Повелители времени

Ученые предложили отказаться от лишней секунды в году

Изображение с сайта leapsecond.com

В сутках 24 часа, час состоит из 60 минут, а каждая минута - из 60 секунд. Эти бытовые аксиомы мы знаем назубок с детства. Но примерно раз в год-полтора к одним из суток прибавляется дополнительная секунда. Она-то и стала камнем преткновения в спорах между учеными, выступающими за сохранение "естественного" хода времени, и их коллегами, ратующими за предсказуемость и непрерывность временного потока.

Пятнадцать ноль-ноль и с четвертью

С годами предложение "сверить часы" потеряло актуальность не столько из-за увеличения точности механических и электронных часов, сколько благодаря появлению эталонного времени. Еще двести лет назад большинство крупных городов жило по собственному времени, а разница между двумя населенными пунктами, расположенными на разных меридианах, исчислялась не в "круглых" часах, но также и/или в определенном количестве минут и секунд. Более того, даже в одном городе можно было наблюдать расхождение между механическими часами, настроенными по местному среднему солнечному времени, и солнечными часами, указывающими истинное солнечное время: разница (определяемая уравнением времени) могла достигать 17 минут.

Сельскому жителю для полноценной жизни достаточны были простейшие временные ориентиры - рассвет, полдень и закат. Но с ускорением жизни в европейских городах и развитием транспортных и коммуникационных сетей (железные дороги и телеграф) потребовалось увеличить точность определения времени и научиться относительно легко и быстро переводить одно местное время в другое. Решение этих задач имело первостепенную важность для морской навигации. Данные о точном времени (относительно эталона) позволяли вычислять координаты корабля или судна. При этом погрешность в одну секунду на часах могла дать расхождение в полкилометра. Многие обсерватории того времени в первую очередь обслуживали интересы национальных флотов, через их меридианы проходили точки отсчета координат на местных картах, которые были фактически не совместимы с иноземными. В Российской империи, например, такую роль играла Пулковская обсерватория в Санкт-Петербурге. При ней была организована служба точного времени, которая ровно в полдень подавала сигнал для пушечного выстрела сначала со двора Адмиралтейства, а позже - с Петропавловской крепости.

Для решения двух связанных задач - определения эталонной системы координат и стандартного времени - в году в Вашингтоне собралась Международная меридиальная конференция. Для унификации времени было решено ввести 24 часовых сектора (если изначально часовых поясов было столько же, то сейчас их насчитывается четыре десятка), выбрав в качестве точки отсчета Гринвичский меридиан. Правда, первые конвенциональные сутки начинались в полдень по GMT (среднему времени по Гринвичу), что несколько противоречило сложившейся практике гражданского времени. В итоге только через 40 лет британское адмиралтейство и французский флот сумели убедить астрономов изменить сложившуюся практику и начать отсчет суток в полночь: для этого британцы один раз "сократили" последний астрономический день в году на 12 часов и приравняли

В 1930-х годах астрономы выяснили, что Земля вращается вокруг своей оси неравномерно. Она постепенно замедляется из-за ряда факторов, например, под гравитационным воздействием Луны. Эти заключения привели к необходимости определения эталонной секунды, раз уж старое (одна 86400-ая суток) оказалось неточным. Было сформулировано понятие эфемеридной секунды, которая равнялась 1/31556925,9747 конкретного тропического года, начинавшегося (или ), и таким образом не была привязана к изменявшейся скорости вращения Земли вокруг своей оси. В году Международный комитет мер и весов (CIPM) рекомендовал к использованию новое определение секунды. Через четыре года Генеральная конференция по мерам и весам (CGPM) приняла эфемеридную секунду за базовую единицу времени в международной системе единиц (СИ).

Плюс двадцать два

Эфемеридная секунда была всем хороша. Единственная проблема заключалась в том, что невозможно заново воспроизвести и замерить тропический 1900 год. Но тут на помощь астрономам пришли физики. В середине 1950-х годов появились первые атомные часы на пучке атомов цезия, которые оказались на несколько порядков более точными, чем кварцевые часы (частота последних нарушалась со временем из-за старения кристалла кварца). В результате был создан атомный эталон времени, одна секунда которого равнялась секунде эфемеридного времени. Новую систему синхронизировали с универсальным временем, начиная с . В году Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение секунды, которая с тех пор длилась 9 192 631 770 колебаний излучения атома цезия-133. В году новую атомную шкалу предложили назвать международным атомным временем (TAI), а в следующем году CGPM утвердила это решение.

