巴马腕表批发销售联盟

6月30日,全世界钟表将拨慢一秒钟!

科学公园2019-07-12 07:43:46
6月30日全世界钟表
将拨慢一秒钟


飞蠓
软件工程师,业余天文爱好者,科学史爱好者

1月12日,许多中文媒体刊发了这条源自中国科学院国家授时中心的新闻,还有媒体发出了这样的感叹:“‘要是时间能停下来那就好了,哪怕只有一秒钟。’以往在动画中出现的桥段即将发生在现实中”。时间真的会停下吗?钟表拨慢1秒钟是怎么回事?这一秒钟去哪儿了……

要回答这些问题,就要先从时间的定义说起。

人人都能感受到时间的存在,然而时间究竟是什么,却没有人能够给出准确的说明。不过我们可以从测量的角度来准确定义时间。先秦古诗《击壤歌》中有这么一句:“日出而作,日落而息”,生动地传达了古人的时间观念:从日出到日落是干活的时间。慢慢地,人类形成了关于时间的第一个概念:日(day)。这是太阳两次跃出地平线或者两次落下地平线的时间间隔。我们知道,太阳东升西落是地球自转的反映,所以1日实际上是地球自转1周所花费的时间,而地球也就成了一个天然的计时器。

只有“日”这个时间单位是远远不够用的。因为不够大,所以人类又创造了“周”、“旬”、“月”、“季”、“年”、“世纪”等由不同天数累积起来的长计时单位;又由于不够小,又将“日”人为划分为了“时”、“刻”、“分”等短计时单位。中国古代本来是把1天划分成10“时”的,到了汉武帝颁行太初历的时候,才开始采用每天12“时”的划法。此外,由于使用漏刻这种计时工具,又产生了将1天划为100刻(或96刻)的做法。“时”与“刻”配合使用,才有了古装剧和旧书中的“午时三刻”、“酉时二刻”等形式的时间表述。近代以后,西方计时单位传入我国,hour这个单位被翻译为“小时”,而传统的“时”则被称为“时辰”或“大时”。

漏刻示意图

伴随着日常计时工具的发展,“刻”或者“分”用来描述时间已经不够精确,“秒”这个单位就应运而生了。首先,我们把太阳两次通过头顶(天文术语叫“太阳上中天”)的时间长度定义为1日,即天文学上的“太阳日”(如果用太阳以外其他恒星“上中天”的时间来定义,叫做恒星日,恒星日比太阳日要短,是地球真实的自转周期)。然后把1日划分为24小时,每小时划分为60分,每分划为60秒。这样,1日的时间长度就可以等分为86,400秒,这就是“秒”最早的定义。如果一个计时器滴答滴答走完86,400秒的时候地球恰好自转了1圈,那么这个计时器的走时就是准确的,我们就可以依据这个计时器的指示来获取准确的时分秒了。

然而,地球在自转的同时又在椭圆轨道上斜着身子绕太阳公转,这就导致太阳两次上中天的时间长度“真太阳日”并不恒定。经过测量,同一年中不同的日子里,真太阳日最多能相差到好几十秒,这就意味着用真太阳日来校准人造时钟是不可靠的。为此,人们采用了把真太阳日的时间长度平均划分的办法来消除这种不恒定。所以,我们日常用到的秒,其时间长度是一个“平太阳日”(1年中真太阳日的平均值叫做平太阳日,其1/24叫1平太阳时)的1/86,400。地球上所有的人造钟表都要直接或者间接地同地球的自转运动“对表”,它们计数86,400秒的长度必须严格等于“平太阳日”的长度。这就产生了基于平太阳日的时间系统,我们称之为“世界时”;英文叫Universal Time,缩写为UT,也是日常所说的“格林尼治时间”。

不过地球的自转情况实在是太复杂了,例如,已知地球的自转轴指向是时时变化的,而月球对地球的引力也会导致地球自转轴出现有规律的变化;此外,季节性的空气流动和海水流动会导致地球的重心发生改变……这些都会反映到地球的自转速度上来,使得平太阳日也不再那么可靠,怎么办呢?

办法有两种。一种是继续沿用天文观测的办法,只不过改用地球公转的时间长度来定义秒。长时间的天文测量发现,地球的公转速度虽然不均匀,但公转周期却是非常稳定的,完全可以通过等分地球公转周期来获得精确的秒长。1952年,天文学家制定了以地球绕太阳公转周期为基础的新的时间系统,这个时间系统称作“历书时”;英文叫Ephemeris Time,缩写为ET。历书时从1960年开始启用,到1984年就废弃了。

另一个办法就是使用新的时钟——原子钟。

我们已经知道,秒这样的计时单位是人为划定的,既可以用地球自转周期等分为86,400份来定义,也可以用地球公转周期等分为31,556,925.9747份来定义;那么,我们可不可以用其他周期等分或累积来定义秒长?答案当然是肯定的。例如,我们就可以用摆钟来定义秒长,或者用摆轮游丝驱动的表来定义秒长。但我们需要长期稳定可靠、精度高的计时器来作为时间系统的基准,上面所说的这些机械钟表,其走时误差要远远大于地球自转或公转的不均匀性,远远满足不了需求。即便是利用电的振荡现象制作的电子表或石英表,其精度也达不到建立时间基准的要求。

