Wenn ich pünktlich zur Schaltsekunde einstempele, wird das dann als zu spät zur Arbeit angezeigt?

Der 1. Januar 2017 kann als ein Neujahr mit besonderer Bedeutung angesehen werden. In China, wo die Eastern Time Zone 8 als Standardzeit gilt, ist uns das seltsame Phänomen „7:59:60“ begegnet . Die zusätzliche Sekunde in diesem „tickenden“ Geräusch ist die Schaltsekunde. Bisher wurden Schaltsekunden weltweit 27 Mal eingeführt. Welche praktische Bedeutung hat diese „zusätzliche Zeit“, die im Laufe der Jahre aus dem Nichts wächst (oder abnimmt)?

01 Wie entstehen Schaltsekunden?

Derzeit gibt es in der Wissenschaft zwei Zeitmesssysteme: die „Weltzeit“, die auf astronomischen Messungen der Erdrotation basiert, und die „Atomzeit“, die durch die Periode atomarer Schwingungen bestimmt wird. Einfach ausgedrückt sind Schaltsekunden ein künstliches Artefakt der Differenz zwischen der koordinierten Weltzeit und der Atomzeit.

Die Weltzeit ist eine Zeitskala, die auf der Erdrotation basiert . Um die Rotation der Erde zu messen, wählten die Menschen zwei grundlegende Bezugspunkte auf der Himmelskugel, nämlich die Frühlingstagundnachtgleiche und die mittlere Sonnenposition. Die durch diese Punkte bestimmten Zeiten werden als Sternzeit bzw. mittlere Sonnenzeit bezeichnet.

Obwohl die Sternzeit dem Winkel der Erdrotation entspricht und die Anforderungen des auf der Erdrotation basierenden Zeitmessstandards erfüllt, kann sie den Anforderungen des täglichen Lebens und der Anwendungen nicht gerecht werden, da ihre Beobachtung unbequem ist. Die Menschen sind es gewohnt, die Zeit anhand des Sonnenaufgangs im Osten und des Sonnenuntergangs im Westen zu bestimmen. Da die Erde jedoch eine elliptische Umlaufbahn um die Sonne hat, ist die scheinbare Bewegungsgeschwindigkeit der Sonne im Tagesverlauf nicht gleichmäßig. Um ein Zeitmesssystem zu erhalten, das auf der scheinbaren Tagesbewegung der Sonne basiert und gleichzeitig ihre Ungleichmäßigkeit überwindet, führte man einen imaginären Bezugspunkt ein – die mittlere Sonne. Er bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit auf dem Himmelsäquator und seine Geschwindigkeit entspricht der Durchschnittsgeschwindigkeit der wahren Sonne. Als Universal Time (UT) wird die Greenwich Mean Solar Time bezeichnet, die mit der Nacht des mittleren Sonnentages um 0:00 Uhr beginnt.

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Da die Erde eine Kugel ist, erleben die Menschen auf der ganzen Welt den Sonnenaufgang bzw. die Mittagssonne zu unterschiedlichen Zeiten. Die auf der Grundlage des Meridians des Beobachterstandorts gemessene Zeit wird als lokale mittlere Sonnenzeit bezeichnet. Gleichzeitig ist die von Beobachtern an verschiedenen Längengraden der Erde gemessene lokale mittlere Sonnenzeit unterschiedlich. Infolgedessen gab es an verschiedenen Orten keinen einheitlichen Zeitstandard. Aus Gründen der Einfachheit begannen einige europäische und amerikanische Länder Mitte des 19. Jahrhunderts, eine einheitliche nationale Zeit einzuführen, die sich meist am Meridian ihrer Hauptstädte oder wichtiger Handelshäfen orientierte. Mit der Entwicklung des Schienenfernverkehrs und der Seeschifffahrt hat sich jedoch der Aktionsradius der Menschen erheblich erweitert, und es herrscht immer noch Verwirrung hinsichtlich der Verwendung der Ortszeit im internationalen Austausch. In den 1870er Jahren schlug jemand vor, die weltweiten Standards zur Einteilung von Zeitzonen zu vereinheitlichen und eine Zonenzeitmessung einzuführen. Auf der Internationalen Meridiankonferenz am 13. Oktober 1884 in Washington wurde beschlossen, den Nullmeridian, der durch Greenwich südöstlich von London (England) verläuft, als Ausgangspunkt der weltweit einheitlichen „Zeitzone“, der sogenannten Standardzeit , zu verwenden. Die Einteilung der Zeitzonen der Welt ist nicht nur eine Voraussetzung für die wissenschaftliche Forschung, sondern auch für die wirtschaftliche und politische Entwicklung der Welt.

Vor den 1960er Jahren wurde die Weltzeit weithin als grundlegendes Zeitmesssystem verwendet. Unter diesem Zeitstandard galten für „1 Tag“ und „1 Sekunde“ strenge Umrechnungsstandards: 1 mittlerer Sonnentag entspricht 24 mittleren Sonnenstunden, was 86.400 mittleren Sonnensekunden entspricht .

