مقیاسهای زمان و ثانیهٔ کبیسه
یکای اندازهگیری نیست، سه مقیاس است: UTC و TAI و UT1 · کمیت: یک لحظه
در سیویکم دسامبر 2016 ساعتهای سازمان بینالمللی چرخش زمین 23 ساعت و 59 دقیقه و 60 ثانیه را نشان میدادند — زمانی که در شبانهروز معمولی وجود ندارد. آن ثانیه از آن رو درج شد که زمین تا آن روز نزدیک به شش دهم ثانیه از ساعتهای اتمی واپس مانده بود، و اگر درج نمیشد واگرایی از آستانهای که با قرارداد نهاده شده میگذشت. از آن پس هیچ درجی روی نداده است: سیاره بهناگاه شتاب گرفت و اکنون بهجد از کار وارونه سخن میرود — ثانیهای که نه افزودن، بلکه برداشتن آن لازم خواهد بود.
سررشتهٔ کار تنها با جدا کردن سه چیز به دست میآید که گفتار روزمره همه را یک واژه میخواند: «زمان». TAI مقیاس اتمی است که یکنواخت میرود و به سیاره کاری ندارد؛ UT1 زاویهٔ چرخش خود زمین است، یعنی پدیدهای اخترشناختی با خوی خویش؛ و UTC مقیاس سازش است: با ثانیههای اتمی میرود، اما گاهگاه یک ثانیهٔ درست درجشده میگیرد تا از سیاره بیش از نه دهم ثانیه دور نیفتد. نخستین را نمیتوان تنظیم کرد، دومی را نمیتوان پیشبینی کرد، و سومی با تصمیم کمیتهای معین میشود و در نشریهای چاپ میگردد.
01 · تعریف
زمان اتمی بینالمللی TAI از خواندههای نزدیک به دویستوپنجاه ساعت اتمی پراکنده در آزمایشگاههای ملی فراهم میآید و با ثانیههای SI بی هیچ اصلاحی میرود. زمان جهانی UT1 را زاویهٔ چرخش زمین معین میکند و از این رو گام خود را همراه سیاره دگرگون میسازد. زمان جهانی هماهنگ UTC با شماری درست از ثانیه از TAI جدا میافتد و با درجهایی که سازمان بینالمللی چرخش زمین اعلام میکند نزدیک UT1 نگاه داشته میشود.
اندیشهٔ UTC آن است که ناسازگارها را به هم پیوند دهد: ثانیهٔ آن اتمی است، یکنواخت، درخور فیزیک و ارتباطات؛ اما خواندش اخترشناختی است، بسته به روز و شب. بهای این پیوند شکستگی است: هر چند سال یک بار ثانیهای افزون به مقیاس درمیآید، دقیقه آنگاه شصتویک ثانیه دارد و مهر 23:59:60 قانونی میشود. از این روست که UTC تنها مقیاس از آن سه است که لحظههایی دارد که شمار معمول شبانهروزها از بیانشان ناتوان است.
آستانهای که پس از آن درج معین میشود نه دهم ثانیه به قدر مطلق است و بر دلیلهای فیزیکی تکیه ندارد، بلکه بر سازشی که در سال 1972 میان اخترشناسان و مهندسان ارتباطات بسته شد. سازمان تفاوت UT1 − UTC را با تداخلسنجی رادیویی و رصدهای ماهوارهای دنبال میکند و تصمیم خود را در نشریهٔ C منتشر میسازد — دو بار در سال، نیم سال پیش از تاریخ ممکن که یا به پایان ژوئن میافتد یا به پایان دسامبر.
UTC را با هیچ دستگاهی نمیتوان سنجید، زیرا اصلاً ارزش راستینی ندارد: TAI چون یکا رفتار میکند، UT1 چون پدیده، و UTC چون قرارداد، و خواندش اعلام میشود نه اندازهگیری. در برابر، ساعت خود را میتوان تا نانوثانیه با آن سنجید، زیرا نشریههای سازمان میگویند خواند هر مقیاس ملی چقدر از مقیاس مورد قرارداد دور است.
پلکان بالایی جابهجایی TAI − UTC است که با ثانیههای درست بالا میرود؛ ارّهٔ پایینی تفاوت UT1 − UTC است که همراه زمینِ واپسمانده به پایین میخزد و در هر درج یک ثانیه بالا میجهد. خطهای سرخ پایین آستانهٔ نه دهم را نشان میدهند: همین که ارّه به آن نزدیک شود، سازمان درج تازهای معین میکند و هر دو خط گام خود را با هم برمیدارند.
خطچین مقیاس اتمی است، جایی که هر ثانیه با ثانیهٔ پیشین برابر است؛ خط موّاج چرخش زمین است که سایش کشندی آن را کند میکند و با این همه سرگردان است، زیرا آب و هوا جابهجا میشوند، و حتی به سبب جنبشهای هستهٔ مذاب. خطهای سرخ لحظههاییاند که سازمان ناچار به دخالت شده است. درست از آن رو که خط دوم پیشبینیپذیر نیست، درجها را نمیتوان یک دهه پیشتر اعلام کرد: نیم سال پیش از موعد و بر پایهٔ رصدها معین میشوند.
