Шкалы времени и високосная секунда
Не единица измерения, а три шкалы: UTC, TAI и UT1 · величина: момент времени
Тридцать первого декабря 2016 года часы Международной службы вращения Земли показали 23 часа 59 минут 60 секунд — время, которого в обычных сутках не бывает. Секунду вставили потому, что Земля к тому дню отстала от атомных часов почти на шесть десятых секунды, и, если бы её не вставили, расхождение перешло бы порог, установленный соглашением. С тех пор вставок не было ни разу: планета неожиданно ускорилась, и теперь всерьёз обсуждают обратную операцию — секунду, которую придётся не добавить, а вычеркнуть.
Разобраться в этом можно, только различив три вещи, которые в обиходе называют одним словом «время». TAI — атомная шкала, идущая ровно и без оглядки на планету; UT1 — угол поворота самой Земли, то есть астрономическое явление со своим нравом; а UTC — шкала-компромисс, которая идёт атомными секундами, но время от времени получает целую вставку, чтобы не разойтись с планетой больше чем на девять десятых секунды. Первую нельзя подправить, вторую нельзя предсказать, а третью назначают решением комитета и печатают в бюллетене.
01 · Определение
Международное атомное время TAI складывается из показаний двух с половиной сотен атомных часов, разбросанных по национальным лабораториям, и идёт секундами СИ без единой поправки. Всемирное время UT1 задано углом поворота Земли и потому меняет ход вместе с планетой. Координированное всемирное время UTC отличается от TAI на целое число секунд и удерживается вблизи UT1 вставками, объявляемыми Международной службой вращения Земли.
Замысел UTC в том, чтобы соединить несоединимое: секунда у неё атомная, ровная, годная для физики и связи, а показание — астрономическое, привязанное к дню и ночи. Соединение достигается ценой разрыва: раз в несколько лет в шкалу добавляют лишнюю секунду, и минута тогда содержит шестьдесят одну секунду, а метка 23:59:60 становится законной. Оттого UTC — единственная из трёх шкал, у которой есть моменты, не выражаемые обычным счётом суток.
Порог, за которым вставку назначают, равен девяти десятым секунды по модулю, и выдержан он не из физических соображений, а из компромисса между астрономами и связистами, заключённого в 1972 году. Служба следит за разностью UT1 − UTC по данным радиоинтерферометрии и спутниковых наблюдений, а решение публикует в бюллетене C — дважды в год, за полгода до возможной даты, приходящейся либо на конец июня, либо на конец декабря.
Проверить UTC прибором нельзя, поскольку никакого истинного значения у неё нет: TAI ведёт себя как единица, UT1 как явление, а UTC — как договор, и её показание объявляют, а не измеряют. Зато сверить свои часы с ней можно с точностью до наносекунд, потому что бюллетени службы задают, на сколько показание каждой национальной шкалы отличается от согласованной.
Верхняя лестница — смещение TAI − UTC, растущее целыми секундами; нижняя пила — разность UT1 − UTC, которая ползёт вниз вместе с отстающей Землёй и подскакивает на секунду вверх в каждую вставку. Красные штрихи внизу отмечают порог в девять десятых: как только пила к нему подходит, служба назначает новую вставку, и обе линии делают шаг одновременно.
Пунктир — атомная шкала, у которой каждая секунда равна предыдущей; волнистая линия — вращение Земли, замедляемое приливным трением, но при этом гуляющее из-за перераспределения воды и воздуха и даже из-за движений в жидком ядре. Красные штрихи — моменты, когда службе приходилось вмешиваться. Ровно потому, что вторая линия непредсказуема, вставки нельзя объявить заранее на десятилетие: их назначают за полгода, по наблюдениям.
02 · Пересчёт
Один момент в разных шкалах
Введите момент в любом привычном виде — десятичным годом, юлианской датой, счётом секунд от начала эпохи Unix, — и лист покажет, как этот же момент выглядит в остальных шкалах и какие смещения действовали в тот день.
Переходы между атомными шкалами точны до наносекунды, поскольку задаются постоянными: TT отличается от TAI на 32,184 s, а шкала GPS — ровно на 19 s. Приблизительна одна лишь строка с UT1: её берут из бюллетеня A, и на будущее она даётся предсказанием.
Счёт секунд в стандарте POSIX устроен так, что в сутках их всегда ровно 86 400, и вставленную секунду в нём выразить нечем: система либо повторяет одно и то же показание дважды, либо переставляет часы назад. Из-за этой мелочи в июне 2012 года легли серверы половины крупных сервисов, а несколько компаний с тех пор растягивают лишнюю секунду на целые сутки, размазывая её тонким слоем по своим часам.
| Значение | Пояснение | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Порядки величин
логарифмическая шкала: от наносекунды до пяти часов04 · Приборы измерения
Чем держат и чем сверяют шкалы
Облако охлаждённых атомов подбрасывают вверх и дважды пропускают через один и тот же резонатор — на подъёме и на падении, — что позволяет измерить частоту перехода с точностью до шестнадцатого знака. Такие первичные реперы задают длину секунды, а показаний времени не хранят: их включают на несколько суток, чтобы поверить ход остальных часов.
