Ученые утвердили отмену високосных секунд с 2027 года: как теперь будут работать мировые часы

В середине октября в Версале состоялось заседание Международного бюро мер и весов. Представители 69 государств приняли решение отказаться от использования високосных секунд. Начиная с 20 мая 2027 года практику добавления лишней секунды к мировому времени остановят. Вместо этого разнице между вращением Земли и атомными часами позволят постепенно расти, пока она не достигнет одного часа.

Это решение затрагивает работу всех цифровых систем на планете: от мобильной связи и серверов до банковских расчетов и навигации.

Как люди измеряли время раньше

Тысячи лет люди определяли время по движению Солнца. День начинался с рассветом, а середина дня наступала тогда, когда Солнце поднималось в самую высокую точку на небе. Это положение называли зенитом, а момент времени — истинным полуднем. Расстояние между двумя такими полуднями считали сутками, а сутки делили на 24 часа.

Такой способ измерения времени был удобен, пока люди жили и работали в пределах одного поселения. Однако в XIX веке появились железные дороги и телеграф. Поезда двигались быстро между городами, и выяснилось, что в каждом городе местное солнечное время отличается. Из-за этого расписания поездов путались, а риск столкновения составов на однопутных дорогах резко вырос.

Чтобы решить эту проблему, ввели часовые пояса и Гринвичское среднее время. За основу взяли астрономические наблюдения за движением звезд и Солнца через меридиан в Королевской обсерватории в Гринвиче. Секунду определили простым математическим действием: взяли среднюю длину суток и разделили ее на 86 400 частей (в сутках 24 часа, в каждом часе 60 минут, в каждой минуте 60 секунд).

Однако астрономы вскоре выяснили, что продолжительность суток не одинакова. Земля не является идеальным твердым телом, и скорость ее вращения постоянно меняется.

Почему Земля вращается неравномерно

Скорость вращения планеты зависит от множества физических процессов.

Во-первых, на Землю действует гравитация Луны. Притяжение Луны перемещает огромные массы океанской воды, создавая приливы и отливы. Вода трется о дно морей и океанов. Это трение забирает энергию у вращения Земли, из-за чего планета постепенно замедляет свой ход. В результате земные сутки медленно удлиняются — примерно на две миллисекунды за сто лет.

Во-вторых, внутреннее строение Земли неоднородно. Под твердой корой находится мантия, а в центре планеты — жидкое металлическое ядро. Это жидкое железо постоянно течет и перемешивается. Движение ядра меняет распределение массы внутри планеты, что также ускоряет или замедляет вращение коры.

В-третьих, на скорость вращения влияет погода и климат. Сильные ветра, дующие в сторону движения планеты или против нее, могут влиять на скорость вращения. Когда на полюсах зимой замерзает много воды, масса собирается ближе к оси вращения. Когда летом лед тает, вода распределяется по мировому океану дальше от оси.

Все эти факторы приводят к тому, что астрономические сутки никогда не длятся ровно 86 400 секунд. Иногда они длиннее на доли секунды, иногда короче.

Появление атомных часов

К середине XX века радиосвязь, авиация и военная техника стали требовать гораздо более точного измерения времени, чем-то, которое могло дать наблюдение за движением Земли.

В 1955 году ученые построили первые точные атомные часы на основе цезия-133. Принцип их работы основан на стабильных законах микромира. Если воздействовать на атом цезия электромагнитным излучением определенной частоты, электроны переходят с одного энергетического уровня на другой. Этот переход происходит с фиксированной периодичностью.

В 1967 году физики отказались от привязки времени к вращению Земли. Они сформулировали новое правило в Международной системе единиц: секунда — это время, за которое происходит ровно 9 192 631 770 колебаний излучения цезия-133.

Атомная секунда получилась абсолютно стабильной. Созданные на ее основе часы ошибаются всего на одну секунду за сотни миллионов лет. Шкалу времени, которая считает секунды с помощью атомных часов, назвали международным атомным временем. Позже создали шкалу всемирного координированного времени (UTC), по которой сегодня живет весь мир.

Откуда взялась високосная секунда

После введения атомного стандарта возникло противоречие. Атомные часы шли с постоянной скоростью, а Земля вращалась неравномерно и в то время постепенно замедлялась. Из-за этого астрономическое время (основанное на вращении планеты) начало отставать от атомного времени.

Если бы ученые ничего не предпринимали, разница между реальным положением Солнца на небе и показаниями часов на зданиях начала бы расти. Через сотни лет часы показывали бы полдень, хотя на улице стояла бы глубокая ночь.

