Tidsskalaene og skuddsekundet
Ingen måleenhet, men tre skalaer: UTC, TAI og UT1 · størrelse: et tidspunkt
Den trettiførste desember 2016 viste klokkene ved Den internasjonale jordrotasjonstjenesten 23 timer 59 minutter 60 sekunder — et klokkeslett som ikke finnes i et vanlig døgn. Sekundet ble skutt inn fordi jorda til den dagen var kommet nesten seks tideler av et sekund etter atomklokkene, og uten innskuddet ville avviket ha gått over terskelen som er satt ved avtale. Siden har det ikke vært et eneste innskudd: planeten har uventet satt opp farten, og nå drøftes for alvor den motsatte handlingen — et sekund som ikke skal legges til, men strykes.
Man finner ut av dette bare ved å skille mellom tre ting som dagligtalen kaller med ett ord, «tid». TAI er atomskalaen, som går jevnt uten å bry seg om planeten; UT1 er jordas egen dreievinkel, altså et astronomisk fenomen med sitt eget lynne; og UTC er kompromissets skala: den går i atomsekunder, men får fra tid til annen et helt innskutt sekund, for ikke å skille seg fra planeten med mer enn ni tideler av et sekund. Den første lar seg ikke justere, den andre lar seg ikke forutsi, og den tredje fastsettes ved vedtak i et utvalg og trykkes i en bulletin.
01 · Definisjon
Den internasjonale atomtiden TAI settes sammen av visningene fra rundt to hundre og femti atomklokker spredt over de nasjonale laboratoriene og går i SI-sekunder uten en eneste rettelse. Verdenstiden UT1 er gitt ved jordas dreievinkel og skifter derfor gang med planeten. Koordinert verdenstid UTC skiller seg fra TAI med et helt antall sekunder og holdes nær UT1 ved innskudd som kunngjøres av Den internasjonale jordrotasjonstjenesten.
Tanken bak UTC er å føye sammen det uforenlige: sekundet er atomært, jevnt, brukbart for fysikken og for sambandet, mens visningen er astronomisk, bundet til dag og natt. Sammenføyningen betales med et brudd: annethvert år eller så kommer et ekstra sekund inn i skalaen, minuttet inneholder da sekstien sekunder, og stempelet 23:59:60 blir lovlig. Derfor er UTC den eneste av de tre skalaene med tidspunkter som den vanlige tellingen av døgn ikke kan uttrykke.
Terskelen som et innskudd fastsettes over, er ni tideler av et sekund i tallverdi, og den hviler ikke på fysiske grunner, men på et kompromiss mellom astronomer og sambandsingeniører, inngått i 1972. Tjenesten følger forskjellen UT1 − UTC med radiointerferometri og satellittobservasjoner og kunngjør vedtaket sitt i Bulletin C — to ganger i året, et halvt år før den mulige datoen, som faller enten i slutten av juni eller i slutten av desember.
UTC kan ikke prøves med noe instrument, for en sann verdi har den slett ikke: TAI oppfører seg som en enhet, UT1 som et fenomen, og UTC som en avtale, og visningen kunngjøres, den måles ikke. Til gjengjeld kan ens egen klokke sammenlignes med den på nanosekundet, for bulletinene fra tjenesten angir hvor mye visningen til hver nasjonale skala skiller seg fra den avtalte.
Trappen øverst er forskyvningen TAI − UTC, som vokser med hele sekunder; saga nederst er forskjellen UT1 − UTC, som kryper nedover sammen med den etterblivende jorda og hopper ett sekund oppover ved hvert innskudd. De røde strekene nederst merker terskelen på ni tideler: så snart saga nærmer seg den, fastsetter tjenesten et nytt innskudd, og begge linjene tar skrittet sitt samtidig.
Den stiplede linjen er atomskalaen, der hvert sekund er likt det forrige; den bølgede linjen er jordas dreining, bremset av tidevannsfriksjonen og samtidig omflakkende fordi vann og luft fordeles på nytt, og til og med på grunn av bevegelser i den flytende kjernen. De røde strekene er øyeblikkene da tjenesten måtte gripe inn. Nettopp fordi den andre linjen ikke lar seg forutsi, kan innskudd ikke kunngjøres et tiår i forveien: de fastsettes et halvt år før, ut fra observasjoner.
