Časové škály a priestupná sekunda
Nie meracia jednotka, ale tri škály: UTC, TAI a UT1 · veličina: okamih
Tridsiateho prvého decembra 2016 ukazovali hodiny Medzinárodnej služby rotácie Zeme 23 hodín 59 minút 60 sekúnd — čas, ktorý v obyčajnom dni nejestvuje. Sekunda bola vsunutá preto, že Zem sa do onoho dňa oneskorila za atómovými hodinami takmer o šesť desatín sekundy, a nebyť vsunutia, rozchádzanie by prekročilo prah určený dohodou. Odvtedy k nijakému vsunutiu nedošlo: planéta nečakane zrýchlila a teraz sa vážne uvažuje o opačnom úkone — o sekunde, ktorú nebude treba pridať, ale vyškrtnúť.
Vyznať sa v tom možno len tak, že rozlíšime tri veci, ktoré bežná reč nazýva jediným slovom «čas». TAI je atómová škála, ktorá beží rovnomerne a na planétu nedbá; UT1 je uhol otočenia samotnej Zeme, teda astronomický jav s vlastnou povahou; a UTC je škála kompromisu: beží v atómových sekundách, no z času na čas dostáva celú vsunutú, aby sa od planéty nevzdialila viac ako o deväť desatín sekundy. Prvú nemožno nastaviť, druhú nemožno predpovedať a tretia sa určuje rozhodnutím výboru a tlačí sa v bulletine.
01 · Definícia
Medzinárodný atómový čas TAI sa skladá z údajov asi dvesto päťdesiatich atómových hodín rozptýlených po národných laboratóriách a beží v sekundách SI bez jedinej opravy. Svetový čas UT1 je daný uhlom otočenia Zeme, a mení teda chod spolu s planétou. Koordinovaný svetový čas UTC sa od TAI líši o celý počet sekúnd a drží sa blízko UT1 pomocou vsunutí, ktoré vyhlasuje Medzinárodná služba rotácie Zeme.
Zámerom UTC je spojiť nespojiteľné: jeho sekunda je atómová, rovnomerná, súca pre fyziku i pre spoje, kým jeho údaj je astronomický, viazaný na deň a noc. Spojenie sa platí zlomom: raz za niekoľko rokov vstúpi do škály sekunda navyše, minúta vtedy obsahuje šesťdesiatjeden sekúnd a značka 23:59:60 sa stáva platnou. Preto je UTC jediná z troch škál, ktorá má okamihy, aké obyčajné počítanie dní nevie vyjadriť.
Prah, za ktorým sa vsunutie určuje, je deväť desatín sekundy v absolútnej hodnote a nespočíva na fyzikálnych dôvodoch, ale na kompromise medzi astronómami a inžiniermi spojov, uzavretom roku 1972. Služba sleduje rozdiel UT1 − UTC rádiointerferometriou a satelitným pozorovaním a svoje rozhodnutie zverejňuje v Bulletine C — dvakrát do roka, pol roka pred možným dátumom, ktorý pripadá buď na koniec júna, alebo na koniec decembra.
UTC nemožno preveriť nijakým prístrojom, lebo pravú hodnotu vôbec nemá: TAI sa správa ako jednotka, UT1 ako jav a UTC ako dohoda, a jeho údaj sa vyhlasuje, nemeria. Zato vlastné hodiny s ním možno porovnať na nanosekundu, lebo bulletiny služby udávajú, o koľko sa údaj každej národnej škály líši od dohodnutého.
Horné schodisko je posuv TAI − UTC, ktorý rastie po celých sekundách; dolná píla je rozdiel UT1 − UTC, ktorý sa plazí nadol spolu s oneskorujúcou sa Zemou a pri každom vsunutí vyskočí o sekundu nahor. Červené čiarky dolu vyznačujú prah deviatich desatín: len čo sa k nemu píla priblíži, služba určí nové vsunutie a obe čiary urobia svoj krok naraz.
Čiarkovaná čiara je atómová škála, kde sa každá sekunda rovná predchádzajúcej; vlnitá čiara je otáčanie Zeme, brzdené slapovým trením a pritom blúdivé, lebo voda a vzduch sa prerozdeľujú, a dokonca aj pre pohyby v tekutom jadre. Červené čiarky sú okamihy, keď musela služba zasiahnuť. Práve preto, že druhú čiaru nemožno predpovedať, vsunutia sa nedajú vyhlasovať desaťročie vopred: určujú sa pol roka predtým, podľa pozorovaní.
