Tidsskalorna och skottsekunden
Ingen måttenhet utan tre skalor: UTC, TAI och UT1 · storhet: en tidpunkt
Den trettioförsta december 2016 visade klockorna vid Internationella jordrotationstjänsten 23 timmar 59 minuter 60 sekunder — en tid som inte finns i ett vanligt dygn. Sekunden sköts in därför att jorden till den dagen hade blivit nästan sex tiondels sekund efter atomklockorna, och utan inskottet hade avvikelsen gått över den tröskel som satts genom överenskommelse. Sedan dess har inget inskott gjorts: planeten har oväntat ökat farten, och nu dryftas på allvar den omvända åtgärden — en sekund som inte skall läggas till utan strykas.
Man reder ut detta endast genom att skilja på tre ting som vardagsspråket kallar med ett enda ord, «tid». TAI är atomskalan, som går jämnt utan att bry sig om planeten; UT1 är jordens egen vridningsvinkel, alltså ett astronomiskt fenomen med eget lynne; och UTC är kompromissens skala: den går i atomsekunder men får då och då en hel inskjuten sekund, för att inte skilja sig från planeten med mer än nio tiondels sekund. Den första låter sig inte justeras, den andra låter sig inte förutsägas, och den tredje bestäms genom beslut av ett utskott och trycks i en bulletin.
01 · Definition
Internationell atomtid TAI sätts samman av visningarna hos ett par hundra femtio atomklockor spridda över de nationella laboratorierna och går i SI-sekunder utan en enda rättelse. Världstiden UT1 ges av jordens vridningsvinkel och ändrar därför gång med planeten. Koordinerad världstid UTC skiljer sig från TAI med ett helt antal sekunder och hålls nära UT1 med inskott som tillkännages av Internationella jordrotationstjänsten.
UTC:s tanke är att foga samman det oförenliga: dess sekund är atomär, jämn, duglig för fysiken och för sambandet, medan dess visning är astronomisk, bunden till dag och natt. Sammanfogningen betalas med ett brott: vart par år kommer en extra sekund in i skalan, minuten innehåller då sextioen sekunder, och stämpeln 23:59:60 blir laglig. Därför är UTC den enda av de tre skalorna med tidpunkter som den vanliga räkningen av dygn inte kan uttrycka.
Tröskeln bortom vilken ett inskott bestäms är nio tiondels sekund till beloppet, och den vilar inte på fysikaliska skäl utan på en kompromiss mellan astronomer och sambandsingenjörer, sluten 1972. Tjänsten följer skillnaden UT1 − UTC med radiointerferometri och satellitobservationer och offentliggör sitt beslut i Bulletin C — två gånger om året, ett halvår före den möjliga dagen, som infaller antingen i slutet av juni eller i slutet av december.
UTC kan inte prövas med något instrument, ty något sant värde har den alls inte: TAI uppför sig som en enhet, UT1 som ett fenomen, och UTC som en överenskommelse, och dess visning tillkännages, den mäts inte. Den egna klockan däremot kan jämföras med den på nanosekunden, ty tjänstens bulletiner anger hur mycket varje nationell skalas visning avviker från den överenskomna.
Den övre trappan är förskjutningen TAI − UTC, som växer med hela sekunder; den nedre sågen är skillnaden UT1 − UTC, som kryper nedåt tillsammans med den efterblivna jorden och hoppar upp en sekund vid varje inskott. De röda strecken nedtill markerar tröskeln på nio tiondelar: så snart sågen närmar sig den bestämmer tjänsten ett nytt inskott, och båda linjerna tar sitt steg samtidigt.
Den streckade linjen är atomskalan, där varje sekund är lika med den föregående; den vågiga linjen är jordens vridning, bromsad av tidvattnets friktion och tillika kringirrande därför att vatten och luft omfördelas, och till och med på grund av rörelser i den flytande kärnan. De röda strecken är de stunder då tjänsten måste gripa in. Just därför att den andra linjen inte går att förutsäga kan inskott inte tillkännages ett årtionde i förväg: de bestäms ett halvår innan, efter observationer.
