Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 39 – vyšlo 6. prosince, ročník 20 (2022) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

39/2022

Přípitky již nebudou o půlnoci

Dana a Rudolf Mentzlovi

Přípitky již nebudou o půlnoci a tento neutěšený stav bude trvat nejméně sto let. Zní to jako zpráva, u které není jasné, zda jde jen o hoax nebo o důtklivé doporučení samozvané komise. Přesto je to tak a vše má pochopitelné fyzikální pozadí. Může za to zpomalování rotace ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. a vkládaná přestupná sekundaPřestupná sekunda – sekundová oprava světového času UTC řešící posun pravého poledne v důsledku zpomalování Země. Vkládá se (nebo teoreticky i ubírá) o půlnoci 30. 6. nebo 31. 12, aby se smazal rozdíl mezi greenwichským středním časem a UTC. Zavedena byla v roce 1972 za půl století dávají tyto opravy přibližně půl minuty. Nejpozději od roku 2035 se předpokládá její pozastavení na dobu nejméně sto let.. Fenoménu jsme se hlouběji věnovali například v AB 17/2021.

Sluneční soustava a hodiny. Zdroj: Stable Diffusion Demo.

Přestupná sekunda – sekundová oprava světového času UTC řešící posun pravého poledne v důsledku zpomalování Země. Vkládá se (nebo teoreticky i ubírá) o půlnoci 30. 6. nebo 31. 12, aby se smazal rozdíl mezi greenwichským středním časem a UTC. Zavedena byla v roce 1972 za půl století dávají tyto opravy přibližně půl minuty. Nejpozději od roku 2035 se předpokládá její pozastavení na dobu nejméně sto let. UTC – Universal Time Coordinated, univerzální koordinovaný čas. Časová stupnice získaná průměrováním měření mnoha desítek cesiových atomových hodin pracujících v řadě metrologických laboratořích po celém světě. Od ní je odvozen občanský pásmový čas a také známé časové signály šířené rozhlasovým vysíláním. GMT – Greenwich Mean Time, greenwichský střední čas. Střední sluneční čas měřený na nultém poledníku procházejícím Královskou hvězdárnou v anglické Greenwichi. TAI – Temps Atomique International, mezinárodní atomový čas. Časová stupnice odvozená stejně jako stupnice UTC z průměrování měření mnoha atomových hodin. Není však korigována přestupnými sekundami a plyne rovnoměrně. Hodnota se relativisticky přepočítává na rotující geoid, aby se eliminoval vliv nadmořské výšky a rotace Země. Od UTC se liší vždy o celočíselný počet sekund. Po poslední přestupné sekundě 30. 6. 2016 je rozdíl TAI – UTC roven 27 sekund.

Chronos a Kairos

Již staří Řekové... měli dva bohy času. Kromě Chrona, jehož jméno proniklo snad do všech evropských jazyků (kronika, chronický...), je tu ještě Kairos. Výstižnější by snad byl titul bůh vhodné příležitosti. Ačkoli je z obou bohů méně známý, dá se říci, že mu Chronos až dodnes slouží. Přinejmenším v občanském životě odměřujeme přesnými chronometry časČas – veličina, jejíž sledování a měření je založeno na zjišťování následností událostí. Otázkou, čím je dáno, že je zde čas a proč ho dokážeme vnímat, se v minulosti zabývalo mnoho významných myslitelů. Z fyzikálního hlediska nám však obvykle stačí, máme-li dobře zaveden způsob jeho měření a okamžiky kauzálně spojených události tvoří rostoucí posloupnost., abychom co nejlépe odhadli správný okamžik, kdy jít na vlak či odejít z práce.

