ปี 2558 จะยาวนานขึ้นอีก 1 วินาที เพราะโลกหมุนช้าลง

องค์กรให้บริการระบบอ้างอิงและติดตามการหมุนของโลกสากล (International Earth Rotation and Reference Systems Service: IERS) ซึ่งมีสำนักงานอยู่ที่กรุงปารีส ประเทศฝรั่งเศส เตรียมเพิ่มวินาทีพิเศษในวันที่ 30 มิถุนายน 2558

เนื่องจากโลกหมุนช้าลง ในปีนี้ชาวโลกจึงมีเวลาเพิ่มขึ้นมากกว่าปกติ 1 วินาที หรือที่เรียกว่า อธิกวินาที (การเพิ่มหรือลด 1 วินาที : leap second) โดยจะเพิ่มวินาทีพิเศษนี้เข้าไปที่เวลา 23:59:60 น. ของวันที่ 30 มิถุนายน ทำให้วันดังกล่าวมีเวลา 86,401 วินาที จากเดิม 86,400 วินาที

วิวัฒนาการทางด้านเวลา

ในอดีตเวลา 1 วันของมนุษย์นั้น จะเป็นการสังเกตการเคลื่อนที่ของดวงอาทิตย์และดวงดาวต่างๆบนท้องฟ้า โดยอาศัยตำแหน่งของดวงดาวและเงาของดวงอาทิตย์ที่ทอดลงบนนาฬิกาแดดเป็นเครื่องบอกเวลา ซึ่งเวลาในแต่ละที่บนโลกก็จะมีค่าไม่เท่ากันและยังเปลี่ยนแปลงไปตามฤดูกาล

เมื่อได้มีการประดิษฐ์นาฬิกาลูกตุ้มในปีค.ศ. 14 จึงแบ่งเวลาออกเป็น 24 ชั่วโมง เท่าๆกัน มุมมองของมนุษย์ด้านนาฬิกาจึงเปลี่ยนแปลงไป เพราะทำให้รู้ว่าโลกของเรานั้นหมุนรอบตัวเองด้วยความเร็วที่ไม่คงที่ และยังแนวโน้มว่าจะช้าลงเรื่อยๆอีกด้วย ในขณะที่ปัจจุบันเวลามาตรฐานโลกจากนาฬิกาอะตอมซีเซี่ยม (Atomic Cesium Clock) มีความเที่ยงตรงสูงมาก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีวิธีการที่ทำให้เวลามาตรฐานโลก สอดคล้องกับการหมุนของโลกที่เรียกว่า "วินาทีทด (Leap second)"

โลก หมุนรอบตัวเองหนึ่งรอบได้มุม 360 องศา ใช้เวลา 23 ชั่วโมง 56 นาที เรียกว่า วันทางดาราคติ (Sidereal day) โดยถือระยะเวลาที่ดาวฤกษ์ดวงเดิมเคลื่อนที่ผ่านเส้น Prime meridian (RA=0 ชั่วโมง) สองครั้งเป็นสิ่งอ้างอิง

เวลามาตรฐานที่เราใช้ในนาฬิกาบอกเวลาเป็น เวลาสุริยคติ (Solar day) ซึ่งถือระยะเวลาที่ดวงอาทิตย์เคลื่อนที่ผ่านเส้นเมอริเดียนสองครั้งเป็นสิ่ง อ้างอิง หนึ่งวันจึงเท่ากับ 24 ชั่วโมงพอดี จะเห็นได้ว่า หนึ่งวันสุริยคติมีระยะเวลานานกว่าหนึ่งวันดาราคติ 4 นาที เนื่องจากโลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ จึงทำให้ตำแหน่งของดาวบนท้องฟ้าในแต่ละวันเปลี่ยนไปวันละ 1 องศา

The Astronomical Clock

Time Scale

ปัจจุบันระบบการวัดเวลาแบ่งออกเป็น 2 ระบบ คือ

1. เวลาสุริยะ คือ เวลาที่โลกใช้หมุนรอบตัวเองในหนึ่งรอบโดยเริ่มนับตั้งแต่เที่ยงคืน เรียกอย่างย่อว่า UT1 (Universal time ที่ขึ้นอยู่กับการหมุนของโลก) โดยที่องค์กรให้บริการระบบอ้างอิงและติดตามการหมุนของโลกสากล (International Earth Rotation and Reference Systems Service: IERS) ทำหน้าที่คำนวณหาเวลาที่โลกหมุนรอบตัวเอง โดยใช้ผลการวัดการหมุนของโลกเทียบกับตำแหน่งของดวงดาวบนฟ้าที่เส้น Meridian ที่ตั้งอยู่ที่เมืองกรีนิช (Greenwich) ในประเทศอังกฤษเป็นจุดอ้างอิง

