Las escalas de tiempo y el segundo intercalar
No una unidad de medida, sino tres escalas: UTC, TAI y UT1 · magnitud: un instante
El treinta y uno de diciembre de 2016 los relojes del Servicio Internacional de Rotación de la Tierra marcaron las 23 horas 59 minutos 60 segundos — una hora que no existe en un día ordinario. El segundo se insertó porque para aquel día la Tierra se había retrasado casi seis décimas de segundo respecto de los relojes atómicos y, de no haberse insertado, la divergencia habría cruzado el umbral fijado por convenio. Desde entonces no ha habido ninguna inserción: el planeta se aceleró inesperadamente y ahora se discute en serio la operación inversa — un segundo que habrá que no añadir, sino quitar.
Sólo cabe entenderlo distinguiendo tres cosas que el habla corriente llama con una sola palabra, «tiempo». TAI es la escala atómica, que marcha con uniformidad sin mirar al planeta; UT1 es el ángulo de rotación de la propia Tierra, esto es, un fenómeno astronómico con su carácter; y UTC es la escala de compromiso: marcha en segundos atómicos, pero de vez en cuando recibe uno entero insertado para no apartarse del planeta más de nueve décimas de segundo. La primera no admite ajuste, la segunda no admite predicción, y la tercera se fija por decisión de un comité y se imprime en un boletín.
01 · Definición
El Tiempo Atómico Internacional TAI se compone de las indicaciones de unos doscientos cincuenta relojes atómicos repartidos por los laboratorios nacionales y marcha en segundos del SI sin una sola corrección. El Tiempo Universal UT1 lo define el ángulo de rotación de la Tierra y por eso cambia de paso con el planeta. El Tiempo Universal Coordinado UTC se aparta del TAI en un número entero de segundos y se mantiene cerca de UT1 mediante inserciones que anuncia el Servicio Internacional de Rotación de la Tierra.
El propósito de UTC es unir lo inconciliable: su segundo es atómico, uniforme, apto para la física y las comunicaciones, mientras que su indicación es astronómica, atada al día y a la noche. La unión se paga con una ruptura: cada pocos años entra en la escala un segundo de más, el minuto contiene entonces sesenta y un segundos, y la marca 23:59:60 se vuelve legítima. De ahí que UTC sea la única de las tres escalas con instantes que el cómputo ordinario de los días no sabe expresar.
El umbral más allá del cual se dispone una inserción vale nueve décimas de segundo en valor absoluto, y no responde a razones físicas sino a un compromiso entre astrónomos e ingenieros de comunicaciones, cerrado en 1972. El servicio sigue la diferencia UT1 − UTC mediante radiointerferometría y observaciones por satélite, y publica su decisión en el Boletín C — dos veces al año, medio año antes de la fecha posible, que cae al final de junio o al final de diciembre.
UTC no se puede comprobar con instrumento alguno, pues no tiene valor verdadero: TAI se comporta como una unidad, UT1 como un fenómeno y UTC como un convenio, y su indicación se anuncia, no se mide. En cambio el reloj propio sí puede compararse con ella al nanosegundo, porque los boletines del servicio indican en cuánto se aparta la indicación de cada escala nacional de la convenida.
La escalera de arriba es el desfase TAI − UTC, que crece en segundos enteros; la sierra de abajo es la diferencia UT1 − UTC, que desciende junto con la Tierra rezagada y salta un segundo hacia arriba en cada inserción. Los trazos rojos de abajo marcan el umbral de nueve décimas: en cuanto la sierra se le acerca, el servicio dispone una nueva inserción y ambas líneas dan su paso a la vez.
La línea de puntos es la escala atómica, en la que cada segundo iguala al anterior; la línea ondulada es la rotación de la Tierra, frenada por la fricción de las mareas y a la vez errante porque el agua y el aire se redistribuyen, e incluso por los movimientos del núcleo líquido. Los trazos rojos son los momentos en que el servicio tuvo que intervenir. Justamente porque la segunda línea es impredecible, las inserciones no pueden anunciarse con una década de antelación: se disponen medio año antes, según las observaciones.
