Các thang thời gian và giây nhuận
Không phải đơn vị đo mà là ba thang: UTC, TAI và UT1 · đại lượng: một thời điểm
Ngày 31 tháng Chạp năm 2016, đồng hồ của Cơ quan Quốc tế về Vòng quay Trái Đất chỉ 23 giờ 59 phút 60 giây — một thời điểm vốn không có trong ngày thường. Giây ấy được chèn vào vì đến hôm đó Trái Đất đã chậm hơn đồng hồ nguyên tử gần sáu phần mười giây, và nếu không chèn thì sự tách rời đã vượt cái ngưỡng do thỏa thuận định ra. Từ bấy đến nay chưa hề có lần chèn nào: hành tinh bỗng nhanh lên ngoài dự liệu, và giờ đây người ta bàn nghiêm túc về việc ngược lại — một giây phải bỏ đi chứ không phải thêm vào.
Chỉ có thể hiểu chuyện này khi tách ba thứ mà lời nói thường ngày gọi chung bằng một chữ «thời gian». TAI là thang nguyên tử, chạy đều đặn và chẳng bận tâm đến hành tinh; UT1 là góc quay của chính Trái Đất, tức một hiện tượng thiên văn có tính khí riêng; còn UTC là thang của sự dung hòa: nó chạy bằng giây nguyên tử, song thỉnh thoảng nhận trọn một giây chèn vào để không rời xa hành tinh quá chín phần mười giây. Cái thứ nhất không chỉnh được, cái thứ hai không dự báo được, còn cái thứ ba do quyết định của một ủy ban định đoạt và được in trong bản tin.
01 · Định nghĩa
Thời gian nguyên tử quốc tế TAI được ghép từ số đọc của chừng hai trăm năm mươi đồng hồ nguyên tử rải khắp các phòng thí nghiệm quốc gia, và chạy bằng giây SI mà không một lần hiệu chỉnh. Thời gian thế giới UT1 do góc quay của Trái Đất định ra, vì thế đổi nhịp cùng hành tinh. Thời gian thế giới phối hợp UTC khác TAI một số nguyên giây, và được giữ gần UT1 nhờ những lần chèn do Cơ quan Quốc tế về Vòng quay Trái Đất công bố.
Ý đồ của UTC là nối cái không thể nối: giây của nó là nguyên tử, đều đặn, hợp cho vật lý và cho thông tin liên lạc; còn số đọc của nó là thiên văn, buộc vào ngày và đêm. Sự nối ấy phải trả bằng một vết đứt: cứ vài năm một lần lại có thêm một giây dôi vào thang, phút ấy chứa sáu mươi mốt giây, và dấu thời gian 23:59:60 trở nên hợp lệ. Vì thế trong ba thang, chỉ UTC có những thời điểm mà cách đếm ngày thông thường không diễn tả nổi.
Cái ngưỡng mà vượt qua nó thì việc chèn được định ra bằng chín phần mười giây theo trị tuyệt đối, và nó không dựa trên lý do vật lý mà dựa trên sự dung hòa giữa các nhà thiên văn và các kỹ sư thông tin, đạt được năm 1972. Cơ quan theo dõi hiệu UT1 − UTC bằng phép giao thoa vô tuyến và quan trắc vệ tinh, rồi công bố quyết định của mình trong Bản tin C — mỗi năm hai lần, trước nửa năm so với ngày có thể xảy ra, ngày ấy rơi vào cuối tháng Sáu hoặc cuối tháng Chạp.
Không thể kiểm UTC bằng bất cứ dụng cụ nào, bởi nó chẳng hề có giá trị thật: TAI cư xử như một đơn vị, UT1 như một hiện tượng, còn UTC như một thỏa thuận, và số đọc của nó được công bố chứ không được đo. Ngược lại, đồng hồ của chính ta có thể đối chiếu với nó đến từng nanô giây, vì các bản tin của cơ quan cho biết số đọc của mỗi thang quốc gia lệch khỏi thang đã thỏa thuận bao nhiêu.
Bậc thang phía trên là độ lệch TAI − UTC, lớn dần từng giây trọn; lưỡi cưa phía dưới là hiệu UT1 − UTC, bò xuống cùng Trái Đất chậm dần và nhảy vọt lên một giây ở mỗi lần chèn. Những vạch đỏ phía dưới đánh dấu ngưỡng chín phần mười: hễ lưỡi cưa lại gần, cơ quan liền định một lần chèn mới, và cả hai đường cùng bước một bước.
Đường nét đứt là thang nguyên tử, nơi mỗi giây bằng giây trước. Đường lượn sóng là vòng quay của Trái Đất, bị ma sát thủy triều hãm lại mà vẫn lang thang, vì nước và không khí phân bố lại, thậm chí vì những chuyển động trong lõi lỏng. Những vạch đỏ là các thời điểm cơ quan buộc phải can thiệp. Chính vì đường thứ hai không dự báo được nên các lần chèn không thể công bố trước cả thập niên: chúng được định trước nửa năm, dựa theo quan trắc.
