時間基準

時間標準とは、時間の経過速度または時点、あるいはその両方を測定するための仕様です。現代では、以前は慣習や慣行の問題であったいくつかの時間仕様が、標準として公式に認められています。時間標準の一種の例として、時間の区分を測定する方法を指定する時間スケールが挙げられます。常用時間の標準では、時間間隔と時刻の両方を指定できます。

標準化された時間測定は、自然現象または人工機械の変化である周期変化の周期をカウントするために 時計を使用して行われます。

歴史的に、時間基準は地球の自転周期に基づいていることが多かった。18 世紀後半から 19 世紀にかけて、地球の毎日の自転速度は一定であると想定されていた。19 世紀に研究された日食記録を含む数種類の天文観測から、地球の自転速度が徐々に遅くなり、小規模な不規則性も見られるのではないかという疑念が生じ、これは 20 世紀初頭に確認された。地球の自転に基づく時間基準は、1952 年以降、天文学的な使用では、地球の公転周期と実際には月の動きに基づく天体暦時間基準に置き換えられた (または最初に補足された)。1955 年のセシウム原子時計の発明により、ほとんどの実用的な目的で、古い純粋に天文学的な時間基準が、原子時間に全面的または部分的に基づく新しい時間基準に置き換えられた。

ほとんどの時間スケールでは、基本的な時間間隔としてさまざまな種類の秒と日が使用されます。その他の時間間隔 (分、時間、年) は通常、これら 2 つに基づいて定義されます。

「時間」という用語は、一般的に、次のような多くの近いけれども異なる概念に対して使用されます。

• 瞬間^[1]オブジェクトとして – 時間軸上の一点。オブジェクトであるため、値はありません。
  • 日付^[2]は瞬間を特徴付ける量として定義される。量としては、ISO標準形式では「2014-04-26T09:42:36,75」、より口語的には「今日、午前9時42分」のように、さまざまな方法で表現できる値を持つ。
• 時間間隔^[3]はオブジェクトとして – 2つの瞬間によって制限された時間軸の一部。オブジェクトであるため、値はありません。
  • 持続時間^[4]は時間間隔を特徴付ける量である。^[5]量としては、分数などの値を持つ場合もあれば、始まりと終わりの量（時刻や日付など）で表す場合もある。
• 年代学とは、過去の出来事を順序立てて並べたものです。年代学は年代順にグループ分けすることができます (時代区分)。時代区分の最も重要なシステムの 1 つは地質年代尺度で、これは地球とその生命を形作った出来事を時代区分するシステムです。年代学、時代区分、過去の解釈は、まとめて歴史学として知られています。

これまで秒の定義は3つしかありませんでした。1日の割合、推定された1年の割合、そしてセシウム原子時計のマイクロ波周波数です。^[6]

初期の歴史では、時計は秒を計測できるほど正確ではありませんでした。機械式時計が発明された後、CGS システムとMKS 単位系はどちらも秒を平均太陽日の1 / 86,400と定義しました。MKS は 1940 年代に国際的に採用されました。

1940年代後半、水晶発振器時計は地球の自転よりも正確に時間を測定できました。また、計量学者は、地球の太陽の周りの軌道（1年）が地球の自転よりもはるかに安定していることを知っていた。これにより、エフェメリス時間と熱帯年の定義が生まれ、エフェメリス秒は「 1900年1月0日、12時間のエフェメリス時間における熱帯年の1 ⁄ 31,556,925.9747 ^{」と定義されました。 [7] [8]}この定義は、 1960年に国際単位系の一部として採用されました。 ^[9]

最近では、精度が向上した原子時計が開発されました。1967年以来、SI時間の基本単位はSI秒であり、これは「セシウム133原子の基底状態の2つの超微細レベル間の遷移に対応する放射の9,192,631,770周期の持続時間」（温度0 K、平均海面）と正確に定義されています。^{[10] [11]} SI秒は、協定世界時、GPS時間、国際原子時など、すべての原子時間スケールの基礎となっています。

地心座標時(TCG)は、地球の質量の中心に空間的な原点がある座標時間です。TCG は理論上の理想であり、特定の実現には測定誤差が生じます。

国際原子時（TAI）^[12]は、物理的に実現された主要な時間基準です。TAIは国際度量衡局（BIPM）によって作成され、世界中の多くの原子時計からの複合入力に基づいています。 ^{[13]それぞれが環境および相対論的影響（重力と}GNSSのような速度の両方による）に対して補正されています。TAIはTCGと直接関係しているわけではなく、むしろ地球時間（TT）の実現であり、これはTCGを再スケーリングした理論的な時間スケールであり、時間率が平均海面での固有時間とほぼ一致するようにしています。

世界時(UT1) は、経度 0° における平均太陽時の歴史的な定義と一致するように線形にスケーリングされた地球の自転角(ERA) です。高精度では、地球の自転は不規則であり、長基線干渉法、月と人工衛星のレーザー測距、および GPS 衛星軌道を使用して、遠方のクエーサーの位置から決定されます。

