Skale czasu i sekunda przestępna
Nie jednostka miary, lecz trzy skale: UTC, TAI i UT1 · wielkość: chwila
Trzydziestego pierwszego grudnia 2016 roku zegary Międzynarodowej Służby Ruchu Obrotowego Ziemi wskazywały 23 godziny 59 minut 60 sekund — godzinę, której w zwykłej dobie nie ma. Sekundę wstawiono dlatego, że Ziemia do owego dnia spóźniła się względem zegarów atomowych o niemal sześć dziesiątych sekundy, a bez wstawienia rozbieżność przekroczyłaby próg wyznaczony umową. Od tego czasu nie było ani jednego wstawienia: planeta niespodziewanie przyspieszyła i poważnie rozważa się teraz czynność odwrotną — sekundę, której nie trzeba będzie dodać, lecz skreślić.
Rozeznać się w tym można jedynie odróżniwszy trzy rzeczy, które mowa potoczna nazywa jednym słowem «czas». TAI to skala atomowa, biegnąca równo i nie dbająca o planetę; UT1 to kąt obrotu samej Ziemi, czyli zjawisko astronomiczne o własnym charakterze; UTC zaś to skala kompromisu: biegnie w sekundach atomowych, lecz co jakiś czas dostaje całą wstawioną, by nie oddalić się od planety więcej niż o dziewięć dziesiątych sekundy. Pierwszej nie da się nastawić, drugiej nie da się przewidzieć, a trzecią wyznacza decyzja komitetu i drukuje biuletyn.
01 · Definicja
Międzynarodowy czas atomowy TAI składa się ze wskazań około dwustu pięćdziesięciu zegarów atomowych rozsianych po laboratoriach narodowych i biegnie w sekundach SI bez jednej poprawki. Czas uniwersalny UT1 wyznacza kąt obrotu Ziemi i dlatego zmienia bieg wraz z planetą. Uniwersalny czas koordynowany UTC różni się od TAI o całkowitą liczbę sekund i utrzymywany jest blisko UT1 dzięki wstawieniom ogłaszanym przez Międzynarodową Służbę Ruchu Obrotowego Ziemi.
Zamysłem UTC jest połączyć to, czego połączyć się nie da: jego sekunda jest atomowa, równa, zdatna do fizyki i do łączności, wskazanie zaś astronomiczne, związane z dniem i nocą. Połączenie płaci się wyłomem: raz na kilka lat wchodzi do skali sekunda nadliczbowa, minuta ma wtedy sześćdziesiąt jeden sekund, a znacznik 23:59:60 staje się prawomocny. Dlatego UTC jest jedyną z trzech skal mającą chwile, których zwykła rachuba dób wyrazić nie potrafi.
Próg, po którego przekroczeniu wyznacza się wstawienie, wynosi dziewięć dziesiątych sekundy co do wartości bezwzględnej i opiera się nie na przesłankach fizycznych, lecz na kompromisie astronomów i inżynierów łączności, zawartym w 1972 roku. Służba śledzi różnicę UT1 − UTC radiointerferometrią i obserwacjami satelitarnymi, a swoją decyzję ogłasza w Biuletynie C — dwa razy w roku, pół roku przed możliwą datą, która przypada na koniec czerwca albo na koniec grudnia.
UTC nie da się sprawdzić żadnym przyrządem, gdyż wartości prawdziwej wcale nie ma: TAI zachowuje się jak jednostka, UT1 jak zjawisko, a UTC jak umowa, i jego wskazanie się ogłasza, a nie mierzy. Za to własny zegar można z nim porównać co do nanosekundy, ponieważ biuletyny służby podają, o ile wskazanie każdej skali narodowej odbiega od uzgodnionej.
Schody u góry to przesunięcie TAI − UTC, rosnące o całe sekundy; piła u dołu to różnica UT1 − UTC, pełznąca w dół wraz ze spóźniającą się Ziemią i skacząca o sekundę w górę przy każdym wstawieniu. Czerwone kreski na dole znaczą próg dziewięciu dziesiątych: gdy tylko piła się do niego zbliży, służba wyznacza nowe wstawienie i obie linie robią swój krok naraz.
