Универсалното координатно време и NTP

ВНИМАНИЕ! Съдържанието на тази бележка не е препоръчително за читатели с пагони.

Често ми се налага в хода на провеждани обучения да обяснявам на обучаваните понятия и методики от метрологията. Едно от тях е универсалното координатно време (англ. UTC). То е различно от универсалното време (UT), което се базира на периода на въртене за Земята около нейната ос. Ако се използва UT, то следва величината 1 секунда да няма възпроизводим еталон. Причината е, че Земята се върти забавително и ако един ден има 24 часа, един час има 60 минути, а една минута има 60 секунди, то секундата няма да има еднозначен еталон.

Въпросите, които курсистите поставят обикновено са свързани с това дали протокола NTP се съобразява с UTC или UT и как става това. Ще си позволя да напиша кратки обяснения, за да може всеки на достъпо ниво да научи за това как NTP взаимодейства с еталонната система за времеотчитане.

* * *

Айнщайн постулира т.нар. "идеален светлинен часовник". Този часовник би следвало да има следната конструкция. Две огледала се поставят едно срещу друго. Към едното се насочва сноп светлина, съдържащ импулси, която се отразява в него и се предва към другото огледало, то я връща към първото и т.н. следват повторения на този процес. По този начин времето се измерва като се знае разстоянието между огледалата и се измери началото и края на акта на отражение. Разбира се, Айнщайн си е представял установката като отдалечени на голямо разстояние огледала в Космоса, доколкото в земни условия разстоянията между двете огледала биха били твърде малки за да се реализира чувствителност на измерването. Работата на този часовник се гарантира от това, че скоростта на светлината е константа. Този часовник обаче, има един съществен проблем и той би се проявил, ако часовника се движи ускорително. Съгласно разработената от Айнщайн теория на относителността, величината "разстояние" зависи от това дали измерването й се извършва в отправна система движеща се ускорително спрямо тази на наблюдателя (измерващия) или не. Така дори скоростта на светлината да е постоянна, ако разстоянието между двете огледала се мени при движение с ускорение спрямо наблюдателя от отправната система, спрямо която става движението с ускорение, благодарение на свойствата на пространството този часовник би измерил различно време от това в случая, в който няма ускорително движение. За величината "разстояние" (както и голям набор други физични величини), се казва, че е релативистична. Т.е. измерваната й стойност много силно зависи от това дали отправната система се движи с ускорение спрямо наблюдателя или не и от скоростта й на движение. Т.е. светлинният часовник на Айнщайн е релативистки. За механичните часовници също може да се докаже, че са релативистки. Релативистичните свойства на физични величини, могат опитно да бъдат доказани дори при малки стойности на ускорението и ниски скорости (напр. чрез използване на ефекта на Мьосбауер). Т.е. не е нужно да се стига до големи ускорения и скорости близки до тази на светлинната.

Може да се докаже, че квантовият часовник е нерелативистки. За съжаление такова доказателство е твърде сложно да се излага пред широка аудитория, а и няма смисъл, защото изисква тесни познания, които имат само специалисти. Достатъчно е да се каже, че в практиката се използват атомни часовници, които са нерелативистки. В голяма степен, те погрешно се наричат атомни, защото не атомите реализират процеса, спрямо който се еталонира величината "1 секунда", а процеси в самите атоми. Съгласно международно утвърдената система за мерки и теглилки (SI), 1 секунда се отчита спрямо брой осцилации между две много близки енергетични основни състояния на атома на изотопа на Цезий с масово число 133, които пък се "броят" спектроскопски. По-точно, честотата на осцилация е 9 192 631 770 Hz, откъдето следва, че 9 192 631 770 осцилации са 1 секунда.

Човечеството измерва времето календарно и реперирано. Реперирането става на база ден, който съдържа 24 часа, а всеки час съдържа 60 минути. Много хора биха продължили това разделяне до "и всяка минута има 60 секунди" и ще сгрешат. Универсалното координатно време (UTC) не прави тази грешка. UTC използва атомните часовници като еталон за 1 секунда. Съгласно този стандарт минутата може да има променлив брой секунди и да не е еталонирана величина. Причината, поради която UTC прави това е съобразяването със събития като "един ден" и "една година". Погледнато строго, Земята не се върти равномерно спрямо своята ос на въртене. Движението й е ускорително. Причините за това няма да дискутираме тук, но е очевидно, че подобно ускорително движение, ще доведе до това, че атомния часовник ще отчете един ден от 86400 секунди, но физически денят няма да е толкова. Земята се върти около своята ос забавително (но не равнозабавително). Следователно денят е по-дълъг от 86400 секунди. За да отчете това забавяне, стандарта UTC прибавя по една допълнителна секунда еднокретно на всеки 500 дни (засега). В края на този век UTC трябва да прибавя по една секунда на всеки 250 дни, а в края на 21 век ще трябва през годината да се прибавят еднократно по 2 секунди (или двукратно по една), за да може събитието "ден" да има 24 часа.

Протоколът NTP се съобразява с UTC. Това става по следния начин. Както повечето от вас знаят, NTP използва източници на време, които основно са три: GPS сверяване, CDMA (радио сверяване) или директено сверяване от атомен часовник. GPS сверяването е също по атомен часовник, но доколкото там има чисто протоколни особености, се води за различно от това извършвано директно по атомен часовник (същото е положението при CDMA). Когато операторте на атомния часовник решат да прибавят една секунда, NTP протокола пропагандира прибавянето й към клиентите (потребителите) и те сверяват локалните си часовници. В това отношение дизайна на NTP е много обмислен и добър.

Може да се каже, че ядрата на Linux и повечето UNIX дистрибуции поддържат UTC и NTP безпроблемно сверява часовниците съгласно UTC. Разбира се, в Windows не е така. Но там какво ли е както трябва.