Aika-asteikot ja karkaussekunti
Ei mittayksikkö vaan kolme asteikkoa: UTC, TAI ja UT1 · suure: ajanhetki
Kolmantenakymmenentenäensimmäisenä joulukuuta 2016 Kansainvälisen maan pyörimisen palvelun kellot näyttivät 23 tuntia 59 minuuttia 60 sekuntia — aikaa, jota tavallisessa vuorokaudessa ei ole. Sekunti lisättiin siksi, että Maa oli siihen päivään mennessä jäänyt atomikelloista jälkeen lähes kuusi kymmenesosaa sekuntia, ja ilman lisäystä ero olisi ylittänyt sopimuksella asetetun kynnyksen. Sen jälkeen lisäyksiä ei ole tehty kertaakaan: planeetta on odottamatta kiihtynyt, ja nyt pohditaan tosissaan päinvastaista toimenpidettä — sekuntia, jota ei lisätä vaan poistetaan.
Tämän selvittää vain erottamalla kolme asiaa, joita puhekieli kutsuu yhdellä sanalla «aika». TAI on atomiasteikko, joka kulkee tasaisesti planeetasta piittaamatta; UT1 on Maan oma kiertokulma, siis tähtitieteellinen ilmiö omine oikkuineen; ja UTC on sovittelun asteikko: se kulkee atomisekunneissa, mutta saa aika ajoin kokonaisen lisätyn sekunnin, jottei eroaisi planeetasta enempää kuin yhdeksän kymmenesosaa sekuntia. Ensimmäistä ei voi säätää, toista ei voi ennustaa, ja kolmas määrätään toimikunnan päätöksellä ja painetaan tiedotteeseen.
01 · Määritelmä
Kansainvälinen atomiaika TAI kootaan noin kahdensadanviidenkymmenen atomikellon lukemista, jotka ovat hajallaan kansallisissa laboratorioissa, ja se kulkee SI-sekunneissa ilman ainuttakaan korjausta. Maailmanaika UT1 määräytyy Maan kiertokulmasta ja muuttaa siksi käyntiään planeetan mukana. Koordinoitu maailmanaika UTC eroaa TAI:sta kokonaisen sekuntimäärän verran ja pidetään lähellä UT1:tä lisäyksillä, jotka Kansainvälinen maan pyörimisen palvelu kuuluttaa.
UTC:n ajatus on liittää yhteen yhteensopimaton: sen sekunti on atomaarinen, tasainen, kelvollinen fysiikkaan ja viestintään, kun taas sen lukema on tähtitieteellinen, sidottu päivään ja yöhön. Liitos maksetaan katkoksella: muutaman vuoden välein asteikkoon tulee ylimääräinen sekunti, minuutissa on silloin kuusikymmentäyksi sekuntia, ja leima 23:59:60 tulee lailliseksi. Siksi UTC on kolmesta asteikosta ainoa, jolla on hetkiä, joita tavallinen vuorokausien luku ei osaa ilmaista.
Kynnys, jonka jälkeen lisäys määrätään, on yhdeksän kymmenesosaa sekuntia itseisarvoltaan, eikä se nojaa fysiikan syihin vaan tähtitieteilijöiden ja viestintäinsinöörien sovitteluun, joka tehtiin vuonna 1972. Palvelu seuraa erotusta UT1 − UTC radiointerferometrialla ja satelliittihavainnoilla ja julkaisee päätöksensä Bulletin C:ssä — kahdesti vuodessa, puoli vuotta ennen mahdollista päivää, joka osuu joko kesäkuun tai joulukuun loppuun.
UTC:tä ei voi tarkistaa millään laitteella, sillä todellista arvoa sillä ei lainkaan ole: TAI käyttäytyy kuin yksikkö, UT1 kuin ilmiö ja UTC kuin sopimus, ja sen lukema kuulutetaan, sitä ei mitata. Oman kellonsa sen sijaan voi verrata siihen nanosekunnin tarkkuudella, sillä palvelun tiedotteet ilmoittavat, kuinka paljon kunkin kansallisen asteikon lukema poikkeaa sovitusta.
Ylempi portaikko on siirtymä TAI − UTC, joka kasvaa kokonaisin sekunnein; alempi saha on erotus UT1 − UTC, joka ryömii alaspäin jälkeen jäävän Maan mukana ja hyppää sekunnin ylös jokaisessa lisäyksessä. Alhaalla olevat punaiset viivat merkitsevät yhdeksän kymmenesosan kynnystä: heti kun saha lähestyy sitä, palvelu määrää uuden lisäyksen, ja molemmat viivat ottavat askeleensa yhtä aikaa.
Katkoviiva on atomiasteikko, jossa jokainen sekunti on edellisen veroinen; aaltoileva viiva on Maan pyöriminen, jota vuorovesikitka jarruttaa ja joka silti harhailee, koska vesi ja ilma jakautuvat uudelleen, ja jopa nestemäisen ytimen liikkeiden vuoksi. Punaiset viivat ovat hetkiä, jolloin palvelun oli puututtava asiaan. Juuri siksi, ettei toista viivaa voi ennustaa, lisäyksiä ei voi kuuluttaa vuosikymmentä etukäteen: ne määrätään puoli vuotta ennen, havaintojen perusteella.