02 · Quy đổi
Cùng một thời điểm trên các thang khác nhau
Hãy nhập một thời điểm dưới bất cứ dạng quen thuộc nào — năm thập phân, ngày Julius, số giây tính từ đầu kỷ nguyên Unix — rồi tấm phiếu sẽ cho thấy chính thời điểm ấy trông ra sao trên các thang còn lại và hôm đó những độ lệch nào đang có hiệu lực.
Các bước chuyển giữa những thang nguyên tử chính xác đến nanô giây, vì hằng số định ra chúng: TT khác TAI 32,184 s, còn thang GPS khác đúng 19 s. Chỉ dòng UT1 là gần đúng: nó lấy từ Bản tin A, còn với tương lai thì được cho dưới dạng dự báo.
Cách đếm giây trong chuẩn POSIX được đặt sao cho một ngày luôn có đúng 86 400 giây, và giây chèn vào chẳng có gì để tự diễn tả trong đó: hệ thống hoặc lặp lại cùng số đọc hai lần, hoặc vặn đồng hồ lùi. Chỉ vì chuyện vặt ấy mà tháng Sáu năm 2012 máy chủ của một nửa các dịch vụ lớn đã sập, và từ đó vài công ty kéo giãn giây dôi ra suốt cả ngày, trải nó thành lớp mỏng trên đồng hồ của mình.
| Giá trị | Ghi chú | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Bậc độ lớn
thang lôgarit: từ nanô giây đến năm giờ04 · Dụng cụ đo
Cái gì giữ các thang và cái gì đối chiếu chúng
Một đám nguyên tử đã làm lạnh được ném lên cao và đi qua cùng một hốc cộng hưởng hai lần — lúc lên và lúc rơi — nhờ đó tần số của bước chuyển đo được đến chữ số thứ mười sáu. Những chuẩn sơ cấp như thế định ra độ dài của giây mà chẳng giữ số đọc nào của giờ khắc: chúng chỉ được bật vài ngày để kiểm nhịp chạy của các đồng hồ khác.
Maser giữ tần số của mình đều hơn hẳn đài phun nguyên tử trên các khoảng từ một giờ đến một ngày, nhưng lại trôi chậm sang bên, vì thế trong phòng thí nghiệm nó là người giữ thang chứ không phải chuẩn tần số: nhịp chạy của nó cứ vài ngày lại đối chiếu với một chuẩn sơ cấp. Chính các maser cho cái số đọc liền mạch mà về sau TAI được ghép nên từ đó.
Hai ăng ten trên những châu lục khác nhau thu tiếng ồn của cùng một quasar, và hiệu thời gian tín hiệu đến đã tiết lộ hướng của Trái Đất so với các nguồn xa xăm. UT1 được đo đúng theo cách ấy, bởi góc quay của hành tinh không thể biết được bằng bất cứ đồng hồ nào — chỉ có thể quan trắc, và cơ quan làm việc đó suốt ngày đêm.
Mỗi vệ tinh đều mang theo đồng hồ nguyên tử, và máy thu bắt được bốn tín hiệu sẽ khôi phục không chỉ vị trí của mình mà cả giờ khắc với độ chính xác hàng chục nanô giây. Song thang được phát đi lại là của riêng nó: hệ GPS không hề có lần chèn nào, nó đứng cách TAI đúng mười chín giây, còn hiệu hiện thời so với UTC thì đi trong một trường riêng của bản tin vệ tinh.
05 · Quy tắc viết
Dấu thời gian không ghi thang thì chẳng phải dấu
Tên các thang viết bằng chữ hoa, không dấu chấm và không có khoảng trắng bên trong; còn với chính số đọc thì luôn phải ghi kèm nó lấy trên thang nào: chữ Z hoặc một độ lệch theo cách viết của chuẩn ISO 8601, và ghi riêng TAI hay GPS nếu thời gian là nguyên tử. Hiệu giữa các thang viết kèm dấu và tính bằng giây, đặt trước là thang bị trừ.
Cách viết thứ nhất là bất khả, vì việc chèn diễn ra vào cuối ngày theo UTC, trong khi ở múi giờ Mátxcơva cùng khoảnh khắc ấy rơi vào ba giờ đêm và dấu thời gian thành 02:59:60. Cách thứ hai đặt dấu bằng giữa thang và thời gian trung bình lịch sử của kinh tuyến Greenwich, thứ mà đo lường học đã bỏ dùng từ lâu. Cách thứ ba lẫn chiều của phép trừ: thang nguyên tử đi trước chứ không đi sau. Còn cách thứ tư thì không thể xuất hiện trong bản tin, vì cơ quan có nghĩa vụ chèn một giây từ rất lâu trước khi hiệu đạt tới giá trị như vậy.