02 · تبدیل
یک لحظه در مقیاسهای گوناگون
لحظهای را به هر شکل آشنا وارد کنید — سال دهدهی، تاریخ یولیانی، شمار ثانیهها از آغاز دوران یونیکس — و شناسنامه نشان میدهد که همان لحظه در مقیاسهای دیگر چگونه دیده میشود و در آن روز چه جابهجاییهایی روا بوده است.
گذر میان مقیاسهای اتمی تا نانوثانیه دقیق است، زیرا ثابتها آن را معین میکنند: TT از TAI به اندازهٔ 32,184 s جدا میشود و مقیاس GPS درست به اندازهٔ 19 s. تنها سطر UT1 تقریبی است: از نشریهٔ A گرفته میشود و برای آینده همچون پیشبینی داده میشود.
شمار ثانیهها در استاندارد POSIX چنان چیده شده که شبانهروز همیشه درست 86 400 ثانیه داشته باشد، و ثانیهٔ درجشده در آن چیزی برای بیان خود نمییابد: سامانه یا همان خواند را دو بار تکرار میکند یا ساعت را واپس میبرد. به سبب همین خردگی، در ژوئن 2012 کارسازهای نیمی از خدمتهای بزرگ از کار افتادند، و چند شرکت از آن پس ثانیهٔ افزون را بر یک شبانهروز کامل میکشند و لایهای نازک از آن را بر ساعتهای خود پخش میکنند.
| مقدار | یادداشت | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · مرتبههای بزرگی
مقیاس لگاریتمی: از نانوثانیه تا پنج ساعت04 · ابزارهای اندازهگیری
مقیاسها را با چه نگاه میدارند و با چه میسنجند
ابری از اتمهای سردشده به بالا پرتاب میشود و دو بار از همان کاواک میگذرد — در بالا رفتن و در فرو افتادن — و این کار سنجش بسامد گذار را تا رقم شانزدهم ممکن میسازد. چنین مرجعهای نخستینی درازای ثانیه را معین میکنند و هیچ خواندی از ساعت نگاه نمیدارند: چند شبانهروز روشن میشوند تا کار ساعتهای دیگر سنجیده شود.
میزر بسامد خود را در بازههای یک ساعت تا یک شبانهروز بهروشنی یکنواختتر از فواره نگاه میدارد، اما آرامآرام به سویی میلغزد، و از این رو در آزمایشگاهها نگاهبان مقیاس است نه مرجع بسامد: کارش را هر چند شبانهروز با مرجع نخستین میسنجند. همین میزرهاست که آن خواند پیوستهٔ فراهم میآورد که TAI پس از آن از آن ساخته میشود.
دو آنتن در دو قارهٔ گوناگون نوفهٔ همان اختروش را میگیرند، و تفاوت زمان رسیدن نشانه، رو به زمین را نسبت به سرچشمههای دور آشکار میکند. UT1 درست به همین گونه سنجیده میشود، زیرا زاویهٔ چرخش سیاره را با هیچ ساعتی نمیتوان دانست — تنها میتوان رصد کرد، و سازمان این کار را شبانهروز میکند.
هر ماهواره ساعتهای اتمی با خود دارد، و گیرندهای که چهار نشانه گرفته باشد نه تنها جای خود بلکه زمان را نیز با دقت دهها نانوثانیه بازمییابد. اما مقیاسی که فرستاده میشود از آنِ خود اوست: در سامانهٔ GPS هیچ درجی نیست، درست نوزده ثانیه از TAI فاصله دارد و تفاوت جاری با UTC در میدانی جداگانه از پیام ماهواره سفر میکند.
05 · قواعد نگارش
مهر زمانی بی مقیاسش مهر نیست
نام مقیاسها را با حرف بزرگ مینویسند، بینقطه و بی فاصله در میان، و به خود خواند همیشه میافزایند که در کدام مقیاس گرفته شده است: حرف Z یا جابهجایی در نگارش استاندارد ISO 8601، و یادکردی جداگانه از TAI یا GPS اگر زمان اتمی باشد. تفاوت مقیاسها را با نشانه و به ثانیه مینویسند، و مقیاسی که از آن کم میشود نخست میآید.
نگارش نخست ناشدنی است، زیرا درج در پایان شبانهروز به وقت UTC انجام میشود، حال آنکه در گسترهٔ مسکو همان لحظه به ساعت سه بامداد میافتد و مهر آنگاه 02:59:60 میشود. دومی میان مقیاس و زمان میانگین تاریخی نصفالنهار گرینویچ نشان برابری میگذارد، حال آنکه آن زمان دیرگاهی است در اندازهشناسی به کار نمیرود. سومی سوی تفریق را درهم میکند: مقیاس اتمی پیش میرود، نه پس. و چهارمی هرگز نمیتواند در نشریهای بیاید، زیرا سازمان موظف است بسی پیش از آنکه تفاوت به چنین ارزشی برسد ثانیهای درج کند.