02 · Omräkning
En och samma tidpunkt i olika skalor
Mata in en tidpunkt i vilken vanlig form som helst — som decimalår, som julianskt datum, som räkning av sekunder sedan Unix-epokens början — och bladet visar hur samma tidpunkt ter sig i de övriga skalorna och vilka förskjutningar som gällde den dagen.
Övergångarna mellan atomskalorna är exakta på nanosekunden, eftersom de bestäms av konstanter: TT skiljer sig från TAI med 32,184 s, och GPS-skalan med precis 19 s. Endast raden med UT1 är ungefärlig: den hämtas ur Bulletin A och ges för framtiden som prognos.
Räkningen av sekunder i POSIX-standarden är så ordnad att dygnet alltid har precis 86 400 av dem, och en inskjuten sekund finner där ingenting att uttryckas med: systemet upprepar antingen samma visning två gånger eller ställer klockan tillbaka. På grund av denna småsak föll i juni 2012 servrarna hos hälften av de stora tjänsterna, och flera företag sträcker sedan dess ut den extra sekunden över ett helt dygn genom att breda ut den i tunt lager över sina klockor.
| Värde | Anmärkning | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Storleksordningar
logaritmisk skala: från nanosekunden till fem timmar04 · Mätinstrument
Vad som håller skalorna och vad som prövar dem
Ett moln av kylda atomer kastas uppåt och passerar två gånger samma resonator — på uppfarten och på fallet —, vilket låter övergångens frekvens mätas till sextonde siffran. Sådana primärnormaler bestämmer sekundens längd och håller ingen tidsvisning: de slås på i några dygn för att pröva de övriga klockornas gång.
Masern håller sin frekvens märkbart jämnare än fontänen över intervall från en timme till ett dygn, men driver långsamt åt sidan, och därför tjänar den i laboratorierna som skalans väktare och inte som frekvensnormal: dess gång jämförs med några dygns mellanrum mot en primärnormal. Det är maserna som ger den obrutna visning ur vilken TAI sedan sätts samman.
Två antenner på skilda världsdelar tar emot bruset från en och samma kvasar, och skillnaden i signalens ankomsttid röjer jordens riktning i förhållande till avlägsna källor. Just så mäts UT1, ty med ingen klocka går planetens vridningsvinkel att få veta — den kan endast iakttas, och tjänsten gör det dygnet runt.
Varje satellit bär atomklockor ombord, och en mottagare som fångat fyra signaler återställer inte bara sin plats utan också tiden med tiotals nanosekunders noggrannhet. Den skala som sänds är dock dess egen: GPS-systemet har inga inskott alls, det står precis nitton sekunder från TAI, och den löpande skillnaden mot UTC färdas i ett eget fält i satellitens meddelande.
05 · Skrivregler
En tidsstämpel utan sin skala är ingen stämpel
Skalornas namn skrivs med versaler, utan punkter och utan mellanrum inuti, och till själva visningen fogas alltid i vilken skala den är tagen: bokstaven Z eller en förskjutning i skrivsättet enligt ISO 8601, ett eget omnämnande av TAI eller GPS om tiden är atomär. Skillnader mellan skalor skrivs med tecken och i sekunder, med den skala som dras ifrån ställd först.
Det första skrivsättet är omöjligt därför att inskottet görs i slutet av dygnet i UTC, medan samma ögonblick i Moskvas zon infaller klockan tre på natten och stämpeln då lyder 02:59:60. Det andra sätter likhetstecken mellan skalan och den historiska medeltiden vid Greenwichmeridianen, som sedan länge inte brukas i metrologin. Det tredje förväxlar subtraktionens riktning: atomskalan går före, inte efter. Och det fjärde kan över huvud taget inte förekomma i en bulletin, eftersom tjänsten är skyldig att skjuta in en sekund långt innan skillnaden når ett sådant värde.
