Miért szökik a másodperc?

1058

Mottó:
"- Hány óra van?"
"- Úgy érted, most?"

Az idő múlásának (pontos) mérése az egyik legősibb probléma. A természettudományok, elsősorban a csillagászat igényeinek kielégítésére az időrendszerek fogalma az elmúlt századok során jelentős változásokon ment át. Ennek eredményeként mai időrendszerünk alapja az atomidő (TAI, International Atomic Time), melyet atomórák láncolatával nemzetközi megállapodás alapján mérnek. Az atommásodperc definíció szerint a 133-as cézium-izotóp két, ún. hiperfinom állapota közti elektronátmenet során keletkező elektromágneses sugárzás egy periódusának 9192631770-szerese, ez az ún. SI másodperc. A következőkben a cikkek ürügyén kísérletet teszünk az időrendszerekkel kapcsolatos tudnivalók rövid összefoglalására.

A US National Bureau of Standards kutatói, Edward Condon and Harold Lyons által épített első atomóra 1949-ben.
[www.marcdatabase.com]

Mikor a "Hány óra van?" kérdésre válaszolva például a karóránkra nézünk, akkor kronométerünkről a bonyolultabb időrendszerekből a polgári használatra leszármaztatott időt, a zónaidőt olvashatjuk le, melynek alapja az ún. koordinált világidő (UTC, Coordinated Universal Time). Az UTC-t az atomidőből származtatják, egysége megegyezik a TAI egységével. Az ettől független, csillagászati jelenségeken alapuló világidőnek három fajtája használatos, az UT0, UT1 és UT2. Mindhárom a Föld tengely körüli forgásán alapul, de míg az elsőt (UT0) a Föld pillanatnyi pólusain áthaladó greenwichi meridiánra vonatkoztatják, addig a másodikból (UT1) kiküszöbölik a pólusvándorlásból eredő hatásokat, a harmadikból (UT2) pedig a Föld tengely körüli forgásában jelentkező szezonális ingadozások hatását is.

A probléma tehát az, hogy a Föld nem egyenletesen forog a tengelye körül. Az ebben észlelhető változások három csoportba sorolhatók: (1) szekuláris, azaz nagyon hosszú időszak alatt megfigyelhető lassulás, (2) periodikus változások és (3) véletlenszerű ingadozások. A szekuláris lassulást már Halley korában, a 17. század végén felismerték, s Kant volt az első, aki magyarázatául a Hold hatását hozta fel. Egy évszázaddal később Delaunay a Hold pályamenti mozgásában bekövetkező változásokat szintén az árapály-erőkkel magyarázta, melyek a Föld forgását lassítják, ennek folyományaként pedig a rendszer össz impulzusnyomatékának megmaradása miatt a Hold keringési sebességét növelik, ami miatt kísérőnk folyamatosan távolodik tőlünk. Az elmúlt 2700 év alatt a nap hosszának változása 1,7 ms/nap/évszázad rátával zajlott, a Hold hatása ugyanakkor 2,3 ms/nap/évszázad rátát indokolna. A két érték közötti különbség azonban magyarázható a Föld alakjában a jégtakaró olvadása miatt bekövetkező változásokkal. A periodikus változások fő oka a légköri cirkuláció szezonális változása. Májusban a nap körülbelül 30 milliszekundummal hosszabb, novemberben pedig ennyivel rövidebb, mint az éves középérték. A véletlenszerű változások amplitúdója néhány tized ms/nap, ezek a fluktuációk tipikusan egy évtizedig vannak jelen.

