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2017年1月1日稱得上是個(gè)具有特殊意義的新年。對于采用東八區(qū)作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的中國，我們迎來了“7:59:60”的奇妙現(xiàn)象。這“滴答”聲中多出的一秒，就是閏秒。截至目前，全球已實(shí)施過27次閏秒，在漫長歲月流轉(zhuǎn)中，這些憑空增長（或減少）的“額外時(shí)間”到底有何實(shí)際意義？

01 “閏秒”是怎么產(chǎn)生的？

目前科學(xué)上有兩種時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)：基于地球自轉(zhuǎn)的天文測量而得出的“世界時(shí)”和以原子振蕩周期確定的“原子時(shí)”。簡單來說，閏秒是協(xié)調(diào)世界時(shí)與原子時(shí)之間差異的人為產(chǎn)物。

世界時(shí)是以地球自轉(zhuǎn)為基準(zhǔn)得到的時(shí)間尺度。人們?yōu)榱藴y定地球自轉(zhuǎn)，在天球上選取了兩個(gè)基本參考點(diǎn)，分別是春分點(diǎn)和平太陽位置，以此確定的時(shí)間分別稱為恒星時(shí)和平太陽時(shí)。

恒星時(shí)雖然與地球自轉(zhuǎn)角度對應(yīng)，符合以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，但因不便觀測不能滿足日常生活和應(yīng)用需要。人們習(xí)慣上看太陽東升西落確定時(shí)間，但地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道是橢圓形，所以真太陽周日視運(yùn)動(dòng)速度不均勻。為了得到以真太陽周日視運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)而又克服其不均勻性的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)，人們引入假想?yún)⒖键c(diǎn)---平太陽。它在天赤道上做勻速運(yùn)動(dòng)，其速度與真太陽的平均速度一致。以平太陽日子夜作為0時(shí)開始的格林尼治平太陽時(shí)，稱為世界時(shí)（Universal Time,UT）。

由于地球是球體，世界各地人們看到日出或正午太陽的時(shí)間并不相同。以觀測者所在地子午線為基準(zhǔn)測出的時(shí)間稱為地方平太陽時(shí)，同一時(shí)刻（瞬間），地球上不同經(jīng)度觀測者測出的地方平太陽時(shí)不同。導(dǎo)致各地時(shí)間沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，為了使用方便，19世紀(jì)中葉，歐美一些國家開始采用全國統(tǒng)一的時(shí)間，多以本國首都或重要商埠的子午線為標(biāo)準(zhǔn)。但隨著鐵路長途運(yùn)輸和遠(yuǎn)洋航海的發(fā)展，人們活動(dòng)范圍大大擴(kuò)張，國際交往時(shí)采用各自地方時(shí)間依然存在混亂。19世紀(jì)70年代，有人提出了全世界統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)劃分時(shí)區(qū)的建議，實(shí)行分區(qū)計(jì)時(shí)。1884年10月13日在華盛頓召開的國際子午線會(huì)議決定，以經(jīng)過英國倫敦東南格林尼治的經(jīng)線為本初子午線作為世界標(biāo)準(zhǔn)“時(shí)區(qū)”的起點(diǎn)，稱為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)。世界時(shí)區(qū)的劃分既是科學(xué)研究的需求，更是世界經(jīng)濟(jì)與政治發(fā)展的需求。

20世紀(jì)60年代以前，世界時(shí)作為基本時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)被廣泛使用，在這一計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)下的“1天”和“1秒”有著嚴(yán)格的換算標(biāo)準(zhǔn)：1平太陽日等于24平太陽時(shí)，等于86400平太陽秒。

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，人們對時(shí)間的測量精度越來越高，科學(xué)家一直在探索新的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)，以原子振蕩周期確定的原子時(shí)應(yīng)運(yùn)而生。

1967年10月，在印度新德里召開的第十三屆國際計(jì)量大會(huì)正式把由銫原子鐘確定的原子時(shí)定義為國際時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。新秒長規(guī)定為：位于海平面上的銫133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間在零磁場中躍遷振蕩9192631770個(gè)周期所持續(xù)的時(shí)間為一個(gè)原子時(shí)秒，更大的時(shí)間單位由秒累加得到。有了秒長定義后，將分布全球各國符合秒長定義的多臺(tái)原子鐘聯(lián)合，產(chǎn)生了國際原子時(shí)（TAI）。

原子時(shí)由原子鐘生成，秒長十分穩(wěn)定，能夠滿足對時(shí)間間隔均勻性要求很高的場合，但它的時(shí)刻沒有具體的物理內(nèi)涵。世界時(shí)的時(shí)刻對應(yīng)于太陽在天空中的特定位置，反映地球在空間旋轉(zhuǎn)時(shí)地軸方位的變化。不僅與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)，而且在大地測量、天文導(dǎo)航和宇宙飛行體的跟蹤測量等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。但由于地球自轉(zhuǎn)速率并非十分均勻，世界時(shí)的秒長會(huì)有微小的變化，每天的快慢差值可以達(dá)到千分之幾秒。

為了解決這一矛盾，國際上決定采用一種“協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）”制度來進(jìn)行協(xié)調(diào)。每當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)變化引起的時(shí)間誤差積累到與原子鐘接近一秒時(shí)，就要人為地把時(shí)鐘增加或減少一秒，從而使UTC與世界時(shí)重新協(xié)調(diào)一致。

