Az időskálák és a szökőmásodperc
Nem mértékegység, hanem három skála: UTC, TAI és UT1 · mennyiség: egy időpont
2016. december harmincegyedikén a Nemzetközi Földforgás-szolgálat órái 23 órát 59 percet 60 másodpercet mutattak — olyan időt, amely közönséges napon nincs. A másodpercet azért iktatták be, mert a Föld addigra csaknem hat tizedmásodperccel maradt el az atomórák mögött, és beiktatás nélkül az eltérés átlépte volna a megállapodással kijelölt küszöböt. Azóta egyetlen beiktatás sem történt: a bolygó váratlanul gyorsult, és most komolyan szóba került a fordított művelet — olyan másodperc, amelyet nem hozzáadni, hanem törölni kell majd.
Eligazodni ebben csak úgy lehet, ha megkülönböztetünk három dolgot, amelyet a köznyelv egyetlen szóval «időnek» nevez. A TAI az atomskála, amely egyenletesen jár, és a bolygóval nem törődik; az UT1 magának a Földnek a forgásszöge, vagyis csillagászati jelenség a maga természetével; az UTC pedig a kiegyezés skálája: atommásodpercekben jár, de időnként kap egy egész beiktatottat, hogy a bolygótól kilenc tizedmásodpercnél jobban el ne távolodjék. Az elsőt nem lehet beállítani, a másodikat nem lehet előre jelezni, a harmadikat pedig bizottsági döntés szabja meg, és bulletinben nyomtatják ki.
01 · Meghatározás
A Nemzetközi Atomidőt, a TAI-t mintegy kétszázötven, a nemzeti laboratóriumokban szétszórt atomóra állásából állítják össze, és SI-másodpercekben jár, egyetlen javítás nélkül. A világidőt, az UT1-et a Föld forgásszöge adja meg, ezért a bolygóval együtt változtatja járását. Az egyeztetett világidő, az UTC egész számú másodperccel tér el a TAI-tól, és beiktatásokkal tartják közel az UT1-hez; ezeket a Nemzetközi Földforgás-szolgálat hirdeti ki.
Az UTC gondolata az, hogy összekösse az összeköthetetlent: másodperce atomi, egyenletes, alkalmas a fizikához és a híradástechnikához, állása viszont csillagászati, nappalhoz és éjszakához kötött. Az összekötést töréssel fizetik meg: néhány évenként egy fölös másodperc kerül a skálába, a perc ilyenkor hatvanegy másodpercet tartalmaz, és a 23:59:60 bélyeg törvényessé válik. Ezért az UTC a három skála közül az egyetlen, amelynek olyan időpontjai vannak, amelyeket a napok szokásos számlálása nem tud kifejezni.
A küszöb, amelyen túl beiktatást rendelnek el, kilenc tizedmásodperc abszolút értékben, és nem fizikai okokon nyugszik, hanem csillagászok és híradástechnikai mérnökök 1972-ben kötött kiegyezésén. A szolgálat rádióinterferometriával és műholdas megfigyelésekkel követi az UT1 − UTC különbséget, döntését pedig a C bulletinben teszi közzé — évente kétszer, fél évvel a lehetséges időpont előtt, amely vagy június, vagy december végére esik.
Az UTC-t semmilyen műszerrel nem lehet ellenőrizni, mert valódi értéke egyáltalán nincs: a TAI egységként viselkedik, az UT1 jelenségként, az UTC pedig megállapodásként, és állását kihirdetik, nem mérik. A saját óránkat viszont nanoszekundumra össze lehet vetni vele, mert a szolgálat bulletinjei megadják, mennyivel tér el az egyes nemzeti skálák állása a megállapodottól.
A fenti lépcső a TAI − UTC eltolódás, amely egész másodpercekkel nő; a lenti fűrész az UT1 − UTC különbség, amely az elmaradó Földdel együtt kúszik lefelé, és minden beiktatásnál egy másodperccel felugrik. A lenti piros vonalkák a kilenc tized küszöbét jelölik: amint a fűrész megközelíti, a szolgálat új beiktatást rendel el, és mindkét vonal egyszerre lép.
A szaggatott vonal az atomskála, ahol minden másodperc egyenlő az előzővel; a hullámos vonal a Föld forgása, amelyet az árapály súrlódása fékez, s amely mégis kóborol, mert a víz és a levegő átrendeződik, sőt a folyékony mag mozgásai miatt is. A piros vonalkák azok a pillanatok, amikor a szolgálatnak közbe kellett lépnie. Éppen azért, mert a második vonal nem jelezhető előre, a beiktatásokat nem lehet évtizeddel korábban kihirdetni: fél évvel előbb rendelik el őket, megfigyelések alapján.
