閏秒調整，今年全球多一秒？

微分流形 2012-03-20 18:00:31

近日，中科院國家授時中心宣布，我國將於7月1日7點59分59秒和全球同步進行閏秒調整，屆時將會出現7:59:60的特殊現象。全球今年整整多出一秒，這到底是怎麼回事？

眾所周知，現行公曆中，平年有365天，閏年有366天。如何用「整除法」判斷閏年，這事連小學生都清楚；農曆中有閏月，「十九年七閏」的傳言也頗為流行。但「閏秒」，究竟又是怎麼一回事？

繼2008年年初後，本年度我們將再次見識到「閏秒」。中國科學院國家授時中心近日宣布，今年7月1日07:59:59之後要加上一個「07:59:60」，它就是閏秒。

天文時，最自然的計時系統

要搞清楚閏秒，先得從曆法的歷史說起。曆法是在天文觀測中產生的。寒來暑往，日升日落，經過對自然節律漫長的觀察，古人逐漸認識到年、月、日等時間概念。

1年，即1個寒暑周期，也就是約等於地球繞太陽一周的時間。更準確地說，真正的寒暑周期是太陽在黃道上運行1周的時間，即為1個「回歸年」。月的概念則來自月亮的運行，月亮的圓缺周期就是「月」，或者叫「朔望月」。現行公曆中也借用了這個概念，雖然它不再反映月相變化。「日」的概念最為自然，因為日夜的周期性最明顯。我們取太陽兩次到達某個點的時間差為一日，定義為「太陽日」。至於比年月日更小的時間單位，則是在「日」的基礎上平分得到的。

有了年、月、日的概念，就可以構建曆法系統。根據細節的區別，歷史上曾經有過很多種曆法系統，但它們都是在天體運行基礎上建立起來的，所以這樣的曆法系統統稱為「天文歷」。

天文歷的優越性不言而喻，但它所確定的天文時標有一個巨大缺陷，那就是時間長度的不均勻性。比如，如果地球自轉速度發生了變化，那麼由此得出的時間長度也會發生變化。

而隨著科學技術的發展，對時間的精度要求越來越高，在很多精密科學中，失之「毫秒」，謬以千里。天文時的精度已經遠遠不能滿足現代社會的需要，於是，原子時便誕生了。

傳統的沙漏計時器，以及依靠太陽位置來測定時間的日晷，都是古老的計時裝置。圖/Wiki commons

原子時，精確而刻板的時標

科學家發現，原子內部的某些運動是非常穩定的，而且不受外界條件的影響，這給時間標準的再現和統一提供了方便。20世紀60年代，國際計量大會決定用「原子秒」取代原來的「天文秒」。

一般情況下，制訂曆法時先根據自然周期確定回歸年、朔望月、太陽日等計時單位的長度，然後再劃分秒長。比如，先測定1日的長度，再規定1日的86400分之1為1秒。但原子時與宏觀自然周期沒有本質的對應關係，它們的設置帶有隨意性和人為性。在制訂時是先定秒長，再按照「60秒1分鐘，60分鐘……」的原則推得年月日的長度。

如何確定「原子秒」的長度呢？大自然中的固有周期當然是最重要的參照。比如，在較長一段時間內，利用原子時所得到的1天要盡量接近用太陽時得到的1天。否則就會給生活帶來很多不便。

考慮到這一點，在1967年召開的第13屆國際度量大會上，人們確定了原子秒的長度：以銫-133原子基態的兩個超精細能級之間躍遷所對應輻射的9192631770個周期的持續時間為1秒。這個時間單位已經成為國際單位制中的基本單位之一。

既然秒長確定下來了，1天的時間也就確定了。無論地球自轉如何變化，每天都是86400秒。在這個意義上我們可以認為，原子時是以秒長為出發點的。

但無論如何，原子時已經失去了時間的原始意義，儘管它可以調整到比天文時更接近日月運行的真實周期，但這其實只是外在形式上的接近而已。不過，還是有很多人認為，雖然原子時不是原始意義上的時間，但既然它異常精確，在日常生活中使用又何妨呢？

