Czas goni nas

Czas jest czymś czego nie widać, nie czuć ale co każdy intuicyjnie rozumie. Wydaje się, że nie ma niczego prostszego i bardziej oczywistego ale jeśli przyjdzie nam zdefiniować czym jest czas to okazuje się, że odpowiedź jest zaskakująco trudna. Dzisiaj jednak nie będziemy zajmować się samą istotą czasu ale wpływem jego pomiarów na nasze codzienne życie.

Ludzkość zaczęła mierzyć czas ze względów praktycznych. Chcieliśmy wiedzieć kiedy siać zboża aby zdążyły dojrzeć, numerowaliśmy dni i godziny aby spotykać się o określonej porze, dokładny pomiar czasu potrzebny był żeglarzom do nawigacji. Nic więc dziwnego, że podstawowe jednostki czasu są powiązane z naturą. Rok trwa tyle ile obieg Ziemi dookoła Słońca, miesiąc tyle ile cztery kwadry Księżyca, doba tyle ile jeden obrót Ziemi dookoła własnej osi.

Ciągłe dążenie do dokładnego pomiaru i doskonalenie zegarów spowodowało jednak pewne problemy. Niestety Stwórca powołując do istnienia Układ Słoneczny nie zadbał o to aby Ziemia obiegała słońce dokładnie w 365 dni. Podobnie spartaczył Księżyc, który nie krąży dookoła Ziemi dokładnie jeden miesiąc. Należało więc dopasować kalendarz i zegary tak aby grudzień nie wypadł latem a północ w środku dnia.

Z długością roku liczoną w dniach sprawa jest stosunkowo prosta. Ponieważ Ziemia robi jedno okrążenie wokół Słońca w 365,242190419 dnia trzeba co jakiś czas wprowadzać poprawki aby pierwszy dzień stycznia zawsze wypadał gdy Ziemia znajduje się w tym samym miejscu orbity zapewniając tym samym stabilność pór roku. Taką poprawką jest dodatkowy dzień gdy wypada rok przestępny.

Rok przestępny nie wypada – jak się powszechnie sądzi – co cztery lata. Byłoby tak gdyby rok trwał dokładnie 365.25 dni. Bez dodatkowych poprawek kalendarz przyspieszałby jednak o jeden dzień na 128 lat. Dlatego wprawadzono dwie dodatkowe reguły:

  • rok jest przestępny gdy jest podzielny przez 4
  • chyba, że jest podzielny przez 100 (wtedy nie jest przestępny)
  • chyba, że jest podzielny przez 400 (wtedy jest przestępny)

Ta ostatnia reguła jest potrzebna gdyż bez niej kalendarz różniłby się od rzeczywistości o 0,219 dnia na każde 100 lat. Nadal nie jest to idealne rozwiązanie gdyż po 3200 latach rożnica znów osiągnie jeden dzień ale na razie nie podejmowane są żadne działania aby dodać kolejne poprawki.

O latach przestępnych wiedzą prawie wszyscy ale mało kto słyszał o przestępnej sekundzie. Jej istnienie ponownie wynika ze zdefiniowania roku na podstawie zjawiska fizycznego jakim jest ruch Ziemi dookoła Słońca. Ponieważ rok jest dużą i niewygodną jednostką czasu wprowadzaono mniejsze: rok dzielimy na 365 dni, dzień na 24 godziny, godzinę na 60 minut a minutę na 60 sekund. W dniu jest więc 86400 sekund. Długość dnia (liczonego jako czas obrotu dookoła osi a nie czas gdy świeci słońce) zmienia się jednak nieznacznie na skutek wpływu grawitacyjnego Księżyca i Słońca oraz procesów zachodzących w skorupie ziemskiej. Duże trzęsienie ziemi może zmienić długość dnia o kilka mikrosekund. Dlatego wprowadzono czas TAI.

Czas TAI wprowadzono w roku 1955. Przyjęto wtedy, że będzie to uśredniony czas podawany przez 200 atomowych zegarów działających w różnych krajach. Zegar atomowy działa bardzo dokładnie a jego pomiar jest oparty na dość prostej zasadzie. Jeśli pobudzimy (dostarczymy mu energii) atom cezu to wyśle on falę świetlną o określonej częstotliwości. Ta częstotliwość jest stała i możliwa do zmierzenia z dużą dokładnością. Wystarczy teraz powiązać tą informację z długością dnia i mamy idealną definicję sekundy.

Sekunda jest zdefiniowana jako czas odpowiadający 9.192.631.770 okresom fali emitowanej przez cez. Dlaczego akurat taką liczbę przyjęto w definicji? Wynika ona z długości dnia podzielonej przez 86400. W tym czasie fala świetlna emitowana przez cez zadrga 9,192,631,770 razy. Skoro jednak długość dnia jest zmienna to który dzień został przyjęty jako wzorzec? Otóż był to uśredniony dzień w roku 1900.