02 · Conversión
Un mismo instante en distintas escalas
Introduzca un instante en cualquier forma acostumbrada — año decimal, fecha juliana, cómputo de segundos desde el comienzo de la época Unix — y la ficha mostrará cómo se lee ese mismo instante en las demás escalas y qué desfases regían aquel día.
Los pasos entre las escalas atómicas son exactos al nanosegundo, pues los fijan constantes: TT se aparta del TAI en 32,184 s y la escala GPS en exactamente 19 s. Sólo la línea de UT1 es aproximada: se toma del Boletín A y, para el futuro, se da como predicción.
El cómputo de segundos en la norma POSIX está dispuesto de modo que el día siempre tiene exactamente 86 400, y un segundo insertado no encuentra allí con qué expresarse: el sistema o repite dos veces la misma indicación o atrasa el reloj. Por esa menudencia, en junio de 2012 cayeron los servidores de la mitad de los grandes servicios, y varias empresas estiran desde entonces el segundo sobrante a lo largo de un día entero, repartiéndolo en capa fina por sus relojes.
| Valor | Nota | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Órdenes de magnitud
escala logarítmica: del nanosegundo a cinco horas04 · Instrumentos de medida
Con qué se sostienen y con qué se comprueban las escalas
Una nube de átomos enfriados se lanza hacia arriba y atraviesa dos veces el mismo resonador — en la subida y en la caída —, lo que permite medir la frecuencia de la transición hasta la decimosexta cifra. Tales patrones primarios fijan la longitud del segundo y no guardan indicación de la hora: se encienden unos días para verificar la marcha de los demás relojes.
El máser mantiene la frecuencia bastante más uniforme que la fuente en intervalos de una hora a un día, pero deriva despacio hacia un lado, y por eso en los laboratorios sirve de guardián de la escala y no de patrón de frecuencia: su marcha se compara cada pocos días con un patrón primario. Son los máseres los que dan la indicación continua con la que después se compone el TAI.
Dos antenas en continentes distintos reciben el ruido de un mismo cuásar, y la diferencia en el tiempo de llegada de la señal delata la orientación de la Tierra respecto de fuentes lejanas. Así es como se mide UT1, pues con ningún reloj cabe averiguar el ángulo de rotación del planeta — sólo puede observarse, y el servicio lo hace las veinticuatro horas.
Cada satélite lleva a bordo relojes atómicos, y un receptor que ha captado cuatro señales recupera no sólo su lugar sino también la hora con precisión de decenas de nanosegundos. La escala transmitida, eso sí, es propia: el sistema GPS no tiene inserción alguna, se sitúa exactamente a diecinueve segundos del TAI, y la diferencia corriente con UTC viaja en un campo aparte del mensaje del satélite.
05 · Reglas de escritura
Una marca de tiempo sin su escala no es marca
Los nombres de las escalas se escriben en mayúsculas, sin puntos y sin espacios interiores, y a la indicación misma se añade siempre en qué escala está tomada: la letra Z o un desfase en la escritura de la norma ISO 8601, una mención aparte de TAI o GPS si la hora es atómica. Las diferencias entre escalas se escriben con signo y en segundos, poniendo primero aquella de la que se resta.
La primera escritura es imposible porque la inserción se hace al final del día en UTC, mientras que en el huso de Moscú ese mismo instante cae a las tres de la madrugada y la marca resulta 02:59:60. La segunda pone un signo de igualdad entre la escala y el tiempo medio histórico del meridiano de Greenwich, hace mucho en desuso en metrología. La tercera confunde el sentido de la resta: la escala atómica va delante, no detrás. Y la cuarta no puede aparecer en un boletín en absoluto, pues el servicio está obligado a insertar un segundo mucho antes de que la diferencia alcance semejante valor.
