjagtige på nanosekundet, da de er fastlagt ved konstanter: TT afviger fra TAI med 32,184 s, og GPS-skalaen med præcis 19 s. Kun linjen med UT1 er tilnærmet: den hentes fra Bulletin A og gives for fremtiden som prognose.
Tællingen af sekunder i POSIX-standarden er indrettet sådan, at døgnet altid har præcis 86 400 af dem, og et indskudt sekund finder intet dér at udtrykke sig med: systemet gentager enten samme visning to gange eller stiller uret tilbage. På grund af denne bagatel faldt i juni 2012 serverne hos halvdelen af de store tjenester, og flere virksomheder strækker siden det ekstra sekund ud over et helt døgn ved at smøre det i et tyndt lag ud over deres ure.
| Værdi | Bemærkning | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Størrelsesordener
logaritmisk skala: fra nanosekundet til fem timer04 · Måleinstrumenter
Hvad der holder skalaerne, og hvad der efterprøver dem
En sky af afkølede atomer kastes opad og passerer to gange den samme resonator — på vejen op og på faldet —, hvilket lader overgangens frekvens måle til sekstende ciffer. Sådanne primærnormaler fastlægger sekundets længde og fører ingen visning af klokkeslættet: de tændes i nogle døgn for at efterprøve de øvrige ures gang.
Maseren holder sin frekvens mærkbart jævnere end fontænen over tidsrum fra en time til et døgn, men driver langsomt til siden, og derfor tjener den i laboratorierne som skalaens vogter og ikke som frekvensnormal: dens gang sammenlignes med få døgns mellemrum med en primærnormal. Det er maserne, der giver den ubrudte visning, hvoraf TAI siden sammensættes.
To antenner på forskellige verdensdele modtager støjen fra én og samme kvasar, og forskellen i signalets ankomsttid røber Jordens retning i forhold til fjerne kilder. Netop sådan måles UT1, thi med intet ur kan planetens drejningsvinkel erfares — den kan kun observeres, og tjenesten gør det døgnet rundt.
Hver satellit bærer atomure om bord, og en modtager, der har fanget fire signaler, genskaber ikke blot sit sted, men også klokkeslættet med snes nanosekunders nøjagtighed. Den skala, der udsendes, er dog dens egen: GPS-systemet har slet ingen indskud, det står præcis nitten sekunder fra TAI, og den løbende forskel til UTC rejser i et eget felt i satellittens meddelelse.
05 · Skriveregler
Et tidsstempel uden sin skala er intet stempel
Skalaernes navne skrives med store bogstaver, uden punktummer og uden mellemrum indeni, og til selve visningen føjes altid, i hvilken skala den er taget: bogstavet Z eller en forskydning i skrivemåden efter ISO 8601, en særskilt angivelse af TAI eller GPS, hvis tiden er atomar. Forskelle mellem skalaer skrives med fortegn og i sekunder, med den skala, der trækkes fra, sat først.
Den første skrivemåde er umulig, fordi indskuddet sker ved døgnets slutning i UTC, mens samme øjeblik i Moskvas zone falder klokken tre om natten, og stemplet da lyder 02:59:60. Den anden sætter lighedstegn mellem skalaen og den historiske middeltid ved Greenwich-meridianen, som for længst ikke bruges i metrologien. Den tredje forveksler subtraktionens retning: atomskalaen går forud, ikke bagud. Og den fjerde kan overhovedet ikke forekomme i en bulletin, eftersom tjenesten er forpligtet til at indskyde et sekund længe før, forskellen når en sådan værdi.
06 · Nabo-skalaer
Ved siden af står alle de skalaer, der tæller samme tid fra andre udgangspunkter eller i et andet referencesystem: terrestrisk tid TT, hvormed efemerider beregnes, satellitsystemernes atomskala og barycentrisk koordinattid, som tager hensyn til, at ure på Jorden går anderledes end i solsystemets massemidtpunkt.
uden indskud og rettelser
et observeret fænomen
efemeridernes skala
Blandt Simetriums datablade står ved siden af sekund, som giver alle tre skalaer deres enhed, døgn og time, hvor den samme ujævnhed i drejningen ses fra en anden side, og tidsregning, hvor det ikke er enhederne, der er forskellige, men nulpunkterne.
07 · Historisk afsnit
Sekundet, man først fandt på og nu afskaffer
Louis Essen og Jack Parry byggede ved National Physical Laboratory det første cæsiumur og opdagede noget ubehageligt: instrumentet viste sig at være mere stabilt end det, man ville efterprøve det med. Fra det øjeblik ophørte Jorden med at være tidens normal og blev genstand for observation, og otte år senere blev sekundet bestemt på ny ved cæsiumovergangens frekvens.
Den første udgave af UTC rettede sig efter Jorden på anden vis: en gang om året bekendtgjordes en rettelse af selve frekvensen, således at skalaens sekund med vilje afveg fra SI-sekundet, og desuden flyttedes visningen fra tid til anden med tiendedele. Søfarende passede det, fysikerne ikke, og man opgav det tøjelige sekund med den erkendelse, at et sjældent brud er bedre end en stadigt urigtig enhed.
Fra den første januar 1972 gik UTC i jævne SI-sekunder, præcis ti bagud for atomskalaen, og fik ret til indskud. Tærsklen på ni tiendedele sekund valgtes som mellemvej mellem søfolkenes krav, der havde brug for en astronomisk tilknytning, og kommunikationsingeniørernes, der havde brug for uafbrudthed.
Den syvogtyvende Generalkonference for mål og vægt besluttede at føre tærsklen til nul, det vil sige at opgive indskud, senest i 2035. Grunden ligger ikke i programmørernes bekvemmelighed, men i at Jorden er begyndt at sætte farten op: siden 2020 er rekorder for korte døgn slået flere gange, og i stedet for det vante indskud kan det for første gang blive nødvendigt at stryge et sekund — og dertil er intet system i verden beredt.
En skala, hvis visning bekendtgøres og ikke måles
Enhver størrelse i dette katalog har et instrument, der kan sige, hvad den er lig med, og alene UTC har intet sådant instrument og kan ikke have det. Atomure måler intervaller, interferometre måler Jordens drejning, mens spørgsmålet om, hvorvidt der skal indskydes et sekund ved slutningen af juni, afgøres af mennesker og trykkes i en bulletin, thi tærsklen på ni tiendedele sekund er et spørgsmål om aftale og ikke om naturen. Heraf en besynderlig egenskab: afvigelsen fra UTC hos et hvilket som helst ur på planeten kendes på nanosekundet, mens rigtigheden af UTC selv intet har at blive efterprøvet imod — den er rigtig ifølge definitionen.
Skalaens aftalte natur trådte tydeligst frem under forberedelsen af dens afskaffelse. Man besluttede at fjerne indskuddene ikke, fordi man havde lært at måle planetens drejning finere, men fordi bruddets pris er steget: børsens tidsstempler, satellitnavigationen og kommunikationsnettene lider under et ekstra sekund mere, end søfolk ville lide under en afvigelse fra solen. Når tærsklen føres til nul, ophører UTC med at indhente Jorden og fjerner sig fra den først med et minut pr. århundrede og siden med mere — og hvad der skal stilles op med den afvigelse, må kommende slægter afgøre.
Katalog · måleenheder
Et datablad for hver størrelse
Syv SI-basisenheder, toogtyve afledte med egne navne og størrelser uden for systemet, som hverken teknikken eller kalenderen kan undvære.