Becslések alapján a 2004. december 26-i óriási szumátrai földrengés következtében 2,68 mikroszekundummal csökkent a nap hossza, azaz a katasztrófa következtében a Föld forgása kiszámítható, bár detektálhatatlan mértékben gyorsult. A Quickbird műhold által készített képen Sri Lanka partvidékének egy része látható a földrengést követő szökőár (cunami) első hullámai után körülbelül 1 órával, illetve ugyanaz a terület egy évvel korábban.
[NASA]

A Föld tengely körüli forgása szekuláris lassulásának kezdete valószínűleg még a Föld-Hold rendszer kialakulása körüli időkre nyúlik vissza. Fosszilis korallok elemzése azt mutatja, hogy a devon földtörténeti időszak vége felé, körülbelül 370 millió évvel ezelőtt az év hossza valahol 385 és 410 nap között volt. Ez azt jelenti, hogy a lassulás mértéke akkoriban is a maival egyezett meg. Bár a lassulás tempója kicsi, nem kell ilyen messze visszamennünk az időben, hogy a felgyülemlett eltérés hatását érzékeljük. Az elmúlt 2000 év során az eltérés az UT1-ben körülbelül 3 órát tesz ki. Ha ezt nem vennénk figyelembe, akkor az i.e. 136-ban Mezopotámiában megfigyelt teljes napfogyatkozás totalitási sávja 48,8 fokkal tolódna el a 11700 másodperces eltérésnek megfelelően nyugati irányban, azaz a babiloniak nem is láthatták volna, holott kőtáblákon is dokumentálták.

A Mezopotámiában i.e. 136. április 15-én megfigyelt teljes napfogyatkozás részletes leírása egy, a British Múzeumban őrzött kőtáblán. Ha a Föld forgásában bekövetkező lassulást nem vennénk figyelembe, akkor a totalitás sávja majdnem 50 fokkal nyugatra tolódna el. Ha a lassulást csak az árapály-erők hatásának tulajdonítanánk, akkor viszont 22 fokkal keletre. Az, hogy a babiloniak látták, s meg is örökítették a jelenséget, lehetőséget teremt a lassulás tempójának becslésére.
[F.R. Stephenson, www.britannica.com]

Mivel a Föld tengely körüli forgása nem egyenletes, ezért egyes égi jelenségek bekövetkezésének időpontja világidőben nem adható meg. Olyan időrendszerre van tehát szükség, melyben például a Naprendszer égitestjeinek a megfigyelt és a newtoni mozgástörvényeken alapuló számított pozíciói a lehető legjobban egybeesnek. Ez az ún. efemerisz idő (ET, Ephemeris Time). Az ET-t a Hold ekliptikai hosszúságának mérésével lehet meghatározni, a gyakorlatban azonban egy esemény bekövetkeztének időpontját efemerisz időben csak utólag adhatjuk meg. Az ET a gyakorlati alkalmazásokban az atomidővel azonosan múlónak vehető. Az ET másodpercének hosszát 1960-ban rögzítették Simon Newcomb munkái alapján, aki 1750 és 1892 közötti csillagászati megfigyeléseket felhasználva vezetett le egy formulát a Nap közepes pályamenti hosszúságára. Az ET másodpercének hossza ezen időszak közepén, tehát 1820 körül egyezett meg az UT1 másodpercének hosszával. A történeti fejlődés miatt ugyenez igaz az SI másodpercének hosszára is, azaz 1820 körül a nap hossza 86400 SI másodperc volt. A lassulás miatt azonban ma már mintegy 2,5 ms-mal hosszabb akkori értékénél, azaz a felgyülemlő eltérés egy év alatt körülbelül 1 másodpercet tesz ki. Ez az oka annak, hogy a koordinált világidőbe alkalmanként be kell szúrni egy plusz másodpercet, ez az ún. szökőmásodperc. Ezzel az UTC szinkronban (0,9 másodpercen belül) tartható az UT1-gyel. Az ugyanolyan másodperc-hosszúsággal rendelkező TAI és UTC között jelenleg 33 egész másodperc a különbség. 1999 óta belső tömegátrendeződések okozta változás miatt mindössze egyszer, 2005-ben kellett a szökőmásodpercet beiktatni. Az UTC jelenlegi definíciójának érvényben maradása mellett a jövőben azonban elképzelhető, hogy nem egyszer, hanem évente esetleg többször is be kell szúrni a szökőmásodpercet. A következő a tervek szerint éppen 2008. december 31-én lesz esedékes.