Mamy więc czas TAI liczony bardzo dokładnie, z sekundą odpowiadającą tej z roku 1900. Długość tej sekundy jest powiązana z drganiami fali emitowanej przez cez i nie zmieni się. Zmieni się natomiast sekunda “słoneczna” czyli długość dnia podzielona przez 86400 mierzona metodami astronomiczymi. Do użytku wprowadzono więc czas UTC(1). Korzysta on z sekundy o takiej samej długości jak TAI ale jest “dopasowywany” do ruchu obrotowego Ziemi. To dopasowanie polega na dodaniu raz na jakiś czas nadmiarowej sekundy zwanej właśnie sekundą przestępną. Z reguły jest ona dodawana w czerwcu lub grudniu. Ze względu na nieregularność ruchu Ziemi niemożliwe jest wprowadzenie prostej reguły – jak w przypadku roku przestępnego. Zamiast tego konieczność dodania sekundy przestępnej określana jest na podstawie obserwacji astronomicznych.

Na początku wspomniałem, że długość roku to 365,242190419 dnia. Jak jednak dokładnie wyznaczyć długość roku? Można zmierzyć jak długo zajmie Ziemi okrążenie Słońca ale potrzebny jest jakiś układ odniesienia. W kosmosie nie ma przecież słupków milowych a trzeba jakoś sprawdzić czy Ziemia jest już w tym samym punkcie co rok temu. W tym celu można obserwować pozorny ruch Słońca na tle gwiazd. Jeśli Słońce pojawi się w tym samym miescu na niebie to możemy powiedzieć, że właśnie minął rok. Tak mierzony rok nazywany jest gwiazdowym i trwa 31.558.149 sekund. Ile to będzie dni?

Podobnie jak obliczyliśmy długość roku możemy też użyć gwiazd do obliczenia długości dnia. Sprawdźmy ile czasu zajmie gwiazdom powrót w to samo miejsce na niebie a obliczymy długość dnia gwiazdowego. Tu jednak niespodzianka gdyż wynikiem będzie 86.164 sekund czyli 23 godziny 56 minut i 4 sekundy zamiast pełnych 24 godzin. Różnica wynika z tego, że 24-godzinny dzień został zdefiniowany na podstawie ruchu Słońca a nie gwiazd. Tym samym rok ma 366.256 lub 365.256 dni w zależności od tego jakiej długości dzień przyjmiemy jako podstawę do naszych obliczeń.

Rok gwiazdowy nie rozwiązuje jednak wszystkich problemów. Ziemia oprócz ruchu obrotowego dookoła własnej osi oraz ruchu po orbicie podlega również precesji. Oś jej obrotu powoli wiruje jak bąk. Pojedynczy obrót zajmuje co prawda 20.000 lat ale jest to efekt mierzalny. Gdybyśmy zmierzyli czas między dwoma punktami równonocy wiosennej – czyli wtedy gdy Słońce znajduje się w zenicie na równiku – to okazałoby się, że tak zdefiniowany rok zwrotnikowy jest krótszy od gwiazdowego o 21 minut. Aby nie powodować przesunięć pór roku w powszechnym użyciu jest zatem rok zwrotnikowy.

To jednak nie koniec. Rok można liczyć pomiędzy kolejnymi przejściami Ziemi przez peryhelium – czyli punkt najbliższy Słońcu – będzie to rok anomalistyczny. Orbita Ziemi jest elipsą. Jednak na skutek oddziaływań planet elipsa ta powoli obraca się w tempie jednego obrotu na 100.000 lat w dodatku w dość nieregularny sposób. Długość roku anomalistycznego wynosi średnio 31.558.432 sekund.

Myślicie, że to koniec? Otóż nie. Rok można definiować na kilka innych sposobów w zależności od tego jakie zastosowanie akurat nas interesuje. W astronomii używany jest często rok Juliański. Jest on równy dokładnie 365,25 dniom co znakomicie upraszcza wszelkie obliczenia. Rok księżycowy jest równy dwunastu pełnym cyklom Księżyca i trwa około 354,37 dni. Po więcej definicji roku odsyłam do Wikipedii.

Jak widać w dość prostych pojęciach kryje się wiele szczegółów. Nie wspomniałem tu jeszcze o strefach czasowych, które mają w założeniu ułatwiać życie ale wprowadzają zamieszanie tym większe im bardziej globalizuje się nasze życie codzienne. Niezależnie jednak od tego jak go mierzymy czas zawsze biegnie nieubłaganie do przodu. A o tym dlaczego tak się dzieje i czym tak naprawdę jest czas porozmawiamy sobie kiedy indziej bo to zupełnie inna bajka.

(1) tu mała dygresja. Ze względu na imperialne zapędy Wielkiej Brytanii i Francji nie można było dojść do porozumienia czy nowy czas ma się nazywać CUT (od Coordinated Universal Time) czy też TUC (od Temps Universel Coordonné) dlatego zdecydowano się na kompromis czyli nic nieznaczący skrót UTC. Czasem rozwija się go jako Universal Time Clock.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *


*