Není čas jako čas

Hledat cestu ke správnému odměřování času je stále složitější. Čím jemnější máme prostředky k jeho měření, tím výraznější jsou rozdíly mezi přesným časem a etalonem vhodného času, jako je například okamžik průchodu SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium. místním poledníkem. Chápeme nutnost přesných atomových hodinAtomové hodiny – hodiny, jejichž základním řídícím cyklem je frekvence vyzařovaná atomem při nějakém známém přechodu mezi jeho energetickými stavy. Běžná přesnost takových hodin je dnes asi 10⁻⁹ s za den. Nejlepší atomové hodiny pracují při teplotách blízkých absolutní nule. Ty mohou dosahovat až fascinující přesnosti desetiny sekundy za dobu, co existuje vesmír., na druhou stranu bychom rádi, aby Slunce bylo nad hlavou přesně v poledne. Dokud jsme nedokázali měřit čas dostatečně přesně, mohli jsme pokládat kolísání pravého poledne za přesně periodickou změnu, která se během roku sama vykompenzuje. Mechanické hodiny pak odměřovaly tzv. střední sluneční čas, jakýsi kompromis, který se s tím pravým slunečním časem sešel jen dvakrát do roka. Dodnes se rozdíl mezi časem na slunečních a náramkových hodinách (kolísá mezi −14 až +16 minutami) zachoval ve zvyku akademické čtvrthodiny.

A dny se prodlužují

Atomové hodiny s přesností jedné sekundy za stovky milionů let upozornily na systematické problémy. Rotace Země není dokonalá, pomalu a nerovnoměrně se zpomaluje. Zpomalení mají na svědomí především slapové sílySlapová síla – rozdíl gravitačních sil působících na různé části tělesa. Například Země působí na naše nohy větší gravitační silou než na hlavu, rozdíl je ale zanedbatelný. Slapové síly Měsíce působící na Zemi jsou příčinou přílivu a odlivu a také příčinou výměny momentu hybnosti mezi Měsícem a Zemí, která vede k postupnému vzdalování Měsíce. Obdobná slapová vazba existuje mezi Zemí a Sluncem a je pravděpodobně hlavní příčinou současného vzdalování Země od Slunce. Ve větších měřítkách působí slapové síly například při prolínání dvou galaxií., v povědomí známé hlavně jako příliv a odliv. Voda valící se oceány funguje jako kluzná spojka mezi Zemí a MěsícemMěsíc – přirozený satelit Země, rotuje tzv. vázanou rotací (doba oběhu a rotace je shodná). Díky tomu stále vidíme přibližně jen přivrácenou polokouli Měsíce. Měsíc je prvním cizím tělesem, na kterém stanul člověk (Neil Armstrong, 1969, Apollo 11). Voda na Měsíci byla objevena v stinných částech kráterů a pod povrchem (Lunar Prospektor, 1998). Povrch Měsíce je pokryt regolitem (drobná drť s vysokým obsahem skla). Malé pevné jádro je obklopené plastickou vrstvou (v hloubce 1 000 km pod povrchem). Velké množství kráterů má rozměry od milimetrů po stovky kilometrů. Několik z nich je pojmenováno i po českých osobnostech (například kráter Anděl).. Výměna momentu hybnosti mezi Zemí a Měsícem způsobuje, že se Země slapovým třením zpomaluje. Ne o mnoho, za posledních sto let se otočka Země prodloužila o 1,7 ms. Nicméně za rok to činí více než půl sekundy, což je hodnota, kterou už si dovedeme představit a je zřejmé, že odchylka už může mít na svědomí nějaké problémy.

Už od dob prvních atomových hodin jsme stáli před úkolem usmířit GMTGMT – Greenwich Mean Time, greenwichský střední čas. Střední sluneční čas měřený na nultém poledníku procházejícím Královskou hvězdárnou v anglické Greenwichi. (greenwichský střední čas – střední sluneční čas na nultém poledníku) a TAITAI – Temps Atomique International, mezinárodní atomový čas. Časová stupnice odvozená stejně jako stupnice UTC z průměrování měření mnoha atomových hodin. Není však korigována přestupnými sekundami a plyne rovnoměrně. Hodnota se relativisticky přepočítává na rotující geoid, aby se eliminoval vliv nadmořské výšky a rotace Země. Od UTC se liší vždy o celočíselný počet sekund. Po poslední přestupné sekundě 30. 6. 2016 je rozdíl TAI – UTC roven 27 sekund. (mezinárodní atomový čas). Nejméně bolestivé řešení se nazývá UTCUTC – Universal Time Coordinated, univerzální koordinovaný čas. Časová stupnice získaná průměrováním měření mnoha desítek cesiových atomových hodin pracujících v řadě metrologických laboratořích po celém světě. Od ní je odvozen občanský pásmový čas a také známé časové signály šířené rozhlasovým vysíláním. (koordinovaný světový čas).