06 · Escalas vecinas
Al lado están todas las escalas que cuentan el mismo tiempo desde otros orígenes o en otro sistema de referencia: el tiempo terrestre TT, con el que se calculan las efemérides, la escala atómica de los sistemas satelitales y el tiempo coordenada baricéntrico, que tiene en cuenta que los relojes en la Tierra no marchan como en el centro de masas del Sistema Solar.
sin inserciones ni correcciones
un fenómeno observado
la escala de las efemérides
De las fichas de Simetrium están al lado segundo, que da la unidad a las tres escalas, día y hora, donde la misma irregularidad de la rotación se ve desde otro lado, y cómputo de los años, en el que no difieren las unidades, sino los orígenes.
07 · Sección histórica
El segundo que primero se inventó y ahora se suprime
Louis Essen y Jack Parry montaron en el National Physical Laboratory el primer reloj de cesio y descubrieron algo enojoso: el instrumento resultó más estable que aquello con lo que pensaban comprobarlo. Desde ese momento la Tierra dejó de ser el patrón del tiempo y pasó a ser objeto de observación, y ocho años después el segundo se redefinió por la frecuencia de la transición del cesio.
La primera versión de UTC se ajustaba a la Tierra de otro modo: una vez al año se anunciaba una corrección de la frecuencia misma, de suerte que el segundo de la escala difería adrede del segundo del SI, y además de cuando en cuando se corría la indicación en décimas. A los navegantes les convenía, a los físicos no, y se renunció al segundo elástico admitiendo que vale más una ruptura rara que una unidad permanentemente falsa.
Desde el primero de enero de 1972 UTC marchó en segundos del SI uniformes, quedando exactamente diez por detrás de la escala atómica, y obtuvo el derecho a las inserciones. El umbral de nueve décimas de segundo se escogió como término medio entre las exigencias de los marinos, que necesitaban un vínculo astronómico, y las de los ingenieros de comunicaciones, que necesitaban continuidad.
La vigésima séptima Conferencia General de Pesas y Medidas resolvió llevar el umbral a cero, es decir, renunciar a las inserciones, a más tardar en 2035. La razón no está en la comodidad de los programadores, sino en que la Tierra ha empezado a acelerarse: desde 2020 se han batido varias veces récords de días cortos, y en lugar de la inserción acostumbrada podría hacer falta por primera vez quitar un segundo — y a eso no está preparado ningún sistema del mundo.
Una escala cuya indicación se anuncia y no se mide
Toda magnitud de este catálogo tiene un instrumento capaz de decir cuánto vale, y sólo UTC carece de tal instrumento y no puede tenerlo. Los relojes atómicos miden intervalos, los interferómetros miden la rotación de la Tierra, mientras que la cuestión de si insertar un segundo al final de junio la resuelven personas y se imprime en un boletín, porque el umbral de nueve décimas de segundo es cuestión de convenio y no de naturaleza. De ahí una propiedad extraña: la divergencia con UTC de cualquier reloj del planeta se conoce al nanosegundo, mientras que la corrección de la propia UTC no tiene con qué comprobarse — es correcta por definición.
La naturaleza convenida de la escala se ha revelado mejor que nunca en la preparación de su supresión. Se decidió quitar las inserciones no porque se hubiera aprendido a medir con más finura la rotación del planeta, sino porque el precio de la ruptura ha subido: las marcas de tiempo bursátiles, la navegación por satélite y las redes de comunicación sufren más por un segundo de más de lo que sufrirían los marinos por una divergencia con el sol. Cuando el umbral se lleve a cero, UTC dejará de alcanzar a la Tierra y se apartará de ella primero un minuto por siglo y después más — y qué hacer con esa divergencia habrán de decidirlo ya las generaciones venideras.
Catálogo · unidades de medida
Una ficha para cada magnitud
Siete unidades básicas del SI, veintidós derivadas con nombre propio y magnitudes ajenas al sistema sin las cuales no funcionarían ni la técnica ni el calendario.