Linia przerywana to skala atomowa, w której każda sekunda równa się poprzedniej; linia falista to obrót Ziemi, hamowany tarciem pływów i zarazem błądzący, ponieważ woda i powietrze się przemieszczają, a nawet z powodu ruchów w ciekłym jądrze. Czerwone kreski to chwile, w których służba musiała wkroczyć. Właśnie dlatego, że drugiej linii nie da się przewidzieć, wstawień nie można ogłaszać na dziesięć lat naprzód: wyznacza się je pół roku wcześniej, na podstawie obserwacji.
02 · Przeliczanie
Ta sama chwila w różnych skalach
Wpiszcie chwilę w dowolnej zwyczajnej postaci — jako rok dziesiętny, jako datę juliańską, jako rachubę sekund od początku epoki Uniksa — a karta pokaże, jak ta sama chwila wygląda w pozostałych skalach i jakie przesunięcia obowiązywały owego dnia.
Przejścia między skalami atomowymi są dokładne co do nanosekundy, bo wyznaczają je stałe: TT różni się od TAI o 32,184 s, a skala GPS dokładnie o 19 s. Jedynie wiersz z UT1 jest przybliżony: bierze się go z Biuletynu A, a na przyszłość podaje jako prognozę.
Rachuba sekund w normie POSIX urządzona jest tak, że doba ma ich zawsze dokładnie 86 400, a wstawiona sekunda nie ma się w niej czym wyrazić: układ albo powtarza dwa razy to samo wskazanie, albo cofa zegar. Przez ten drobiazg w czerwcu 2012 roku padły serwery połowy wielkich serwisów, a kilka firm od tamtej pory rozciąga zbędną sekundę na całą dobę, rozsmarowując ją cienką warstwą po swoich zegarach.
| Wartość | Uwaga | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Rzędy wielkości
skala logarytmiczna: od nanosekundy do pięciu godzin04 · Przyrządy pomiarowe
Czym trzyma się skale i czym się je sprawdza
Chmurę schłodzonych atomów wyrzuca się w górę i przepuszcza dwa razy przez ten sam rezonator — przy wznoszeniu i przy opadaniu — co pozwala zmierzyć częstość przejścia do szesnastej cyfry. Takie wzorce pierwotne wyznaczają długość sekundy i nie prowadzą żadnego wskazania czasu: włącza się je na kilka dób, by sprawdzić chód pozostałych zegarów.
Maser trzyma swoją częstość znacznie równiej niż fontanna na odcinkach od godziny do doby, ale powoli zbacza w bok, i dlatego w laboratoriach służy za strażnika skali, a nie za wzorzec częstości: jego chód porównuje się co kilka dób z wzorcem pierwotnym. To właśnie masery dają owo nieprzerwane wskazanie, z którego później składa się TAI.
Dwie anteny na różnych kontynentach odbierają szum tego samego kwazara, a różnica czasu przyjścia sygnału zdradza ustawienie Ziemi względem odległych źródeł. Właśnie tak mierzy się UT1, bo żadnym zegarem kąta obrotu planety poznać się nie da — można go tylko obserwować, a służba czyni to bez przerwy.
Każdy satelita niesie na pokładzie zegary atomowe, a odbiornik, który złapał cztery sygnały, odtwarza nie tylko swoje miejsce, ale i czas z dokładnością dziesiątek nanosekund. Nadawana skala jest jednak własna: układ GPS nie ma żadnych wstawień, stoi dokładnie dziewiętnaście sekund od TAI, a bieżąca różnica względem UTC wędruje w osobnym polu depeszy satelity.
05 · Zasady zapisu
Znacznik czasu bez swojej skali nie jest znacznikiem
Nazwy skal pisze się wielkimi literami, bez kropek i bez odstępów w środku, a do samego wskazania dodaje się zawsze, w której skali zostało wzięte: literę Z albo przesunięcie w zapisie normy ISO 8601, osobną wzmiankę TAI czy GPS, jeśli czas jest atomowy. Różnice skal pisze się ze znakiem i w sekundach, stawiając na pierwszym miejscu tę, od której się odejmuje.
Pierwszy zapis jest niemożliwy, bo wstawienia dokonuje się na końcu doby w UTC, podczas gdy w strefie moskiewskiej ta sama chwila przypada na trzecią w nocy i znacznik brzmi wtedy 02:59:60. Drugi stawia znak równości między skalą a historycznym czasem średnim południka Greenwich, w metrologii dawno nieużywanym. Trzeci myli kierunek odejmowania: skala atomowa idzie przodem, nie z tyłu. Czwarty zaś w biuletynie w ogóle wystąpić nie może, gdyż służba jest zobowiązana wstawić sekundę na długo przedtem, nim różnica osiągnie taką wartość.