Чтобы сохранить связь часов с положением Солнца, в 1972 году ввели правило високосной секунды. Международная служба вращения Земли начала следить за тем, насколько сильно астрономическое время отстает от атомного. Когда разница приближалась к 0,9 секунды, ученые принимали решение прибавить к атомному времени одну секунду.

Коррекцию всегда проводили в конце суток: либо 30 июня, либо 31 декабря. В эти дни последняя минута суток длилась не 60, а 61 секунду. Часы показывали время 23:59:59, затем редкую отметку 23:59:60, и только после этого наступала полночь 00:00:00 следующего дня.

С 1972 по 2016 год ученые добавили к мировому времени 27 високосных секунд.

Почему компьютеры не справляются с лишней секундой

В 1970-е годы лишняя секунда не создавала проблем, поскольку большая часть инфраструктуры была механической или аналоговой. Но в конце 1990-х годов весь мир перешел на цифровые технологии.

В основе работы любой компьютерной сети лежит точная синхронизация времени. Серверы обмениваются миллионами запросов в секунду. Чтобы понимать, какое действие произошло раньше, а какое позже, компьютеры используют временные метки.

В большинстве операционных систем время отсчитывается по стандарту POSIX: считается количество секунд, прошедших с полуночи 1 января 1970 года. При этом в архитектуру таких систем заложено простое правило: в одной минуте всегда ровно 60 секунд.

Когда наступала секунда 23:59:60, программы сталкивались со значением, которого не существует в их коде. Разные разработчики пытались решать эту задачу по-разному, что порождало еще большую путаницу:

1. Одни системы повторяли последнюю секунду дважды. Часы показывали 23:59:59, затем еще раз 23:59:59. Но из-за этого в базе данных появлялись две одинаковые записи о событиях, происходивших в разное время.
2. Другие системы зависали, пытаясь обработать значение 23:59:60, которое не укладывалось в рамки базовых алгоритмов.
3. Третьи просто отключали сетевую синхронизацию, что разрушало связь между серверами.

Каждое введение високосной секунды приводило к сбоям. В 2012 году из-за добавленной секунды вышли из строя многие сайты. В Австралии отключилась система регистрации авиакомпании: зависли компьютеры, которые распределяли пассажиров по рейсам, и около четырехсот самолетов задержали вылет.

Особенно чувствительными к этому оказались финансовые рынки. В современных торговых системах роботы совершают тысячи сделок за доли секунды. Если на одной бирже часы остановятся на одну секунду, а на другой продолжат идти, возникнет рассинхронизация. Это позволяет нечестным игрокам манипулировать ценами или приводит к автоматической блокировке торгов.

Крупные технологические компании начали самостоятельно бороться с проблемой. Они разработали метод постепенного размывания секунды: в течение суток до коррекции они слегка замедляли ход системных часов, растягивая каждую секунду на микроскопическую долю. К полуночи система накапливала нужную задержку, и отметку 23:59:60 вводить не приходилось.

Однако этот метод не был официальным стандартом. Каждая компания применяла его со своими настройками: кто-то размывал секунду за 12 часов, кто-то за 24 часа. В итоге в течение целых суток часы на разных серверах показывали слегка разное время.

Земля ускорилась: угроза отрицательной секунды

Долгое время ученые считали, что вращение Земли будет только замедляться, а значит, секунды придется только прибавлять. Однако около 2020 года планета повела себя неожиданно: скорость ее вращения начала расти.

29 июня 2022 года был зафиксирован самый короткий день за всю историю точных наблюдений: Земля совершила оборот вокруг своей оси на 1,59 миллисекунды быстрее обычных 24 часов. В течение последних лет подобные рекорды скорости повторялись неоднократно. Причины этого явления до конца не ясны: ученые связывают ускорение с изменениями в жидком ядре Земли и таянием полярных ледников.

Это ускорение поставило специалистов перед серьезной проблемой. Если астрономическое время начнет обгонять атомное, високосную секунду придется не добавлять, а отнимать.

Такое событие называют отрицательной високосной секундой. В этом случае в конце суток после времени 23:59:58 должно сразу наступать 00:00:00. Секунду 23:59:59 нужно просто выбросить.

Если добавление секунды вызывало сбои, то ее пропуск может парализовать современный интернет. В программном обеспечении действует принцип непрерывного течения времени вперед. Если системное время прыгнет вперед через секунду или, хуже того, вернется назад, сломаются механизмы шифрования, авторизации и проверки цифровых подписей. Базы данных зафиксируют ошибки целостности, а платежные шлюзы начнут отклонять финансовые операции.