02 · Prevod
Ten istý okamih v rôznych škálach
Zadajte okamih v akejkoľvek zvyčajnej podobe — ako desatinný rok, ako juliánsky dátum, ako počet sekúnd od začiatku epochy Unix — a list ukáže, ako ten istý okamih vyzerá v ostatných škálach a aké posuvy v ten deň platili.
Prechody medzi atómovými škálami sú presné na nanosekundu, lebo ich určujú konštanty: TT sa líši od TAI o 32,184 s a škála GPS presne o 19 s. Len riadok s UT1 je približný: berie sa z Bulletinu A a pre budúcnosť sa udáva ako predpoveď.
Počítanie sekúnd v norme POSIX je zariadené tak, že deň ich má vždy presne 86 400, a vsunutá sekunda v ňom nemá čím byť vyjadrená: sústava buď zopakuje ten istý údaj dvakrát, alebo posunie hodiny späť. Pre túto maličkosť spadli v júni 2012 servery polovice veľkých služieb a viaceré podniky odvtedy roztiahnu sekundu navyše na celý deň tým, že ju v tenkej vrstve rozotrú po svojich hodinách.
| Hodnota | Poznámka | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Rády veličín
logaritmická škála: od nanosekundy po päť hodín04 · Meracie prístroje
Čím sa škály držia a čím sa preverujú
Oblak ochladených atómov sa vrhne nahor a dvakrát prejde tým istým rezonátorom — pri vzostupe a pri páde —, čo dovoľuje zmerať frekvenciu prechodu do šestnástej číslice. Takéto prvotné etalóny určujú dĺžku sekundy a nijaký časový údaj nevedú: zapínajú sa na niekoľko dní, aby preverili chod ostatných hodín.
Maser drží svoju frekvenciu badateľne rovnomernejšie ako fontána na úsekoch od hodiny po deň, ale pomaly sa odchyľuje nabok, a preto slúži v laboratóriách ako strážca škály, a nie ako etalón frekvencie: jeho chod sa každých niekoľko dní porovnáva s prvotným etalónom. Práve masery dávajú ten neprerušený údaj, z ktorého sa TAI neskôr skladá.
Dve antény na rôznych svetadieloch prijímajú šum toho istého kvazaru a rozdiel v čase príchodu signálu prezradí natočenie Zeme voči vzdialeným zdrojom. Práve tak sa meria UT1, lebo nijakými hodinami nemožno uhol otočenia planéty zistiť — možno ho iba pozorovať, a služba to robí nepretržite.
Každý satelit nesie na palube atómové hodiny a prijímač, ktorý zachytil štyri signály, obnoví nielen svoje miesto, ale aj čas s presnosťou desiatok nanosekúnd. Vysielaná škála je však vlastná: sústava GPS nemá vsunutia vôbec nijaké, stojí presne devätnásť sekúnd od TAI a bežný rozdiel voči UTC putuje v osobitnom poli správy satelitu.
05 · Pravidlá zápisu
Časová značka bez svojej škály nie je značkou
Názvy škál sa píšu veľkými písmenami, bez bodiek a bez medzier vnútri, a k samotnému údaju sa vždy pripája, v ktorej škále je vzatý: písmeno Z alebo posuv v zápise podľa normy ISO 8601, osobitná zmienka TAI či GPS, ak je čas atómový. Rozdiely škál sa píšu so znamienkom a v sekundách, pričom prvá stojí tá, od ktorej sa odčítava.
Prvý zápis je nemožný, pretože vsunutie sa koná na konci dňa v UTC, kým v moskovskom pásme pripadá ten istý okamih na tretiu hodinu v noci a značka potom znie 02:59:60. Druhý kladie rovnítko medzi škálu a historický stredný čas greenwichského poludníka, v metrológii dávno nepoužívaný. Tretí pletie smer odčítania: atómová škála ide vpred, nie vzad. A štvrtý sa v bulletine vôbec objaviť nemôže, lebo služba je povinná vsunúť sekundu dávno predtým, ako rozdiel takú hodnotu dosiahne.