「子夜太陽」奇觀？

主張在生活中使用原子時的人忽略了一個重要的事實，那就是，地球的自轉速度並不均勻，從長遠來看，這種不均勻並非時快時慢，而是越來越慢，所以誤差只會逐漸積累。

而原子時絲毫不顧及天地得變化，它精確而刻板，按照自己的固有速度一往無前。如果簡單地採用原子時，就會出現這樣的情況：太陽升到了上中天，時鐘卻敲響了子夜12點。當然，這需要很長時間的積累。科學家估計，要經過數千年，兩者相差才能達到12小時，才會出現「子夜太陽」的奇觀。這看起來似乎微不足道，但它對於現代社會來說，是一個無法忽略的誤差。

因此，天文時形象，原子時精確；天文時分日為秒，原子時積秒成日；天文時是詩人筆下的春雲秋月、北雁南飛，而原子時則是加速器中轉瞬即逝的幽靈；天文時宏大，以日月為載體，統攝世間萬物；原子時精深，隱身於玄奧幽邃的原子之中，使萬物諧調一致；柏拉圖會對天文時的誤差疑惑不解，柏格森則慨嘆，原子時使人類離真實的時間又遠了一步！

要現在人們使用的計時系統，其實就是天文時和原子時相調和的產物。圖/deviantart.com

閏秒，協調世界！

天文時和原子時各有特色，卻又都難以單獨承擔起為現代社會計時的重任。也許把兩者的優點結合起來，會有一種更好的計時方式。我們現在採用的，正是這樣一種計時系統——「協調世界時」。嚴格來講，協調世界時不是一種單獨的時標，而是原子時和天文時（世界時）相調和的產物。這個充當中介的「調解人」就是閏秒。

1972年，國際計量大會對世界時做了調整，方法是：當世界時與原子時之差將要超過0.9秒時，就在世界時的時序上加上1秒，這1秒稱為「（正）閏秒」。因此，閏秒就是讓原子停下腳步，等候太陽1秒鐘。也可以說是原子向太陽「看齊」——精確的時間向不精確的時間「看齊」！

具體什麼時候出現閏秒，由國際地球自轉和參考座標系統決定。一般規則是，如果本年度有閏秒出現，那麼它會出現於6月或12月最後一天的最後一分鐘（這裡說的是中時區的時刻）。正常的時序是「……23:59:59，00:00:00……」，有正閏秒時，要在兩者之間加一個「23:59:60」，而有負閏秒時，只需在正常時序中去掉23:59:59即可。

協調世界時，在宏觀上是天文時，在微觀上是原子時。我們鐘錶里的秒針以原子時的頻率跳動，卻必須時刻不離天文時左右。這樣協調的意義在於，兩種時標的差距始終不會超過1秒，避免了時刻與自然節律的明顯不一致。

曆法改進，閏秒存廢？

雖然閏秒有十分重要的意義，但並非所有人都支持它的存在。

地球自轉越來越慢，所以閏秒的出現越來越頻繁。自1972年以來，已經出現過24個閏秒，而且都是正閏秒。也就是說，在40年的時間裡，原子時比世界時快了24秒。閏秒的出現頻率顯然太高。

更為棘手的因素是地球自轉速度的不可預測性。假如地球自轉均勻變慢，那麼我們就可以像公曆的閏年那樣解決閏秒問題。但地球自轉速度的不均勻，使得閏秒的出現沒有規律。

對於普通人來說，閏秒無足輕重。但對於某些對時間要求較高的系統，如全球定位系統、金融交易系統和空中交通管制系統等來說，這1秒可能意味著誤差、損失甚至災難，成為新時代的「千年蟲」。

為了應對這種現象，除了提高系統的智能程度，科學家還提出一些針對時標的建議。比如不用閏秒而采「閏時」，這樣就能大大減小調整的頻率，只需幾百年或上千年調整一次。

但也有人堅持走精確路線，主張取消閏秒，同時連天文時也取消，而單純用原子時計時。目前國際上這種呼聲最高，包括計量、電信、無線電方面的國際組織，均支持這種做法。可以想像，幾年之後，輝煌過近半個世紀的閏秒可能會退出歷史的舞台。和它一起離開的，則是承載著人類童年之夢的天文時標。