Mit der rasanten Entwicklung der modernen Wissenschaft und Technologie wird die Zeitmessung der Menschen immer genauer. Wissenschaftler erforschen neue Zeitfrequenzstandards und so entstand die Atomzeit , die durch die atomare Schwingungsperiode bestimmt wird.

Im Oktober 1967 wurde auf der 13. Internationalen Konferenz für Maß und Gewicht in Neu-Delhi (Indien) die von Cäsium-Atomuhren bestimmte Atomzeit offiziell als internationaler Zeitstandard festgelegt . Die neue Länge der Sekunde ist definiert als die Zeit, die für 919.2631770 Zyklen der Übergangsschwingung zwischen zwei Hyperfeinstruktur-Energieniveaus des Grundzustands eines Cäsium-133-Atoms auf Meereshöhe in einem Magnetfeld von Null benötigt wird. Dies ist eine Atomsekunde. Größere Zeiteinheiten erhält man durch die Addition von Sekunden. Nachdem die Definition der Sekundenlänge festgelegt war, wurden mehrere Atomuhren in Ländern auf der ganzen Welt, die der Definition der Sekundenlänge entsprachen, kombiniert, um die Internationale Atomzeit (TAI) zu erzeugen.

Die Atomzeit wird durch Atomuhren erzeugt. Die Länge einer Sekunde ist sehr stabil und kann den Anforderungen von Gelegenheiten mit hohen Anforderungen an die Gleichmäßigkeit von Zeitintervallen gerecht werden, ihr Moment hat jedoch keine spezifische physikalische Konnotation. Momente der Weltzeit entsprechen bestimmten Positionen der Sonne am Himmel und spiegeln die sich ändernde Position der Erdachse wider, während sie sich durch den Weltraum dreht. Es ist nicht nur eng mit dem täglichen Leben der Menschen verbunden, sondern hat auch einen praktischen Anwendungswert in wissenschaftlichen und technologischen Bereichen wie Geodäsie, astronomischer Navigation sowie Verfolgung und Messung von Raumfahrzeugen. Da die Rotationsgeschwindigkeit der Erde jedoch nicht sehr gleichmäßig ist, variiert die Länge einer Sekunde in der Weltzeit leicht und der tägliche Geschwindigkeitsunterschied kann einige Tausendstelsekunden betragen.

Um diesen Widerspruch aufzulösen, hat sich die internationale Gemeinschaft für die Einführung eines Koordinierungssystems der „ Koordinierten Weltzeit (UTC) “ entschieden. Wenn sich der durch die Erdrotation verursachte Zeitfehler der Atomuhr auf fast eine Sekunde summiert, muss die Uhr künstlich um eine Sekunde erhöht oder verringert werden, um die UTC wieder an die Weltzeit anzupassen.

Die Länge einer Sekunde in der koordinierten Weltzeit basiert auf der Atomzeit und die Abweichung zwischen dem Zeitpunkt und der Weltzeit wird auf ±0,9 Sekunden begrenzt. Wenn die Abweichung 0,9 Sekunden überschreitet, wird eine Anpassung der koordinierten Weltzeit um 1 Sekunde vorgenommen. Diese Anpassung um eine Sekunde wird als Schaltsekunde bezeichnet.

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02 Welchen Einfluss hat die Schaltsekunde auf meine Arbeitszeiterfassung?

Die Implementierung von Schaltsekunden hängt mit der Rotationsperiode der Erde zusammen. Wenn sich die Erdrotation verlangsamt, können positive Schaltsekunden auftreten, und wenn sie sich beschleunigt, können negative Schaltsekunden auftreten. Wenn eine positive Schaltsekunde implementiert ist, wird 23:59:60 angezeigt. Wenn eine negative Schaltsekunde implementiert wird, ist die nächste Sekunde nach 23:59:58 0:0:0, was bedeutet, dass die Sekunde 23:59:59 übersprungen wird.

Aufgrund der Gezeiten und der inneren Struktur der Erde verlangsamt sich die Erdrotation derzeit, was dazu führt, dass die Länge einer Sekunde der Weltzeit länger ist als die einer Sekunde der Atomzeit. Daher sind die bisher implementierten 27 Schaltsekunden allesamt positive Schaltsekunden. Wenn Sie also bei einer positiven Schaltsekunde pünktlich einstempeln, zeigt dies an, dass Sie eine Sekunde zu früh im Unternehmen angekommen sind. Wenn eine negative Schaltsekunde auftritt, wird angezeigt, dass Sie eine Sekunde zu spät waren.

Sie fragen sich vielleicht, warum Sie bei einer Schaltsekunde keine Veränderung an den Zeigern Ihrer Uhr bemerken?