06 · Angränsande skalor
Intill står alla skalor som räknar samma tid från andra utgångspunkter eller i ett annat referenssystem: terrestrisk tid TT, med vilken efemerider beräknas, satellitsystemens atomskala och barycentrisk koordinattid, som tar hänsyn till att klockor på jorden går annorlunda än i solsystemets masscentrum.
utan inskott och rättelser
ett iakttaget fenomen
efemeridernas skala
Bland Simetriums datablad står bredvid sekund, som ger alla tre skalorna deras enhet, dygn och timme, där samma ojämnhet i vridningen syns från ett annat håll, och tideräkning, där det inte är enheterna som skiljer sig utan nollpunkterna.
07 · Historisk del
Sekunden man först hittade på och nu avskaffar
Louis Essen och Jack Parry byggde vid National Physical Laboratory den första cesiumklockan och upptäckte något förarglig: instrumentet visade sig stabilare än det man tänkte pröva det mot. Från den stunden upphörde jorden att vara tidens normal och blev föremål för iakttagelse, och åtta år senare bestämdes sekunden på nytt genom cesiumövergångens frekvens.
Den första utformningen av UTC rättade sig efter jorden på annat vis: en gång om året tillkännagavs en rättelse av själva frekvensen, så att skalans sekund med avsikt skilde sig från SI-sekunden, och därtill flyttades visningen då och då med tiondelar. Sjöfararna passade det, fysikerna inte, och man övergav den töjbara sekunden med erkännandet att ett sällsynt brott är bättre än en ständigt oriktig enhet.
Från den första januari 1972 gick UTC i jämna SI-sekunder, precis tio efter atomskalan, och fick rätt till inskott. Tröskeln på nio tiondels sekund valdes som medelväg mellan sjömännens krav, som behövde en astronomisk anknytning, och sambandsingenjörernas, som behövde oavbrutenhet.
Den tjugosjunde Allmänna konferensen för mått och vikt beslöt att föra tröskeln till noll, det vill säga avstå från inskott, senast 2035. Skälet ligger inte i programmerarnas bekvämlighet utan i att jorden börjat öka farten: sedan 2020 har rekord för korta dygn slagits flera gånger, och i stället för det vanliga inskottet kan för första gången en struken sekund behövas — och för det är inget system i världen berett.
En skala vars visning tillkännages och inte mäts
Varje storhet i denna katalog har ett instrument som kan säga vad den är lika med, och endast UTC har inget sådant instrument och kan inte ha det. Atomklockor mäter intervall, interferometrar mäter jordens vridning, medan frågan om en sekund skall skjutas in i slutet av juni avgörs av människor och trycks i en bulletin, ty tröskeln på nio tiondels sekund är en fråga om överenskommelse och inte om naturen. Härav en besynnerlig egenskap: avvikelsen från UTC hos vilken klocka som helst på planeten är känd på nanosekunden, medan riktigheten hos UTC själv inte har något att prövas mot — den är riktig enligt definitionen.
Skalans överenskomna natur röjdes bäst av förberedelserna för dess avskaffande. Man beslöt att ta bort inskotten inte därför att man lärt sig mäta planetens vridning finare, utan därför att brottets pris stigit: börsens tidsstämplar, satellitnavigeringen och sambandsnäten lider av en extra sekund mer än sjömän skulle lida av en avvikelse från solen. När tröskeln förs till noll upphör UTC att hinna ifatt jorden och skiljer sig från den först med en minut per sekel och sedan med mer — och vad som skall göras åt den avvikelsen får kommande släkten avgöra.
Katalog · måttenheter
Ett datablad för varje storhet
Sju SI-basenheter, tjugotvå härledda med egna namn och storheter utanför systemet som varken tekniken eller kalendern klarar sig utan.