協(xié)調(diào)世界時(shí)的秒長采用原子時(shí)，時(shí)刻與世界時(shí)的偏差保持在±0.9秒之內(nèi)，當(dāng)超過0.9秒時(shí)，對協(xié)調(diào)世界時(shí)實(shí)施1秒的調(diào)整，這一秒的調(diào)整稱為閏秒。

02 閏秒對我上班打卡有啥影響？

閏秒的實(shí)施與地球自轉(zhuǎn)周期關(guān)聯(lián)，地球自轉(zhuǎn)變慢，則可能發(fā)生正閏秒，變快則可能發(fā)生負(fù)閏秒。實(shí)施正閏秒時(shí)，將出現(xiàn)23：59：60，負(fù)閏秒時(shí)23：59：58的下一秒為0：0：0，即跳過23：59：59這一秒。

由于潮汐和地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)導(dǎo)致目前地球自轉(zhuǎn)趨勢是越來越慢，相當(dāng)于世界時(shí)秒長比原子時(shí)秒長更長了，所以目前已實(shí)施的27次閏秒都是正閏秒。因此如果當(dāng)正閏秒發(fā)生時(shí)，準(zhǔn)時(shí)打卡，將顯示提前一秒到公司，若負(fù)閏秒發(fā)生時(shí)，將顯示遲到一秒。

可能大家會(huì)好奇，閏秒發(fā)生時(shí)，自己的手表指針為什么沒有看到任何變化呢？

原因與我們手表的計(jì)時(shí)原理有關(guān)。大多數(shù)人使用的手表都屬于電子手表、石英手表或機(jī)械手表類，計(jì)時(shí)原理是通過手表內(nèi)置振蕩器產(chǎn)生均勻的秒長，然后積累秒長實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)，手表出廠時(shí)已經(jīng)被工人將手表的起始時(shí)間與國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間在時(shí)刻上對齊，人們使用一段時(shí)間后，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)手表與國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間有數(shù)秒甚至幾分鐘的偏差，這是因?yàn)槭直砝锏恼袷幤髦芷诓粔驕?zhǔn)確導(dǎo)致，重新調(diào)整對齊時(shí)刻即可。因此普通手表的時(shí)刻是人為調(diào)整對齊的，如果閏秒發(fā)生時(shí)，沒有人為進(jìn)行時(shí)刻對齊操作，那么手表指針將不會(huì)有任何變化，因振蕩器周期不夠準(zhǔn)確，即使閏秒發(fā)生時(shí)不調(diào)整，1秒的閏秒可能淹沒在誤差中而難以被人發(fā)覺。還有一種手表是能實(shí)時(shí)或定期接收無線電信號(hào)的電波手表，將自動(dòng)通過無線電波與國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間對齊，當(dāng)閏秒發(fā)生時(shí)，將出現(xiàn)跳秒。

03 誰在需要越來越準(zhǔn)的鐘？

隨著人們活動(dòng)范圍的增加，對導(dǎo)航的需求越來越多、精度越來越高，無人駕駛汽車甚至需要能精確定位到米以內(nèi)，從早期的方向判斷到現(xiàn)在的全球衛(wèi)星導(dǎo)航都高度依賴于更加精確的時(shí)間。在通信方面，時(shí)間同步是通信系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，時(shí)間同步網(wǎng)的同步性能是影響高帶寬、低時(shí)延通信的關(guān)鍵保障，也需要高精度的原子鐘和時(shí)間同步技術(shù)作為支撐。

此外，超精密的原子鐘可以幫助科學(xué)家們探測暗物質(zhì)、測量引力波，并以前所未有的精度確定地球重力場的確切形狀。

隨著原子鐘技術(shù)的發(fā)展，作為秒長定義的銫原子鐘的頻率準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度性能已經(jīng)落后于微波鐘、光鐘等一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)，制約了更穩(wěn)定秒長的獲得。秒長定義更新的呼聲日益強(qiáng)烈，光鐘很有可能成為秒長定義的“后浪”取代銫原子鐘。針對秒長定義是使用某種元素的光鐘還是多類型組合的討論尚未有結(jié)論，為此我國提前布局了多類型光鐘的研究，包括如鐿原子光晶格鐘、鈣離子光鐘、鍶原子光晶格鐘、鋁離子光鐘、鐿離子光鐘、汞原子光晶格鐘、汞離子光鐘等。

10月31日，搭載空間站夢天實(shí)驗(yàn)艙的長征五號(hào)B遙四運(yùn)載火箭，在我國文昌航天發(fā)射場點(diǎn)火發(fā)射。夢天艙載有世界上第一套由冷原子鍶光鐘等組成的空間冷原子鐘。

圖片來源：新華社（郭中正 攝）

目前，我國的光鐘研究在多領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平，還是世界首個(gè)將光鐘搬上太空的國家，中國空間站上運(yùn)行著世界上首臺(tái)鍶原子光鐘。目前在建全球最長里程、最高精度的光纖時(shí)頻傳遞網(wǎng)絡(luò)也將在基于光頻躍遷的秒重新定義中做出中國貢獻(xiàn)。

專家：劉婭 中國科學(xué)院國家授時(shí)中心 研究員

出品：科普中國

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