Руководитель комитета по времени и частоте Международного бюро мер и весов Ноэль Димарк прямо предупредил, что мировая IT-инфраструктура не тестировалась на работу в условиях отрицательной секунды, и масштаб возможных повреждений никто не может оценить заранее.

Какое решение приняли ученые

Споры об отмене високосных секунд велись внутри научного сообщества тридцать лет. Против отмены долгое время выступали астрономы и представители некоторых космических агентств: им было важно, чтобы положение телескопов и орбитальных аппаратов строго совпадало со шкалой гражданского времени. За отмену решительно выступали инженеры связи, IT-корпорации и энергетики.

15 октября представители государств-членов Международного бюро мер и весов провели голосование и утвердили новый порядок:

1. Практику регулярного введения високосных секунд официально отменяют. Изменения вступают в силу с 20 мая 2027 года.
2. В течение следующих ста лет атомным часам позволят уходить вперед или отставать от вращения Земли естественным путем. Никаких правок вносить не будут.
3. Когда расхождение между положением планеты и атомными часами достигнет критической величины — одного часа, — ученые примут решение о корректировке.

Вместо сложной вставки одной секунды мир будет использовать так называемый «високосный час».

Перевод времени на один час — стандартная процедура, которая отработана десятилетиями. Компьютерные операционные системы, смартфоны и серверы умеют менять часовые пояса и переходить на летнее или зимнее время без поломок и остановок в работе.

Более того, по расчетам британской Национальной физической лаборатории, разница между атомным временем и вращением планеты накопится до одного часа очень нескоро. Для этого потребуется от нескольких сотен до нескольких тысяч лет. Таким образом, проблема постоянных сбоев снимается для многих поколений вперед.

А как же астрономы и штурманы, которым необходимо точно знать угол поворота планеты? Для них ничего не изменится. Международные службы продолжат наблюдать за движением Земли и регулярно публиковать математические таблицы поправок. Специализированные программы в обсерваториях будут учитывать эти данные автоматически, не меняя время на обычных часах.

Что будет со стандартами времени дальше

Решение в Версале стало частью более масштабного процесса обновления стандартов физических измерений. В ближайшие десять лет метрологи планируют реализовать еще два крупных проекта.

1. Новое определение секунды

Цезиевые атомные часы, которые служат эталоном с 1967 года, подошли к границе своих технических возможностей. Физики создали оптические атомные часы нового поколения. В них вместо атомов цезия используют атомы стронция или иттербия, а радиоволны заменили лазерным лучом.

Лазерный свет колеблется в сотни тысяч раз быстрее микроволнового излучения. Благодаря этому оптические часы делят время на гораздо более мелкие отрезки. Их точность выше цезиевых часов примерно в сто раз: они накопят ошибку в одну секунду только за десятки миллиардов лет. К 2030 году ученые собираются принять новое официальное определение секунды, основанное именно на оптических часах.

2. Собственное время для Луны

В связи с подготовкой к строительству постоянных исследовательских станций на Луне возникла необходимость создать единый стандарт лунного времени.

Использовать земное время на Луне невозможно из-за фундаментальных законов физики. Альберт Эйнштейн открыл, что скорость течения времени зависит от силы гравитации: чем слабее гравитационное поле, тем быстрее идут часы.

Сила тяжести на Луне в шесть раз меньше земной. Из-за этого любые часы на лунной поверхности идут быстрее земных примерно на 56 микросекунд в сутки. Для бытовой жизни это незаметно, но для систем высокоточной посадки космических аппаратов и позиционирования луноходов такая разница приведет к ошибкам в сотни метров. Поэтому космические агентства начали работу над отдельной координатной шкалой времени для спутника Земли.

Итог

Отказ от високосных секунд подводит черту под многовековой традицией связывать время с движением Земли.

На протяжении истории человечества день диктовался вращением планеты, сменой дня и ночи. Но созданная человеком цифровая цивилизация переросла этот природный ритм. Миллиардам компьютеров, автоматизированным заводам и линиям связи требуется стабильное, непрерывное и предсказуемое математическое время.

Устранив секундные поправки, ученые защитили глобальные сети от технологических аварий и зафиксировали новое правило: теперь не техника подстраивается под вращение планеты, а земные колебания фиксируются как отдельная погрешность на фоне неизменного атомного стандарта.