Οι κλίμακες χρόνου και το εμβόλιμο δευτερόλεπτο
Όχι μονάδα μέτρησης αλλά τρεις κλίμακες: UTC, TAI και UT1 · μέγεθος: μια στιγμή
Στις τριάντα μία Δεκεμβρίου 2016 τα ρολόγια της Διεθνούς Υπηρεσίας Περιστροφής της Γης έδειχναν 23 ώρες 59 λεπτά 60 δευτερόλεπτα — ώρα που σε συνηθισμένη ημέρα δεν υπάρχει. Το δευτερόλεπτο εμβλήθηκε επειδή ως εκείνη την ημέρα η Γη είχε μείνει πίσω από τα ατομικά ρολόγια σχεδόν έξι δέκατα του δευτερολέπτου, και χωρίς την εμβολή η απόκλιση θα είχε περάσει το κατώφλι που ορίστηκε με συμφωνία. Έκτοτε δεν έγινε καμία εμβολή: ο πλανήτης απροσδόκητα επιτάχυνε, και τώρα συζητείται στα σοβαρά η αντίστροφη ενέργεια — ένα δευτερόλεπτο που δεν θα χρειαστεί να προστεθεί αλλά να διαγραφεί.
Το πράγμα ξεκαθαρίζει μόνο αν ξεχωρίσει κανείς τρία που η καθημερινή ομιλία τα λέει με μία λέξη, «χρόνος». Το TAI είναι η ατομική κλίμακα, που τρέχει ομαλά χωρίς να νοιάζεται για τον πλανήτη· το UT1 είναι η γωνία περιστροφής της ίδιας της Γης, δηλαδή αστρονομικό φαινόμενο με δικό του χαρακτήρα· και το UTC είναι η κλίμακα του συμβιβασμού: τρέχει σε ατομικά δευτερόλεπτα, αλλά πότε πότε δέχεται ένα ακέραιο εμβόλιμο, για να μην απομακρυνθεί από τον πλανήτη πάνω από εννέα δέκατα του δευτερολέπτου. Η πρώτη δεν ρυθμίζεται, η δεύτερη δεν προβλέπεται, και η τρίτη ορίζεται με απόφαση επιτροπής και τυπώνεται σε δελτίο.
01 · Ορισμός
Ο Διεθνής Ατομικός Χρόνος TAI συντίθεται από τις ενδείξεις περίπου διακοσίων πενήντα ατομικών ρολογιών διάσπαρτων στα εθνικά εργαστήρια και τρέχει σε δευτερόλεπτα SI χωρίς καμία διόρθωση. Ο Παγκόσμιος Χρόνος UT1 δίνεται από τη γωνία περιστροφής της Γης και αλλάζει επομένως βήμα μαζί με τον πλανήτη. Ο Συντονισμένος Παγκόσμιος Χρόνος UTC διαφέρει από το TAI κατά ακέραιο αριθμό δευτερολέπτων και κρατιέται κοντά στο UT1 με εμβολές που αναγγέλλει η Διεθνής Υπηρεσία Περιστροφής της Γης.
Η ιδέα του UTC είναι να ενώσει τα ασυμβίβαστα: το δευτερόλεπτό του είναι ατομικό, ομαλό, κατάλληλο για τη φυσική και τις επικοινωνίες, ενώ η ένδειξή του είναι αστρονομική, δεμένη με τη μέρα και τη νύχτα. Η ένωση πληρώνεται με ρήγμα: μια φορά στα λίγα χρόνια μπαίνει στην κλίμακα ένα δευτερόλεπτο παραπάνω, το λεπτό έχει τότε εξήντα ένα δευτερόλεπτα, και η σήμανση 23:59:60 γίνεται νόμιμη. Γι' αυτό το UTC είναι η μόνη από τις τρεις κλίμακες με στιγμές που η συνηθισμένη μέτρηση των ημερών δεν ξέρει να εκφράσει.