К тому моменту существовало несколько версий универсального времени, одним из которых было появившееся в году универсальное координированное время (UTC). Его особенность заключалась в переменной длительности секунды относительно атомного эталона: астрономы меняли ее значение раз в несколько месяцев для того, чтобы по итогам года добиться минимального смещения универсального времени относительно среднего солнечного. Эта система оказалась слишком неудобной из-за необходимости слишком частых корректировок.

В итоге начиная с было принято новое определение UTC. С тех пор секунда UTC равнялась секунде TAI. При этом вводилось понятие секунды координации, или високосной секунды, которая добавлялась или вычиталась из суток в случае, когда разница между средним солнечным временем и UTC превышала 0,9 секунды. Изначальное смещение UTC относительно TAI составляло 10 секунд, а новые високосные секунды с тех пор добавляли в конце суток 30 июня и 31 декабря. К настоящему моменту разница между TAI и UTC составляет 34 секунды. В Генеральная конференция по мерам и весам рекомендовала к повсеместному использованию именно этот вариант универсального времени. UTC из-за своей относительной простоты и одновременно точности стал общемировым стандартом.

Как же так: 40 лет все было хорошо, и вдруг такая трагедия?

Изобретение високосных секунд сначала казалось элегантным решением задачи синхронизации атомного и "земного" времени. Никаких проблем не предвиделось: велика задача - подкрутить в случае необходимости секундную стрелку часов. Но с развитием автоматизированных систем с минимальным участием человека очевидным стали главные недостатки новой системы - невозможность на годы вперед составить точный график ввода секунд координации и отсутствие четких "гайдлайнов", разъясняющих, как следует обходиться программистам с временным "лайфхаком" астрономов.

Это привело к целому ряду проблем. Так, в зависимости от реализации сетевого протокола NTP, предназначенного для синхронизации внутренних часов компьютера с серверами точного времени, високосная секунда может быть обработана тремя разными способами. Система может посчитать два раза последнюю секунду одного часа или первую следующего, либо просто "вырубиться" на одну секунду и не выдавать никаких ответов на внешние запросы. Схематично это многообразие можно изобразить примерно так:


23:59:58    23:59:58    23:59:58
23:59:59 23:59:59 23:59:59
23:59:59 00:00:00 --:--:-- 00:00:00 00:00:00 00:00:00
00:00:01 00:00:01 00:00:00

Разница в одну секунду между двумя связанными системами в некоторых случаях может оказаться фатальной.

Более наглядным примером концептуального изъяна високосных секунд является случай UNIX-времени, являющегося базовым для Mac OS X, операционных систем на базе ядра Linux и программ, написанных на языках С и C++. Фактически эта система времени отсчитывает количество секунд, прошедших с начала "эры UNIX" - UTC. Високосные секунды обрабатываются по строго определенным правилам, но при этом в итоговой "сумме" не учитываются. В результате, например, разность 1341100801 - 1341100799 из-за високосной секунды формально должна быть равна не 2, а 3.

Правила обсчета секунды координации UNIX-времени ("обычную" секунду предваряет високосная) приводят к прыжку во времени назад на одну секунду, что также теоретически может стать причиной различных сбоев.


1341100799.00
1341100799.50
1341100800.00 1341100800.50 1341100800.00
1341100800.50
1341100801.00

Все это привело к тому, что временная шкала, претендующая на роль универсальной и исторически созданная для облегчения навигации, либо была проигнорирована современными навигационными системами (как в случае с GPS), либо создала им определенные сложности (как в случае с ГЛОНАСС). Разработчики GPS не стали связываться с високосными секундами и создали собственную временную шкалу, синхронизировав время с UTC всего один раз - в при запуске (поэтому постоянная разница между временем GPS и TAI составляет 19 секунд). Проектировщики ГЛОНАСС рискнули и доверились UTC, в итоге добавление координационной секунды в ночь с 30 июня на 1 июля 1997 года и дополнительная корректировка внутренних часов привели к недоступности навигационной системы для пользователей на сутки. Разработка и ввод в строй новых навигационных систем с внутренними временными шкалами по сути повторяет ситуацию с морскими картами с собственными системами координат с той лишь разницей, что пересчет координат теперь можно доверить бортовому компьютеру или навигатору.

