Vremenske skale i prestupni sekund
Nije merna jedinica nego tri skale: UTC, TAI i UT1 · veličina: trenutak
Trideset prvog decembra 2016. godine časovnici Međunarodne službe rotacije Zemlje pokazivali su 23 sata 59 minuta 60 sekundi — vreme kojeg u običnom danu nema. Sekund je umetnut zato što je Zemlja do tog dana zaostala za atomskim časovnicima gotovo šest desetina sekunde, a bez umetanja razilaženje bi prešlo prag određen dogovorom. Od tada nije bilo nijednog umetanja: planeta je neočekivano ubrzala, i sada se ozbiljno razmatra obrnut postupak — sekund koji neće trebati dodati, nego izbrisati.
U tome se može razabrati samo ako se razluče tri stvari koje svakodnevni govor zove jednom rečju «vreme». TAI je atomska skala, koja teče ravnomerno i ne mari za planetu; UT1 je ugao obrtanja same Zemlje, dakle astronomska pojava sa svojom ćudi; a UTC je skala kompromisa: teče u atomskim sekundama, ali s vremena na vreme dobija ceo umetnut sekund, da se od planete ne udalji više od devet desetina sekunde. Prva se ne da podesiti, druga se ne da predvideti, a treća se određuje odlukom odbora i štampa u biltenu.
01 · Definicija
Međunarodno atomsko vreme TAI sastavlja se od očitavanja oko dvesta pedeset atomskih časovnika razasutih po nacionalnim laboratorijama i teče u sekundama SI bez ijedne popravke. Svetsko vreme UT1 dato je uglom obrtanja Zemlje i zato menja hod zajedno s planetom. Koordinirano svetsko vreme UTC razlikuje se od TAI za ceo broj sekundi i drži se blizu UT1 pomoću umetanja koja objavljuje Međunarodna služba rotacije Zemlje.
Zamisao UTC jeste da spoji nespojivo: njegov sekund je atomski, ravnomeran, podoban za fiziku i za veze, dok je njegovo očitavanje astronomsko, vezano za dan i noć. Spoj se plaća prelomom: jednom u nekoliko godina u skalu ulazi sekund viška, minut tada sadrži šezdeset jedan sekund, a oznaka 23:59:60 postaje punovažna. Zato je UTC jedina od tri skale koja ima trenutke što ih obično računanje dana ne ume da izrazi.
Prag preko kojeg se određuje umetanje iznosi devet desetina sekunde po apsolutnoj vrednosti i ne počiva na fizičkim razlozima nego na kompromisu astronoma i inženjera veza, sklopljenom 1972. godine. Služba prati razliku UT1 − UTC radiointerferometrijom i satelitskim posmatranjima i svoju odluku objavljuje u Biltenu C — dvaput godišnje, pola godine pre mogućeg datuma, koji pada ili na kraj juna ili na kraj decembra.
UTC se ne može proveriti nijednim instrumentom, jer prave vrednosti uopšte nema: TAI se ponaša kao jedinica, UT1 kao pojava, a UTC kao dogovor, i njegovo se očitavanje objavljuje, a ne meri. Zato se sopstveni časovnik s njim može uporediti na nanosekundu, jer bilteni službe navode za koliko se očitavanje svake nacionalne skale razlikuje od dogovorene.
Gornje stepenište jeste pomeraj TAI − UTC, koji raste za cele sekunde; donja testera jeste razlika UT1 − UTC, koja puzi naniže zajedno sa zaostalom Zemljom i pri svakom umetanju skoči za sekund naviše. Crvene crte dole obeležavaju prag od devet desetina: čim joj se testera približi, služba određuje novo umetanje, i obe linije čine svoj korak istovremeno.
Isprekidana linija jeste atomska skala, gde je svaki sekund jednak prethodnom; talasasta linija jeste obrtanje Zemlje, usporeno plimskim trenjem a ipak lutalačko, jer se voda i vazduh preraspodeljuju, pa čak i zbog kretanja u tečnom jezgru. Crvene crte jesu trenuci kada je služba morala da se umeša. Upravo zato što se druga linija ne da predvideti, umetanja se ne mogu objavljivati deceniju unapred: određuju se pola godine ranije, prema posmatranjima.
