پیوند TAI و UT1: چگونه UTC با ثانیههای کبیسه، ساعت‌های اتمی را با چرخش زمین هماهنگ میکند
زمان هماهنگ جهانی (UTC) تعادل حساسی را بین دقت ساعت‌های اتمی و چرخش نامنظم سیاره ما حفظ میکند. زمان‌سنج‌های جهانی با افزودن یا حذف ثانیههای کبیسه، اطمینان حاصل می‌کنند که زیرساخت‌های دیجیتال ما به زمان خورشیدی متصل بمانند.
به قلم کامران صادقی
این خبر را به اشتراک بگذارید
به‌طور خلاصه
- UTC تعادل بین سرعت ریاضی بی‌نقص ساعت‌های اتمی و چرخش فیزیکی نامنظم زمین را برقرار میکند.
- وقتی فاصله بین زمان اتمی و زمان خورشیدی به ۰٫۹ ثانیه نزدیک می‌شود، یک ثانیه کبیسه برای همسویی مجدد آن‌ها درج می‌شود.
- ثانیههای کبیسه باعث اختلالات شدیدی در سیستم‌های دیجیتال می‌شوند که در گذشته به خرابی‌های بزرگ سرورها منجر شده است.
مهندسان شبکه استدلال می‌کنند که زمان باید جریانی پیوسته و بدون وقفه از ثانیه‌ها باشد، زیرا هرگونه پرش ناگهانی باعث از کار افتادن پایگاه‌های داده و ناهماهنگی سرورهای توزیع‌شده می‌شود. در مقابل، ستاره‌شناسان می‌گویند زمان اساساً معیاری از جهت‌گیری زمین در فضاست و ساعتی که خورشید را نادیده بگیرد، برای ناوبری بی‌فایده است.
زمان هماهنگ جهانی (UTC) دقیقاً روی خط گسل این دو تعریف ناسازگار قرار دارد. این استاندارد تلاش میکند با حرکت در سرعت بی‌نقص ساعت‌های اتمی و توقف‌های گاه‌به‌گاه دقیقاً یک‌ثانیه‌ای برای رسیدن به زمینِ در حال کند شدن، هر دو طرف را راضی نگه دارد.[5]
برای درک این راهحل، باید به دو مقیاس پایه‌ای نگاه کنید. زمان اتمی بین‌المللی (TAI) از میانگین وزنی بیش از ۴۰۰ ساعت اتمی در ۶۹ آزمایشگاه ملی در سراسر جهان تولید می‌شود. این زمان با نظم مطلق ریاضی به جلو می‌رود.
اما زمان جهانی (UT1) با رصد اختروش‌های دوردست برای اندازه‌گیری زمان دقیق یک چرخش کامل زمین تعیین می‌شود. از آنجا که زمین به دلیل جزر و مد اقیانوس‌ها، جابه‌جایی پوسته و تعامل با جاذبه ماه دچار نوسان می‌شود، چرخش آن بهتدریج در حال کند شدن است و یک روز خورشیدی را کمی طولانیتر از ۸۶,۴۰۰ ثانیه اتمی میکند.[1]
سرویس بین‌المللی چرخش زمین و سیستم‌های مرجع (IERS) این شکاف فزاینده را زیر نظر دارد. وقتی تفاوت بین UT1 و UTC به ۰٫۹ ثانیه نزدیک می‌شود، IERS بولتن C را صادر کرده و اعمال یک ثانیه کبیسه را الزامی میکند. مؤسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) در مستندات رسمی خدمات زمانی خود بیان میکند: «UTC با معرفی گام‌های یک‌ثانیه‌ای به نام 'ثانیه کبیسه'، در محدوده ۰٫۹ ثانیه‌ای از UT1 نگه داشته می‌شود.»[3]
طبق اعلام مؤسسه ملی اندازه‌شناسی آلمان (PTB)، این تنظیم معمولاً برای پایان ژوئن یا دسامبر برنامه‌ریزی می‌شود. در ساعت ۲۳:۵۹:۵۹ به وقت UTC، ساعت پیش از رفتن به ۰۰:۰۰:۰۰، روی ۲۳:۵۹:۶۰ تیک می‌خورد. این تک‌ثانیه تزریق‌شده، زمان اتمی را دوباره با سیاره فیزیکی همسو میکند و تضمین میکند که ساعت ۱۲:۰۰:۰۰ به وقت UTC همیشه تقریباً با ظهر در نصف‌النهار مبدأ مطابقت داشته باشد.[1]
برای نرم‌افزارها، ساعت ۲۳:۵۹:۶۰ یک کابوس است. استاندارد زمانی POSIX که پایه سیستم‌های یونیکس و لینوکس است، فرض میکند هر روز دقیقاً ۸۶,۴۰۰ ثانیه دارد. هنگام وقوع ثانیه کبیسه، ساعت سیستم اغلب یک ثانیه را دو بار تکرار میکند.