Что Англия? Привыкли чуть что: Англия, Англия

Осознание проблем, создаваемых високосными секундами, привело к попыткам придумать, как с ними справиться. Простейшим выходом было бы отсрочить решение задачи и переложить ее на плечи будущих поколений, введя вместо секунды координации високосный час: по разным расчетам, учитывающим постепенное замедление вращения Земли вокруг своей оси, 3600 високосных секунд могли бы набежать как за 550, так и за 900 лет. Другим "очевидным" решением могло бы стать очередное переопределение секунды, но это повлекло бы за собой необходимость пересмотра всех физических единиц измерения, зависящих от времени.

В итоге был выбран вариант с вынесением нового определения UTC, из которого предлагалось просто исключить упоминание о високосных секундах. Вследствие чего UTC должно было стать равно TAI с постоянным, навсегда (ну или по крайней мере до нового пересмотра) зафиксированным смещением во времени. С данной инициативой выступили США, основным противником изменений стала Великобритания, жители которой до сих пор в обиходе именуют UTC своим родным GMT (в случае принятия нового определения универсального координированного времени оно кардинально разошлось бы со средним временем по Гринвичу). Голосование среди представителей 192 стран - участников Международного союза электросвязи планировалось провести в ходе Всемирной конференции радиосвязи, открывшейся 23 января в Женеве. В случае, если предложение набрало бы более 70 процентов голосов, то новое определение UTC вступило бы в силу , а до тех пор планировалось продолжать учет високосных секунд. Но в итоге на предварявшей открытие конференции Ассамблее радиосвязи рабочая группа решила отложить вынесение вопроса на голосование на три года, чтобы успеть проработать все технические аспекты отмены високосных секунд.

Пока ученые-"временщики" спорят о судьбе UTC, прикладные специалисты потихоньку отучают себя и окружающих от использования високосных секунд. Так, черновой вариант спецификации языка гипертекстовой разметки HTML5 не предусматривает возможности отображения високосных секунд. Это не значит, что запрещается их учитывать, но как с ними работать - какое значение ставить атрибуту datetime при обверстке тэгом хотя бы в рамках данного текста - непонятно.

На проблему определения стандартного времени можно взглянуть под другим углом. Каждая новая високосная секунда - это примерно два миллиона человеко-часов, распределенных между всем населением планеты Земля. Декабрьско-январские дополнительные секунды лишь увеличивают время празднования Нового года, а вот с летними дело обстоит иначе. Если в европейской части России они уходят на сон, то для жителей Восточной Сибири и Дальнего Востока високосные секунды вполне могут оказаться "трудовыми". Новое определение UTC должно помочь установлению социальной справедливости.

P.S. Следующая синхронизация "земного" и "стандартного" времени уже запланирована на лето этого года. У вас будет шанс самим оценить степень надуманности проблемы и способность существующих систем распознать високосную секунду и обработать ее. Например, попробуйте дозвониться по Москве в службу точного времени.

подписатьсяОбсудить
00:02 26 июля 2016

Палач всея Руси

Кровавые и бесчеловечные убийства, совершенные Иваном Грозным
Метры у метро
Московские новостройки, рядом с которыми скоро откроют станции подземки
Тиснули на славу
Как выглядит первое в мире здание, напечатанное на 3D-принтере
Вот это номер!
«Тайный арендатор» в многофункциональном комплексе «Ханой-Москва»
Жить стало веселее
Новая редакция «сталинского рая» на ВДНХ
Любовь по залету
Аэропорты мира, которые не захочется посещать добровольно
Rolling Acres Огайо, СШАЗакрыто навсегда
Как выглядят торговые центры-«призраки», потерявшие покупателей