02 · Pretvaranje
Isti trenutak u različitim skalama
Unesite trenutak u bilo kom uobičajenom obliku — kao decimalnu godinu, kao julijanski datum, kao računanje sekundi od početka epohe Uniks — i list će pokazati kako isti trenutak izgleda u ostalim skalama i koji su pomeraji tog dana važili.
Prelazi među atomskim skalama tačni su na nanosekundu, jer ih određuju konstante: TT se razlikuje od TAI za 32,184 s, a skala GPS tačno za 19 s. Samo je red sa UT1 približan: uzima se iz Biltena A, a za budućnost se daje kao prognoza.
Računanje sekundi u standardu POSIX uređeno je tako da dan ima uvek tačno 86 400 njih, a umetnuti sekund u njemu nema čime da se izrazi: sistem ili ponovi isto očitavanje dvaput ili vrati časovnik unazad. Zbog te sitnice u junu 2012. godine pali su serveri polovine velikih servisa, a nekoliko preduzeća od tada rasteže suvišni sekund na ceo dan, razmazujući ga u tankom sloju po svojim časovnicima.
| Vrednost | Napomena | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Redovi veličina
logaritamska skala: od nanosekunde do pet sati04 · Merni instrumenti
Čime se skale drže i čime se proveravaju
Oblak ohlađenih atoma baca se naviše i dvaput prolazi kroz isti rezonator — pri usponu i pri padu — što omogućuje da se učestanost prelaza izmeri do šesnaeste cifre. Takvi prvobitni etaloni određuju dužinu sekunde i ne vode nikakvo očitavanje vremena: uključuju se na nekoliko dana da bi se proverio hod ostalih časovnika.
Maser drži svoju učestanost osetno ravnomernije od fontane na razmacima od sata do dana, ali polako odlazi u stranu, i zato u laboratorijama služi kao čuvar skale, a ne kao etalon učestanosti: njegov se hod svakih nekoliko dana upoređuje sa prvobitnim etalonom. Upravo maseri daju ono neprekinuto očitavanje od kojeg se TAI kasnije sastavlja.
Dve antene na različitim kontinentima primaju šum jednog te istog kvazara, a razlika u vremenu dolaska signala odaje okrenutost Zemlje prema dalekim izvorima. Upravo se tako meri UT1, jer se nijednim časovnikom ugao obrtanja planete ne može saznati — može se samo posmatrati, a služba to čini neprekidno.
Svaki satelit nosi na sebi atomske časovnike, a prijemnik koji je uhvatio četiri signala obnavlja ne samo svoje mesto nego i vreme sa tačnošću od desetina nanosekundi. Skala koja se emituje ipak je sopstvena: sistem GPS nema nikakvih umetanja, stoji tačno devetnaest sekundi od TAI, a tekuća razlika prema UTC putuje u posebnom polju poruke satelita.
05 · Pravila pisanja
Vremenska oznaka bez svoje skale nije oznaka
Imena skala pišu se velikim slovima, bez tačaka i bez razmaka unutra, a samom se očitavanju uvek dodaje u kojoj je skali uzeto: slovo Z ili pomeraj u zapisu prema standardu ISO 8601, poseban pomen TAI ili GPS ako je vreme atomsko. Razlike skala pišu se sa znakom i u sekundama, pri čemu prva stoji ona od koje se oduzima.
Prvi zapis je nemoguć jer se umetanje obavlja na kraju dana po UTC, dok u moskovskom pojasu isti trenutak pada u tri sata noću i oznaka tada glasi 02:59:60. Drugi stavlja znak jednakosti između skale i istorijskog srednjeg vremena griničkog meridijana, u metrologiji odavno neupotrebljavanog. Treći brka smer oduzimanja: atomska skala ide napred, a ne pozadi. A četvrti se u biltenu uopšte ne može pojaviti, jer je služba dužna da umetne sekund davno pre nego što razlika dostigne takvu vrednost.
