时间的奥秘

时间的奥秘

　　我们每天都在跟时间打交道，时间是一种看不见摸不着的事物。我们都知道，一天等于24小时，一小时等于60分钟，一分钟等于60秒。但是关于时间还有许多我们不了解的知识，时间在科学领域是一个非常奇特的概念，本期让我们一起去认识时间。

　　我们会在2026年“失去一秒”？

　　方婧

　　全球气候变暖已经成为备受瞩目的话题，它不仅严重影响全球各地的气候和生态，可能还在影响着我们感知不深的时间，悄悄“拨动”我们的时钟！

　　世界时与协调世界时

　　我们可以从时钟上知道现在的时间，那么时钟上的时间又是怎么得到的呢？正如长度可以测量一样，时间也是可以用来测量的，且像长度一样也需要有一个公共的标准尺度。这个标准尺度称为时间基准或时间频率基准。一般来说，任何一个能观测到的周期运动，只要能满足下列条件都可以作为时间基准：能做连续的周期性运动，且运动周期十分稳定；运动周期具有很好的复现性。

　　自然界中具有上述特征的运动有很多种，比如早期人们发现的太阳在空中的变化、月相变化和季节节气，后来的钟摆及石英晶体的振荡，以及地球自转周期和原子跃迁时发出的电磁波振荡信号等。

　　古人“日出而作，日落而息”，在日常生活中，人们已经习惯用太阳来确定时间，安排工作和休息。真太阳时就是以地球自转为基础，太阳中心为参考点的。太阳连续两次通过某地的子午圈的时间间隔称为一个真太阳日，以其为基础均匀分割后得到真太阳时系统中的“小时”“分”和“秒”。真太阳时在数值上等于太阳中心相对于本地子午圈的时角（太阳时角即从观测点天球子午圈沿天赤道量至太阳所在时圈的角距离。地球自转一周360度，对应的时间为24小时，即每小时相应的时角为15°），再加上12小时。

　　然而，实际上真太阳时的长度并不一致。这是由两方面的原因导致的，一方面地球围绕太阳的公转轨道为一椭圆，据开普勒行星运动第二定律，行星绕太阳公转时，它与太阳连线在相同时间内扫过的面积是相等的。这意味着，当地球靠近太阳（即在近日点时），它的实际速度（线速度和角速度）会更快，因为它需要在相同时间内扫过更大的距离来保持与太阳连线扫过的面积相等。相对地，在远日点（离太阳最远的点），地球的速度会减慢。因此，在一年的不同时间段内，真太阳时的长度不一致。

　　另一方面，地球公转是位于黄道平面的，而时角是在赤道平面量度的。因此，真太阳时不具备作为一个时间系统的基本条件。

　　为了弥补真太阳时不均匀的缺陷，人们便设想一个假太阳来代替真太阳，它和真太阳有两点不同：（1）周年视运动轨迹位于赤道平面而不是黄道平面；（2）它在赤道上的角速度是恒定的，等于真太阳的平均角速度，我们称这个假太阳为平太阳。格林尼治起始子午线处的平太阳时就称为世界时。

　　在1955年之前，由于受观测精度和计时工具的限制，地球的自转比任何现有的振荡器都更稳定，因此秒被定义为地球相对于太阳旋转一周所用时间的特定分数。

　　随着生产力的发展和科学技术水平的提高，人们逐渐发现地球自转的速度是不均匀的，且人们对时间和频率的准确度及稳定度的要求越来越高，以地球自转为基准的世界时已难以满足要求。

　　从20世纪50年代起，人们逐渐把目光集中到建立原子时上来，这是以物质内部原子运动为基础的。1967年10月，第十三届国际计量大会通过如下决议：位于海平面上的铯133原子基态两个超精细能级间在零磁场中跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间定义为原子时的1秒。

　　稳定性和复现性都很好的原子时能满足高精确度时间间隔测量的要求，因此被很多部门所采用。但有不少领域如天文导航、大地天文学、宇宙飞行器跟踪等又与地球自转有密切关系，离不开世界时。比如在地图制作中，需要考虑到地球的自转效应，世界时可用于精确计算经度，从而确保地图的准确性。由于原子时是一种均匀的时间系统，而地球自转却是不均匀的，所以原子时和世界时之间将会存在差异。

　　为同时兼顾各个领域的需求，国际无线电科学协会于20世纪60年代建立了协调世界时。协调世界时的秒长严格等于原子时的秒长，而协调世界时与世界时间的时刻差规定需要保持在0.9秒以内，否则将采取闰秒的方式进行调整。

　　什么是闰秒？

　　问题来了，什么是闰秒呢？我们对“闰秒”这个词可能会感到陌生，但是对“闰月”一定很熟悉。其实，和闰月的方式和目的类似，闰月是为了协调回归年和农历年的矛盾，闰秒则是为了让协调世界时与世界时的时刻差保持在0.9秒以内。增加1秒为正闰秒，减少1秒为负闰秒。在一般情况下，当我们打开手机计时发现此时正好是07:59:59（北京时间），那么下一秒将会是08:00:00，但是如果此时正在实施正闰秒的调整，将会显示07:59:60这一特殊的时刻。

