Mennyi a pontos idő?

Rendes, hagyományos karórát egyre kevesebben hordanak, és lassan eltűnnek a hűtőszekrény fölé aggatott konyhai órák, az éjjeliszekrényről az ébresztőórák, a tévé tetejéről az állóórák, a sarokból az ingaórák, a falról a kakukkosok. Semmi baj, a háztartásban így is marad elég: van óra a dvd-lejátszóban, a tévében, a set-top boxban, a rádióban, az autóban, az autórádióban, a mikrohullámú sütőben, a tűzhelyben, a mosógépben, a hűtőszekrényben, az összes mobiltelefonon és persze az összes számítógépen. Egy átlagos középosztálybeli lakásban biztosan van vagy nyolc-tíz óra. Csak sajnos mindegyiken más az idő.

Itt élünk a digitális korban, digitális eszközök között, amelyek némelyike másodpercenként sokmilliárd lebegőpontos művelet elvégzésére képes, és mégsem tudjuk pontosan megmondani, hány másodperc van hátra délig. Miért?

Csavar a gépezetben

A modern időmérő szerkezetek – a modernben már az ingaóra is benne van – lelke az oszcillátor, vagyis egy olyan tárgy, ami állandó frekvenciával, periodikusan rezeg. Lényegében oszcillátor a lelke az ingaórának is, abban az inga leng viszonylag lassan, másodpercenként általában egy kilengéssel (a lengés és a rezgés a fizikában ugyanaz, csak magyarul a lassú rezgést lengésnek nevezzük). Oszcillátor működik a hagyományos, felhúzós karórákban is: ezt billegőnek, néha balansznak vagy balanszkeréknek (balance wheel) hívják, és egy rugó mozgatja, nagyjából szintén állandó frekvenciával. Ha a rezgés üteme változik, mert például a tulaj kimegy a melegből a hidegre, és a szerkezet összehúzódik vagy kitágul, vagy egyéb csavar kerül a gépezetbe, az óra siet vagy késik – akinek van felhúzós karórája, megtanult a pontatlansággal együtt élni, és jó esetben hetente-havonta, rossz esetben naponta beállítja az órát a déli harangszóhoz, a rádió vagy a tévé pontosidő-jelzéséhez, esetleg a 180-as telefonszámon bemondott időhöz.

Azt gondolhatnánk, hogy az elektronikus eszközök elterjedésével végleg megoldódott a siető-késő órák problémája, és mostantól minden óra egy időt mutat, legalább másodpercre pontosan. De végezzenek közvetlen környezetükben egy gyors kísérletet, és kiderül: ahány óra, annyi idő.

A kvarc sem tud mindent

A felhúzós, mechanikus órák egyeduralmát a múlt század hetvenes-nyolcvanas éveiben törték meg a digitális órák, amelyeket csupán a kijelzőjük miatt hívnak a köznyelvben digitálisnak: pontosabb elnevezés az elektronikus óra, amelynek kijelzője lehet analóg, azaz mutatós, illetve digitális, vagyis pálcikaemberes (elektromossággal működő, de analóg kijelzős óra sok van, fordítva jóval ritkább a dolog).

Természetesen az elektronikus óráknak is szükségük van egy állandó frekvenciájú rezgésre, amelynek alapján mutathatják az időt. A kissé régimódi, konnektorba dugható ébresztőórák egész egyszerűen az elektromos hálózatban keringő váltóáram 50, illetve Amerikában 60 hertzes frekvenciájából számolják ki az idő múlását. Ez azonban csak elméleti állandóság: a hálózatban a frekvencia, amellyel az áram eljut a fogyasztóhoz, kis mértékben ugyan, de változik, így ezek az órák korántsem tévedhetetlenek. Az áramszolgáltatók próbálják ugyan tartani magukat az állandósághoz, de csodát ők sem ígérnek, mindenesetre a frekvenciaváltakozás miatti időeltérést igyekeznek napi 1-2 másodpercben maximálni.

