- 時(shí)間：2025-02-21
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- 來(lái)源：甘肅日?qǐng)?bào)
我們每天都在跟時(shí)間打交道，時(shí)間是一種看不見(jiàn)摸不著的事物。我們都知道，一天等于24小時(shí)，一小時(shí)等于60分鐘，一分鐘等于60秒。但是關(guān)于時(shí)間還有許多我們不了解的知識(shí)，時(shí)間在科學(xué)領(lǐng)域是一個(gè)非常奇特的概念，本期讓我們一起去認(rèn)識(shí)時(shí)間。
我們會(huì)在2026年“失去一秒”？
方婧
全球氣候變暖已經(jīng)成為備受矚目的話題，它不僅嚴(yán)重影響全球各地的氣候和生態(tài)，可能還在影響著我們感知不深的時(shí)間，悄悄“撥動(dòng)”我們的時(shí)鐘！
世界時(shí)與協(xié)調(diào)世界時(shí)
我們可以從時(shí)鐘上知道現(xiàn)在的時(shí)間，那么時(shí)鐘上的時(shí)間又是怎么得到的呢？正如長(zhǎng)度可以測(cè)量一樣，時(shí)間也是可以用來(lái)測(cè)量的，且像長(zhǎng)度一樣也需要有一個(gè)公共的標(biāo)準(zhǔn)尺度。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺度稱為時(shí)間基準(zhǔn)或時(shí)間頻率基準(zhǔn)。一般來(lái)說(shuō)，任何一個(gè)能觀測(cè)到的周期運(yùn)動(dòng)，只要能滿足下列條件都可以作為時(shí)間基準(zhǔn)：能做連續(xù)的周期性運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)周期十分穩(wěn)定；運(yùn)動(dòng)周期具有很好的復(fù)現(xiàn)性。
自然界中具有上述特征的運(yùn)動(dòng)有很多種，比如早期人們發(fā)現(xiàn)的太陽(yáng)在空中的變化、月相變化和季節(jié)節(jié)氣，后來(lái)的鐘擺及石英晶體的振蕩，以及地球自轉(zhuǎn)周期和原子躍遷時(shí)發(fā)出的電磁波振蕩信號(hào)等。
古人“日出而作，日落而息”，在日常生活中，人們已經(jīng)習(xí)慣用太陽(yáng)來(lái)確定時(shí)間，安排工作和休息。真太陽(yáng)時(shí)就是以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)，太陽(yáng)中心為參考點(diǎn)的。太陽(yáng)連續(xù)兩次通過(guò)某地的子午圈的時(shí)間間隔稱為一個(gè)真太陽(yáng)日，以其為基礎(chǔ)均勻分割后得到真太陽(yáng)時(shí)系統(tǒng)中的“小時(shí)”“分”和“秒”。真太陽(yáng)時(shí)在數(shù)值上等于太陽(yáng)中心相對(duì)于本地子午圈的時(shí)角（太陽(yáng)時(shí)角即從觀測(cè)點(diǎn)天球子午圈沿天赤道量至太陽(yáng)所在時(shí)圈的角距離。地球自轉(zhuǎn)一周360度，對(duì)應(yīng)的時(shí)間為24小時(shí)，即每小時(shí)相應(yīng)的時(shí)角為15°），再加上12小時(shí)。
然而，實(shí)際上真太陽(yáng)時(shí)的長(zhǎng)度并不一致。這是由兩方面的原因?qū)е碌?，一方面地球圍繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)軌道為一橢圓，據(jù)開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)第二定律，行星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)，它與太陽(yáng)連線在相同時(shí)間內(nèi)掃過(guò)的面積是相等的。這意味著，當(dāng)?shù)厍蚩拷?yáng)（即在近日點(diǎn)時(shí)），它的實(shí)際速度（線速度和角速度）會(huì)更快，因?yàn)樗枰谙嗤瑫r(shí)間內(nèi)掃過(guò)更大的距離來(lái)保持與太陽(yáng)連線掃過(guò)的面積相等。相對(duì)地，在遠(yuǎn)日點(diǎn)（離太陽(yáng)最遠(yuǎn)的點(diǎn)），地球的速度會(huì)減慢。因此，在一年的不同時(shí)間段內(nèi)，真太陽(yáng)時(shí)的長(zhǎng)度不一致。