Az általános relativitáselmélet két fajta időt különböztet meg. Az egyik az ún. sajátidő, melyet reprezentálhat mondjuk egy atomóra, a másik pedig a főként a négydimenziós téridőben használt időkoordináta, ami a mozgásegyenletek független változója. Bármely koordináta-rendszerben a kettő között egy megfelelő transzformációval kapcsolat teremthető. Az efemerisz idő rendszere nem tartalmaz semmilyen relativisztikus hatást és nem tesz különbséget a relativitáselmélet kétfajta ideje között, a továbbfejlesztései azonban igen: (1) A TT (Terrestrial Time) olyan koordináta-rendszerhez kapcsolódik, melynek középpontja a földfelszínen van. Változási üteme megegyezik egy, a geoid felületén elhelyezkedő ideális óra által mutatott sajátidővel. Az atomidővel a TT = TAI + 32,184 s összefüggésben áll. (2) A TCG (Geocentric Coordinate Time) olyan koordináta-rendszerhez kapcsolódik, melynek középpontja a Föld középpontja. (3) A TCB (Barycentric Coordinate Time) koordináta-rendszerének középpontja a Naprendszer tömegközéppontja. A gyakorlatban a bolygómozgások relativisztikus hatásokat is figyelembe vevő efemeriszei a TCB-t használják független változóként. A TT, TCG és TCB közötti transzformációkra megfelelő formulák állnak rendelkezésre.

Az Astronomical Journal c. folyóiratban tavaly megjelent cikkükben Steven Deines és Carol Williams (University of South Florida) az atomidő és a koordinált világidő divergenciájának – ami az előzőek alapján a szökőmásodpercek szükséges beszúrásában nyilvánul meg – okát másban, mégpedig relativisztikus hatásban, az ún. idődilatációban látja. A szerzők az UT-t egy földfelszíni megfigyelő sajátidejeként, míg az ET-t (s rajta keresztül az atomidőt) koordináta-időként kezelik, s a kettő között egy relativisztikus transzformációt vezetnek le, melynek eredményeként megjelenik egy idődilatáció, ami szerintük 0,2%-on belül megegyezik az SI és az UT1 másodperce közti különbséggel, így magyarázza a két időrendszer közti divergenciát, azaz a szökőmásodperc szükségességét. Ezzel párhuzamosan vitatják az árapály-erőknek a forgás fékezésében betöltött szerepét, mindössze 1 százaléknyi jelentőséget tulajdonítva nekik.

Deines és Williams megközelítését az Astronomical Journal szakfolyóirat 2008. novemberi, még megjelenés előtt álló 136-os kötetének 5. számában egymás után két cikk is elhibázottnak bélyegzi. Dennis McCarthy (U.S. Naval Observatory) és munkatársai, illetve Gérard Petit (BIPM, Bureau International des Poids et Mesures) és Sergei Klioner (Lohrmann Observatory, Dresden Technical University) rámutatnak arra, hogy Deines és Williams hibásan azonosítják a Föld forgását jellemző UT1-et egy földfelszíni megfigyelő sajátidejével – ez a definíciója miatt sem lenne lehetséges -, illetve felhívják a figyelmet arra, hogy Deines és Williams nem ismerték fel, hogy az ET nem tartalmaz relativisztikus hatásokat, s a relativisztikus megfelelője inkább a TT, mint sem a TCB. Azaz munkájuk hibás kiindulási feltevéseken alapul, így a végkövetkeztetése sem lehet helyes. Hangsúlyozzák, hogy az árapály-erők hatása teljes mértékben magyarázza a forgás lassulását, annak kellő pontosságú leírásához mai tudásunk alapján nem szükségeltetik semmilyen relativisztikus effektus feltételezése.

Szubjektív megjegyzés: A szemléző érzése szerint a válaszcikkek meglepően – ebben a körben talán szokatlanul – egyenes módon minősítik hibásnak (hogy ne mondjuk butaságnak) az ugyanabban a nagynevű, referált folyóiratban megjelent vitatott cikk – meglehet, valóban megkérdőjelezhető – megközelítését és állításait.

Forrás:

Hozzászólás

hozzászólás