در سال ۲۰۱۲، یک ثانیه کبیسه باعث قطعی‌های گسترده در ردیت، موزیلا و خطوط هوایی کانتاس شد، زیرا هسته لینوکس هنگام تلاش برای پردازش برچسب زمانی تکراری قفل کرد. رصدخانه نیروی دریایی ایالات متحده (USNO) خاطرنشان میکند که اگرچه این سیستم برای ناوبری نجومی کارآمد است، اما پیچیدگی‌های شدیدی برای سیستم‌های دیجیتال پیوسته ایجاد میکند.[2]
برای جلوگیری از خرابی‌ها، شرکت‌های بزرگ فناوری روش «پخش کبیسه» (Leap Smearing) را توسعه دادند. شرکت‌هایی مانند گوگل و آمازون به جای درج یک ثانیه شصتم خام، سرورهای داخلی پروتکل زمان شبکه (NTP) خود را برای یک دوره ۲۴ ساعته کمی کندتر اجرا می‌کنند. آن‌ها با کش دادن هر ثانیه به اندازه کسری از میلی‌ثانیه، ثانیه اضافی را در طول یک روز جذب می‌کنند.
در حالی که این کار از خطای هسته سیستم‌عامل جلوگیری میکند، اما یک پنجره موقت ایجاد میکند که در آن ساعت‌های داخلی یک شرکت از UTC رسمی منحرف می‌شوند؛ موضوعی که می‌تواند باعث مشکلات حقوقی و مالی در ثبت زمان در شبکه‌های مختلفِ دارای پخش کبیسه شود.[5]
اصطکاک بین پیوستگی دیجیتال و دقت نجومی در نوامبر ۲۰۲۲ به نقطه شکست رسید. در بیست و هفتمین کنفرانس عمومی اوزان و مقیاس‌ها (CGPM)، دفتر بین‌المللی اوزان و مقیاس‌ها (BIPM) قطعنامه ۴ را تصویب کرد. این تصمیم تاریخی الزامی میکند که حداکثر تحمل بین UT1 و UTC افزایش یابد و عملاً درج ثانیههای کبیسه را تا سال ۲۰۳۵ متوقف میکند.
هدف این است که به TAI و UTC اجازه داده شود حداقل برای یک قرن از هم فاصله بگیرند و در حالی که مهندسان به دنبال یک استراتژی آشتی بلندمدت هستند، مقیاس زمانی پیوسته‌ای به جهان داده شود.[4]
آنچه این توقف تدریجی را پیچیده میکند، یک روند زمین‌شناختی غیرمنتظره و اخیر است: زمین شروع به چرخش کمی سریع‌تر کرده است. ذوب شدن یخ‌های قطبی و تغییرات در هسته سیاره، روز خورشیدی را کوتاه کرده است. اگر این روند ادامه یابد، IERS ممکن است مجبور به صدور یک «ثانیه کبیسه منفی» شود، جایی که ساعت از ۲۳:۵۹:۵۸ مستقیماً به ۰۰:۰۰:۰۰ میپرد.
آنچه این توقف تدریجی را پیچیده میکند، یک روند زمین‌شناختی غیرمنتظره و اخیر است: زمین شروع به چرخش کمی سریع‌تر کرده است.