06 · Các thang lân cận
Bên cạnh nó đứng mọi thang đếm cùng thời gian ấy từ những gốc khác hoặc trong hệ quy chiếu khác: thời gian Trái Đất TT dùng để tính lịch thiên văn, thang nguyên tử của các hệ vệ tinh, và thời gian tọa độ khối tâm, vốn tính đến việc đồng hồ trên Trái Đất chạy khác với ở khối tâm của Thái Dương hệ.
không chèn và không hiệu chỉnh
hiện tượng được quan trắc
thang của lịch thiên văn
Trong các phiếu của Simetrium bên cạnh là giây, cái cho cả ba thang đơn vị của chúng, ngày và giờ, nơi cùng sự không đều của vòng quay hiện ra từ phía khác, và cách tính năm, cái khác nhau không ở đơn vị mà ở gốc.
07 · Phần lịch sử
Giây trước được nghĩ ra, nay đang bị bãi bỏ
Louis Essen và Jack Parry đã lắp chiếc đồng hồ xêzi đầu tiên ở Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia và phát hiện một điều chẳng lấy gì làm vui: dụng cụ tỏ ra ổn định hơn chính cái mà người ta định dùng để kiểm nó. Từ khoảnh khắc ấy Trái Đất thôi làm chuẩn của thời gian và trở thành đối tượng quan trắc, và tám năm sau giây được định nghĩa lại bằng tần số của bước chuyển xêzi.
Dạng đầu tiên của UTC thích ứng với Trái Đất theo lối khác: mỗi năm một lần người ta công bố một hiệu chỉnh cho chính tần số, khiến giây của thang cố ý khác giây SI, hơn nữa số đọc thỉnh thoảng lại được dịch đi từng phần mười. Điều đó hợp với người đi biển nhưng không hợp với các nhà vật lý, và giây co giãn bị từ bỏ, với sự thừa nhận rằng một vết đứt hiếm hoi còn hơn một đơn vị sai thường trực.
Từ ngày 1 tháng Giêng 1972, UTC chạy bằng giây SI đều đặn, chậm hơn thang nguyên tử đúng mười giây, và giành được quyền chèn. Ngưỡng chín phần mười giây được chọn làm đường trung dung giữa đòi hỏi của thủy thủ, những người cần mối ràng buộc thiên văn, và của kỹ sư thông tin, những người cần sự liền mạch.
Hội nghị toàn thể về Cân đo lần thứ hai mươi bảy đã quyết định đưa ngưỡng về không, tức là từ bỏ việc chèn, chậm nhất vào năm 2035. Lý do không nằm ở sự tiện lợi của người lập trình, mà ở chỗ Trái Đất đã bắt đầu nhanh lên: từ năm 2020 kỷ lục về ngày ngắn đã bị phá vài lần, và thay cho lần chèn quen thuộc, có thể lần đầu tiên cần phải bỏ đi một giây — mà cho việc ấy thì trên thế giới không một hệ thống nào sẵn sàng.
Thang mà số đọc được công bố chứ không được đo
Mọi đại lượng trong danh mục này đều có một dụng cụ nói được nó bằng bao nhiêu, chỉ riêng UTC là không có và không thể có dụng cụ như vậy. Đồng hồ nguyên tử đo khoảng, giao thoa kế đo vòng quay của Trái Đất, còn câu hỏi cuối tháng Sáu có chèn một giây hay không thì do con người phân xử và được in trong bản tin, bởi ngưỡng chín phần mười giây là việc của thỏa thuận chứ không phải của tự nhiên. Từ đó nảy ra một tính chất kỳ lạ: độ lệch so với UTC của bất kỳ đồng hồ nào trên hành tinh đều biết được đến nanô giây, trong khi sự đúng đắn của chính UTC lại chẳng có gì để đối chiếu — nó đúng theo định nghĩa.
Bản tính dựa trên thỏa thuận của thang lộ rõ nhất trong việc chuẩn bị bãi bỏ nó. Người ta quyết định dẹp bỏ các lần chèn không phải vì đã học được cách đo vòng quay của hành tinh tinh vi hơn, mà vì cái giá của vết đứt đã tăng: dấu thời gian của sàn giao dịch, dẫn đường bằng vệ tinh và các mạng liên lạc chịu khổ vì một giây dôi nhiều hơn thủy thủ chịu khổ vì lệch với mặt trời. Khi ngưỡng được đưa về không, UTC sẽ thôi đuổi theo Trái Đất và rời xa nó, thoạt đầu một phút mỗi thế kỷ, về sau còn hơn thế — còn làm gì với sự rời xa ấy thì các thế hệ mai sau sẽ định đoạt.
Danh mục · đơn vị đo
Mỗi đại lượng một phiếu
Bảy đơn vị cơ bản của SI, hai mươi hai đơn vị dẫn xuất có tên riêng và các đại lượng ngoài hệ, thiếu chúng thì kỹ thuật lẫn lịch đều không chạy.