02 · Omregning
Ett og samme tidspunkt i ulike skalaer
Legg inn et tidspunkt i hvilken som helst vanlig form — som desimalår, som juliansk dato, som telling av sekunder siden Unix-epokens begynnelse — og bladet viser hvordan det samme tidspunktet ser ut i de øvrige skalaene og hvilke forskyvninger som gjaldt den dagen.
Overgangene mellom atomskalaene er nøyaktige på nanosekundet, siden de er fastlagt ved konstanter: TT skiller seg fra TAI med 32,184 s, og GPS-skalaen med nøyaktig 19 s. Bare linjen med UT1 er tilnærmet: den hentes fra Bulletin A og gis for framtiden som varsel.
Tellingen av sekunder i POSIX-standarden er innrettet slik at døgnet alltid har nøyaktig 86 400 av dem, og et innskutt sekund finner ingenting der å uttrykkes med: systemet gjentar enten den samme visningen to ganger eller stiller klokka tilbake. På grunn av denne bagatellen falt i juni 2012 tjenerne hos halvparten av de store tjenestene, og flere selskaper strekker siden det ekstra sekundet ut over et helt døgn ved å smøre det i et tynt lag utover klokkene sine.
| Verdi | Merknad | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Størrelsesordener
logaritmisk skala: fra nanosekundet til fem timer04 · Måleinstrumenter
Hva som holder skalaene, og hva som prøver dem
En sky av avkjølte atomer kastes oppover og går to ganger gjennom den samme resonatoren — på veien opp og i fallet —, noe som lar overgangens frekvens måles til sekstende siffer. Slike primærnormaler fastlegger sekundets lengde og fører ingen visning av klokkeslettet: de slås på i noen døgn for å prøve gangen til de øvrige klokkene.
Maseren holder frekvensen sin merkbart jevnere enn fontenen over tidsrom fra en time til et døgn, men driver langsomt til siden, og derfor tjener den i laboratoriene som skalaens vokter og ikke som frekvensnormal: gangen dens sammenlignes med noen døgns mellomrom med en primærnormal. Det er maserne som gir den ubrutte visningen som TAI siden settes sammen av.
To antenner på ulike verdensdeler tar imot støyen fra én og samme kvasar, og forskjellen i signalets ankomsttid røper jordas retning i forhold til fjerne kilder. Nettopp slik måles UT1, for med ingen klokke kan planetens dreievinkel bringes på det rene — den kan bare iakttas, og tjenesten gjør det døgnet rundt.
Hver satellitt bærer atomklokker om bord, og en mottaker som har fanget fire signaler, gjenskaper ikke bare stedet sitt, men også klokkeslettet med titalls nanosekunders nøyaktighet. Skalaen som sendes, er likevel dens egen: GPS-systemet har ingen innskudd i det hele tatt, det står nøyaktig nitten sekunder fra TAI, og den løpende forskjellen mot UTC reiser i et eget felt i satellittens melding.
05 · Skriveregler
Et tidsstempel uten skalaen sin er ikke noe stempel
Navnene på skalaene skrives med store bokstaver, uten punktum og uten mellomrom inni, og til selve visningen føyes alltid i hvilken skala den er tatt: bokstaven Z eller en forskyvning i skrivemåten etter ISO 8601, en egen angivelse av TAI eller GPS dersom tiden er atomær. Forskjeller mellom skalaer skrives med fortegn og i sekunder, med den skalaen det trekkes fra satt først.
Den første skrivemåten er umulig fordi innskuddet gjøres ved slutten av døgnet i UTC, mens det samme øyeblikket i Moskvas sone faller klokka tre om natta og stempelet da lyder 02:59:60. Den andre setter likhetstegn mellom skalaen og den historiske middeltiden ved Greenwich-meridianen, som for lengst ikke brukes i metrologien. Den tredje forveksler retningen på subtraksjonen: atomskalaen går foran, ikke etter. Og den fjerde kan overhodet ikke forekomme i en bulletin, siden tjenesten er pliktig til å skyte inn et sekund lenge før forskjellen når en slik verdi.