Το κατώφλι πέρα από το οποίο ορίζεται εμβολή είναι εννέα δέκατα του δευτερολέπτου κατ' απόλυτη τιμή, και δεν στηρίζεται σε φυσικούς λόγους αλλά σε συμβιβασμό αστρονόμων και μηχανικών επικοινωνιών, που κλείστηκε το 1972. Η υπηρεσία παρακολουθεί τη διαφορά UT1 − UTC με ραδιοσυμβολομετρία και δορυφορικές παρατηρήσεις και δημοσιεύει την απόφασή της στο Δελτίο C — δύο φορές τον χρόνο, μισό χρόνο πριν από την πιθανή ημερομηνία, που πέφτει είτε στο τέλος του Ιουνίου είτε στο τέλος του Δεκεμβρίου.
Το UTC δεν ελέγχεται με κανένα όργανο, γιατί αληθινή τιμή δεν έχει καθόλου: το TAI φέρεται σαν μονάδα, το UT1 σαν φαινόμενο, και το UTC σαν συμφωνία, και η ένδειξή του αναγγέλλεται, δεν μετριέται. Αντίθετα το δικό μας ρολόι μπορεί να συγκριθεί μαζί του στο νανοδευτερόλεπτο, γιατί τα δελτία της υπηρεσίας δηλώνουν κατά πόσο η ένδειξη κάθε εθνικής κλίμακας αποκλίνει από τη συμφωνημένη.
Η πάνω σκάλα είναι η μετατόπιση TAI − UTC, που αυξάνει κατά ακέραια δευτερόλεπτα· το κάτω πριόνι είναι η διαφορά UT1 − UTC, που σέρνεται προς τα κάτω μαζί με τη Γη που μένει πίσω και πηδά ένα δευτερόλεπτο πάνω σε κάθε εμβολή. Οι κόκκινες γραμμούλες κάτω σημαδεύουν το κατώφλι των εννέα δεκάτων: μόλις το πριόνι το πλησιάσει, η υπηρεσία ορίζει νέα εμβολή, και οι δύο γραμμές κάνουν το βήμα τους μαζί.
Η διακεκομμένη γραμμή είναι η ατομική κλίμακα, όπου κάθε δευτερόλεπτο ισούται με το προηγούμενο· η κυματιστή γραμμή είναι η περιστροφή της Γης, φρεναρισμένη από την τριβή των παλιρροιών και συνάμα περιπλανώμενη, επειδή το νερό και ο αέρας ανακατανέμονται, ακόμη και εξαιτίας κινήσεων στον υγρό πυρήνα. Οι κόκκινες γραμμούλες είναι οι στιγμές που η υπηρεσία χρειάστηκε να επέμβει. Ακριβώς επειδή η δεύτερη γραμμή δεν προβλέπεται, οι εμβολές δεν μπορούν να αναγγέλλονται μια δεκαετία πριν: ορίζονται μισό χρόνο νωρίτερα, από παρατηρήσεις.
02 · Μετατροπή
Η ίδια στιγμή σε διαφορετικές κλίμακες
Εισαγάγετε μια στιγμή σε οποιαδήποτε συνηθισμένη μορφή — ως δεκαδικό έτος, ως ιουλιανή ημερομηνία, ως μέτρηση δευτερολέπτων από την αρχή της εποχής Unix — και το δελτίο θα δείξει πώς φαίνεται η ίδια στιγμή στις άλλες κλίμακες και ποιες μετατοπίσεις ίσχυαν εκείνη την ημέρα.
Οι μεταβάσεις ανάμεσα στις ατομικές κλίμακες είναι ακριβείς στο νανοδευτερόλεπτο, καθώς ορίζονται από σταθερές: το TT διαφέρει από το TAI κατά 32,184 s και η κλίμακα GPS ακριβώς κατά 19 s. Μόνο η γραμμή με το UT1 είναι κατά προσέγγιση: λαμβάνεται από το Δελτίο A και για το μέλλον δίνεται ως πρόγνωση.
