Пристрасті навколо секунди
А. О. Корсунь
кандидат фізико-математичних наук
Головна астрономічна обсерваторія НАН України
Що таке час, яка його природа? На ці запитання досі немає чіткої відповіді, у дискусіях про цю форму існування матерії дотепер «ламають списи» філософи й фізики-теоретики. Та все ж астрономи навчили людство вимірювати час, запропонувавши для цього такі періодичні природні явища — обертання Землі навколо Сонця (рік), обертання Місяця навколо Землі (місяць), обертання нашої планети навколо своєї осі (доба). Але ці величини не є спільномірні. Намагання поєднати те, що не поєднується, стало причиною створення різних календарних систем, щоб обчислювати тривалі проміжки часу. Згодом виявилося, що як навколо своєї осі, так і навколо Сонця Земля обертається нерівномірно. Це зумовило вибір різних одиниць для вимірювання часу. Про це йтиме мова далі.
У ХХ ст. стрімкий розвиток науки й техніки висунув високі вимоги щодо точності вимірювання часу. Оскільки Земля навколо своєї осі обертається нерівномірно, то й одиниця часу ― секунда (як 1/86400 доби в шкалі всесвітнього часу UT1) теж виявилася нерівномірною. Її замінили на так звану ефемеридну секунду, визначену як 1/311336925.9747 тропічного року на момент 1900.0. Цю секунду використовували головним чином як аргумент у рівняннях, які описують рух тіл Сонячної системи. Проте точність ефемеридної секунди теж не задовольняла вчених. Винайдення в другій половині ХХ ст. атомних стандартів частоти дало змогу ввести штучну фізичну одиницю для вимірювання часу — атомну секунду. Її 1958 р. узгодили зі згаданою вище ефемеридною секундою. Після цього сигнали точного часу стали основувати на використанні атомної секунди. За означенням, атомна секунда ― це тривалість 9 192 631 770 періодів, які відповідають резонансній частоті квантового переходу між двома рівнями надтонкої структури основного стану атома цезію 133Cs. Атомна секунда ввійшла до стандартних одиниць вимірювання часу в Міжнародній системі одиниць СІ.
Атомний час визначають у Секції часу Міжнародного бюро мір і ваги (Париж) на основі показань атомних годинників багатьох лабораторій світу. Він дістав назву міжнародний атомний час — ТАІ (абревіатура французької назви: leTemps atomique international).
Як з’ясувалося, атомний годинник іде швидше від астрономічного. А це означає, що згодом атомний час розходитиметься з астрономічним, який визначають за положенням Сонця відносно меридіану. Звідси випливає, що атомний час не відповідатиме положенню Сонця над горизонтом. Закономірно постало запитання: як поєднати потребу в точному часі науки й техніки з громадськими потребами людей визначати час за рухом Сонця. Науковці знайшли вихід із цього становища, запропонувавши узгоджений час, який дістав офіційну назву всесвітній координований час ― UTC (абревіатура від французької назви — le Temps Universel Coordonne). Упродовж 1961—1972 рр. часові шкали узгоджували за формулою:
TAI – UTC = B + yu(TAI – TAI0),
де ТАІ0 — міжнародний атомний час на момент 1958.0 р., коли атомний час узгодили з ефемеридним, В — стала, yu ― зсув атомного стандарту частоти.
Для згаданого періоду величини (TAI – UTC) були такими.