協定世界時(UTC) は、UT1 に近似するように設計された原子時間スケールです。UTC は TAI と整数秒異なります。UTC に 1 秒のステップ (「うるう秒」) を導入することで、UTC は UT1 の 0.9 秒以内に保たれます。現在まで、これらのステップ (および「TAI-UTC」の差) は常に正でした。

全地球測位システムは、GPS 時間(GPST) を UTC に変換する指示とともに、非常に正確な時間信号を世界中に放送します。これは、TAI からの一定のオフセットで定義されました: GPST = TAI - 19 秒。GPS 時間標準は独立して維持されますが、定期的に UTC 時間と同期されます。

タイムゾーンの標準時間または常用時間は、通常は UTC である世界時(UTC)から、固定された丸められた量 (通常は整数時間) だけずれています。オフセットは、太陽が天底子午線を横切る頃に新しい日が始まるように選択されます。あるいは、差は実際には固定されておらず、通常は 1 時間ずつ 1 年に 2 回丸められた量だけ変化します (サマータイムを参照)。

ユリウス日数は、ユリウス先発暦の紀元前4713年1月1日のグリニッジ標準時正午からの経過日数です。ユリウス日は、ユリウス日数の後に、前の正午からの経過日数を分数で表したものです。天文学者にとって便利なことに、これにより観測夜間の日付のスキップを回避できます。修正ユリウス日 (MJD) は、MJD = JD - 2400000.5 と定義されます。したがって、MJD 日は常用日である真夜中に始まります。ユリウス日は UT1、TAI、TT などで表すことができるため、正確な用途では、たとえば MJD 49135.3824 TAI のように時間スケールを指定する必要があります。^[14]

重心座標時(TCB) は、太陽系の質量の中心 (重心と呼ばれる) を空間の原点とする座標時間です。

原子時システム（TAI、GPST、UTC）間の変換は、大部分は正確です。ただし、GPS時間は計算された「紙」のスケールではなく、測定値です。^[15]そのため、UTC（USNO）とは数百ナノ秒異なる場合があります。^[16]これは、公式UTCとは最大26ナノ秒異なる場合があります。^[15] UT1とTTの変換は、公開された差分表に依存しており、2022年時点では^{[アップデート]}それぞれ10マイクロ秒と0.1ナノ秒に指定されています。

定義:

1. ^{LS = TAI − UTC = USNOうるう秒表[17]}からのうるう秒
2. DUT1 = UT1 − IERS Bulletins ^[18]または US Naval Observatory EO ^{[19]に掲載されている UTC}
3. DTT = TT − TAI − 32.184 s BIPMのTT(BIPM)表に掲載されている。^[20]

TCGはTTと次のように線形関係にある：TCG − TT = L _G × (JD − 2443144.5) × 86400秒、スケール差L _Gは6.969290134 × 10と定義される。^{正確には−10 です}。

TCBはTDBの線形変換であり、TDBはTTとほとんど周期的な小さな差がある。これらの差（現在の時代の数千年では2ミリ秒程度）を無視すると、^[21] TCBはTTと次の式で関係する：TCB − TT = L _B × (JD − 2443144.5) × 86400秒。^[22]スケール差L _BはIAUによって正確に1.550519768e-08と定義されている。^[21]

見かけの太陽時または真太陽時は、太陽日に基づいています。太陽日とは、太陽正午（実際の太陽が子午線を通過）から次の正午までの期間です。1 太陽日は、平均時で約 24 時間です。地球は太陽の周りを楕円軌道で回っており、地球の軸は軌道面（黄道）に対して傾斜しているため、見かけの太陽日は平均値の 24 時間より数十秒上下に変動します。この変動が数週間にわたって蓄積されるため、見かけの太陽時と平均太陽時の間には 16 分もの差が生じます（均時差を参照）。ただし、これらの変動は 1 年で相殺されます。地球のふらつきなどの他の摂動もありますが、これらは 1 年に 1 秒未満です。

恒星時は星による時間です。恒星時の自転は、地球が星の自転を伴って 1 周するのにかかる時間で、約 23 時間 56 分 4 秒です。平均太陽日は、平均恒星日よりも約 3 分 56 秒長く、平均恒星日よりも1 ⁄ 366長くなります。天文学では、恒星時を使用して星が空の最高点に達する時期を予測します。陸上での正確な天文学的作業では、平均太陽時を測定するのに太陽時ではなく恒星時を観測するのが一般的でした。これは、「固定」星の観測の方が太陽の観測よりも正確に測定および短縮できるためです (屈折、行差、歳差運動、章動、固有運動など、さまざまな小さな補正を行う必要があるにもかかわらず)。太陽の観測が測定の精度の達成に対して大きな障害となることはよく知られています。^[23]正確な時刻信号が配布される以前の昔は、どの天文台でも、位置と動きがよくわかっている選ばれた「時計星」の子午線通過の恒星時を観測し、それを使って地方平均恒星時で動いている天文台の時計を修正することが日常業務の一部でした。しかし、今日では地方恒星時は通常、時刻信号に基づいてコンピューターによって生成されます。^[24]