06 · Skale sąsiednie
Obok stoją wszystkie skale liczące ten sam czas od innych początków albo w innym układzie odniesienia: czas ziemski TT, którym oblicza się efemerydy, skala atomowa układów satelitarnych i barycentryczny czas współrzędnych, uwzględniający to, że zegary na Ziemi chodzą inaczej niż w środku masy Układu Słonecznego.
bez wstawień i poprawek
zjawisko obserwowane
skala efemeryd
Spośród kart Simetrium obok stoją sekunda, która nadaje jednostkę wszystkim trzem skalom, doba i godzina, gdzie tę samą nierównomierność obrotu widać z innej strony, oraz rachuba lat, w którym różnią się nie jednostki, lecz początki.
07 · Dział historyczny
Sekunda, którą najpierw wymyślono, a teraz się znosi
Louis Essen i Jack Parry zbudowali w National Physical Laboratory pierwszy zegar cezowy i odkryli rzecz przykrą: przyrząd okazał się stabilniejszy niż to, czym zamierzano go sprawdzać. Od tej chwili Ziemia przestała być wzorcem czasu i stała się przedmiotem obserwacji, a osiem lat później sekundę określono na nowo częstością przejścia cezu.
Pierwsza postać UTC dostosowywała się do Ziemi inaczej: raz do roku ogłaszano poprawkę samej częstości, tak że sekunda skali umyślnie różniła się od sekundy SI, a nadto co jakiś czas przesuwano wskazanie o dziesiąte części. Żeglarzom to odpowiadało, fizykom nie, i zrezygnowano z sekundy rozciągliwej, przyznając, że rzadki wyłom jest lepszy niż jednostka stale błędna.
Od pierwszego stycznia 1972 roku UTC biegło w równych sekundach SI, dokładnie dziesięć za skalą atomową, i uzyskało prawo do wstawień. Próg dziewięciu dziesiątych sekundy obrano jako drogę pośrednią między żądaniami marynarzy, którzy potrzebowali związku z astronomią, a inżynierów łączności, którzy potrzebowali ciągłości.
Dwudziesta siódma Generalna Konferencja Miar postanowiła sprowadzić próg do zera, to jest zrezygnować z wstawień, najpóźniej w 2035 roku. Powód tkwi nie w wygodzie programistów, lecz w tym, że Ziemia zaczęła przyspieszać: od 2020 roku rekordy krótkich dób padały kilkakrotnie, a zamiast zwykłego wstawienia może po raz pierwszy okazać się potrzebne skreślenie sekundy — a na to nie jest gotowy żaden układ na świecie.
Skala, której wskazanie się ogłasza, a nie mierzy
Każda wielkość w tym katalogu ma przyrząd zdolny powiedzieć, ile wynosi, i tylko UTC takiego przyrządu nie ma i mieć nie może. Zegary atomowe mierzą odstępy, interferometry mierzą obrót Ziemi, natomiast pytanie, czy wstawić sekundę na końcu czerwca, rozstrzygają ludzie i drukuje się je w biuletynie, bo próg dziewięciu dziesiątych sekundy jest rzeczą umowy, a nie przyrody. Stąd osobliwa właściwość: odchylenie od UTC dowolnego zegara na planecie znane jest co do nanosekundy, podczas gdy poprawność samego UTC nie ma się z czym porównać — jest ono poprawne z definicji.
Umowna natura skali objawiła się najlepiej przy przygotowaniach do jej zniesienia. Postanowiono usunąć wstawienia nie dlatego, że nauczono się mierzyć obrót planety subtelniej, lecz dlatego, że cena wyłomu wzrosła: znaczniki giełdowe, nawigacja satelitarna i sieci łączności cierpią z powodu zbędnej sekundy bardziej, niż marynarze cierpieliby z powodu rozbieżności ze słońcem. Gdy próg zostanie sprowadzony do zera, UTC przestanie doganiać Ziemię i oddali się od niej najpierw o minutę na stulecie, a potem o więcej — a co z tą rozbieżnością począć, rozstrzygną już przyszłe pokolenia.
Katalog · jednostki miary
Karta dla każdej wielkości
Siedem jednostek podstawowych SI, dwadzieścia dwie pochodne z własnymi nazwami i wielkości spoza układu, bez których nie działałaby ani technika, ani kalendarz.