پیوند TAI و UT1: چگونه UTC با ثانیه‌های کبیسه، ساعت‌های اتمی را با چرخش زمین هماهنگ می‌کند

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. سیستم‌های نرم‌افزاری هرگز در برابر یک ثانیه حذف‌شده آزمایش نشده‌اند. یک ثانیه کبیسه منفی نیازمند کدی است که بتواند برچسب زمانی‌ای را که اصلاً وجود نداشته مدیریت کند؛ سناریویی که پیش از اجرای تعلیق در سال ۲۰۳۵، بازارهای مالی جهانی را با خطر خطاهای همگام‌سازی بی‌سابقه‌ای تهدید می‌کند.[3][5]