| Період | Різниця (TAI – UTC), с |
| 1.01.1961 ― 1.08.1961 | 1.422818 + 0.001296 (MJD― 37300) |
| 1.08.1961 ― 1.01.1962 | 1.372818 + 0.001296 (MJD― 37300) |
| 1.01.1962 ― 1.11.1963 | 1.845858 + 0.0011232(MJD― 37665) |
| 1.11.1963 ― 1.01.1964 | 1.945858 + 0.0011232(MJD― 37665) |
| 1.01.1964 ― 1.04.1964 | 3.240130 + 0.001296 (MJD― 38761) |
| 1.04.1964 ― 1.09.1964 | 3.340130 + 0.001296 (MJD― 38761) |
| 1.09.1964 ― 1.01.1965 | 3.440130 + 0.001296 (MJD― 38761) |
| 1.01.1965 ― 1.03.1965 | 3.540130 + 0.001296 (MJD― 38761) |
| 1.03.1965 ― 1.07.1965 | 3.640130 + 0.001296 (MJD― 38761) |
| 1.07.1965 ― 1.09.1965 | 3.740130 + 0.001296 (MJD― 38761) |
| 1.09.1965 ― 1.01.1966 | 3.840130 + 0.001296 (MJD― 38761) |
| 1.01.1966 ― 1.02.1968 | 4.313170 + 0.002592 (MJD― 39126) |
| 1.02.1968 ― 1.01.1972 | 4.213170 + 0.002592 (MJD― 39126) |
Щоб було зручніше, з 1972 р. для коригування стали використовувати стрибки в часі на 1 с (так звані стрибки секунди, англійською — leap second) так, щоби різниця (UTC – UT1) не перевищувала 0.9 c. При цьому додаткову секунду вводили за відповідною домовленістю лише 1 січня або 1 липня. Нижче наведено величини (TAI – UTC) з 1972 р. і дотепер.
| Дата | Різниця (ТАІ – UTC), с |
| 1.01.1972 ― 1.07.1972 | +10.00 |
| 1.07.1972 ― 1.01.1973 | +11.00 |
| 1.01.1973 ― 1.01.1974 | +12.00 |
| 1.01.1974 ― 1.01.1975 | +13.00 |
| 1.01.1975 ― 1.01.1976 | +14.00 |
| 1.01.1976 ― 1.01.1977 | +15.00 |
| 1.01.1977 ― 1.01.1978 | +16.00 |
| 1.01.1978 ― 1.01.1979 | +17.00 |
| 1.01.1979 ― 1.01.1980 | +18.00 |
| 1.01.1980 ― 1.01.1981 | +19.00 |
| 1.07.1981― 1.07.1982 | +20.00 |
| 1.07.1982 ― 1.07.1983 | +21.00 |
| 1.07.1983 ― 1.07 1985 | +22.00 |
| 1.07.1985 ― 1.01 1988 | +23.00 |
| 1.01.1988 ― 1.01 1990 | +24.00 |
| 1.01.1990 ― 1.01 1991 | +25.00 |
| 1.01.1991 ― 1.01 1992 | +26.00 |
| 1.07.1992― 1.07 1993 | +27.00 |
| 1.07.1993 ― 1.07 1994 | +28.00 |
| 1.07.1994 ― 1.01 1996 | +29.00 |
| 1.01.1996 ― 1.07 1997 | +30.00 |
| 1.07.1997 ― 1.01 1999 | +31.00 |
| 1.01.1999 ― 1.01 2006 | +32.00 |
| 1.01.2006 ― 1.01 2009 | +33.00 |
| 1.01.2009 ― 1.07 2012 | +34.00 |
| 1.07.2012 ― до повідомлення | +35.00 |
Уведення стрибків секунди, які порушують безперервний відлік часу, не задовольняє представників технічних галузей, пов’язаних із сучасними електронними навігаційними й автоматизованими системами. Проте його підтримують астрономи, бо таким чином компенсуються зміни у швидкості обертання Землі під час визначення шкали часу UTC. Дискусії щодо відміни стрибків під час формування UTC тривають дотепер. Сучасні дослідження дають змогу передбачити величину відхилення UTC від UT1, якщо б у майбутньому стрибки секунди скасували. До кінця ХХІ ст. ця різниця може досягнути двох хвилин. У 2050 р. різниця (UTC – UT1) збільшуватиметься зі швидкістю близько 1.5 с за рік (у 1990-х рр. — приблизно 0.7 с за рік). Через це доведеться або (скасувавши стрибки) миритися з великою різницею (UTC – UT1), або часто вводити стрибки.