Мазер держит частоту заметно ровнее фонтана на промежутках от часа до суток, но медленно уходит вбок, и потому в лабораториях он служит хранителем шкалы, а не эталоном частоты: ход его каждые несколько суток сверяют с первичным репером. Именно мазеры выдают то непрерывное показание, из которого потом складывают TAI.
Две антенны на разных материках принимают шум одного и того же квазара, и разница во времени прихода сигнала выдаёт ориентацию Земли относительно далёких источников. Именно так измеряют UT1, поскольку никакими часами угол поворота планеты узнать нельзя — его можно только наблюдать, и служба делает это круглосуточно.
Каждый спутник несёт на борту атомные часы, и приёмник, поймавший четыре сигнала, восстанавливает не только своё место, но и время с точностью до десятков наносекунд. Шкала при этом передаётся своя: у системы GPS вставок нет вовсе, она отстоит от TAI ровно на девятнадцать секунд, а в сообщении спутника отдельным полем идёт текущая разница с UTC.
05 · Правила записи
Метка без шкалы — не метка
Названия шкал пишут прописными без точек и без пробелов внутри, а к самому показанию всегда добавляют, в какой шкале оно взято: буква Z или смещение в записи по стандарту ISO 8601, отдельное указание TAI либо GPS, если время атомное. Разности шкал записывают со знаком и в секундах, ставя первой ту шкалу, из которой вычитают.
Первая запись невозможна потому, что вставку делают в конце суток по UTC, а в московском поясе тот же миг приходится на три часа ночи, и метка выглядит как 02:59:60. Вторая ставит знак равенства между шкалой и историческим средним временем гринвичского меридиана, которое в метрологии давно не употребляют. Третья путает направление вычитания: атомная шкала идёт впереди, а не позади. Четвёртая же не может встретиться в бюллетене вовсе, поскольку служба обязана вставить секунду задолго до того, как разность дойдёт до такой величины.
06 · Соседние шкалы
Рядом стоят все шкалы, отсчитывающие то же самое время от иных начал или в иной системе отсчёта: земное время TT, которым считают эфемериды, атомная шкала спутниковых систем и барицентрическое координатное время, учитывающее, что часы на Земле идут иначе, чем в центре масс Солнечной системы.
без вставок и поправок
наблюдаемое явление
шкала эфемерид
Из паспортов Simetrium рядом стоят секунда, задающая единицу всем трём шкалам, сутки и час, где та же неравномерность вращения видна с другой стороны, и летоисчисление, у которого различаются не единицы, а нули.
07 · Исторический раздел
Секунда, которую сначала придумали, а теперь отменяют
Луис Эссен и Джек Парри собрали в Национальной физической лаборатории первые цезиевые часы и обнаружили неприятное: прибор оказался стабильнее того, по чему его собирались проверять. Земля с этого момента перестала быть эталоном времени и превратилась в объект наблюдения, а секунду через восемь лет переопределили через частоту цезиевого перехода.
Первый вариант UTC подстраивался под Землю иначе: раз в год объявляли поправку к самой частоте, так что секунда шкалы нарочно отличалась от секунды СИ, а вдобавок время от времени сдвигали показания на десятые доли. Штурманам это подходило, физикам нет, и от растяжимой секунды отказались, признав, что лучше редкий разрыв, чем постоянно неверная единица.
С первого января 1972 года UTC пошла ровными секундами СИ, отстав от атомной шкалы ровно на десять, и получила право на вставки. Порог в девять десятых секунды выбрали как середину между требованиями моряков, которым нужна была астрономическая привязка, и требованиями связистов, которым нужна была непрерывность.
Двадцать седьмая Генеральная конференция по мерам и весам постановила довести порог до нуля, то есть отказаться от вставок, не позднее 2035 года. Причина не в удобстве программистов, а в том, что Земля начала ускоряться: с 2020 года несколько раз бились рекорды коротких суток, и вместо привычной вставки впервые может понадобиться изъятие секунды, а к такому не готова ни одна система в мире.
Шкала, показание которой объявляют, а не измеряют
У всякой величины в этом каталоге есть прибор, способный сказать, чему она равна, и лишь у UTC такого прибора нет и быть не может. Атомные часы измеряют интервалы, интерферометры измеряют поворот Земли, а вопрос о том, вставлять ли секунду в конце июня, решается людьми и печатается в бюллетене, потому что порог в девять десятых секунды — величина договорная, а не природная. Отсюда странное свойство: расхождение с UTC любых часов на планете известно с точностью до наносекунд, тогда как правильность самой UTC проверить нечем — она правильна по определению.
Договорную природу шкалы лучше всего обнаружила подготовка её отмены. Убрать вставки решили не потому, что научились точнее измерять вращение планеты, а потому, что цена разрыва выросла: биржевые метки, спутниковая навигация и сети связи страдают от лишней секунды сильнее, чем моряки страдали бы от расхождения с солнцем. Когда порог доведут до нуля, UTC перестанет догонять Землю и разойдётся с ней сначала на минуту за век, а затем и больше — и решать, что делать с этим расхождением, придётся уже следующим поколениям.
Каталог · единицы измерения
Паспорт на каждую величину
Семь базовых единиц СИ, двадцать две производные с собственными именами и внесистемные величины, без которых не обходится ни наука, ни быт. Каждая — отдельный лист: определение, пересчёт, приборы, правила записи, история. На 36 языках.