UTC odtikává s přesností atomových hodin, ale jeho počátek je posunut tak, aby byl na celou sekundu shodný s GMT. Tím se zaručí, abychom měli občansky stále dostatečně přesný čas a zároveň aby poledne korespondovalo s vrcholením Slunce. S tímto trikem jsme začali před padesáti lety, tedy v roce 1972, sa počátečním rozdílem UTC aa TAI 10a sekund. Od těch dob jsme přidali přestupnou sekundu již 27×. Děje se to v nepravidelných intervalech. O půlnoci 30.6. nebo 31.12, vždy, když velikost rozdílu mezi UTC a GMT přeroste 0,9 sekundy, můžeme na hodinách (které to umí) vidět čas 23:59:60. Teoreticky by mohlo dojít i k odebrání přestupné sekundy, ale protože se rotace Země zpomaluje, tak k tomu ještě nedošlo.

Cesiové svazkové hodiny 5071A coby státní etalon frekvence a času.
Zdroj: Český metrologický institut.

Problém vyřešen, ale jsme opravdu šťastní?

Nezbývá, než dát na misky vah výhody a nevýhody přestupné sekundy. Technické výhody nejsou žádné. Toho si byli již od počátku vědomi tvůrci systému GPS, kteří zařadili přestupnou sekundu do slovníku sprostých slov. Při určování polohy počítají pouze s konstantním posunem 19 s, což byl posun UTC v době spouštění systému.

Občanské výhody jsou naproti tomu zanedbatelné. Rozdíl jedné sekundy je prakticky nepostřehnutelný. Uvážíme-li, že jsme se smířili i s hodinovým skokem při přestupu na letní čas, nepropadneme depresi při sekundovém rozdílu.

V tomto stavu jsme se nacházeli posledních téměř padesát let. Nyní technologie a nároky na linearitu času dosáhly kritické meze. Mnoho algoritmů je životně závislých na vyhodnocování událostí, které musí zachovávat reálnou časovou posloupnost. Už delší dobu se spekulovalo o tom, že případné odebrání přestupné sekundy, tedy couvnutí v čase, by ohrozilo důvěryhodnost serveru nebo klienta. Protože však k něčemu takovému zatím reálně nedošlo, jednalo se spíš o akademický problém. To platilo až do minulého desetiletí.

Takový obrázek uvidíme nejpozději v roce 2035, a pak nejdříve za 100 let.
Zdroj: Ústav fotoniky a elektroniky.

V roce 2012 došlo v důsledku přidání červnové přestupné sekundy ke 40 minutovému výpadku diskusní služby Reddit. O pět let později zkolabovala z téhož důvodu na Nový rok firmě Cloudflare služba DNS. Tyto a zajisté i mnohé další případy vedly k tomu, že 18. listopadu tohoto roku, na zasedání ve Versailes, téměř jednohlasně, odhlasovala skupina vědců a zástupců vlád zrušení přestupné sekundy. K výzvě se přidal i Mezinárodní úřad pro míry a váhy. Opatření by mělo začít platit nejpozději v roce 2035 a být účinné nejméně sto let. Za tu dobu se dá očekávat posun UTC proti GMT zhruba 1 minutu. Zasedání je toho názoru, že tou dobou budou technologie natolik vyspělé, že si s tím dozajista poradí.

Sto let odkladu by na ošetření takové události mělo stačit, ale z dosavadní zkušenosti můžeme soudit, že se řešení bude odkládat na poslední chvíli. Ti z vás, kteří pamatují na zuřivé diskuze, hysterické spekulace a horečné přípravy na fenomén Y2KY2K – zkratka fenoménu „Rok 2000“. Problém očekávaný na přelomu tisíciletí, kdy se předpokládalo zhroucení databázových systémů, protože mnoho datových formátů udržovalo informace o rocích pouze v jednom bajtu, takže nezahrnovaly století. Problémy se však vyskytovaly jen ojediněle. na přelomu milénia, jistě budou souhlasit, že se ještě pobavíme.

Přestupná sekunda v praxi. Zdroj: YT.

Odkazy