平均太陽時は、航海目的に特に海上で使用されていた時間基準であり、見かけの太陽時を観測し、それに補正値である均時差を加えて計算された。均時差は、地球の軌道の楕円性と、地球の赤道と極軸の黄道（太陽の周りを回る地球の軌道面）に対する傾斜によって生じる、1日の長さの2つの既知の不規則性を補正する。平均太陽時は、世界時に取って代わられた。

グリニッジ標準時は、もともと王立グリニッジ天文台(RGO)で行われた子午線観測から推定された平均時でした。1884 年に国際子午線会議で、この天文台の主子午線が本初子午線に選ばれました。GMT はその名前でも「グリニッジの平均時」でも、かつては国際的な時間基準でしたが、現在はそうではありません。1928 年に最初に世界時 (UT) に改名されました (1925 年 1 月 1 日から採用された、天文日の開始を正午からではなく真夜中に変更した慣例から生じる曖昧さの結果でもある)。UT1 は、実際には依然としてグリニッジの平均時です。今日、GMT はタイムゾーンですが、冬の英国では依然として法定時間です (夏時間用に 1 時間調整されます)。しかし、英国では協定世界時(UTC) (常に UT1 の 0.9 秒以内に保たれる原子ベースの時間スケール) が実際に一般的に使用されており、GMT という名前はそれを指すのによく使用されます。(グリニッジ標準時、世界時、協定世界時に関する記事と、それらが引用する情報源を参照してください。)

UT0やUT2などの世界時のバージョンも定義されていますが、現在は使用されていません。 ^{[25] [26]}

エフェメリス時間(ET) と、以下に説明するその後継時間スケールはすべて、惑星の運動計算などの天文学的な使用を目的としており、その目的は均一性、特に地球の自転の不規則性からの解放です。これらの標準のいくつかは、動的時間スケールや座標時間スケールの例です。エフェメリス時間は、1952年から1976年まで国際天文学連合の公式時間スケール標準でした。これは、太陽の周りの地球の軌道運動に基づいた動的時間スケールであり、そこからエフェメリス秒が熱帯年の定義された分数として導出されました。このエフェメリス秒は、 1956年から1967年までSI秒の標準であり、セシウム原子時計の較正の元でもありました。その長さは、原子時を参照する現在のSI秒のサイズと10 ¹⁰分の1以内で厳密に複製されています。 ^{[27] [28]} このエフェメリス時間標準は非相対論的であり、相対論的座標時間スケールの高まるニーズを満たさなかった。1960年から1983年まで公式アルマナックと惑星エフェメリスに使用されていたが、1984年以降は数値的に統合されたジェット推進研究所開発エフェメリスDE200（JPL相対論的座標時間スケールT _ephに基づく）に置き換えられた。

地球表面での応用では、ET の公式な代替は地球力学時(TDT) であり、ET との連続性を維持しています。TDT は統一された原子時間スケールで、単位は SI 秒です。TDT は国際原子時 (TAI) と同様に SI 秒に同期していますが、TAI は 1958 年の開始時に UT の改良版と同等になるようにやや恣意的に定義されたため、TDT は TAI から 32.184 秒の定数だけオフセットされていました。このオフセットにより、エフェメリス時刻から TDT への連続性が確保されました。TDT はその後、地球時刻(TT) として再定義されました。

エフェメリスの計算には、ET に代わる重心力学時間(TDB) が公式に推奨されました。TDB は TDT に似ていますが、原点を重心に移動する相対論的補正が含まれているため、重心での力学時間です。 ^[29] TDB は TT と周期的な条件のみが異なります。その差は最大で 2 ミリ秒です。TDB の定義に欠陥が見つかり (T _{ephには影響しませんが)、TDB は}重心座標時間(TCB) と地心座標時間(TCG)に置き換えられ、 TCB の特定の固定線形変換であるJPL エフェメリス時間引数 T _ephに再定義されました。定義されているように、TCB (地球表面から観測) は、ET、T _eph、TDT/TT のすべてに対して発散率を持ちます。^[30] TCG についても、程度は低いものの同じことが当てはまります。現在広く公式に使用されている太陽、月、惑星の天体暦は、引き続きジェット推進研究所で T _{eph を}引数として計算されたものです(2003 年からDE405に更新) 。

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• 秒とうるう秒の定義に関する USNO の記事 2012-06-11 にWayback Machineでアーカイブ
• スティーブ・アレン著「天文学の時間スケールの歴史」
• なぜ1分は60秒、1時間は60分に分かれているのに、1日は24時間しかないのか？専門家に聞く – 2021年3月5日。サイエンティフィック・アメリカン