시간 척도와 윤초
측정 단위가 아니라 세 가지 척도: UTC, TAI, UT1 · 양: 한 시각
2016년 12월 31일 국제 지구자전 기관의 시계는 23시 59분 60초를 가리켰다 — 여느 하루에는 있지도 않은 시각이다. 그 초를 삽입한 까닭은 그날까지 지구가 원자시계보다 여섯 십분의 일 초 가까이 뒤처졌기 때문이며, 삽입하지 않았다면 벌어짐이 약속으로 정한 문턱을 넘었을 것이다. 그 뒤로는 삽입이 한 번도 없었다. 행성이 뜻밖에 빨라졌고, 이제는 거꾸로 된 조치가 진지하게 논의된다 — 더할 것이 아니라 지워야 할 초가.
이 일은 일상의 말이 「시간」이라는 한 낱말로 부르는 세 가지를 갈라야만 갈피가 잡힌다. TAI는 원자 척도로, 고르게 가며 행성에 아랑곳하지 않는다. UT1은 지구 자체의 자전각, 곧 제 성미를 지닌 천문 현상이다. 그리고 UTC는 절충의 척도다. 원자초로 가되, 행성에서 아홉 십분의 일 초보다 멀어지지 않도록 이따금 온전한 삽입 초를 받는다. 첫째는 맞출 수 없고, 둘째는 미리 알 수 없으며, 셋째는 위원회의 결정으로 정해져 공보에 찍힌다.
01 · 정의
국제 원자시 TAI는 각국 실험실에 흩어진 이백오십 대 남짓한 원자시계의 읽음에서 짜이며, 단 한 번의 보정도 없이 SI 초로 간다. 세계시 UT1은 지구 자전각으로 주어지므로 행성과 함께 걸음을 바꾼다. 협정 세계시 UTC는 TAI와 정수 초만큼 다르며, 국제 지구자전 기관이 고시하는 삽입으로 UT1 가까이에 유지된다.
UTC의 뜻은 이어지지 않는 것을 잇는 데 있다. 그 초는 원자의 것이라 고르고 물리와 통신에 알맞은데, 그 읽음은 천문의 것이라 낮과 밤에 매여 있다. 이 이음은 끊김으로 값을 치른다. 몇 해에 한 번 척도에 여분의 초가 들어와 그 분은 예순한 초를 담고, 표시 23:59:60이 정당해진다. 그리하여 세 척도 가운데 UTC만이, 흔한 날수 셈으로는 나타낼 수 없는 시각을 지닌다.
넘어서면 삽입이 정해지는 문턱은 절댓값으로 아홉 십분의 일 초이며, 물리의 까닭이 아니라 1972년 천문학자와 통신 기술자 사이에 맺어진 절충에 기댄다. 기관은 차 UT1 − UTC를 전파 간섭 측정과 위성 관측으로 뒤쫓고, 그 결정을 공보 C에 싣는다 — 해마다 두 번, 있을 법한 날짜의 반년 전에. 그 날짜는 유월 끝이거나 십이월 끝에 온다.
UTC는 어떤 기계로도 검사할 수 없다. 참값이 아예 없기 때문이다. TAI는 단위처럼, UT1은 현상처럼, UTC는 약속처럼 행동하며, 그 읽음은 재는 것이 아니라 고시된다. 반면 제 시계는 그것과 나노초까지 견줄 수 있다. 기관의 공보가 각국 척도의 읽음이 약속된 척도에서 얼마나 벗어났는지 알려 주기 때문이다.
위쪽 계단은 어긋남 TAI − UTC로, 온전한 초씩 자란다. 아래쪽 톱니는 차 UT1 − UTC로, 뒤처지는 지구와 함께 아래로 기고 삽입 때마다 한 초씩 위로 뛴다. 아래의 붉은 선들은 아홉 십분의 일의 문턱을 짚는다. 톱니가 그것에 다가서기가 무섭게 기관은 새 삽입을 정하고, 두 선은 함께 한 걸음을 뗀다.
점선은 원자 척도로, 거기서는 매 초가 앞선 초와 같다. 물결선은 지구의 자전으로, 조석 마찰이 늦추면서도 헤맨다. 물과 공기가 다시 나뉘고, 심지어 액체 핵의 움직임 때문이기도 하다. 붉은 선들은 기관이 손을 대야 했던 순간이다. 바로 둘째 선을 미리 알 수 없기에 삽입을 십 년 앞서 고시할 수 없다. 관측에 기대어 반년 전에 정한다.