اصطلاحات کلیدی
- زمان اتمی بین‌المللی (TAI)
- مقیاس زمانی پیوسته‌ای که با میانگین‌گیری خروجی بیش از ۴۰۰ ساعت اتمی بسیار دقیق در سراسر جهان محاسبه می‌شود.
- زمان جهانی (UT1)
- مقیاس زمانی مبتنی بر چرخش واقعی و رصدشده زمین نسبت به اختروش‌های دوردست.
- زمان هماهنگ جهانی (UTC)
- استاندارد زمانی اصلی که جهان ساعتها را با آن تنظیم میکند و سرعت TAI را با تنظیمات ثانیه کبیسه ترکیب میکند تا نزدیک به UT1 بماند.
- پخش کبیسه (Leap Smear)
- یک راهحل نرم‌افزاری که در آن سرورهای شبکه برای یک دوره ۲۴ ساعته کمی کندتر اجرا می‌شوند تا یک ثانیه اضافی را بدون ایجاد پرش ناگهانی در برچسب زمانی جذب کنند.
پرسش‌های متداول
چرا چرخش زمین در حال کند شدن است؟
اصطکاک جزر و مدی ناشی از جاذبه ماه، همراه با جابهجاییها در پوسته و گوشته زمین، بهتدریج انرژی چرخشی را تخلیه کرده و روز خورشیدی را در طول قرنها کمی طولانیتر میکند.
ثانیه کبیسه منفی چیست؟
اگر چرخش زمین سرعت بگیرد، زمانسنجها باید یک ثانیه را حذف کنند تا ساعتها با خورشید همسو بمانند، به این معنی که ساعت از ۲۳:۵۹:۵۸ مستقیماً به ۰۰:۰۰:۰۰ میپرد.
بعد از سال ۲۰۳۵ چه اتفاقی برای ثانیههای کبیسه میافتد؟
قطعنامه BIPM توقف درج ثانیه کبیسه را تا سال ۲۰۳۵ الزامی میکند و اجازه میدهد زمان اتمی و زمان خورشیدی حداقل برای یک قرن از هم فاصله بگیرند تا زمانی که درباره یک راهحل دائمی بحث شود.
بررسی عمیق دیدگاه‌ها
مهندسان شبکه و توسعه‌دهندگان نرم‌افزار
اولویت دادن به پیوستگی مطلق در زمان‌سنجی برای جلوگیری از خرابی‌های فاجعه‌بار سیستم.
برای زیرساخت دیجیتالی که جهان مدرن را اداره میکند، زمان یک مفهوم ریاضی است که هرگز نباید به عقب برگردد یا تکرار شود. پروتکل‌هایی مانند POSIX یک روز دقیقاً ۸۶,۴۰۰ ثانیه‌ای را فرض می‌کنند. وقتی یک ثانیه کبیسه ساعت را مجبور میکند روی ۲۳:۵۹:۶۰ برود، پایگاه‌های داده ممکن است خراب شوند، دفترکل‌های توزیع‌شده ممکن است دوشاخه شوند و سیستم‌های ناوبری از کار بیفتند. مهندسان استدلال می‌کنند که هزینه بازنویسی کدهای پایه‌ای برای مدیریت پیچیدگی‌های نجومی بسیار بیشتر از مزیت همسو نگه داشتن کامل ظهر با خورشید است.
ستاره‌شناسان و ناوبران
استدلال می‌کنند که هدف اصلی زمان، نقشه‌برداری از موقعیت فیزیکی ما در کیهان است.
ستاره‌شناسان اشاره می‌کنند که اگر به UTC اجازه داده شود از UT1 فاصله بگیرد، زمان روی ساعت‌های ما به‌آرامی از واقعیت فیزیکی روز و شب جدا خواهد شد. برای ناوبری نجومی، هدف‌گیری تلسکوپ‌ها و ارتباطات در اعماق فضا، دانستن اینکه زمین در یک میلی‌ثانیه خاص دقیقاً به کدام سمت اشاره میکند، حیاتی است. آن‌ها استدلال می‌کنند که کنار گذاشتن ثانیه کبیسه، بار ردیابی چرخش زمین را از زمان‌سنج‌های متمرکز به برنامه‌های نرم‌افزاری فردی منتقل میکند، که ناگزیر به خطاهای محاسباتی خطرناک در ناوبری فیزیکی منجر خواهد شد.