Der Grund liegt im Zeitmessprinzip unserer Uhren. Die von den meisten Menschen verwendeten Uhren sind elektronische Uhren, Quarzuhren oder mechanische Uhren. Das Zeitprinzip besteht darin, den eingebauten Oszillator der Uhr zu verwenden, um gleichmäßige Sekunden zu erzeugen und dann Sekunden zu akkumulieren, um die Zeitmessung zu erreichen. Wenn die Uhr das Werk verlässt, haben die Arbeiter die Startzeit der Uhr an die nationale Standardzeit angepasst. Nach einer gewissen Zeit des Gebrauchs kann es vorkommen, dass die Uhr um mehrere Sekunden oder sogar Minuten von der nationalen Standardzeit abweicht. Dies liegt daran, dass die Oszillatorperiode in der Uhr nicht genau genug ist und zur Anpassung der Zeit neu eingestellt werden kann. Daher wird die Zeit bei gewöhnlichen Uhren manuell eingestellt und angepasst. Wenn bei Auftreten einer Schaltsekunde keine manuelle Zeitanpassung durchgeführt wird, ändern sich die Uhrzeiger überhaupt nicht. Da die Oszillatorperiode nicht genau genug ist, kann es sein, dass die Schaltsekunde von 1 Sekunde im Fehler enthalten ist und nur schwer erkannt werden kann, selbst wenn beim Auftreten einer Schaltsekunde keine Anpassung durchgeführt wird. Es gibt auch einen Uhrentyp, bei dem es sich um eine funkgesteuerte Uhr handelt, die Funksignale in Echtzeit oder periodisch empfangen kann. Die Anpassung an die nationale Standardzeit erfolgt automatisch über Funkwellen, und wenn eine Schaltsekunde auftritt, wird eine Schaltsekunde angezeigt.

03 Wer braucht eine Uhr, die immer genauer wird?

Mit der Ausweitung der Aktivitäten der Menschen steigt auch der Bedarf an Navigationssystemen und die Genauigkeit wird immer höher. Selbstfahrende Autos müssen sogar in der Lage sein, die Position auf mehrere Meter genau zu bestimmen. Von der frühen Richtungsbestimmung bis hin zur heutigen globalen Satellitennavigation sind sie alle in hohem Maße von einer genaueren Zeit abhängig. Im Bereich der Kommunikation ist die Zeitsynchronisation die Grundlage für den normalen Betrieb von Kommunikationssystemen. Die Synchronisierungsleistung des Zeitsynchronisierungsnetzwerks ist die wichtigste Garantie für Kommunikation mit hoher Bandbreite und geringer Latenz und erfordert außerdem die Unterstützung durch hochpräzise Atomuhren und Zeitsynchronisierungstechnologien.

Darüber hinaus könnten ultrapräzise Atomuhren den Wissenschaftlern dabei helfen, dunkle Materie zu entdecken, Gravitationswellen zu messen und die genaue Form des Gravitationsfelds der Erde mit beispielloser Genauigkeit zu bestimmen.

Mit der Entwicklung der Atomuhrtechnologie hinkten die Frequenzgenauigkeit und Stabilitätsleistung von Cäsium-Atomuhren, die die Länge der Sekunde definieren, Mikrowellenuhren, optischen Uhren usw. um ein bis zwei Größenordnungen hinterher, was die Erzielung einer stabileren Sekunde einschränkte. Der Ruf nach einer Aktualisierung der Definition der Sekundenlänge wird immer lauter und optische Uhren werden wahrscheinlich die „neue Welle“ in der Definition der Sekundenlänge werden und Cäsium-Atomuhren ersetzen. Es gibt noch keine Schlussfolgerung darüber, ob die Definition der Sekunde die Verwendung einer optischen Uhr eines bestimmten Elements oder einer Kombination mehrerer Typen ist. Aus diesem Grund hat mein Land frühzeitig Vorkehrungen für die Erforschung mehrerer Arten optischer Uhren getroffen, darunter optische Ytterbium-Atomgitteruhren, optische Calciumionenuhren, optische Strontium-Atomgitteruhren, optische Aluminiumionenuhren, optische Ytterbiumionenuhren, optische Quecksilber-Atomgitteruhren und optische Quecksilberionenuhren.

Am 31. Oktober wurde die Trägerrakete Langer Marsch 5B Yao-4 mit dem Mengtian-Labormodul der Raumstation im Weltraumstartzentrum Wenchang in meinem Land gezündet und gestartet. Die Mengtian-Kabine trägt die weltweit erste kalte Weltraumatomuhr, die aus kalten optischen Strontium-Atomuhren besteht.

Bildquelle: Nachrichtenagentur Xinhua (Foto von Guo Zhongzheng)

Derzeit hat die optische Uhrenforschung meines Landes in vielen Bereichen weltweit führendes Niveau erreicht. China ist zudem das erste Land der Welt, das optische Uhren ins All bringt. Auf der chinesischen Raumstation ist die weltweit erste optische Strontium-Atomuhr in Betrieb. Auch das derzeit im Bau befindliche weltweit längste und präziseste Glasfasernetz zur Zeit- und Frequenzübertragung wird Chinas Beitrag zur Neudefinition der Sekunde auf Basis optischer Frequenzübergänge leisten.

Experte: Liu Ya, Forscher am National Time Service Center der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Science Popularization China

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