06 · Susedné škály
Vedľa stoja všetky škály, ktoré počítajú ten istý čas od iných počiatkov alebo v inej vzťažnej sústave: terestrický čas TT, ktorým sa počítajú efemeridy, atómová škála satelitných sústav a barycentrický súradnicový čas, ktorý prihliada na to, že hodiny na Zemi idú inak ako v hmotnom strede slnečnej sústavy.
bez vsunutí a opráv
pozorovaný jav
škála efemeríd
Z listov Simetria vedľa stoja sekunda, ktorá dáva jednotku všetkým trom škálam, deň a hodina, kde tú istú nerovnomernosť otáčania vidno z druhej strany, a letopočet, pri ktorom sa nelíšia jednotky, ale počiatky.
07 · Historický oddiel
Sekunda, ktorú najprv vymysleli a teraz rušia
Louis Essen a Jack Parry zostavili v National Physical Laboratory prvé céziové hodiny a objavili nemilú vec: prístroj sa ukázal stálejším ako to, čím ho chceli preverovať. Od tej chvíle prestala byť Zem etalónom času a stala sa predmetom pozorovania a o osem rokov neskôr bola sekunda nanovo určená frekvenciou céziového prechodu.
Prvá podoba UTC sa Zemi prispôsobovala inak: raz do roka sa vyhlasovala oprava samotnej frekvencie, takže sa sekunda škály úmyselne líšila od sekundy SI, a navyše sa z času na čas posúval údaj o desatiny. Moreplavcom to vyhovovalo, fyzikom nie, a od pružnej sekundy sa upustilo s uznaním, že vzácny zlom je lepší ako trvale nesprávna jednotka.
Od prvého januára 1972 bežalo UTC v rovnomerných sekundách SI, presne desať za atómovou škálou, a získalo právo na vsunutia. Prah deviatich desatín sekundy bol zvolený ako stredná cesta medzi požiadavkami námorníkov, ktorí potrebovali astronomickú väzbu, a inžinierov spojov, ktorí potrebovali neprerušenosť.
Dvadsiata siedma Generálna konferencia pre váhy a miery rozhodla znížiť prah na nulu, čiže vzdať sa vsunutí, najneskôr v roku 2035. Dôvod netkvie v pohodlí programátorov, ale v tom, že Zem začala zrýchľovať: od roku 2020 boli rekordy krátkych dní prekonané viackrát a namiesto obvyklého vsunutia môže byť prvý raz potrebné sekundu vyškrtnúť — a na to nie je pripravená nijaká sústava na svete.
Škála, ktorej údaj sa vyhlasuje, a nemeria
Každá veličina v tomto katalógu má prístroj, ktorý dokáže povedať, čomu sa rovná, a jedine UTC taký prístroj nemá a mať nemôže. Atómové hodiny merajú intervaly, interferometre merajú otáčanie Zeme, kým otázku, či na konci júna vsunúť sekundu, rozhodujú ľudia a tlačí sa v bulletine, lebo prah deviatich desatín sekundy je vecou dohody, a nie prírody. Odtiaľ zvláštna vlastnosť: odchýlka od UTC pri akýchkoľvek hodinách na planéte je známa na nanosekundu, kým správnosť samotného UTC nemá čím byť preverená — je správne z definície.
Dohodnutá povaha škály sa najlepšie prejavila pri príprave jej zrušenia. Vsunutia sa rozhodli odstrániť nie preto, že by sa naučili merať otáčanie planéty jemnejšie, ale preto, že cena zlomu vzrástla: burzové časové značky, satelitná navigácia a spojové siete trpia sekundou navyše viac, než by námorníci trpeli rozchádzaním sa so slnkom. Keď sa prah zníži na nulu, prestane UTC Zem dobiehať a vzdiali sa od nej najprv o minútu za storočie a potom o viac — a čo s tým rozchádzaním počať, rozhodnú už budúce pokolenia.
Katalóg · meracie jednotky
List pre každú veličinu
Sedem základných jednotiek SI, dvadsaťdva odvodených s vlastnými menami a veličiny mimo sústavy, bez ktorých by nefungovala ani technika, ani kalendár.