Att hålla koll på tiden

Efter en artikel på den utmärkta bloggen Second Opinion om skottsekunden som skjuts in nu till nyår så började jag titta på det där med tid. Det är inte så lätt som man kan tro. Det verkar väl enkelt: Ett dygn är 24 timmar = 84600 sekunder. Lätt som en plätt.

Problemet började när vi började bli för noggranna med att mäta tid. På 1950-talet hade man upptäckt att jordens rotation inte var konstant nog för att kunna fungera som en definition av sekunden. Bilden ovan visar hur mycket, i millisekunder, som dygnet avvikit från 86400s sedan 1973. Som vi kan se så är dygnet längre än 86400s, jordens rotation bromsas alltså. Följakligen man var tvungen att definiera om sekunden, först som en 31 556 925,974-del av det tropiska året, och från 1967 som den definition vi fortfarande har kvar:

varaktigheten av 9 192 631 770 perioder av den strålning som motsvarar övergången mellan de två hyperfinnivåerna i grundtillståndet hos atomen cesium-133

Med hjälp av ett statistiskt medelvärde av en mängd atomur håller man koll på tiden med en precision på bättre än 1 ns per dygn. Detta kallas den internationella atomtiden (TIA). Fast inte heller detta har varit helt enkelt. Atomuren i sig är oerhört precisa, men 1970 upptäckte man att man mätte olika lång tid på olika höjd över havet. Det beror på att tiden går långsammare i stark gravitation vilket beskrivs i den allmänna relativitetsteorin. Man definierade därför om sekunden till att gälla vid medelhavsnivån (den roterande geoiden) vilket ledde till att den uppmätta sekunden blev 1×10⁻¹⁰ längre.

Men eftersom tiden nu är definierad oberoende av jordens rotation så förskjuts TIA i förhållande till jordrotationen. Genom att titta på hur jorden roterar i förhållande till solen och stjärnorna kan man definiera den så kallade universella tiden (UT1). Med hjälp av Very long baseline interferometry kan man titta på när avlägsna kvasarer passerar över en viss punkt på himlen (ekliptikan) och bestämma tiden till med någon mikrosekunds presision. Den universella tiden hålls koll på av en organisation i Frankrike med det coola namnet International Earth Rotation Service.

En tredje tid, koordinerad universell tid (UTC), är den som vi ställer våra klockor efter. Den är definierad efter atomtiden, men får aldrig skilja sig mer än 0,9 sekunder från UT1. Därför lägger man ibland till en skottsekund för att hålla UTC och UT1 i fas. TIA justeras aldrig, men var samma som UTC den 1 januari 1958. UTC skiljer sig därför från TIA med det totala antalet skottsekunder vilket är 33. Ytterligare en tid som aldrig justeras är GPS-tiden. Den fixerades till UTC 1980 och ligger nu 14 sekunder före UTC.

Anledningen till att jorden roterar långsammare beror på friktion i tidvatteneffekten. När månen (och solen) drar jorden och den deformerar så förloras lite energi. Denna inbromsning ligger på ca 1,6 ms per dygn per århundrade. Sedan 1820, då dygnet definierade som precis 86400s har det blivit ungefär 2ms längre. Våra klockor löper alltså 2 ms för långsamt per dygn. På 500 dygn blir det en sekund och det är den skottsekunden vi lägger till. Men i figuren högst upp ser man att rotationen varierar väldigt (nåja) också. Dessa variationer beror på geofysiska processer och rörelser i atmosfären och oceanerna. Dessa är svåra att förutspå, och därför att det inte lätt att säga precis när en skottsekund kommer att behövas.

Ytterligare tidssystem såsom Terrestial Time med flera har definierats för att hantera relativistiska effekter. Einstein visade ju nämligen att det inte finns någon absolut tid, utan den beror på var man befinner sig och hur snabbt man rör sig. Men här blev det för komplicerat, så jag tycker vi slutar nu. Men nästa gång du tittar på klockan så ägna en sekund att uppskatta allt det arbete så lagts ner på att den skall visa rätt.

Andra bloggar om: tid, skottsekund, sekund, vetenskap, fysik, astronomi. Intressant?

UPPDATERING: Nu börjar även pressen rapportera om skottsekunden.