Щоб вирішити цю проблему, запропоновано такі способи:
а) збільшити допустиму різницю між UTC i UT1 (замість 0.9 с), що дасть змогу зменшити кількість можливих стрибків;
б) уводити стрибки через рівні проміжки часу, наприклад, кожних 10 років, що зумовить нечасті, але великі стрибки;
в) перевизначити СІ-секунду. Слід відмітити, що при цьому доведеться перевизначити всі фізичні константи, які ґрунтуються на визначенні часу (зокрема, метр).
Мабуть, це не найкращий варіант модифікації UTC.
З погляду теоретичних досліджень, наявність або відсутність стрибків не відіграє суттєвої ролі, оскільки скасування їх зумовить лише злиття шкал TAI й UTC, тобто фактично приведе до скасування однієї з них. Проте вирішити питання про долю шкали UTC дуже важливо для практики.
Починаючи з 2000 р., проведено багато наукових конференцій щодо розв’язання цієї проблеми, працювала спеціальна Робоча група Міжнародного астрономічного союзу (МАС), відбувалися засідання відповідних секцій Асамблей Міжнародного союзу електрозв’язку (МСЕ). Але остаточних рішень ще не прийнято.
Тут доречно навести повідомлення з останньої Асамблеї МСЕ, яка знову відклала рішення про анулювання додаткових секунд, тобто, коли швидкість обертання Землі буде змінюватися суттєво (TAI – UTC > 0.9 с), вводитимуть додаткову секунду. Далі дослівно подаємо переклад тексту прес-релізу (короткого інформаційного повідомлення) Асамблеї МСЕ.
«Женева, 19 січня 2012 р.
- Асамблея ухвалила важливе рішення відкласти розробку стандарту безперервного часу, щоб вирішити питання, які викликають стурбованість країн, котрі використовують чинну систему на основі введення додаткової секунди в UTC.
- Таке рішення продиктоване намаганням забезпечити всебічний розгляд усіх технічних варіантів у межах дальших досліджень з даного питання. Під час цих досліджень триватиме обговорення членами Міжнародного союзу електрозв’язку (МСЕ), а також іншими зацікавленими організаціями. Результати будуть передані наступній Асамблеї електрозв’язку та Міжнародній конференції електрозв’язку, проведення яких заплановане на 2015 р. Коригування з кроком в одну секунду, названу додатковою, запроваджене 1972 р., щоб компенсувати варіації швидкості обертання Землі в системі Всесвітнього координованого часу UTC.
- Визначення UTC здійснює Сектор радіозв’язку МСЕ, а за його зберігання відповідає Міжнародне бюро мір і ваги у взаємодії з Міжнародною службою обертання Землі та систем відліку (IERS). Дані, які надходять від центрів вимірювання часу, використовуються в усьому світі для визначення часу UTC, який коректується в межах 0.9 с часу UT1, заданого обертанням Землі відповідно до параметрів обертання Землі, встановлених IERS.
- Результатом відмови від допоміжної секунди буде безперервна шкала часу, яка слугуватиме основою для роботи всіх сучасних електронних навігаційних і автоматизованих систем. Відпаде потреба у спеціальній системі відліку часу. Разом з тим можуть виникнути соціальні й правові наслідки, коли різниця між UT1 і часом обертання Землі досягне помітної величини (2—3 хв у 2100 р. та приблизно 30 хв у 2700 р.).
- Генеральний секретар МСЕ Хамадун Туре вважає, що рішення, яке ухвалила Асамблея електрозв’язку, забезпечить належну участь усіх зацікавлених сторін у визначенні кроку, котрий матиме очевидний вплив на наше майбутнє».
Отже, пристрасті навколо секунди ще триватимуть — принаймні до 2015 р.
Джерело: Астрономічний календар 2013, с. 247―251
