- 時間：2025-02-21
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- 來源：甘肅日報
我們每天都在跟時間打交道，時間是一種看不見摸不著的事物。我們都知道，一天等于24小時，一小時等于60分鐘，一分鐘等于60秒。但是關(guān)于時間還有許多我們不了解的知識，時間在科學(xué)領(lǐng)域是一個非常奇特的概念，本期讓我們一起去認(rèn)識時間。
我們會在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間，悄悄“撥動”我們的時鐘！
世界時與協(xié)調(diào)世界時
我們可以從時鐘上知道現(xiàn)在的時間，那么時鐘上的時間又是怎么得到的呢？正如長度可以測量一樣，時間也是可以用來測量的，且像長度一樣也需要有一個公共的標(biāo)準(zhǔn)尺度。這個標(biāo)準(zhǔn)尺度稱為時間基準(zhǔn)或時間頻率基準(zhǔn)。一般來說，任何一個能觀測到的周期運(yùn)動，只要能滿足下列條件都可以作為時間基準(zhǔn)：能做連續(xù)的周期性運(yùn)動，且運(yùn)動周期十分穩(wěn)定；運(yùn)動周期具有很好的復(fù)現(xiàn)性。
自然界中具有上述特征的運(yùn)動有很多種，比如早期人們發(fā)現(xiàn)的太陽在空中的變化、月相變化和季節(jié)節(jié)氣，后來的鐘擺及石英晶體的振蕩，以及地球自轉(zhuǎn)周期和原子躍遷時發(fā)出的電磁波振蕩信號等。
古人“日出而作，日落而息”，在日常生活中，人們已經(jīng)習(xí)慣用太陽來確定時間，安排工作和休息。真太陽時就是以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)，太陽中心為參考點的。太陽連續(xù)兩次通過某地的子午圈的時間間隔稱為一個真太陽日，以其為基礎(chǔ)均勻分割后得到真太陽時系統(tǒng)中的“小時”“分”和“秒”。真太陽時在數(shù)值上等于太陽中心相對于本地子午圈的時角（太陽時角即從觀測點天球子午圈沿天赤道量至太陽所在時圈的角距離。地球自轉(zhuǎn)一周360度，對應(yīng)的時間為24小時，即每小時相應(yīng)的時角為15°），再加上12小時。
然而，實際上真太陽時的長度并不一致。這是由兩方面的原因?qū)е碌?，一方面地球圍繞太陽的公轉(zhuǎn)軌道為一橢圓，據(jù)開普勒行星運(yùn)動第二定律，行星繞太陽公轉(zhuǎn)時，它與太陽連線在相同時間內(nèi)掃過的面積是相等的。這意味著，當(dāng)?shù)厍蚩拷枺丛诮拯c時），它的實際速度（線速度和角速度）會更快，因為它需要在相同時間內(nèi)掃過更大的距離來保持與太陽連線掃過的面積相等。相對地，在遠(yuǎn)日點（離太陽最遠(yuǎn)的點），地球的速度會減慢。因此，在一年的不同時間段內(nèi)，真太陽時的長度不一致。
另一方面，地球公轉(zhuǎn)是位于黃道平面的，而時角是在赤道平面量度的。因此，真太陽時不具備作為一個時間系統(tǒng)的基本條件。
為了彌補(bǔ)真太陽時不均勻的缺陷，人們便設(shè)想一個假太陽來代替真太陽，它和真太陽有兩點不同：（1）周年視運(yùn)動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，等于真太陽的平均角速度，我們稱這個假太陽為平太陽。格林尼治起始子午線處的平太陽時就稱為世界時。
在1955年之前，由于受觀測精度和計時工具的限制，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于太陽旋轉(zhuǎn)一周所用時間的特定分?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，且人們對時間和頻率的準(zhǔn)確度及穩(wěn)定度的要求越來越高，以地球自轉(zhuǎn)為基準(zhǔn)的世界時已難以滿足要求。
從20世紀(jì)50年代起，人們逐漸把目光集中到建立原子時上來，這是以物質(zhì)內(nèi)部原子運(yùn)動為基礎(chǔ)的。1967年10月，第十三屆國際計量大會通過如下決議：位于海平面上的銫133原子基態(tài)兩個超精細(xì)能級間在零磁場中躍遷輻射振蕩9192631770周所持續(xù)的時間定義為原子時的1秒。
穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性都很好的原子時能滿足高精確度時間間隔測量的要求，因此被很多部門所采用。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，離不開世界時。比如在地圖制作中，需要考慮到地球的自轉(zhuǎn)效應(yīng)，世界時可用于精確計算經(jīng)度，從而確保地圖的準(zhǔn)確性。由于原子時是一種均勻的時間系統(tǒng)，而地球自轉(zhuǎn)卻是不均勻的，所以原子時和世界時之間將會存在差異。
為同時兼顧各個領(lǐng)域的需求，國際無線電科學(xué)協(xié)會于20世紀(jì)60年代建立了協(xié)調(diào)世界時。協(xié)調(diào)世界時的秒長嚴(yán)格等于原子時的秒長，而協(xié)調(diào)世界時與世界時間的時刻差規(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？
問題來了，什么是閏秒呢？我們對“閏秒”這個詞可能會感到陌生，但是對“閏月”一定很熟悉。其實，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)世界時與世界時的時刻差保持在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)我們打開手機(jī)計時發(fā)現(xiàn)此時正好是07:59:59（北京時間），那么下一秒將會是08:00:00，但是如果此時正在實施正閏秒的調(diào)整，將會顯示07:59:60這一特殊的時刻。
由于全球變暖而“展開手臂”的地球
