Генеральная конференция по мерам и весам (ГКМВ) приняла несколько важных решений. Во-первых, отменяется действовавшая полвека система високосных секунд. Эти секунды добавлялись, чтобы показания точных атомных часов не слишком расходились с вращением Земли. Во-вторых, начинается подготовка к изменению самого эталона секунды. Наконец, Международное бюро мер и весов впервые за 30 лет вводит новые приставки для обозначения очень маленьких и очень больших величин. Все эти изменения продиктованы требованиями времени, причем первые два — в самом буквальном смысле.
Сверка часов
В нашу эпоху дешевых и точных часов счет времени может показаться очень простым делом. Достаточно один раз верно установить время, и мы никогда не перепутаем полдень с часом дня. А если часы отстают или спешат, всегда можно синхронизировать их с интернетом.
Но со временем все не так просто. Во-первых, все совсем не просто, и во-вторых, все совсем не так. Ответ на вопрос «Который час?» зависит от того, как мы измеряем время — по вращению Земли, по видимому движению Солнца или по бесстрастным атомным часам. Важно еще, в какой точке планеты мы находимся, и что о счете времени думают местные власти (вспомним о часовых поясах и сезонном переводе стрелок). Поэтому специалисты различают гражданское время, звездное, среднее солнечное, истинное солнечное и множество других шкал.
Между тем, в быстром современном мире сказка о потерянном времени может оказаться очень страшной. Спутниковая навигация, авиация, связь, энергетика, биржевая торговля и другие отрасли требуют учета времени до миллисекунд, а иногда и до наносекунд. Ошибка может стоить не только колоссальных денег, но и многих человеческих жизней. Поэтому человечество прилагает колоссальные усилия для сверки часов.
Базовая шкала времени — это международное атомное время (TAI). Его отсчитывают точные атомные часы, расположенные во многих лабораториях по всему миру и связанные в единую сеть. К работе атомных часов с 1967 года привязано само определение секунды.
Для удобства атомное время TAI пересчитывается во всемирное координированное время (UTC). Последнее и служит основой для работы часов, от серверов времени до башенных курантов.
Непунктуальная планета
Вот только в эту стройную картину трудно вписать суточное вращение Земли. Наша планета никак не желает делать каждый оборот за одно и то же число «атомных» секунд. Продолжительность суток не только не остается постоянной, она даже не подчиняется какой-либо простой закономерности. В целом вращение земного шара постепенно замедляется, но на этот долгосрочный тренд накладываются разнообразные и не всегда предсказуемые возмущения.
Когда по шкале атомного времени уже начинаются следующие сутки, Земля на самом деле еще не завершила оборот. Разница невелика — порядка минуты за столетие. Может быть, через полтысячелетия восходы и закаты будут на час выбиваться из графика.
Это не так уж впечатляет по сравнению с административными решениями. В регионах с летним временем властям не требуются тысячелетия, чтобы дважды в год росчерком пера сдвигать стрелки на час. Поясное время тоже не всегда отвечает географии и здравому смыслу. Скажем, Казань живет по московскому времени, возможно, в связи с претензиями на звание третьей столицы. В результате уже в конце ноября солнце там заходит раньше 15:30.
Однако в 1972 году эксперты ГКМВ решили, что раз уж речь идет о всемирном времени, лучше не допускать особых разногласий со светилом. Как только разница приближалась к 0,9 секунды, к UTC добавлялась високосная секунда, нивелирующая разрыв. С тех пор было добавлено 27 високосных секунд.
Время менять часы
Известна загадка: какое время настает, когда часы бьют тринадцать раз? Ответ: время менять часы. Когда стрелки раз за разом приходится подводить вручную, пусть и всего на секунду, тоже стоит что-нибудь изменить. Особенно в мире, как никогда зависящем от компьютеров и сетей.
Эта практика нарушает естественные представления человека о времени. Мы думаем, что за энной секундой всегда следует эн-плюс-первая, что один и тот же момент времени не может наступить дважды, и так далее. Разумеется, хороший профессионал должен знать и учитывать тонкости счета времени. Но каждый программист знает, как часто мы идем на поводу у своих подспудных представлений и сами не замечаем этого. Эволюция в буквальном смысле не готовила человеческий мозг к педантичной пошаговой проработке алгоритмов. Поэтому написать код без ошибок практически невозможно, как и выловить все ошибки при тестировании. А в эпоху необъятных приложений с сотнями настроек, регулярных обновлений ради них самих, аутсорсного программирования и заимствования друг у друга готовых библиотек проблема пропущенных багов становится все острее.