A másik megoldás a hetvenes-nyolcvanas években elterjedt, és azóta hódító kvarcórákban használatos kvarckristály, amely állandó frekvenciával oszcillál, így tökéletes időmérőnek tűnik. A periodicitással azonban itt is lehetnek bajok: bár a kvarcórák egy teljes nagyságrenddel pontosabbak, mint hagyományos rugós-mechanikus órák, valamennyire ezek is érzékenyek a környezeti tényezőkre, például a hőmérséklet-változásra. Ezért van, hogy a kvarcóra sokkal pontosabb ugyan, mint egy felhúzós óra, de késni és sietni azért ő is tud.

Ugyanez a helyzet a mobiltelefonokkal, a számítógépekkel és szinte minden olyan elektronikus eszközzel, amelyben óra van, és nem szinkronizálták valahogy egy mindentudó, nagyon pontos időforrással: napi 5-10 perceket ugyan nem, de néhány másodperces csúszást könnyen összeszednek.

Az emberiség szerencsére ezeknél pontosabb időmérő előállítására is képes: az atomórák kvarckristályok helyett az atomok rezgésszámát felhasználva számolják ki az időt. Jelenleg az atomóra számít a legpontosabb időmérő eszköznek (leszámítva a kvantumórákkal folytatott néhány kísérletet), és a világ atomórái közösen állítják elő az IAT-ot (International Atomic Time). Igaz, még az atomóra is érzékeny a hőmérsékletre, ezért a legfejlettebb időmérők közel abszolút nulla fokra hűtik az atomokat, hogy állandó frekvenciával dolgozhassanak.

A szinkron a megoldás

Ugye, milyen jó lenne, ha minden óra ugyanazt az időt mutatná? Miért nem lehet a világ összes óráját szinkronizálni egymással? Sőt miért nem lehet egyetlen óra, amelynek a jelét minden más óra átveszi? Lehet, de nem egyszerű. Óriási szám volt a múlt század vége felé, hogy Magyarországon is megjelentek azok az órák, amelyek rádióhullámok révén automatikusan egy Frankfurt melletti rádióadó órajeléhez igazították magukat. A Media Broadcast Gmbh által üzemeltetett DCF77 nevű állomás 1973 óta sugározza a helyi atomórák által szolgáltatott pontos időt a 77,5 kHz-es frekvencián. Az ilyen rádiójelek vételére képes órákat gyakran nevezik atomórának, de nem szabad bedőlni a marketingnek: 20 dollárért biztos nincs atomóra a boltban, 20 dollárért ugyanakkor van olyan óra, amely hozzáigazítja magát az atomóra által számolt időhöz. Az már majdnem ugyanaz.

Hogy a számítógépen mennyi az idő, alapvetően egy az alaplapba épített csip mondja meg - neve is van, RTC-nek, Real Time Clocknak hívják, ugyanolyan gombelemmel működik, mint a kvarcórák, és ugyanolyan elven is: a kristály rezgése alapján számolja az időt. Ez egyúttal azt is jelenti, hogy a számítógép órája ugyanúgy tud sietni és késni, mint a sima kvarcórák, ebből a szempontból tehát a gép által jelzett idő semmivel nem pontosabb, mint egy olcsó karórán. A netre csatlakozó számítógépek azonban ennél jóval többre képesek, hiszen a hálózaton viszonylag  egyszerű szinkronizálni a gép saját idejét egy univerzális idővel.

Viszonylag. Az elmúlt néhány évben az informatikusok több olyan protokollal álltak elő, amelyeknek egyetlen célja, hogy a neten vagy helyi hálózatokon át közvetítsék a lehető legpontosabb időt a számítógépeknek. A legismertebb és a legszélesebb körben használt szabályrendszer az NTP (Network Time Protocol), külön az idő adminisztrálására és közvetítésére felállított szerverekkel, a pontos idő forrásának távolságától függően meghatározott rétegekkel (stratum) és a szinkronizációért felelős algoritmusokkal. Az NTP-t használó számítógépek így meglehetős pontossággal tudják megjósolni az időt, bár ha nem csatlakoznak a netre, ők is visszaminősülnek egyszerű kvarcórává.