06 · Susedne skale
Pored stoje sve skale koje broje isto vreme od drugih počela ili u drugom referentnom sistemu: zemaljsko vreme TT, kojim se računaju efemeride, atomska skala satelitskih sistema i baricentrično koordinatno vreme, koje uzima u obzir da časovnici na Zemlji idu drugačije nego u središtu mase Sunčevog sistema.
bez umetanja i popravki
posmatrana pojava
skala efemerida
Od listova Simetrijuma pored stoje sekunda, koja daje jedinicu svim trima skalama, dan i sat, gde se ista neravnomernost obrtanja vidi sa druge strane, i računanje vremena, kod kojeg se ne razlikuju jedinice nego počeci.
07 · Istorijski deo
Sekund koji su najpre izmislili a sada ukidaju
Luis Esen i Džek Peri sastavili su u National Physical Laboratory prvi cezijumski časovnik i otkrili neprijatnu stvar: instrument se pokazao postojanijim od onoga čime su hteli da ga provere. Od tog časa Zemlja je prestala da bude etalon vremena i postala predmet posmatranja, a osam godina kasnije sekund je iznova određen učestanošću cezijumskog prelaza.
Prvi oblik UTC prilagođavao se Zemlji drugačije: jednom godišnje objavljivala se popravka same učestanosti, tako da se sekund skale namerno razlikovao od sekunde SI, a povrh toga se s vremena na vreme očitavanje pomeralo za desetine. Pomorcima je to odgovaralo, fizičarima nije, i od rastegljivog sekunda se odustalo uz priznanje da je redak prelom bolji od jedinice koja je stalno pogrešna.
Od prvog januara 1972. godine UTC je teklo u ravnomernim sekundama SI, tačno deset iza atomske skale, i steklo pravo na umetanja. Prag od devet desetina sekunde izabran je kao sredina između zahteva pomoraca, kojima je trebala astronomska veza, i inženjera veza, kojima je trebala neprekidnost.
Dvadeset sedma Generalna konferencija za tegove i mere odlučila je da prag svede na nulu, to jest da odustane od umetanja, najkasnije 2035. godine. Razlog nije u udobnosti programera nego u tome što je Zemlja počela da ubrzava: od 2020. godine rekordi kratkih dana oboreni su više puta, i umesto uobičajenog umetanja moglo bi prvi put zatrebati brisanje sekunda — a na to nije spreman nijedan sistem na svetu.
Skala čije se očitavanje objavljuje, a ne meri
Svaka veličina u ovom katalogu ima instrument koji ume da kaže čemu je jednaka, i jedino UTC takav instrument nema i ne može ga imati. Atomski časovnici mere razmake, interferometri mere obrtanje Zemlje, dok pitanje da li na kraju juna umetnuti sekund rešavaju ljudi i štampa se u biltenu, jer je prag od devet desetina sekunde stvar dogovora, a ne prirode. Otuda čudno svojstvo: odstupanje od UTC bilo kog časovnika na planeti poznato je na nanosekundu, dok ispravnost samog UTC nema sa čim da se proveri — ono je ispravno po definiciji.
Dogovorna priroda skale najbolje se pokazala pri pripremi njenog ukidanja. Umetanja su odlučili da uklone ne zato što su naučili da obrtanje planete mere finije, nego zato što je cena preloma porasla: berzanske oznake, satelitska navigacija i mreže veza trpe od suvišnog sekunda više nego što bi pomorci trpeli od razilaženja sa suncem. Kada se prag svede na nulu, UTC će prestati da sustiže Zemlju i udaljiće se od nje najpre za minut u veku, a potom i više — a šta sa tim razilaženjem činiti, odlučivaće već budući naraštaji.
Katalog · merne jedinice
List za svaku veličinu
Sedam osnovnih jedinica SI, dvadeset dve izvedene sa sopstvenim imenom i veličine van sistema, bez kojih ne bi radila ni tehnika ni kalendar.