另一方面，地球公轉(zhuǎn)是位于黃道平面的，而時(shí)角是在赤道平面量度的。因此，真太陽(yáng)時(shí)不具備作為一個(gè)時(shí)間系統(tǒng)的基本條件。
為了彌補(bǔ)真太陽(yáng)時(shí)不均勻的缺陷，人們便設(shè)想一個(gè)假太陽(yáng)來(lái)代替真太陽(yáng)，它和真太陽(yáng)有兩點(diǎn)不同：（1）周年視運(yùn)動(dòng)軌跡位于赤道平面而不是黃道平面；（2）它在赤道上的角速度是恒定的，等于真太陽(yáng)的平均角速度，我們稱這個(gè)假太陽(yáng)為平太陽(yáng)。格林尼治起始子午線處的平太陽(yáng)時(shí)就稱為世界時(shí)。
在1955年之前，由于受觀測(cè)精度和計(jì)時(shí)工具的限制，地球的自轉(zhuǎn)比任何現(xiàn)有的振蕩器都更穩(wěn)定，因此秒被定義為地球相對(duì)于太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)一周所用時(shí)間的特定分?jǐn)?shù)。
隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的提高，人們逐漸發(fā)現(xiàn)地球自轉(zhuǎn)的速度是不均勻的，且人們對(duì)時(shí)間和頻率的準(zhǔn)確度及穩(wěn)定度的要求越來(lái)越高，以地球自轉(zhuǎn)為基準(zhǔn)的世界時(shí)已難以滿足要求。
從20世紀(jì)50年代起，人們逐漸把目光集中到建立原子時(shí)上來(lái)，這是以物質(zhì)內(nèi)部原子運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)的。1967年10月，第十三屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)如下決議：位于海平面上的銫133原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間在零磁場(chǎng)中躍遷輻射振蕩9192631770周所持續(xù)的時(shí)間定義為原子時(shí)的1秒。
穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性都很好的原子時(shí)能滿足高精確度時(shí)間間隔測(cè)量的要求，因此被很多部門(mén)所采用。但有不少領(lǐng)域如天文導(dǎo)航、大地天文學(xué)、宇宙飛行器跟蹤等又與地球自轉(zhuǎn)有密切關(guān)系，離不開(kāi)世界時(shí)。比如在地圖制作中，需要考慮到地球的自轉(zhuǎn)效應(yīng)，世界時(shí)可用于精確計(jì)算經(jīng)度，從而確保地圖的準(zhǔn)確性。由于原子時(shí)是一種均勻的時(shí)間系統(tǒng)，而地球自轉(zhuǎn)卻是不均勻的，所以原子時(shí)和世界時(shí)之間將會(huì)存在差異。
為同時(shí)兼顧各個(gè)領(lǐng)域的需求，國(guó)際無(wú)線電科學(xué)協(xié)會(huì)于20世紀(jì)60年代建立了協(xié)調(diào)世界時(shí)。協(xié)調(diào)世界時(shí)的秒長(zhǎng)嚴(yán)格等于原子時(shí)的秒長(zhǎng)，而協(xié)調(diào)世界時(shí)與世界時(shí)間的時(shí)刻差規(guī)定需要保持在0.9秒以內(nèi)，否則將采取閏秒的方式進(jìn)行調(diào)整。
什么是閏秒？
問(wèn)題來(lái)了，什么是閏秒呢？我們對(duì)“閏秒”這個(gè)詞可能會(huì)感到陌生，但是對(duì)“閏月”一定很熟悉。其實(shí)，和閏月的方式和目的類似，閏月是為了協(xié)調(diào)回歸年和農(nóng)歷年的矛盾，閏秒則是為了讓協(xié)調(diào)世界時(shí)與世界時(shí)的時(shí)刻差保持在0.9秒以內(nèi)。增加1秒為正閏秒，減少1秒為負(fù)閏秒。在一般情況下，當(dāng)我們打開(kāi)手機(jī)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)此時(shí)正好是07:59:59（北京時(shí)間），那么下一秒將會(huì)是08:00:00，但是如果此時(shí)正在實(shí)施正閏秒的調(diào)整，將會(huì)顯示07:59:60這一特殊的時(shí)刻。
