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0 0 1344 2015-7-1 21:36 | 显示全部楼层

  新闻背景

  大多数人都不会注意到,你今天的生命将增加额外的1秒钟。

  国际地球自转学会今年1月宣布:由于地球自转放缓的原因,2015年将迎来史上第26次“闰秒”,时间在世界时(格林尼治时间)6月30日午夜,届时原子钟将会在23时59分59秒后增加1秒钟。而北京时间属于东八时区,因此将在7月1日7时59分59秒后增加1秒钟。

  为什么我们今天要额外地多过1秒钟?要回答这个问题,首先要从时间的计量方法说起。

  “日”是最自然的时间单位

  人类最早认识的时间单位不是“年”,也不是“月”,而是周期性更加明显的“日”。

  太阳每天从东边升起,从西边落下,这是最明显不过的时间单位了!因此,关于“日”的时间概念,古人们很早就形成了。

  然而,“日”这个时间单位还是太大了点,要用来反映人们一天中的具体活动仍很不方便,后来的人们就对“日”进行了分割,形成了时、分、秒等更小一些的时间计量单位。

  这种分割可以有各种不同的形式,比如我国古代就把一天分为12个时辰。而现代的通行做法是,把一天等分为24小时,1小时等分为60分钟,1分钟再等分为60秒。

  这样你就看出来了,这里的时间计量,是以地球的自转周期作为最基本的时间计量依据的,而这也是人们对于时间最直观、最自然的体验。

  在天文学上,这种以地球自转为基准的时间计量系统称为平太阳时,并为世界各国所采用。在同一时刻,地球上不同地理经度地方的平太阳时是不一样的,大家就约定英国格林尼治天文台旧址的地方平太阳时为世界时。在世界时系统中,1秒的定义是日长的1/86400。


  地球自转这台钟并不准

  以地球自转为基准来计量时间,首先要有一个前提,就是地球的自转必须是十分均匀的,相当于一台质量非常好的时钟。

  然而,进入20世纪以来,随着技术的进步和观测精度的提高,人们发现并确认,地球自转速率是不均匀的,由此造成每一天的长度并非恒定不变。

  虽然这种变化十分微小,但是长期积累下来,结果也是十分惊人的。

  1963年,古生物学家威尔斯在研究大量的各地质时代的珊瑚化石时发现,生长在海洋中的珊瑚对光照十分敏感,由于地球上昼夜交替,因而很自然地在珊瑚身上留下“天”的痕迹——环纹;又由于地球上有春夏秋冬的周期变化,便形成了珊瑚身上的生命带——“年轮”。现代珊瑚在每个年轮上有365或366道环纹,而泥盆纪的珊瑚化石每个年轮生长带有400道左右的环纹,而在石炭纪的珊瑚化石上却有395道这样的环纹,这说明这两个地质时代一年的天数分别为400和395天。

  威尔斯的这一发现和天文学家的理论计算完全相符,充分说明了地球自转变慢的客观规律。

  现在的科学家们已经认识到,地球自转速率的具体变化情况非常复杂,大体上又可包含3种成分:长期变慢、周期变化和不规则变化。

  用“年”代替“日”好吗?

  既然日长并非始终保持不变,那么世界时以日为单位定义的秒长显然就不够严格了。

  为此,1958年国际天文学联合会决定,从1960年起采用历书时来取代世界时。所谓历书时是以地球公转运动周期(回归年)为基准的时间系统,定义回归年长度的1/31556925.9747为1秒,称为历书秒,而86400历书秒为1天。

  在这个定义中,时间的基本测量单位从“日”变成了“年”,也就是说,从地球的自转周期变成了地球围绕太阳的公转周期。从精确性上说,是好一些了,但它的测量仍然还是要依靠地球这个大钟的运动,精确性仍然不够。


  原子时让时间摆脱天文观测

  很快,1967年国际计量委员会进一步决定,以更为均匀的原子时来代替历书时。在原子时系统中,1秒的长度定义为一种特定的铯原子跃迁所产生的电磁波辐射振荡周期的9192361770倍,称为国际单位制秒。

  这样一来,对时间的定义第一次摆脱了天文测量,变得更加精确了。

  但是,新的问题也由此而产生。尽管原子时系统中一天的长度,要比世界时系统中一天的长度更为恒定,但公众的生活和工作节奏却必须纳入世界时系统,原因在于决定昼夜变化规律的是世界时,而不是原子时,人们的生活习惯是日出而作,日落而息,而不是跟着什么原子振荡走。

  由于地球自转速率会有变化并长期变慢,这两种时间系统中的时刻并不严格同步。事实上,从1958年“原子时”诞生至今,两个计时系统之间已累计差了30多秒,也就是说地球自转慢了半分多钟。按照这个累积速度来看,大约几千年以后,人类使用的原子时间将与自然时间有将近1小时的“时差”,届时将可看到太阳的东升西落推迟一个小时的景观。而再过若干年,可能原子时显示的时间已是深夜,而实际上仍然是太阳高照,这当然会给人们的生活带来很大的不便。

  协调世界时引入“闰秒”概念

  为了解决这个问题,1972年国际计量大会决定:当世界时与原子时之间的时刻差超过±0.9秒时,就在世界时的时序上加上或减去1秒,称为“闰秒”。闰秒设置在规定日期的最后1秒之后。闰秒的设置时间一般规定在格林尼治时间6月30日或12月31日。

  这样经过调整后的世界时就称为协调世界时,现在世界上通用的就是这种协调世界时,简称世界时。

  据中国科学院上海天文台研究员赵君亮介绍,算上今天的这一次调整,自从1972年以来,协调世界时已添加了26次闰秒,并且全部是正闰秒。而从历次调整的情况看,地球自转速率长期减慢的特征,在近些年表现得相对不明显。比如在1983年以前,几乎每年都要增加一个闰秒,而1999年至2005年,连续7年才增加了一个闰秒。而近几年也是基本时隔三四年才增加一个闰秒。由此可见,地球自转速率的实际变化规律颇为复杂,存在不可预知的特性,闰秒的添置必须视具体情况而定。


  延伸阅读

  闰秒废存之争

  中国科学院上海天文台研究员赵君亮介绍说,世界时取决于地球自转,本质上是一种天文时,尽管以现代的观点来看世界时系统不够均匀,但与人类社会的运作节奏密切相关。原子时是一种物理时,原子时系统比世界时系统更为均匀,但从理论上说它与人类的生活、工作并无必然联系。因此,就实用上看,与其说闰秒的设置是为了及时补偿世界时的不均匀性,不如说是要使物理时尽可能向天文时靠拢。

  事实上,近些年有关闰秒废存之争始终没有停止。一些学者明确提出应该废除闰秒的概念,直接采用更为精确的原子时以取代世界时,从而避免全世界为这短短的1秒而兴师动众。须知,闰秒调整时若稍有差错,可能会给尖端技术带来难以控制甚至是具有破坏性的影响。

  为了不致有朝一日可能出现诸如昼夜颠倒或晨昏错位的现象,有人提议必要时在遥远的未来可通过设置闰时来加以解决,这也许是几千年以后需做的事。毕竟钟面原子时与现实天象之间相差1小时对人类社会不致会有太大的影响,而每隔若干年就需添加或扣除闰秒的世界性麻烦也就不复存在了。

  坚持设置闰秒的同样大有人在,并提出了若干颇能站得住脚的理由,其中最主要的乃是闰秒的插入能及时调整钟面时与天象之间的差异。不仅如此,以往每次添加闰秒尽管是全球性事件,但事实上从未引起人们所担心可能发生的混乱或重大事故,因而无需对之做出改变。





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