2. เวลาจากนาฬิกาอะตอมซีเซียม คือ มาตรฐานทางด้านเวลาและความถี่ที่ใช้ในปัจจุบันโดยมีนิยามของวินาที (second, s) ตามหน่วยวัดสากล (SI units) คือ ระยะเวลาของการแผ่รังสีที่เท่ากับกับการเปลี่ยนระดับชั้นพลังงานของอะตอมซีเซียม 2 ระดับ (Cs 133) จากสถานะพื้น นาฬิกาอะตอมซีเซียมมีค่าผิดพลาดที่ 1 วินาที ต่อ 60 ล้านปี ข้อดีของนาฬิกาชนิดนี้คือ สามารถถ่ายทอดเวลามาตรฐานผ่านทางระบบดาวเทียมนำร่อง (Global Navigation Satellite System : GNSS) เช่น ระบบ GPS ของสหรัฐอเมริกา และ GLONASS ของรัสเซีย

ทำไมต้องเพิ่ม 1 วินาทีเข้าไป ?

เพื่อรักษามาตรฐานการประกาศเวลาให้ใกล้เคียงกับเวลาสุริยะ ซึ่งรักษาไว้ด้วยนาฬิกาอะตอมที่มีความเที่ยงตรงแม่นยำ เนื่องจากในปัจจุบันโลกของเราหมุนช้าลงกว่าเดิมเฉลี่ย 1/2,000 วินาทีต่อวัน

ตลอด 2,000 ปี ที่ผ่านมาโลกได้หมุนช้าลงไป 3 ชั่วโมง เนื่องมาจากแรงต้านของน้ำขึ้นและน้ำลง ซึ่งพบว่าพลังงานที่สูญเสียไปในมหาสมุทรเนื่องมาจากแรงต้านนี้ สอดคล้องกับเวลาที่โลกใช้หมุนรอบตัวเอง ในการศึกษาจากวงรอบปีซากฟอลซิลปะการังยังแสดงให้เห็นว่าเมื่อประมาณ 370 ล้านปีที่ผ่านมา โลกหมุนรอบตัวเอง 385-410 รอบต่อการโคจรรอบดวงอาทิตย์ นอกจากนี้การเปลี่ยนตำแหน่งเพียงเล็กน้อยของดวงจันทร์ ดวงอาทิตย์ ดาวเสาร์ และดาวพฤหัส ก็ทำให้ความเร็วในการหมุนรอบตัวเองของโลกเปลี่ยนไปได้เช่นกัน

เมื่อเวลาที่โลกใช้หมุนรอบตัวเองมีค่าไม่คงที่ และมีแนวโน้มว่าจะใช้เวลานานขึ้น แต่ในทางตรงกันข้ามเวลามาตรฐาน UTC ที่ได้จากนาฬิกาอะตอมซีเซี่ยมนั้นมีความถูกต้องและเที่ยงตรงสูงมาก ดังนั้นความแตกต่างระหว่างมาตรฐาน UTC เมื่อเทียบกับเวลาก็จะมากขึ้น

จนกระทั่งเวลาพระอาทิตย์ขึ้นลงเปลี่ยนไปสำนักงานชั่งตวงวัดระหว่างประเทศ (BIPM) มีหน้าที่ในการรักษาเวลามาตรฐาน UTC ให้สอดคล้องกับความเป็นจริงตามธรรมชาติ โดยการเพิ่มหรือลดวินาทีทดนี้เข้าไปในเวลามาตรฐาน UTC ดังภาพด้านล่าง ถ้าไม่มีวินาทีทดนี้จะทำให้ความแตกต่างของเวลามาตรฐาน UTC กับเวลาที่โลกหมุนรอบตัวเองเป็นหนึ่งชั่วโมงเมื่อผ่านไป 550 ปี ในการตัดสินใจว่าจะเพิ่มหรือลดวินาทีทดนี้เมื่อใด เป็นหน้าที่ของ International Earth Rotation Service โดยให้ผลต่างระหว่างเวลาระบบสุริยะกับเวลามาตรฐาน UTC ไม่เกิน 0.9 วินาที (|UT1 – UTC|< 0.9 s) ดังนั้น วินาทีทดนี้จึงสามารถเป็นไปได้ทั้งค่าบวกและลบ