02 · 환산
같은 시각을 서로 다른 척도에서
시각을 익숙한 어떤 꼴로든 넣어 보라 — 십진의 해, 율리우스일, 유닉스 기원의 처음부터 센 초 — 그러면 설명 카드가 같은 시각이 다른 척도에서 어떻게 보이는지, 그날 어떤 어긋남이 유효했는지 보여 준다.
원자 척도들 사이의 옮김은 나노초까지 정확하다. 상수가 정하기 때문으로, TT는 TAI와 32.184 s, GPS 척도는 꼭 19 s만큼 다르다. 어림인 것은 UT1의 줄뿐이다. 공보 A에서 가져오며, 앞날에 대해서는 예보로 준다.
POSIX 표준의 초 셈은 하루가 늘 꼭 86 400 초가 되도록 짜여 있어, 삽입된 초는 그 안에 저를 나타낼 길이 없다. 체계는 같은 읽음을 두 번 되풀이하거나 시계를 되돌린다. 이 사소함 때문에 2012년 유월 큰 서비스 절반의 서버가 주저앉았고, 그 뒤로 여러 회사가 남는 한 초를 온 하루에 늘여 제 시계에 얇게 펴 바른다.
| 값 | 비고 | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · 크기의 차수
로그 척도: 나노초에서 다섯 시간까지04 · 측정 기기
무엇이 척도를 지키고 무엇이 대조하는가
식힌 원자의 구름을 위로 던져 같은 공진기를 두 번 지나게 한다 — 오를 때와 떨어질 때 — 그리하여 전이의 진동수를 열여섯째 자리까지 잴 수 있다. 이런 일차 표준은 초의 길이를 정할 뿐 시각의 읽음은 지니지 않는다. 다른 시계들의 걸음을 검사하려 며칠만 켜 둔다.
메이저는 한 시간에서 하루까지의 구간에서 분수형보다 훨씬 고르게 진동수를 지키지만 천천히 옆으로 밀린다. 그래서 실험실에서는 진동수의 표준이 아니라 척도의 지킴이 노릇을 한다. 그 걸음은 며칠마다 일차 표준과 견준다. TAI를 나중에 짜는 그 끊이지 않는 읽음을 주는 것이 바로 메이저다.
서로 다른 대륙의 안테나 둘이 같은 준성의 잡음을 받고, 신호가 닿는 시각의 차가 먼 원천에 대한 지구의 방향을 드러낸다. UT1은 바로 이렇게 잰다. 행성의 자전각은 어떤 시계로도 알 수 없고 오직 관측할 수 있을 뿐이며, 기관은 그 일을 밤낮으로 한다.
위성마다 원자시계를 싣고 있으며, 신호 넷을 잡은 수신기는 제 자리뿐 아니라 시각까지 수십 나노초의 정확도로 되찾는다. 다만 보내는 척도는 제 것이다. GPS 체계에는 삽입이 아예 없고, TAI에서 꼭 열아홉 초 떨어져 서 있으며, UTC와의 현재 차는 위성 전문의 따로 난 난을 타고 간다.
05 · 표기 규칙
척도를 밝히지 않은 시각 표시는 표시가 아니다
척도의 이름은 대문자로 적고, 점을 찍지 않으며 안에 사이를 두지 않는다. 읽음 자체에는 어느 척도에서 얻은 것인지 늘 덧붙인다. 글자 Z이거나 ISO 8601 표준의 적는 법에 따른 어긋남이며, 시각이 원자의 것이면 TAI나 GPS를 따로 밝힌다. 척도의 차는 부호를 붙여 초로 적고, 빼는 쪽 척도를 앞에 놓는다.
첫째 적는 법은 있을 수 없다. 삽입은 UTC로 하루의 끝에 이루어지는데, 모스크바 띠에서는 같은 순간이 새벽 세 시에 오고 표시는 02:59:60이 되기 때문이다. 둘째는 척도와 그리니치 자오선의 옛 평균시 사이에 등호를 놓는데, 후자는 계량학에서 오래전에 쓰이지 않는다. 셋째는 뺄셈의 방향을 뒤집는다. 원자 척도가 앞서 가지, 뒤처지지 않는다. 넷째는 공보에 아예 나올 수 없다. 차가 그런 값에 이르기 훨씬 전에 기관은 한 초를 삽입할 의무가 있기 때문이다.