Η μέτρηση των δευτερολέπτων στο πρότυπο POSIX είναι φτιαγμένη έτσι ώστε η ημέρα να έχει πάντα ακριβώς 86 400 από αυτά, και ένα εμβόλιμο δευτερόλεπτο δεν βρίσκει εκεί με τι να εκφραστεί: το σύστημα ή επαναλαμβάνει δύο φορές την ίδια ένδειξη ή γυρίζει το ρολόι πίσω. Εξαιτίας αυτής της λεπτομέρειας, τον Ιούνιο του 2012 έπεσαν οι εξυπηρετητές των μισών μεγάλων υπηρεσιών, και αρκετές εταιρείες τεντώνουν έκτοτε το περιττό δευτερόλεπτο σε ολόκληρη την ημέρα, απλώνοντάς το σε λεπτή στρώση πάνω στα ρολόγια τους.
| Τιμή | Σημείωση | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Τάξεις μεγέθους
λογαριθμική κλίμακα: από το νανοδευτερόλεπτο ως τις πέντε ώρες04 · Όργανα μέτρησης
Με τι κρατιούνται οι κλίμακες και με τι ελέγχονται
Ένα σύννεφο ψυγμένων ατόμων εκτοξεύεται προς τα πάνω και περνά δύο φορές από τον ίδιο συντονιστή — στην άνοδο και στην πτώση —, πράγμα που επιτρέπει να μετρηθεί η συχνότητα της μετάβασης ως το δέκατο έκτο ψηφίο. Τέτοια πρωτεύοντα πρότυπα ορίζουν το μήκος του δευτερολέπτου και δεν κρατούν καμία ένδειξη ώρας: ανάβουν για λίγες ημέρες για να ελέγξουν την πορεία των άλλων ρολογιών.
Το μέιζερ κρατά τη συχνότητά του αισθητά ομαλότερα από το σιντριβάνι σε διαστήματα από μία ώρα ως μία ημέρα, αλλά παρεκκλίνει αργά στο πλάι, και γι' αυτό στα εργαστήρια υπηρετεί ως φύλακας της κλίμακας και όχι ως πρότυπο συχνότητας: η πορεία του συγκρίνεται κάθε λίγες ημέρες με πρωτεύον πρότυπο. Τα μέιζερ ακριβώς δίνουν εκείνη την αδιάκοπη ένδειξη από την οποία συντίθεται έπειτα το TAI.
Δύο κεραίες σε διαφορετικές ηπείρους λαμβάνουν τον θόρυβο του ίδιου κβάζαρ, και η διαφορά στον χρόνο άφιξης του σήματος προδίδει τον προσανατολισμό της Γης ως προς μακρινές πηγές. Έτσι ακριβώς μετριέται το UT1, γιατί με κανένα ρολόι δεν μαθαίνεται η γωνία περιστροφής του πλανήτη — μόνο να παρατηρηθεί μπορεί, και η υπηρεσία το κάνει ολόκληρο το εικοσιτετράωρο.
Κάθε δορυφόρος φέρει ατομικά ρολόγια, και ένας δέκτης που έπιασε τέσσερα σήματα ανακτά όχι μόνο τη θέση του αλλά και την ώρα με ακρίβεια δεκάδων νανοδευτερολέπτων. Η κλίμακα που εκπέμπεται είναι όμως δική του: το σύστημα GPS δεν έχει καμία εμβολή, στέκει ακριβώς δεκαεννέα δευτερόλεπτα από το TAI, και η τρέχουσα διαφορά προς το UTC ταξιδεύει σε ξεχωριστό πεδίο του μηνύματος του δορυφόρου.