02 · Muunnos
Yksi ja sama hetki eri asteikoilla
Syöttäkää hetki missä tahansa totutussa muodossa — desimaalivuotena, juliaanisena päivänä, sekuntien lukuna Unix-ajanjakson alusta — ja lehti näyttää, miltä sama hetki näyttää muilla asteikoilla ja mitkä siirtymät sinä päivänä olivat voimassa.
Siirtymiset atomiasteikkojen välillä ovat nanosekunnin tarkkoja, koska ne on määrätty vakioilla: TT eroaa TAI:sta 32,184 s ja GPS-asteikko tasan 19 s. Vain UT1:n rivi on likimääräinen: se otetaan Bulletin A:sta ja annetaan tulevaisuudelle ennusteena.
Sekuntien luku POSIX-standardissa on järjestetty niin, että vuorokaudessa on aina tasan 86 400 niitä, eikä lisätylle sekunnille löydy siitä mitään ilmaisukeinoa: järjestelmä joko toistaa saman lukeman kahdesti tai siirtää kellon taaksepäin. Tämän pikkuseikan vuoksi kesäkuussa 2012 kaatuivat puolten suurten palvelujen palvelimet, ja useat yritykset venyttävät siitä lähtien ylimääräisen sekunnin koko vuorokaudelle levittäen sen ohuena kerroksena kelloihinsa.
| Arvo | Huomautus | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Suuruusluokat
logaritminen asteikko: nanosekunnista viiteen tuntiin04 · Mittalaitteet
Millä asteikkoja pidetään ja millä niitä tarkistetaan
Jäähdytettyjen atomien pilvi heitetään ylöspäin ja kulkee kahdesti saman värähtelijän läpi — noustessa ja pudotessa —, mikä sallii siirtymän taajuuden mittaamisen kuudenteentoista numeroon asti. Tällaiset ensiönormaalit määräävät sekunnin pituuden eivätkä pidä kellonaikaa: ne kytketään päälle muutamaksi vuorokaudeksi muiden kellojen käynnin tarkistamiseksi.
Maser pitää taajuutensa tuntuvasti tasaisempana kuin suihkulähde tunnin ja vuorokauden välisillä jaksoilla, mutta ajautuu hitaasti sivuun, ja siksi se palvelee laboratorioissa asteikon vartijana eikä taajuusnormaalina: sen käynti verrataan muutaman vuorokauden välein ensiönormaaliin. Juuri maserit antavat sen katkeamattoman lukeman, josta TAI myöhemmin kootaan.
Kaksi antennia eri mantereilla ottaa vastaan saman kvasaarin kohinan, ja signaalin saapumisajan ero paljastaa Maan asennon kaukaisiin lähteisiin nähden. Juuri näin UT1 mitataan, sillä millään kellolla ei planeetan kiertokulmaa saa selville — sitä voi vain havaita, ja palvelu tekee sitä ympäri vuorokauden.
Jokainen satelliitti kantaa mukanaan atomikelloja, ja vastaanotin, joka on saanut neljä signaalia, palauttaa paitsi paikkansa myös ajan kymmenien nanosekuntien tarkkuudella. Lähetetty asteikko on kuitenkin sen oma: GPS-järjestelmässä ei ole lisäyksiä lainkaan, se on tasan yhdeksäntoista sekuntia TAI:sta, ja voimassa oleva ero UTC:hen kulkee satelliitin sanoman omassa kentässä.
05 · Kirjoitussäännöt
Aikaleima ilman asteikkoaan ei ole leima
Asteikkojen nimet kirjoitetaan isoin kirjaimin, ilman pisteitä ja ilman välejä sisällä, ja itse lukemaan liitetään aina, millä asteikolla se on otettu: kirjain Z tai siirtymä ISO 8601:n mukaisessa kirjoitustavassa, erillinen maininta TAI tai GPS, jos aika on atomaarinen. Asteikkojen erotukset kirjoitetaan etumerkin kanssa ja sekunteina, ja ensimmäisenä on se asteikko, josta vähennetään.
Ensimmäinen kirjoitustapa on mahdoton siksi, että lisäys tehdään vuorokauden lopussa UTC:ssä, kun taas Moskovan vyöhykkeellä sama hetki osuu kello kolmeen yöllä ja leima kuuluu silloin 02:59:60. Toinen panee yhtäläisyysmerkin asteikon ja Greenwichin meridiaanin historiallisen keskiajan välille, jota metrologiassa ei ole enää pitkään aikaan käytetty. Kolmas sekoittaa vähennyslaskun suunnan: atomiasteikko kulkee edellä, ei jäljessä. Neljäs taas ei voi esiintyä tiedotteessa lainkaan, koska palvelu on velvollinen lisäämään sekunnin kauan ennen kuin erotus saavuttaa sellaisen arvon.