แผนภูมิแสดงระบบเวลามาตรฐาน

แต่อดีตที่ผ่านมานับตั้งแต่ถูกนำมาใช้ครั้งแรก ในปี ค.ศ. 1972 วินาทีทดมีค่าเป็นบวกทั้งสิ้น International Earth Rotation Service จะมีการประกาศทุกปีๆ ละ 2 ครั้ง ว่าจะมีการชดเชยวินาทีทดหรือไม่ การทดเวลานี้ไม่เหมือนกับการเพิ่มวันที่ 29 กุมภาพันธ์ของปีที่เรียกว่า “Leap Year” เพราะวินาทีทดจะเกิดขึ้นพร้อมกันทั่วโลกตอนเที่ยงคืนตามเวลามาตรฐาน UTC ในวันที่ 30 มิถุนายน และ 31 ธันวาคม เช่น วินาทีทดที่เกิดขึ้นเวลาเที่ยงคืนของวันที่ 31 ธันวาคม ในประเทศอังกฤษ แต่ในประเทศไทยจะตรงกับเวลา 7.00 น.ของวันที่ 1 มกราคม ตามเวลาประเทศไทย

ในกรณีที่วินาทีทดเป็นบวกนาฬิกาที่รองรับวินาทีทดอาจจะแสดงผล ดังนี้

23h 59m 59s -> 23h 59m 60s -> 00h 00m 00s

แต่ถ้าวินาทีทดเป็นลบการแสดงผลของนาฬิกาก็จะกระโดดจาก ดังนี้

23h 59m 58s -> 00h 00m 00s

ซึ่งจะตรงกับความหมายของคำว่า “Leap” มากที่สุด การทดเวลาครั้งถัดไปจะเกิดขึ้นตอนเที่ยงคืนตามเวลามาตรฐาน UTC ในวันที่ 30 มิถุนายน 2555 ซึ่งจะตรงกับเวลา 7.00 น. วันที่ 1กรกฎาคม 2555 ตามเวลาท้องถิ่นของประเทศไทย

ผลต่างระหว่างเวลาโคจรรอบตัวเองของโลกและเวลามาตรฐานกลางของโลก (UT1-UTC)

ประโยชน์ของ Leap Second

1. เวลามาตรฐานที่เราใช้ในชีวิตประจำวันสอดคล้องกับการหมุนรอบตัวเองของโลก ถ้าไม่มีวินาทีทดนี้จะทำให้ผลต่างของเวลาที่โลกหมุนรอบตัวเองกับเวลามาตรฐาน UTC เป็นหนึ่งชั่วโมงเมื่อผ่านไป 550 ปี นั่นหมายความว่าพระอาทิตย์จะขึ้นเร็วกว่าในปัจจุบัน 1 ชั่วโมงนอก

2. การประมาณเวลาที่โลกหมุนรอบตัวเองเพื่อใช้ในการหาตำแหน่งบนพื้นโลก ในปัจจุบันนักดาราศาสตร์และเจ้าหน้าที่ภาคพื้นดินของสถานีดาวเทียมใช้เวลามาตรฐาน UTC จากทางดาวเทียมในการประมาณเวลาที่โลกหมุนรอบตัวเองเพื่อใช้ในการหาตำแหน่งบนพื้นโลก ซึ่งผลต่างระหว่างเวลาทั้งสองถูกรักษาให้ไม่เกิน 1 วินาที แต่ถ้าไม่มีการชดเชยวินาทีทดนี้จะทำให้ผลต่างระหว่างเวลาที่โลกหมุนรอบตัวเองกับเวลามาตรฐาน UTC มีค่ามากเกินกว่า 1 วินาที ทำให้มีความยุ่งยากที่จะไปแก้ไขรูปแบบการส่งข้อมูลและโปรแกรมคอมพิวเตอร์ของระบบสื่อสาร

อนาคตของวินาทีทด

ถึงแม้ว่าข้อดีของวินาทีทดทำให้เวลามาตรฐาน UTC สอดคล้องกับการหมุนรอบตัวเองของโลก แต่เนื่องจากปัจจุบันระบบคอมพิวเตอร์ของธุรกิจต่างๆ เช่น ธนาคารส่วนใหญ่จะมีการเชื่อมต่อทางอินเตอร์เน็ต และระบบสื่อสารระหว่างประเทศส่วนใหญ่ ซึ่งเมื่อการความผิดพลาดเพียงเสี้ยววินาทีก็อาจจะส่งผลกระทบต่อเงินจำนวนมหาศาล ดังนั้น Time Synchronization จึงเป็นสิ่งสำคัญ