اندازه‌شناسان و نهادهای استاندارد
به دنبال یک سازش عمل‌گرایانه هستند که از زیرساخت‌های فعلی محافظت کرده و در عین حال واقعیت‌های فیزیکی را بپذیرد.
سازمان‌هایی مانند BIPM و NIST تشخیص می‌دهند که سیستم فعلی برای یک جامعه بسیار دیجیتالی‌شده ناپایدار است. قطعنامه ۲۰۳۵ آن‌ها یک عقب‌نشینی استراتژیک است: با توقف ثانیههای کبیسه، آن‌ها به بخش فناوری یک قرن ثبات می‌دهند. با این حال، اندازه‌شناسان می‌پذیرند که این یک راهحل دائمی نیست. آن‌ها از این دوره مهلت استفاده می‌کنند تا چارچوب جدید و قدرتمندی توسعه دهند که ممکن است شامل تنظیمات بزرگ‌تر و کمتر مکرر—مانند یک 'دقیقه کبیسه'—باشد که بتواند توسط شبکه‌های جهانی با قابلیت پیش‌بینی بیشتری مدیریت شود.
- حامیان پیوستگی شبکه
- استدلال می‌کنند که زمان باید یک مقیاس ریاضی پیوسته و بدون وقفه باشد تا از خرابی‌های فاجعه‌بار نرم‌افزاری جلوگیری شود.
- سنت‌گرایان زمان نجومی
- معتقدند که زمان اساساً به چرخش زمین گره خورده است و ساعتی که از خورشید جدا باشد برای ناوبری فیزیکی بی‌فایده است.
- اندازه‌شناسان عمل‌گرا
- به دنبال سازشی هستند که ثانیههای کبیسه را موقتاً به حالت تعلیق درآورد تا زیرساخت‌ها سازگار شوند، در حالی که نیاز نهایی به یک استراتژی آشتی را می‌پذیرند.
دیدگاه‌هایی که این گزارش پوشش نداده
- معامله‌گران فرکانس بالای مالی
- کنترل‌کننده‌های مأموریت فضاپیماها
منابع
پوشش منابع
5 منبع
3 دیدگاه شناسایی‌شده
- [1]PTB.deاندازه‌شناسان عمل‌گرا
Leap seconds
مطالعه در PTB.de → - [2]USNOاندازه‌شناسان عمل‌گرا
Leap Second
مطالعه در USNO → - [3]NISTاندازه‌شناسان عمل‌گرا
Leap second and UT1-UTC information
مطالعه در NIST → - [4]BIPMاندازه‌شناسان عمل‌گرا
Resolution 4 of the 27th CGPM (2022)
مطالعه در BIPM → - [5]تیم سردبیری کوهستانحامیان پیوستگی شبکه
تحلیل تیم سردبیری کوهستان
مطالعه در تیم سردبیری کوهستان →
بیشتر در راهنماها
مشاهده همه →مصرف انرژی ویندوز
چرا کلیک روی «Shut Down» در ویندوز ۱۱ واقعاً کامپیوتر شما را خاموش نمی‌کند؟
6 منبع
بازارهای کربن
سازوکار بازارهای اعتبار کربن: مقایسه استانداردهای انطباقی، داوطلبانه و کیفیت جبران
4 منبع
نقدینگی جهانی
مکانیسم حق برداشت مخصوص (SDR) صندوق بین‌المللی پول: نحوه عملکرد به عنوان ذخیره و واحد حساب
10 منبع
سیاست دیجیتال اتحادیه اروپا
واقعیت جدید دیجیتال اتحادیه اروپا: راهنمای طرح غلتان استانداردسازی ICT ۲۰۲۶، تراشه‌های قابل اعتماد و الزام اعتماد در رسانه
6 منبع
نظرات
هر زاویه. هر روز.
اخبار راهنماها با پوشش کامل منابع و تحلیل دیدگاه‌ها، هر روز و رایگان.