06 · Naapuriasteikot
Vierellä ovat kaikki asteikot, jotka laskevat samaa aikaa muista lähtökohdista tai toisessa vertailujärjestelmässä: maanpäällinen aika TT, jolla efemeridit lasketaan, satelliittijärjestelmien atomiasteikko ja barysentrinen koordinaattiaika, joka ottaa huomioon, että kellot Maan pinnalla käyvät toisin kuin Aurinkokunnan massakeskipisteessä.
ilman lisäyksiä ja korjauksia
havaittu ilmiö
efemeridien asteikko
Simetriumin korteista vieressä ovat sekunti, joka antaa kaikille kolmelle asteikolle yksikön, vuorokausi ja tunti, jossa sama pyörimisen epätasaisuus näkyy toiselta puolelta, ja ajanlasku, jossa eivät eroa yksiköt vaan nollakohdat.
07 · Historiallinen osa
Sekunti, joka ensin keksittiin ja nyt lakkautetaan
Louis Essen ja Jack Parry rakensivat National Physical Laboratoryssa ensimmäisen cesiumkellon ja havaitsivat ikävän seikan: laite osoittautui vakaammaksi kuin se, mihin sitä aiottiin verrata. Siitä hetkestä Maa lakkasi olemasta ajan normaali ja muuttui havainnon kohteeksi, ja kahdeksan vuotta myöhemmin sekunti määriteltiin uudelleen cesiumsiirtymän taajuuden avulla.
UTC:n ensimmäinen muoto sopeutui Maahan toisin: kerran vuodessa kuulutettiin korjaus itse taajuuteen, niin että asteikon sekunti erosi tahallaan SI-sekunnista, ja lisäksi lukemaa siirrettiin aika ajoin kymmenesosin. Merenkulkijoille se sopi, fyysikoille ei, ja venyvästä sekunnista luovuttiin tunnustaen, että harvinainen katkos on parempi kuin jatkuvasti väärä yksikkö.
Ensimmäisestä tammikuuta 1972 alkaen UTC kulki tasaisin SI-sekunnein, tasan kymmenen jäljessä atomiasteikkoa, ja sai oikeuden lisäyksiin. Yhdeksän kymmenesosan sekunnin kynnys valittiin keskitieksi merimiesten vaatimusten, jotka tarvitsivat tähtitieteellisen kiinnityksen, ja viestintäinsinöörien vaatimusten välillä, jotka tarvitsivat katkeamattomuutta.
Kahdeskymmenesseitsemäs yleinen paino- ja mittakonferenssi päätti viedä kynnyksen nollaan, toisin sanoen luopua lisäyksistä, viimeistään vuonna 2035. Syy ei ole ohjelmoijien mukavuudessa vaan siinä, että Maa on alkanut kiihtyä: vuodesta 2020 lyhyiden vuorokausien ennätyksiä on rikottu useasti, ja totutun lisäyksen sijaan saatetaan ensi kertaa tarvita sekunnin poistoa — eikä siihen ole maailmassa yksikään järjestelmä valmis.
Asteikko, jonka lukema kuulutetaan eikä mitata
Jokaisella tämän luettelon suureella on laite, joka osaa sanoa, mitä se on, ja vain UTC:llä sellaista laitetta ei ole eikä voi olla. Atomikellot mittaavat aikavälejä, interferometrit mittaavat Maan pyörimistä, kun taas kysymyksen siitä, lisätäänkö sekunti kesäkuun lopussa, ratkaisevat ihmiset ja se painetaan tiedotteeseen, sillä yhdeksän kymmenesosan sekunnin kynnys on sopimuksen eikä luonnon asia. Tästä omituinen ominaisuus: minkä tahansa planeetan kellon poikkeama UTC:stä tunnetaan nanosekunnin tarkkuudella, kun taas itse UTC:n oikeellisuudella ei ole mitään, mihin sitä verrattaisiin — se on oikea määritelmän nojalla.
Asteikon sovittu luonne paljastui parhaiten sen lakkauttamisen valmistelussa. Lisäykset päätettiin poistaa ei siksi, että planeetan pyörimistä olisi opittu mittaamaan hienommin, vaan siksi, että katkoksen hinta on noussut: pörssin aikaleimat, satelliittipaikannus ja viestintäverkot kärsivät ylimääräisestä sekunnista enemmän kuin merimiehet kärsisivät auringosta poikkeamisesta. Kun kynnys viedään nollaan, UTC lakkaa saavuttamasta Maata ja eroaa siitä ensin minuutin vuosisadassa ja sitten enemmän — ja mitä tuolle erolle tehdään, saavat päättää jo tulevat sukupolvet.
Luettelo · mittayksiköt
Kortti jokaiselle suureelle
Seitsemän SI-perusyksikköä, kaksikymmentäkaksi johdettua omine nimineen ja järjestelmän ulkopuolisia suureita, joita ilman ei toimisi tekniikka eikä kalenteri.