02 · Átszámítás
Ugyanaz az időpont különböző skálákon
Adjon meg egy időpontot bármely megszokott alakban — tizedes évként, julián dátumként, a Unix-korszak kezdetétől számlált másodpercekként —, és az adatlap megmutatja, hogyan fest ugyanaz az időpont a többi skálán, és mely eltolódások voltak érvényben azon a napon.
Az atomskálák közti átmenetek nanoszekundumra pontosak, mert állandók rögzítik őket: a TT 32,184 s-mal tér el a TAI-tól, a GPS skálája pedig pontosan 19 s-mal. Csak az UT1 sora közelítő: az A bulletinből veszik, a jövőre nézve pedig előrejelzésként adják meg.
A másodpercek számlálása a POSIX szabványban úgy van berendezve, hogy a nap mindig pontosan 86 400-at tartalmazzon, és egy beiktatott másodpercnek nincs mivel kifejeznie magát benne: a rendszer vagy kétszer ismétli ugyanazt az állást, vagy visszaállítja az órát. E csekélység miatt 2012 júniusában a nagy szolgáltatások felének kiszolgálói álltak le, és több vállalat azóta egy egész napra nyújtja a fölös másodpercet, vékony rétegben szétkenve az óráin.
| Érték | Megjegyzés | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Nagyságrendek
logaritmikus skála: a nanoszekundumtól öt óráig04 · Mérőeszközök
Mi tartja a skálákat és mi ellenőrzi őket
Lehűtött atomok felhőjét fölfelé vetik, és kétszer halad át ugyanazon az üregen — emelkedéskor és zuhanáskor —, ami lehetővé teszi az átmenet frekvenciájának tizenhatodik jegyig való mérését. Az ilyen elsődleges etalonok a másodperc hosszát szabják meg, és semmiféle óraállást nem vezetnek: néhány napra kapcsolják be őket, hogy a többi óra járását ellenőrizzék.
A mézer érezhetően egyenletesebben tartja frekvenciáját a szökőkútnál egy órától egy napig terjedő szakaszokon, de lassan oldalra sodródik, ezért a laboratóriumokban a skála őrzőjeként szolgál, nem frekvenciaetalonként: járását néhány naponta elsődleges etalonhoz mérik. Éppen a mézerek adják azt a megszakítatlan állást, amelyből a TAI-t utóbb összeállítják.
Két antenna különböző földrészeken ugyanannak a kvazárnak a zaját fogja, és a jel érkezési idejének különbsége elárulja a Föld állását a távoli források felé. Épp így mérik az UT1-et, mert semmilyen órával nem tudható meg a bolygó forgásszöge — csak megfigyelni lehet, és a szolgálat éjjel-nappal ezt teszi.
Minden műhold atomórákat visz a fedélzetén, és az a vevő, amely négy jelet fogott, nemcsak a helyét állítja vissza, hanem az időt is, néhány tíz nanoszekundum pontossággal. A sugárzott skála azonban a sajátja: a GPS-rendszerben egyáltalán nincs beiktatás, pontosan tizenkilenc másodpercre áll a TAI-tól, az UTC-hez viszonyított aktuális különbség pedig a műhold üzenetének külön mezőjében utazik.
05 · Írásszabályok
Az időbélyeg a skálája nélkül nem bélyeg
A skálák nevét nagybetűvel írják, pont és belső szóköz nélkül, magához az álláshoz pedig mindig hozzáteszik, melyik skálán vették: a Z betűt vagy egy eltolódást az ISO 8601 szabvány írásmódjában, külön TAI vagy GPS megjelölést, ha az idő atomi. A skálák különbségét előjellel és másodpercben írják, elöl azzal a skálával, amelyből kivonnak.
Az első írásmód lehetetlen, mert a beiktatás a nap végén történik UTC szerint, a moszkvai zónában viszont ugyanaz a pillanat hajnali háromra esik, és a bélyeg ekkor 02:59:60. A második egyenlőségjelet tesz a skála és a greenwichi délkör történeti középideje közé, amelyet a metrológiában rég nem használnak. A harmadik összekeveri a kivonás irányát: az atomskála elöl jár, nem hátul. A negyedik pedig bulletinben egyáltalán nem fordulhat elő, mivel a szolgálat köteles jóval azelőtt beiktatni egy másodpercet, hogy a különbség ilyen értéket érne el.