由于全球變暖而“展開(kāi)手臂”的地球
縱觀，我們實(shí)施的閏秒大都是正閏秒，這是因?yàn)閰f(xié)調(diào)世界時(shí)的基準(zhǔn)比較穩(wěn)定，而地球自轉(zhuǎn)存在不斷變慢的趨勢(shì)，導(dǎo)致世界時(shí)的秒長(zhǎng)變得越來(lái)越長(zhǎng)。在實(shí)施協(xié)調(diào)世界時(shí)的最初，幾乎每年都需要正閏秒的調(diào)整，但在過(guò)去的23年中只有5次——閏秒的調(diào)整變慢了。美國(guó)加州大學(xué)學(xué)者阿格紐認(rèn)為，這一變化的發(fā)生是由于地球整體的角動(dòng)量守恒，地球液核角速度的變慢導(dǎo)致固體地球的自轉(zhuǎn)角速度加快，一天的長(zhǎng)度回到了19世紀(jì)的值。因此，閏秒發(fā)生的頻率越來(lái)越低。如果照這一趨勢(shì)發(fā)展下去，世界時(shí)的秒長(zhǎng)將會(huì)變得比協(xié)調(diào)世界時(shí)的秒長(zhǎng)短，我們將會(huì)在2026年首次實(shí)施負(fù)閏秒的調(diào)整。
但是美國(guó)加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校斯克里普斯海洋研究所的地球物理學(xué)家鄧肯·阿格紐發(fā)表于英國(guó)《自然》雜志上的一篇研究論文表明，由于全球變暖，格陵蘭島和南極洲冰融化加快，部分地球質(zhì)量會(huì)向赤道附近轉(zhuǎn)移，地球會(huì)變得越來(lái)越“扁平”，固體地球的慣性矩增大，由于角動(dòng)量守恒，固體地球的角速度會(huì)減小。地球就像在冰上的舞者一樣，舞者通過(guò)展開(kāi)手臂增大慣性矩達(dá)到減小角速度的效果，通過(guò)將手臂收回減小慣性矩以達(dá)到增大角速度的效果。由于這一影響，又會(huì)使地球自轉(zhuǎn)的角速度減慢，可能會(huì)使負(fù)閏秒的調(diào)整推遲至2029年。而且該文章預(yù)測(cè)，如果冰川融化速度是當(dāng)前速度的100倍，將不會(huì)發(fā)生負(fù)閏秒，甚至?xí)?040年進(jìn)行正閏秒的調(diào)整。
全球變暖對(duì)計(jì)時(shí)的影響
雖然1秒的時(shí)間對(duì)于我們的日常生活來(lái)說(shuō)幾乎沒(méi)有感覺(jué)，但是一些金融貿(mào)易等領(lǐng)域的計(jì)算系統(tǒng)需要精確到千分之一秒，在這些領(lǐng)域就會(huì)造成很大影響了。而且不同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)目前處理閏秒的方式不同。雖然現(xiàn)在許多系統(tǒng)都有軟件可以接受額外的一秒，但很少有軟件允許刪除一秒，因此負(fù)閏秒會(huì)帶來(lái)一些計(jì)時(shí)的問(wèn)題。
由于閏秒的不可預(yù)測(cè)性給龐大的全球基礎(chǔ)設(shè)施的同步帶來(lái)諸多不便，2022年第27屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)決定，最遲不晚于2035年廢除閏秒，并要求各方協(xié)商提出一個(gè)可以將協(xié)調(diào)世界時(shí)持續(xù)至少百年的新方案，解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)可能方法是讓世界時(shí)和協(xié)調(diào)世界時(shí)之間的差異增加到一分鐘。
相信大家讀到這里已經(jīng)明白了為何全球變暖還會(huì)影響我們的計(jì)時(shí)。雖然最遲在2035年將取消閏秒修正，但在取消之前，我們可能會(huì)經(jīng)歷第一次也可能是最后一次負(fù)閏秒。到那時(shí)，我們可以打開(kāi)手機(jī)上的時(shí)鐘，親眼見(jiàn)證一下歷史性的一幕?。ㄗ髡邌挝唬褐袊?guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心）