縱觀，我們實施的閏秒大都是正閏秒，這是因為協(xié)調(diào)世界時的基準(zhǔn)比較穩(wěn)定，而地球自轉(zhuǎn)存在不斷變慢的趨勢，導(dǎo)致世界時的秒長變得越來越長。在實施協(xié)調(diào)世界時的最初，幾乎每年都需要正閏秒的調(diào)整，但在過去的23年中只有5次——閏秒的調(diào)整變慢了。美國加州大學(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，一天的長度回到了19世紀(jì)的值。因此，閏秒發(fā)生的頻率越來越低。如果照這一趨勢發(fā)展下去，世界時的秒長將會變得比協(xié)調(diào)世界時的秒長短，我們將會在2026年首次實施負(fù)閏秒的調(diào)整。
但是美國加利福尼亞大學(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《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)量會向赤道附近轉(zhuǎn)移，地球會變得越來越“扁平”，固體地球的慣性矩增大，由于角動量守恒，固體地球的角速度會減小。地球就像在冰上的舞者一樣，舞者通過展開手臂增大慣性矩達(dá)到減小角速度的效果，通過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，又會使地球自轉(zhuǎn)的角速度減慢，可能會使負(fù)閏秒的調(diào)整推遲至2029年。而且該文章預(yù)測，如果冰川融化速度是當(dāng)前速度的100倍，將不會發(fā)生負(fù)閏秒，甚至?xí)?040年進(jìn)行正閏秒的調(diào)整。
全球變暖對計時的影響
雖然1秒的時間對于我們的日常生活來說幾乎沒有感覺，但是一些金融貿(mào)易等領(lǐng)域的計算系統(tǒng)需要精確到千分之一秒，在這些領(lǐng)域就會造成很大影響了。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)閏秒會帶來一些計時的問題。
由于閏秒的不可預(yù)測性給龐大的全球基礎(chǔ)設(shè)施的同步帶來諸多不便，2022年第27屆國際計量大會決定，最遲不晚于2035年廢除閏秒，并要求各方協(xié)商提出一個可以將協(xié)調(diào)世界時持續(xù)至少百年的新方案，解決這個問題的一個可能方法是讓世界時和協(xié)調(diào)世界時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影響我們的計時。雖然最遲在2035年將取消閏秒修正，但在取消之前，我們可能會經(jīng)歷第一次也可能是最后一次負(fù)閏秒。到那時，我們可以打開手機(jī)上的時鐘，親眼見證一下歷史性的一幕！（作者單位：中國科學(xué)院國家授時中心）
延伸閱讀
384天！蛇年為啥“閏六月”
“閏六月”罕見嗎？
農(nóng)歷乙巳蛇年是個閏年，被安置了一個“閏六月”，全年384天。對此，很多人不解，為什么會有“閏六月”？中國天文學(xué)會會員、天津市天文學(xué)會理事楊婧給出了答案：我國現(xiàn)行采用公歷和農(nóng)歷兩種歷法，公歷遵循太陽周年視運(yùn)動，它是以一個太陽回歸年作為一年，分為12個月（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周年視運(yùn)動兩個自然周期為依據(jù)制定的，一年12個月，全年354天或355天。一個公歷年和一個農(nóng)歷年相差11天左右?！敖?jīng)年累月”下去就會發(fā)生農(nóng)歷年的月份與季節(jié)不能對應(yīng)、寒暑顛倒的現(xiàn)象。
為使農(nóng)歷年與公歷年能基本對應(yīng)，農(nóng)歷采取置閏的方法來調(diào)節(jié)，也就是在19年中安排7個閏月，置閏的規(guī)則不是隨機(jī)的，而是根據(jù)二十四節(jié)氣來確定。二十四節(jié)氣是將地球繞太陽運(yùn)行的軌道即黃道，以15度為間隔等分為24份，又分為12個節(jié)氣和12個中氣，二者相間排列。農(nóng)歷歷法規(guī)定，每個農(nóng)歷月都有一個中氣，如果某個月中不包含中氣，就算作上一個月的閏月。
蛇年“兩頭春”？
蛇年出現(xiàn)“兩頭春”現(xiàn)象，也就是一年中會出現(xiàn)兩個立春節(jié)氣。為啥會出現(xiàn)“兩頭春”？
“兩頭春”是中國農(nóng)歷歷法中閏年時出現(xiàn)的現(xiàn)象。二十四節(jié)氣是中國人認(rèn)知一年中時令、氣候、物候等方面的變化規(guī)律所形成的知識體系和社會實踐，是中國古代文明的獨(dú)特創(chuàng)造。二十四節(jié)氣將太陽周年運(yùn)動軌跡劃分為24等份，以春分點為零點，太陽每運(yùn)行15度為一個節(jié)氣；運(yùn)行一周又回到春分點，為一個回歸年，共360度。
公歷每月都有兩個節(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，每年都會出現(xiàn)一次立春節(jié)氣，24個節(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)，就可能會出現(xiàn)農(nóng)歷閏年一年中有25個節(jié)氣，年初一個立春節(jié)氣，年尾一個立春節(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）。
相對于“兩頭春”，還有“兩頭無春”和“單春”，即在農(nóng)歷的一年中沒有立春節(jié)氣或只有一個立春節(jié)氣。據(jù)了解，“兩頭春”并不罕見，反而很常見，平均2年至3年就會出現(xiàn)一次。統(tǒng)計顯示，在本世紀(jì)的100年中，“兩頭春”的年份有37次，“兩頭無春”的年份有37次，“單春”的年份有26次。這么來看，“兩頭春”和“兩頭無春”是再正常不過的歷法現(xiàn)象。一年“兩頭春”，春暖一整年。