Time Synchronization

แต่เนื่องจากระยะเวลาของการทดเวลานี้เกิดขึ้นไม่แน่นอนขึ้นอยู่กับการหมุนรอบตัวเองของโลก ซึ่งอาจจะทำให้ระบบ Time Synchronization หลุดออกจากกันได้ นอกจากนั้นระบบคอมพิวเตอร์อาจจะเกิดมีปัญหาเมื่อเวลาในระบบเปลี่ยนจาก “59 s”เป็น “60 s” อีกด้วย ดังนั้นจึงได้มีการเสนอวิธีการหลากหลายเพื่อให้เวลามาตรฐานสอดคล้องกับการหมุนรอบตัวเองของโลกขึ้น เช่น

- เพิ่มส่วนต่างระหว่างเวลาหมุนรอบตัวเองของโลกกับเวลามาตรฐาน UTC วิธีนี้ทำให้ลดจำนวนครั้งในการทดเวลา ซึ่งอาจจะเป็น“นาทีทด (Leap Minute)” แทน วินาทีทด

- กำหนดระยะเวลาที่แน่นอนในการทดเวลา ซึ่งมีข้อดีคือเราสามารถทราบเวลาที่แน่นอนในการทดเวลา เช่น ทุกวันที่ 29 กุมภาพันธ์ แต่อย่างไรก็ตามจำนวนวินาทีที่ถูกทดเพิ่มเข้าไปในเวลามาตรฐาน UTC อาจจะมากกว่า 1 วินาทีตามสภาวะการหมุนรอบตัวเองของโลกในช่วงเวลานั้น

- ในการยกเลิกวินาทีทดโดยใช้เวลามาตรฐาน UTC ในปัจจุบันซึ่งไม่มีการทดเวลาต่อไปเรื่อยๆ เมื่อสิ้นสุดศตวรรษที่ 21 คาดว่าความแตกต่างระหว่างเวลาหมุนรอบตัวเองของโลกกับเวลามาตรฐาน UTC จะเป็น 2.5 นาที ซึ่งไม่มีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับเวลาที่แตกแต่งระหว่าง Time Zone และการปรับเวลาในช่วงหน้าหนาว 1 ชั่วโมง สำหรับ Daylight Saving

อย่างไรก็ตามในที่ประชุมของ Radiocommunication Sector of theInternational Telecommunications Union (ITU-R) เมื่อเดือนมกราคม 2555 (ค.ศ. 2012)ได้ชะลอการตัดสินว่าจะยกเลิกวินาทีทดหรือไม่จนกระทั่งการประชุมครั้งถัดไปในปี ค.ศ. 2015 เพื่อศึกษาผลกระทบต่อการยกเลิกวินาทีทดอย่างละเอียด โดยที่ ITU-R เป็นหน่วยงานที่กำหนดนิยามของเวลามาตรฐาน UTC

ทั้งนี้สหรัฐฯ และอีกหลายๆ ประเทศมีความพยายามคัดค้านการเพิ่มเวลา 1 วินาทีดังกล่าว โดยให้เหตุผลว่าจะรบกวนระบบนำทางและระบบการสื่อสาร การทำธุรกรรมการเงินก็เกิดความผิดพลาดได้ ในขณะที่ทางอังกฤษยังคงต้องการให้คงอธิกวินาทีนี้ไว้เพื่อรักษาการเทียบเวลามาตรฐานกรีนิช

การปรับเพิ่ม 1 วินาทีในเดือนมิถุนายนที่กำลังมาถึงนี้ จะเป็นครั้งที่ 26 ในประวัติศาสตร์โลก

ข้อมูลจาก

http://www.nimt.or.th/nimt/upload/linkfile/sys-metrology-903-140.pdf

http://www.scimath.org/socialnetwork/groups/viewbulletin/1852-%E0%B8%81%E0%B8%A5%E0%B8%B2%E0%B8%87%E0%B8%A7%E0%B8%B1%E0%B8%99%E0%B8%81%E0%B8%A5%E0%B8%B2%E0%B8%87%E0%B8%84%E0%B8%B7%E0%B8%99+(Day+Night)?groupid=289

http://www.mirror.co.uk/news/technology-science/year-one-second-longer-because-4929749