06 · Szomszédos skálák
Mellette állnak mindazok a skálák, amelyek ugyanazt az időt más kezdőpontoktól vagy más vonatkoztatási rendszerben számlálják: a földi idő, a TT, amellyel az efemeridákat számítják, a műholdrendszerek atomskálája és a baricentrikus koordinátaidő, amely számot vet azzal, hogy a Földön az órák másképp járnak, mint a Naprendszer tömegközéppontjában.
beiktatás és javítás nélkül
megfigyelt jelenség
az efemeridák skálája
A Simetrium adatlapjai közül mellette áll másodperc, amely mindhárom skálának megadja az egységét, nap és óra, ahol ugyanaz a forgási egyenetlenség másik oldalról látszik, és időszámítás, amelynél nem az egységek, hanem a kezdőpontok térnek el.
07 · Történeti rész
A másodperc, amelyet előbb kitaláltak, most pedig eltörölnek
Louis Essen és Jack Parry a National Physical Laboratoryban megépítette az első céziumórát, és kellemetlen dolgot fedezett fel: a műszer állandóbbnak bizonyult annál, amihez mérni akarták. Ettől a pillanattól a Föld megszűnt az idő etalonja lenni, és megfigyelés tárgyává vált, nyolc évvel később pedig a másodpercet a céziumátmenet frekvenciájával határozták meg újra.
Az UTC első alakja másképp igazodott a Földhöz: évente egyszer magának a frekvenciának a javítását hirdették ki, úgyhogy a skála másodperce szándékosan eltért az SI-másodperctől, ráadásul az állást időnként tizedekkel tolták el. A hajósoknak ez megfelelt, a fizikusoknak nem, és a nyújtható másodpercről lemondtak, elismerve, hogy egy ritka törés jobb, mint egy tartósan hibás egység.
1972. január elsejétől az UTC egyenletes SI-másodpercekben járt, pontosan tíz másodperccel az atomskála mögött, és jogot kapott a beiktatásokra. A kilenc tizedmásodperces küszöböt középútként választották a tengerészek követelése — akiknek csillagászati kötés kellett — és a híradástechnikai mérnököké között, akiknek folytonosság kellett.
A Súlyok és Mértékek Huszonhetedik Általános Értekezlete úgy határozott, hogy legkésőbb 2035-ig nullára csökkenti a küszöböt, vagyis lemond a beiktatásokról. Az ok nem a programozók kényelme, hanem az, hogy a Föld gyorsulni kezdett: 2020 óta többször is megdőltek a rövid napok rekordjai, és a megszokott beiktatás helyett először lehet szükség egy másodperc törlésére — erre pedig a világon egyetlen rendszer sem készült fel.
Olyan skála, amelynek állását kihirdetik, nem mérik
E katalógus minden mennyiségéhez van műszer, amely meg tudja mondani, mennyi az; és egyedül az UTC-nek nincs ilyen műszere, és nem is lehet. Az atomórák időközöket mérnek, az interferométerek a Föld forgását, azt a kérdést pedig, hogy június végén beiktassanak-e egy másodpercet, emberek döntik el, és bulletinben nyomtatják ki, mert a kilenc tizedmásodperces küszöb megállapodás dolga, nem a természeté. Innen a különös tulajdonság: a bolygó bármely órájának UTC-től való eltérése nanoszekundumra ismert, magának az UTC-nek a helyessége viszont semmihez sem mérhető — meghatározás szerint helyes.
A skála megállapodásos természete a megszüntetésének előkészítésekor mutatkozott meg a legjobban. A beiktatásokat nem azért döntötték el eltávolítani, mert finomabban megtanulták mérni a bolygó forgását, hanem mert a törés ára megnőtt: a tőzsdei időbélyegek, a műholdas navigáció és a híradóhálózatok többet szenvednek egy fölös másodperctől, mint amennyit a tengerészek szenvednének a naptól való eltéréstől. Ha a küszöb nullára csökken, az UTC felhagy a Föld utolérésével, és eltávolodik tőle előbb évszázadonként egy perccel, aztán többel — s hogy ezzel az eltéréssel mit kezdjenek, azt már az eljövendő nemzedékek döntik el.
Katalógus · mértékegységek
Minden mennyiségnek egy adatlap
Hét SI-alapegység, huszonkét saját nevű származtatott és a rendszeren kívüli mennyiségek, amelyek nélkül sem a technika, sem a naptár nem működne.