05 · Κανόνες γραφής
Χρονοσήμανση χωρίς την κλίμακά της δεν είναι σήμανση
Τα ονόματα των κλιμάκων γράφονται με κεφαλαία, χωρίς τελείες και χωρίς κενά μέσα, και στην ίδια την ένδειξη προστίθεται πάντοτε σε ποια κλίμακα ελήφθη: το γράμμα Z ή μια μετατόπιση στη γραφή του προτύπου ISO 8601, ξεχωριστή μνεία TAI ή GPS αν ο χρόνος είναι ατομικός. Οι διαφορές των κλιμάκων γράφονται με πρόσημο και σε δευτερόλεπτα, με πρώτη εκείνη από την οποία αφαιρείται.
Η πρώτη γραφή είναι αδύνατη επειδή η εμβολή γίνεται στο τέλος της ημέρας κατά UTC, ενώ στη ζώνη της Μόσχας η ίδια στιγμή πέφτει στις τρεις τη νύχτα και η σήμανση τότε λέει 02:59:60. Η δεύτερη βάζει ίσον ανάμεσα στην κλίμακα και στον ιστορικό μέσο χρόνο του μεσημβρινού του Γκρίνουιτς, από καιρό αχρησιμοποίητο στη μετρολογία. Η τρίτη μπερδεύει τη φορά της αφαίρεσης: η ατομική κλίμακα πηγαίνει μπροστά, όχι πίσω. Και η τέταρτη δεν μπορεί να εμφανιστεί σε δελτίο καθόλου, αφού η υπηρεσία είναι υποχρεωμένη να εμβάλει δευτερόλεπτο πολύ πριν η διαφορά φτάσει σε τέτοια τιμή.
06 · Γειτονικές κλίμακες
Δίπλα στέκουν όλες οι κλίμακες που μετρούν τον ίδιο χρόνο από άλλες αφετηρίες ή σε άλλο σύστημα αναφοράς: ο γήινος χρόνος TT, με τον οποίο υπολογίζονται οι εφημερίδες, η ατομική κλίμακα των δορυφορικών συστημάτων και ο βαρυκεντρικός συντεταγμένος χρόνος, που λαμβάνει υπόψη ότι τα ρολόγια στη Γη πηγαίνουν αλλιώς απ' ό,τι στο κέντρο μάζας του Ηλιακού Συστήματος.
χωρίς εμβολές και διορθώσεις
φαινόμενο που παρατηρείται
η κλίμακα των εφημερίδων
Από τα δελτία του Simetrium δίπλα στέκονται δευτερόλεπτο, που δίνει τη μονάδα και στις τρεις κλίμακες, ημέρα και ώρα, όπου η ίδια ανωμαλία της περιστροφής φαίνεται από άλλη πλευρά, και χρονολόγηση, όπου δεν διαφέρουν οι μονάδες αλλά οι αφετηρίες.
07 · Ιστορικό μέρος
Το δευτερόλεπτο που πρώτα επινοήθηκε και τώρα καταργείται
Ο Λούις Έσσεν και ο Τζακ Πάρρυ έφτιαξαν στο National Physical Laboratory το πρώτο ρολόι καισίου και ανακάλυψαν κάτι δυσάρεστο: το όργανο αποδείχθηκε σταθερότερο από εκείνο με το οποίο σκόπευαν να το ελέγξουν. Από εκείνη τη στιγμή η Γη έπαψε να είναι το πρότυπο του χρόνου και έγινε αντικείμενο παρατήρησης, και οκτώ χρόνια αργότερα το δευτερόλεπτο ορίστηκε εκ νέου με τη συχνότητα της μετάβασης του καισίου.
Η πρώτη μορφή του UTC προσαρμοζόταν στη Γη αλλιώς: μία φορά τον χρόνο αναγγελλόταν διόρθωση της ίδιας της συχνότητας, ώστε το δευτερόλεπτο της κλίμακας να διαφέρει επίτηδες από το δευτερόλεπτο SI, και επιπλέον η ένδειξη μετατοπιζόταν πότε πότε κατά δέκατα. Στους ναυτιλλομένους αυτό βόλευε, στους φυσικούς όχι, και το ελαστικό δευτερόλεπτο εγκαταλείφθηκε με την παραδοχή ότι ένα σπάνιο ρήγμα είναι καλύτερο από μια μονάδα διαρκώς λανθασμένη.