06 · 이웃한 척도
그 곁에는 같은 시간을 다른 기점에서, 또는 다른 기준계에서 세는 모든 척도가 선다. 역표를 셈하는 지구시 TT, 위성 체계의 원자 척도, 그리고 지구 위의 시계가 태양계 질량중심에서와 달리 간다는 점을 셈에 넣는 질량중심 좌표시다.
삽입도 보정도 없이
관측되는 현상
역표의 척도
Simetrium의 자료표 가운데 곁에 있는 것은 초, 세 척도 모두에 단위를 주는 것, 하루 와 시간, 같은 자전의 고르지 않음이 다른 쪽에서 보이는 것, 그리고 기년법, 단위가 아니라 기점이 다른 것.
07 · 역사 부문
먼저 만들어졌다가 이제 없애려는 초
루이스 에센과 잭 패리는 국립 물리 연구소에서 첫 세슘 시계를 만들고 달갑지 않은 것을 알아냈다. 그 기계가, 그것을 검사하려던 대상보다 더 안정했던 것이다. 그 순간부터 지구는 시간의 표준이기를 그치고 관측의 대상이 되었으며, 여덟 해 뒤 초는 세슘 전이의 진동수로 다시 정의되었다.
UTC의 첫 모습은 다른 방식으로 지구에 맞추었다. 해마다 한 번 진동수 자체의 보정을 고시해 척도의 초가 일부러 SI 초와 달라지게 했고, 게다가 읽음을 이따금 십분의 일씩 옮겼다. 뱃사람에게는 알맞았으나 물리학자에게는 그렇지 않았고, 늘어나는 초는 버려졌다. 드문 끊김이 늘 틀린 단위보다 낫다고 인정하면서.
1972년 1월 1일부터 UTC는 고른 SI 초로 갔고, 원자 척도보다 꼭 열 초 뒤에 서서 삽입의 권리를 얻었다. 아홉 십분의 일 초의 문턱은 천문과의 이음이 필요했던 뱃사람의 요구와, 끊이지 않음이 필요했던 통신 기술자의 요구 사이의 가운뎃길로 골랐다.
제27차 국제 도량형 총회는 늦어도 2035년까지 문턱을 영으로 낮추기로, 곧 삽입을 그만두기로 결정했다. 까닭은 프로그래머의 편함이 아니라 지구가 빨라지기 시작했다는 데 있다. 2020년 이후 짧은 하루의 기록이 여러 번 깨졌고, 늘 하던 삽입 대신 처음으로 한 초를 지워야 할 수도 있다 — 그것에 대비된 체계는 세상에 하나도 없다.
읽음을 재지 않고 고시하는 척도
이 목록의 어떤 양에도 그것이 얼마인지 말해 줄 기계가 있는데, 오직 UTC에만 그런 기계가 없고 있을 수도 없다. 원자시계는 사이를 재고 간섭계는 지구의 자전을 재지만, 유월 끝에 한 초를 삽입할지 말지는 사람이 가리고 공보에 찍힌다. 아홉 십분의 일 초의 문턱은 약속의 일이지 자연의 일이 아니기 때문이다. 여기서 야릇한 성질이 생긴다. 이 행성 어느 시계든 UTC에서 벗어난 정도는 나노초까지 알려져 있는데, 정작 UTC 자체의 옳음은 견줄 것이 없다 — 정의에 따라 옳다.
척도의 약속에 기댄 본바탕은 그것을 없애려는 준비에서 가장 또렷이 드러났다. 삽입을 걷어내기로 한 것은 행성의 자전을 더 잘게 재게 되어서가 아니라 끊김의 값이 올랐기 때문이다. 거래소의 시각 표시, 위성 항법, 통신망은 남는 한 초 때문에, 뱃사람이 해와 벌어져 겪을 고생보다 더한 고생을 한다. 문턱이 영으로 낮아지면 UTC는 지구를 따라잡기를 그치고 처음에는 한 세기에 일 분, 뒤에는 그보다 더 멀어질 것이다 — 그 벌어짐을 어찌할지는 이제 올 세대가 정할 몫이다.
목록 · 측정 단위
양마다 하나의 자료표
SI 기본단위 일곱, 고유한 이름을 가진 유도단위 스물둘, 그리고 그것 없이는 기술도 달력도 굴러가지 않는 계 밖의 양들.