延伸閱讀
384天！蛇年為啥“閏六月”
“閏六月”罕見(jiàn)嗎？
農(nóng)歷乙巳蛇年是個(gè)閏年，被安置了一個(gè)“閏六月”，全年384天。對(duì)此，很多人不解，為什么會(huì)有“閏六月”？中國(guó)天文學(xué)會(huì)會(huì)員、天津市天文學(xué)會(huì)理事楊婧給出了答案：我國(guó)現(xiàn)行采用公歷和農(nóng)歷兩種歷法，公歷遵循太陽(yáng)周年視運(yùn)動(dòng)，它是以一個(gè)太陽(yáng)回歸年作為一年，分為12個(gè)月（月份數(shù)有31天、30天、29天、28天四種，均是人為規(guī)定），全年365天或366天；農(nóng)歷是以月相盈虧兼顧太陽(yáng)周年視運(yùn)動(dòng)兩個(gè)自然周期為依據(jù)制定的，一年12個(gè)月，全年354天或355天。一個(gè)公歷年和一個(gè)農(nóng)歷年相差11天左右?！敖?jīng)年累月”下去就會(huì)發(fā)生農(nóng)歷年的月份與季節(jié)不能對(duì)應(yīng)、寒暑顛倒的現(xiàn)象。
為使農(nóng)歷年與公歷年能基本對(duì)應(yīng)，農(nóng)歷采取置閏的方法來(lái)調(diào)節(jié)，也就是在19年中安排7個(gè)閏月，置閏的規(guī)則不是隨機(jī)的，而是根據(jù)二十四節(jié)氣來(lái)確定。二十四節(jié)氣是將地球繞太陽(yáng)運(yùn)行的軌道即黃道，以15度為間隔等分為24份，又分為12個(gè)節(jié)氣和12個(gè)中氣，二者相間排列。農(nóng)歷歷法規(guī)定，每個(gè)農(nóng)歷月都有一個(gè)中氣，如果某個(gè)月中不包含中氣，就算作上一個(gè)月的閏月。
蛇年“兩頭春”？
蛇年出現(xiàn)“兩頭春”現(xiàn)象，也就是一年中會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)立春節(jié)氣。為啥會(huì)出現(xiàn)“兩頭春”？
“兩頭春”是中國(guó)農(nóng)歷歷法中閏年時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象。二十四節(jié)氣是中國(guó)人認(rèn)知一年中時(shí)令、氣候、物候等方面的變化規(guī)律所形成的知識(shí)體系和社會(huì)實(shí)踐，是中國(guó)古代文明的獨(dú)特創(chuàng)造。二十四節(jié)氣將太陽(yáng)周年運(yùn)動(dòng)軌跡劃分為24等份，以春分點(diǎn)為零點(diǎn)，太陽(yáng)每運(yùn)行15度為一個(gè)節(jié)氣；運(yùn)行一周又回到春分點(diǎn)，為一個(gè)回歸年，共360度。
公歷每月都有兩個(gè)節(jié)氣，上半年分別在每月的6日和21日左右交節(jié)，下半年則在每月的8日和23日左右交節(jié)，上下差不了一兩天。以立春為例，絕大多數(shù)年份為2月4日，個(gè)別年份為2月3日或2月5日。因此在公歷中，不論是平年365天還是閏年366天，每年都會(huì)出現(xiàn)一次立春節(jié)氣，24個(gè)節(jié)氣也都只出現(xiàn)一次。
農(nóng)歷閏年是384天或385天，多于公歷一年的天數(shù)，就可能會(huì)出現(xiàn)農(nóng)歷閏年一年中有25個(gè)節(jié)氣，年初一個(gè)立春節(jié)氣，年尾一個(gè)立春節(jié)氣。乙巳蛇年就屬于這種情況，這一年為閏年，全年共有384天，起于2025年1月29日，止于2026年2月16日，包含了兩個(gè)立春節(jié)氣，即乙巳年的正月初六立春（2025年2月3日）和同年臘月十七立春（2026年2月4日）。
相對(duì)于“兩頭春”，還有“兩頭無(wú)春”和“單春”，即在農(nóng)歷的一年中沒(méi)有立春節(jié)氣或只有一個(gè)立春節(jié)氣。據(jù)了解，“兩頭春”并不罕見(jiàn)，反而很常見(jiàn)，平均2年至3年就會(huì)出現(xiàn)一次。統(tǒng)計(jì)顯示，在本世紀(jì)的100年中，“兩頭春”的年份有37次，“兩頭無(wú)春”的年份有37次，“單春”的年份有26次。這么來(lái)看，“兩頭春”和“兩頭無(wú)春”是再正常不過(guò)的歷法現(xiàn)象。一年“兩頭春”，春暖一整年。