06 · مقیاسهای همسایه
در کنار آن همهٔ مقیاسهایی ایستادهاند که همان زمان را از مبدأهای دیگر یا در چارچوب دیگری میشمارند: زمان زمینی TT که زیجها را با آن محاسبه میکنند، مقیاس اتمی سامانههای ماهوارهای، و زمان مختصاتی مرکز گرانش که در نظر میگیرد ساعتها بر زمین جز آن میروند که در مرکز جرم منظومهٔ خورشیدی.
بی درج و بی اصلاح
پدیدهای که رصد میشود
مقیاس زیجها
از شناسنامههای Simetrium در کنار آناند ثانیه، که یکای هر سه مقیاس را میدهد، شبانهروز و ساعت، جایی که همان ناهمواری چرخش از سوی دیگر پیداست، و گاهشماری، که در آن نه یکاها بلکه مبدأها فرق دارند.
07 · بخش تاریخی
ثانیهای که نخست ساختند و اکنون برمیچینند
لویی اسن و جک پری در آزمایشگاه ملی فیزیک نخستین ساعت سزیمی را ساختند و چیزی ناخوشایند یافتند: دستگاه پایدارتر از آن درآمد که میخواستند با آن بسنجندش. از آن لحظه زمین از مرجع بودنِ زمان بازماند و موضوع رصد شد، و هشت سال بعد ثانیه را دوباره با بسامد گذار سزیم تعریف کردند.
شکل نخست UTC خود را جور دیگری با زمین سازگار میکرد: سالی یک بار اصلاحی در خود بسامد اعلام میشد، چنان که ثانیهٔ مقیاس عمداً از ثانیهٔ SI جدا میافتاد، و افزون بر آن خواند را گاهگاه به اندازهٔ دهمها جابهجا میکردند. دریانوردان را خوش میآمد، فیزیکدانان را نه؛ و از ثانیهٔ کشسان دست کشیدند، با این اعتراف که شکستگی کمیاب بهتر از یکای همیشه نادرست است.
از یکم ژانویهٔ 1972 UTC با ثانیههای یکنواخت SI رفت، درست ده ثانیه پس از مقیاس اتمی، و حق درج یافت. آستانهٔ نه دهم ثانیه راه میانهای بود میان خواستهٔ دریانوردان که پیوند اخترشناختی میخواستند و خواستهٔ مهندسان ارتباطات که پیوستگی میخواستند.
بیستوهفتمین کنفرانس عمومی اوزان و مقادیر تصمیم گرفت آستانه را دیرتر از سال 2035 به صفر برساند، یعنی از درجها دست بکشد. سبب، آسایش برنامهنویسان نیست، بلکه آن است که زمین شتاب گرفته است: از 2020 رکوردهای شبانهروزهای کوتاه چند بار شکسته شده، و بهجای درج آشنا شاید نخستین بار برداشتن ثانیهای لازم آید — و هیچ سامانهای در جهان برای این کار آماده نیست.
مقیاسی که خواندش را اعلام میکنند، نه اندازه میگیرند
هر کمیتی در این فهرست دستگاهی دارد که میتواند بگوید چند است، و تنها UTC چنین دستگاهی ندارد و نمیتواند داشته باشد. ساعتهای اتمی بازهها را میسنجند، تداخلسنجها چرخش زمین را؛ اما این پرسش که آیا در پایان ژوئن ثانیهای درج شود یا نه، آدمیان میگشایند و در نشریه چاپ میشود، زیرا آستانهٔ نه دهم ثانیه کار قرارداد است نه کار طبیعت. از این رو ویژگی شگفتی پدید میآید: انحراف هر ساعتی بر این سیاره از UTC تا نانوثانیه دانسته است، حال آنکه درستیِ خود UTC چیزی برای سنجیده شدن ندارد — به حکم تعریف درست است.
سرشت قراردادی مقیاس بیش از همه در آمادهسازی برچیدن آن آشکار شد. تصمیم به برداشتن درجها از آن رو نبود که چرخش سیاره را ریزتر سنجیدن آموختهاند، بلکه از آن رو که بهای شکستگی بالا رفته است: مهرهای زمانی بورس، ناوبری ماهوارهای و شبکههای ارتباطی از یک ثانیهٔ افزون بیش از آن رنج میبرند که دریانوردان از واگرایی با خورشید رنج ببرند. چون آستانه به صفر رسد، UTC از رسیدن به زمین بازمیماند و نخست دقیقهای در سده و سپس بیش از آن از آن دور میشود — و با آن واگرایی چه باید کرد، نسلهای آینده خواهند گفت.
فهرست · یکاهای اندازهگیری
شناسنامهای برای هر کمیت
هفت یکای پایهٔ SI، بیست و دو یکای برآمده با نام ویژهٔ خود، و کمیتهای بیرون از دستگاه که بی آنها نه فن کار میکند نه گاهشمار.