　　由于全球变暖而“展开手臂”的地球

　　纵观，我们实施的闰秒大都是正闰秒，这是因为协调世界时的基准比较稳定，而地球自转存在不断变慢的趋势，导致世界时的秒长变得越来越长。在实施协调世界时的最初，几乎每年都需要正闰秒的调整，但在过去的23年中只有5次——闰秒的调整变慢了。美国加州大学学者阿格纽认为，这一变化的发生是由于地球整体的角动量守恒，地球液核角速度的变慢导致固体地球的自转角速度加快，一天的长度回到了19世纪的值。因此，闰秒发生的频率越来越低。如果照这一趋势发展下去，世界时的秒长将会变得比协调世界时的秒长短，我们将会在2026年首次实施负闰秒的调整。

　　但是美国加利福尼亚大学圣迭戈分校斯克里普斯海洋研究所的地球物理学家邓肯·阿格纽发表于英国《自然》杂志上的一篇研究论文表明，由于全球变暖，格陵兰岛和南极洲冰融化加快，部分地球质量会向赤道附近转移，地球会变得越来越“扁平”，固体地球的惯性矩增大，由于角动量守恒，固体地球的角速度会减小。地球就像在冰上的舞者一样，舞者通过展开手臂增大惯性矩达到减小角速度的效果，通过将手臂收回减小惯性矩以达到增大角速度的效果。由于这一影响，又会使地球自转的角速度减慢，可能会使负闰秒的调整推迟至2029年。而且该文章预测，如果冰川融化速度是当前速度的100倍，将不会发生负闰秒，甚至会在2040年进行正闰秒的调整。

　　全球变暖对计时的影响

　　虽然1秒的时间对于我们的日常生活来说几乎没有感觉，但是一些金融贸易等领域的计算系统需要精确到千分之一秒，在这些领域就会造成很大影响了。而且不同的网络服务目前处理闰秒的方式不同。虽然现在许多系统都有软件可以接受额外的一秒，但很少有软件允许删除一秒，因此负闰秒会带来一些计时的问题。

　　由于闰秒的不可预测性给庞大的全球基础设施的同步带来诸多不便，2022年第27届国际计量大会决定，最迟不晚于2035年废除闰秒，并要求各方协商提出一个可以将协调世界时持续至少百年的新方案，解决这个问题的一个可能方法是让世界时和协调世界时之间的差异增加到一分钟。

　　相信大家读到这里已经明白了为何全球变暖还会影响我们的计时。虽然最迟在2035年将取消闰秒修正，但在取消之前，我们可能会经历第一次也可能是最后一次负闰秒。到那时，我们可以打开手机上的时钟，亲眼见证一下历史性的一幕！（作者单位：中国科学院国家授时中心）

　　延伸阅读

　　384天！蛇年为啥“闰六月”

　　“闰六月”罕见吗？

　　农历乙巳蛇年是个闰年，被安置了一个“闰六月”，全年384天。对此，很多人不解，为什么会有“闰六月”？中国天文学会会员、天津市天文学会理事杨婧给出了答案：我国现行采用公历和农历两种历法，公历遵循太阳周年视运动，它是以一个太阳回归年作为一年，分为12个月（月份数有31天、30天、29天、28天四种，均是人为规定），全年365天或366天；农历是以月相盈亏兼顾太阳周年视运动两个自然周期为依据制定的，一年12个月，全年354天或355天。一个公历年和一个农历年相差11天左右。“经年累月”下去就会发生农历年的月份与季节不能对应、寒暑颠倒的现象。

　　为使农历年与公历年能基本对应，农历采取置闰的方法来调节，也就是在19年中安排7个闰月，置闰的规则不是随机的，而是根据二十四节气来确定。二十四节气是将地球绕太阳运行的轨道即黄道，以15度为间隔等分为24份，又分为12个节气和12个中气，二者相间排列。农历历法规定，每个农历月都有一个中气，如果某个月中不包含中气，就算作上一个月的闰月。

　　蛇年“两头春”？

　　蛇年出现“两头春”现象，也就是一年中会出现两个立春节气。为啥会出现“两头春”？

　　“两头春”是中国农历历法中闰年时出现的现象。二十四节气是中国人认知一年中时令、气候、物候等方面的变化规律所形成的知识体系和社会实践，是中国古代文明的独特创造。二十四节气将太阳周年运动轨迹划分为24等份，以春分点为零点，太阳每运行15度为一个节气；运行一周又回到春分点，为一个回归年，共360度。

　　公历每月都有两个节气，上半年分别在每月的6日和21日左右交节，下半年则在每月的8日和23日左右交节，上下差不了一两天。以立春为例，绝大多数年份为2月4日，个别年份为2月3日或2月5日。因此在公历中，不论是平年365天还是闰年366天，每年都会出现一次立春节气，24个节气也都只出现一次。

　　农历闰年是384天或385天，多于公历一年的天数，就可能会出现农历闰年一年中有25个节气，年初一个立春节气，年尾一个立春节气。乙巳蛇年就属于这种情况，这一年为闰年，全年共有384天，起于2025年1月29日，止于2026年2月16日，包含了两个立春节气，即乙巳年的正月初六立春（2025年2月3日）和同年腊月十七立春（2026年2月4日）。

　　相对于“两头春”，还有“两头无春”和“单春”，即在农历的一年中没有立春节气或只有一个立春节气。据了解，“两头春”并不罕见，反而很常见，平均2年至3年就会出现一次。统计显示，在本世纪的100年中，“两头春”的年份有37次，“两头无春”的年份有37次，“单春”的年份有26次。这么来看，“两头春”和“两头无春”是再正常不过的历法现象。一年“两头春”，春暖一整年。