随着物理学的发展和技术的进步,人们发现原子核外电子在跃迁时释放或吸收的光子的频率非常恒定,能够用来控制和校准晶体振荡器,进而得到稳定频率的时间脉冲信号。1949年,美国国家标准局(NBS)(现称美国国家标准技术协会,简称NIST)首先制造了一台氨分子钟;1955年,英国国家物理实验室(NPL)成功制造了第一台铯原子钟。通过对原子钟特别是铯原子钟的研究,科学家发现它的精度非常高,稳定性也非常好,完全可以据此建立时间基准。于是,1967年第13届世界度量衡会议正式决议,以原子时的秒作为基本计时单位,规定铯133原子在基态的两个超精细能级之间零磁场跃迁时所对应的辐射频率的9,192,631,770个周期持续的时间为1秒的长度,以1958年1月1日世界时的0时为原子时的时刻起点。从此,人类正式抛弃了天文秒而改用原子秒,所有的人造时钟都要跟小小的原子而不是庞大的地球来“对表”了。

1972年上海天文台研制的中国第一台氢原子钟样机

原子时的优点是准确,缺点是过于准确。因为有了原子秒之后,一个平太阳日就不再是准确的86,400秒了,而会有微小的偏差;这样的微小偏差不仅反映了地球自转运动的不均匀性,并且随着时间的推移,偏差会累积起来。因为长期来看,地球的自转速度是逐渐变慢的。更重要的是,我们的日常生活以及很多重要的工业部门都是按照世界时——也就是根据平太阳日——来安排活动和日程的。换句话说,我们的生活和工作一直依赖于不太准确的地球时钟,而这个不准的时钟和极其准确的原子时钟发生了矛盾。

不过,人类不是第一次遇到这种棘手的问题了。众所周知,地球公转一圈(回归年)是365.2422天,这并不是整数;而历法只能按整天来安排:要么365天,要么366天。这样一来,历法中1年的长度就和实际的“年”的长度发生了矛盾。然而我们可以让某些年有366天而其余年为365天,平均下来,1年的天数就比较接近地球公转周期了。例如,可以在4年中规定某一年为366天,这样4年的总天数为1,461天,平均下来每年为365.25日,与实际的回归年相差只有0.0078日。长度为366天的那年我们通常称闰年,闰年增加的那一天,我们称之为闰日,闰日所在的二月叫做闰月。现行的格里历通过复杂的置闰规则,在400年内安排97个闰年,使每年的平均长度为365.2425日,与回归年长度已经非常接近了。

所以,人们自然就想到了用闰秒来解决平太阳日与原子秒之间的矛盾。办法和历法中的闰年制度类似:通过让某一天的长度为86,401秒或86,399秒,最终使1平太阳日的平均长度接近86,400原子秒。人为加或减的的那一秒就是“闰秒”(leap second)。1972年,全世界正式通过引入闰秒制度而使世界时和原子时达到时间的大和谐。这种由国际电信联盟提出的新计时系统叫做“协调世界时”,英文叫Coordinated Universal Time。本来可以缩写成CUT,但法国人不干,非要用法语缩写成TUC,最后本着协调精神,缩写成了UTC。

接下来的问题是,如何设置闰秒?

由于地球自转运动的不稳定性是不可预测的,所以无法像闰日制度一样设置规律的闰秒,只能根据地球自转的实际情况“临时”决定是否设置闰秒。首先,要通过观测确定平太阳时。各个负责授时的天文台一直在做这个工作,它们的观测数据数据汇总起来,经过复杂的校正,最后可以计算出世界时。

下图是近几十年不同年份的平太阳日的长度与86400秒的偏差图,来源于国际地球自转服务组织(IERS),从图中可以看出这个偏差的变化是复杂的不可预测的。

当IERS通过计算,发现世界时与原子时的偏差的累积值将要超过±1秒的时候,它会在每年的1月或7月发布通告,决定在当年的6月或12月的最后一天的最后一分钟减少或增加1秒。根据中国科学院国家授时中心1月12日发布的“2015年闰秒公告”,今年的闰秒实施前后的时间标记为:

UTC时间

2015 年6月30日,23时 59分 59秒

2015 年6月30日,23时 59分 60秒

2015 年7月 1日, 0时 0分 0秒

北京时间

2015 年7月1日,7时 59分 59秒

2015 年7月1日,7时 59分 60秒

2015 年7月1日,8时 0分 0秒

其中的7时 59分 60秒就是闰秒。

闰秒制度的引入解决了世界时和原子时的协调问题,但也带来了一些不容忽视的问题,最主要的就是闰秒嵌入的偶然性对某些计时装置造成了麻烦。例如日本就报告过其时间标记系统曾经崩溃了3次,而每次都是因为这个闰秒,所以一直有人呼吁在UTC中废除闰秒。但兹事体大,该问题目前还在热烈讨论之中,预计2015年会作出决定。

有兴趣的读者可以点击最下方“阅读原文”查看更多相关信息
↓↓↓
关注微信号
或长按下方
二维码关注
我们,收看
今日内容。
嗨好孕
《梅奥诊所健康孕育指南——怀孕第四月》



Copyright © 巴马腕表批发销售联盟@2017