06 · Naboskalaer
Ved siden av står alle skalaene som teller den samme tiden fra andre utgangspunkter eller i et annet referansesystem: terrestrisk tid TT, som efemerider regnes ut med, atomskalaen til satellittsystemene og barysentrisk koordinattid, som tar hensyn til at klokker på jorda går annerledes enn i solsystemets massemiddelpunkt.
uten innskudd og rettelser
et iakttatt fenomen
efemeridenes skala
Blant databladene til Simetrium står ved siden av sekund, som gir alle tre skalaene enheten deres, døgn og time, der den samme ujevnheten i dreiningen ses fra en annen kant, og tidsregning, der det ikke er enhetene som skiller seg, men nullpunktene.
07 · Historisk del
Sekundet man først fant på og nå avskaffer
Louis Essen og Jack Parry bygde ved National Physical Laboratory den første cesiumklokka og oppdaget noe ubehagelig: instrumentet viste seg å være stødigere enn det man hadde tenkt å prøve det mot. Fra det øyeblikket sluttet jorda å være tidens normal og ble gjenstand for iakttakelse, og åtte år senere ble sekundet bestemt på nytt ved frekvensen til cesiumovergangen.
Den første utgaven av UTC rettet seg etter jorda på et annet vis: en gang i året ble det kunngjort en rettelse av selve frekvensen, slik at skalaens sekund med vilje skilte seg fra SI-sekundet, og dessuten ble visningen fra tid til annen flyttet med tideler. Sjøfarende passet det, fysikerne ikke, og man gav opp det tøyelige sekundet med den erkjennelsen at et sjeldent brudd er bedre enn en stadig uriktig enhet.
Fra første januar 1972 gikk UTC i jevne SI-sekunder, nøyaktig ti etter atomskalaen, og fikk rett til innskudd. Terskelen på ni tideler av et sekund ble valgt som mellomvei mellom kravene fra sjøfolkene, som trengte en astronomisk tilknytning, og fra sambandsingeniørene, som trengte uavbrutthet.
Den tjuesjuende generalkonferansen for mål og vekt vedtok å føre terskelen til null, det vil si å gi opp innskuddene, senest i 2035. Grunnen ligger ikke i programmerernes bekvemmelighet, men i at jorda har begynt å sette opp farten: siden 2020 er rekorder for korte døgn slått flere ganger, og i stedet for det vante innskuddet kan det for første gang bli nødvendig å stryke et sekund — og til det er ikke noe system i verden beredt.
En skala hvis visning kunngjøres og ikke måles
Enhver størrelse i denne katalogen har et instrument som kan si hva den er lik, og bare UTC har ikke noe slikt instrument og kan ikke ha det. Atomklokker måler intervaller, interferometre måler jordas dreining, mens spørsmålet om et sekund skal skytes inn ved slutten av juni, avgjøres av mennesker og trykkes i en bulletin, for terskelen på ni tideler av et sekund er et spørsmål om avtale og ikke om naturen. Herav en underlig egenskap: avviket fra UTC hos hvilken som helst klokke på planeten er kjent på nanosekundet, mens riktigheten til UTC selv ikke har noe å prøves mot — den er riktig ifølge definisjonen.
Skalaens avtalte natur kom klarest fram under forberedelsen av avskaffelsen. Man vedtok å fjerne innskuddene ikke fordi man hadde lært å måle planetens dreining finere, men fordi prisen på bruddet er steget: børsens tidsstempler, satellittnavigasjonen og sambandsnettene lider under et ekstra sekund mer enn sjøfolk ville lide under et avvik fra sola. Når terskelen føres til null, slutter UTC å hente inn jorda og skiller seg fra den først med ett minutt per århundre og siden med mer — og hva som skal gjøres med det avviket, får kommende slekter avgjøre.
Katalog · måleenheter
Et datablad for hver størrelse
Sju SI-basisenheter, tjueto avledede med egne navn og størrelser utenfor systemet, som verken teknikken eller kalenderen klarer seg uten.