Неудивительно, что добавление последней високосной секунды в 2016 году сопровождалось множеством технических сбоев у разных пользователей. В критически важных отраслях проблем удалось избежать, но все когда-нибудь случается в первый раз. Каждый оператор инфраструктурной системы, будь то навигационные спутники или сеть электростанций, имеет собственную процедуру добавления високосной секунды. Эти алгоритмы, как правило, не согласованы между собой. А тем временем Земля стала вращаться несколько быстрее, и в резолюции ГКМВ допускается, что однажды високосную секунду придется вычитать, а не добавлять. К подобной процедуре еще никогда не прибегали, и, значит, она не проверена практикой.
В связи с этим конференция постановила, что до 2035 года будет добавлена новая и последняя високосная секунда. После этого вмешательства в ход часов прекратятся на 100 лет. До 2135 года секунды UTC будут тикать по порядку без ручного управления и оглядки на продолжительность суток. За это столетие движение светил выбьется из графика примерно на минуту. Но жизнь человечества привязана не к нему, а к шкале UTC, так что проблем не предвидится. А эксперты получат тайм-аут на разработку более удовлетворительной процедуры, чем добавление високосных секунд. Если задача согласования часов с вращением Земли вообще все еще будет считаться важной.
Переосмыслить мгновение
Одновременно ГКМВ приняла еще несколько резолюций. В одной из них предлагается ни много ни мало изменить определение секунды.
Это делалось уже несколько раз. Секунда как основная единица времени применяется в метрической системе с XIX века. Но ответ на вопрос, что же такое секунда, менялся по мере того, как в распоряжении человечества оказывались все более точные эталоны времени.
В 1967 году ГКМВ определила секунду как «продолжительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133». В 2018 году эту формулировку несколько уточнили, оставив прежнюю суть. Но запросы на точность часов растут: на переднем крае экспериментальной науки всегда требуются лучшие приборы из возможных, а желательно и из невозможных. Ученые отвечают на требования времени, изобретая все более точные и надежные хронометры. Передовые разработки опираются уже не на движение электронов в атоме, а на процессы в атомном ядре.
Возможно, настала пора заново ответить на вопрос, как определять секунду. Но очевидно, что по продолжительности новая секунда должна отличаться от старой достаточно мало, чтобы это не повлияло на повседневную жизнь. Да и вообще такую фундаментальную реформу нужно тщательно обдумать.
В связи с этим ГКМВ предлагает экспертам сформулировать свои предложения к ее следующему заседанию в 2026 году. А еще через четыре года орган, возможно, будет готов принять новое определение единицы времени.
Карлики и гиганты
Наконец, еще одно примечательное решение ГКМВ вступает в силу прямо сейчас. Речь идет о введении новых десятичных приставок для дольных и кратных единиц.
Например, метр — единица длины. Километр — кратная единица: приставка «кило-» означает умножение на 1000. Миллиметр, напротив, единица дольная: «милли-» означает деление на 1000. Величины от «милли-» до «кило-» практически исчерпывают наш быт. Разве что включив компьютер, мы встречаемся с мега-, а то и терабайтами.
А вот ученым нужен куда более обширный диапазон единиц. Например, в лазерной физике уже работают с зеттаваттами (1021 Вт) и аттосекундами (10-18 с). Для понимания масштаба: аттосекунда во столько же раз короче секунды, во сколько раз секунда короче текущего возраста Вселенной.
В последние три десятилетия самой большой кратной приставкой была «йотта-», означающая умножение на 1024. Это единица с 24 нулями или примерное количество молекул в стакане воды. Самой маленькой дольной приставкой была «йокто-», означающая деление на то же число. Новые кратные и дольные приставки всегда принимаются парами, даже если на практике нужна только одна из них.
Появлением йотта- и йоктовеличин мы обязаны химикам. Следующий прорыв в масштабах произошел в IT. Уже более десятилетия в отрасли неофициально использовались «бронтобайты» (brontobytes) и «хеллабайты» (hellabytes). В Международном бюро мер и весов забеспокоились по поводу этой самодеятельности и взяли дело в свои руки. Теперь у нас есть приставки «ронна-» и «ронто-», означающие умножение и деление на 1027. А приставки «кветта-» и «квекто-» маркируют множитель (или, соответственно, делитель) 1030.
Не то чтобы IT-инженеры первыми столкнулись с величинами таких масштабов. Так, масса Земли в новых обозначениях — около шести роннаграммов, а масса Юпитера — порядка двух кветтаграммов. Массы звезд и тем более галактик выходят далеко за пределы, очерченные бюро мер и весов. Но астрономы так и измеряют массы своих объектов в массах Земли, Юпитера или Солнца, раз уж природа любезно снабдила их удобными эталонами. Никакие «монстрограммы» им для этого не нужны. А вот исследователи цифровых вселенных лишены столь же естественных ориентиров и вынуждены изобретать единицы под свои нужды. Раньше очень большие числа назывались астрономическими. Теперь их, видимо, нужно называть компьютерными.