Από την πρώτη Ιανουαρίου 1972 το UTC έτρεχε σε ομαλά δευτερόλεπτα SI, ακριβώς δέκα πίσω από την ατομική κλίμακα, και απέκτησε το δικαίωμα στις εμβολές. Το κατώφλι των εννέα δεκάτων του δευτερολέπτου επιλέχθηκε ως μέση οδός ανάμεσα στις απαιτήσεις των ναυτικών, που χρειάζονταν αστρονομικό δέσιμο, και εκείνων των μηχανικών επικοινωνιών, που χρειάζονταν συνέχεια.
Η εικοστή έβδομη Γενική Συνδιάσκεψη Μέτρων και Σταθμών αποφάσισε να μηδενίσει το κατώφλι, δηλαδή να παραιτηθεί από τις εμβολές, το αργότερο το 2035. Ο λόγος δεν βρίσκεται στη βολή των προγραμματιστών αλλά στο ότι η Γη άρχισε να επιταχύνει: από το 2020 τα ρεκόρ σύντομων ημερών έχουν καταρριφθεί αρκετές φορές, και αντί για τη συνηθισμένη εμβολή μπορεί για πρώτη φορά να χρειαστεί διαγραφή δευτερολέπτου — και σε αυτό δεν είναι έτοιμο κανένα σύστημα στον κόσμο.
Κλίμακα της οποίας η ένδειξη αναγγέλλεται και δεν μετριέται
Κάθε μέγεθος αυτού του καταλόγου έχει όργανο ικανό να πει σε πόσο ισούται, και μόνο το UTC τέτοιο όργανο δεν έχει ούτε μπορεί να έχει. Τα ατομικά ρολόγια μετρούν διαστήματα, τα συμβολόμετρα μετρούν την περιστροφή της Γης, ενώ το ερώτημα αν θα εμβληθεί δευτερόλεπτο στο τέλος του Ιουνίου το κρίνουν άνθρωποι και τυπώνεται σε δελτίο, γιατί το κατώφλι των εννέα δεκάτων του δευτερολέπτου είναι ζήτημα συμφωνίας και όχι φύσης. Από εδώ μια παράξενη ιδιότητα: η απόκλιση από το UTC οποιουδήποτε ρολογιού του πλανήτη είναι γνωστή στο νανοδευτερόλεπτο, ενώ η ορθότητα του ίδιου του UTC δεν έχει με τι να ελεγχθεί — είναι ορθό εξ ορισμού.
Η συμφωνημένη φύση της κλίμακας φάνηκε καλύτερα από ποτέ στην προετοιμασία της κατάργησής της. Αποφάσισαν να αφαιρέσουν τις εμβολές όχι επειδή έμαθαν να μετρούν λεπτότερα την περιστροφή του πλανήτη, αλλά επειδή το τίμημα του ρήγματος ανέβηκε: οι χρηματιστηριακές σημάνσεις, η δορυφορική πλοήγηση και τα δίκτυα επικοινωνιών υποφέρουν από ένα περιττό δευτερόλεπτο περισσότερο απ' όσο θα υπέφεραν οι ναυτικοί από απόκλιση ως προς τον ήλιο. Όταν το κατώφλι μηδενιστεί, το UTC θα πάψει να προφταίνει τη Γη και θα απομακρυνθεί από αυτήν πρώτα κατά ένα λεπτό τον αιώνα και έπειτα κατά περισσότερο — και τι θα γίνει με αυτή την απόκλιση θα το κρίνουν πια οι επόμενες γενιές.
Κατάλογος · μονάδες μέτρησης
Ένα δελτίο για κάθε μέγεθος
Επτά βασικές μονάδες SI, είκοσι δύο παράγωγες με δικό τους όνομα και μεγέθη εκτός συστήματος, χωρίς τα οποία δεν θα λειτουργούσε ούτε η τεχνική ούτε το ημερολόγιο.