閏秒之辨與地球旋轉(zhuǎn)?聽(tīng)聽(tīng)專(zhuān)家怎么說(shuō)
互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,每個(gè)人都是信息傳播者,但是我們必須清楚一點(diǎn):在沒(méi)有獲得真正證實(shí)的消息之前,千萬(wàn)不能隨意散播謠言,很容易造成以訛傳訛的局面。
地球自轉(zhuǎn)時(shí)間
科學(xué)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)從2020年的6月21日起,地球自轉(zhuǎn)一天的時(shí)間開(kāi)始減少,比24小時(shí)要少了1.11毫秒。其中,7月19日的減幅最大,比24小時(shí)少了1.46毫秒;到了年底,減少趨勢(shì)還在繼續(xù)。對(duì)此,來(lái)自各方的議論認(rèn)為,或許這種減少會(huì)不斷累計(jì)達(dá)到1秒左右。這代表地球越轉(zhuǎn)越快,日子越過(guò)越短。
真相解讀:
2020,歲在庚子;一場(chǎng)大疫,席卷全球。不好的年景,大家都不約而同地期盼著時(shí)間快點(diǎn)過(guò)去。也是巧了,科學(xué)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)從2020年的6月21日起,地球自轉(zhuǎn)一天的時(shí)間開(kāi)始減少,比24小時(shí)要少了1.11……毫秒。其中,7月19日的減幅最大,比24小時(shí)少了1.46毫秒;到了年底,減少趨勢(shì)還在繼續(xù)。對(duì)此,來(lái)自各方的議論認(rèn)為,或許這種減少會(huì)不斷累計(jì)達(dá)到1秒左右。
與過(guò)去半個(gè)多世紀(jì)多次調(diào)頻和27次增加1秒所展現(xiàn)的地球自轉(zhuǎn)變慢相比,這一次地球自轉(zhuǎn)的“提速”,似乎也有一點(diǎn)天隨人愿的意思,只不過(guò)這個(gè)提速的幅度非常小。(說(shuō)明:1967年至1972年,由于地球自轉(zhuǎn)變化造成的日長(zhǎng)變化通過(guò)調(diào)整UTC頻率方式實(shí)現(xiàn),1972年之后采用增加或減少整秒(正閏秒或負(fù)閏秒)方式進(jìn)行處理)。
那么地球自轉(zhuǎn)快慢跟時(shí)間的長(zhǎng)短有什么聯(lián)系?地球會(huì)不會(huì)越轉(zhuǎn)越快?日子會(huì)不會(huì)越過(guò)越短?萬(wàn)一地球自轉(zhuǎn)達(dá)到一定程度,會(huì)對(duì)我們的生活產(chǎn)生什么影響……一些早就存在的問(wèn)題,又迴繞在一些即便經(jīng)歷過(guò)風(fēng)雨疫情、仍然仰望星空的人們的腦海中。
圖蟲(chóng)創(chuàng)意
01
時(shí)間被定義的歷史
是始于并逐漸脫離天文觀測(cè)的過(guò)程
深究我們所說(shuō)的“時(shí)間”概念的含義,其實(shí)經(jīng)歷了形成、定義、演變的歷史。對(duì)于遠(yuǎn)古的人類(lèi)或者至今的動(dòng)物們,時(shí)間就是日出日落,地球怎么轉(zhuǎn)都是一天,也分不出快慢來(lái)。人類(lèi)文明出現(xiàn)之后,有了文字和概念,時(shí)間“定義”里最早的單位“天/日、day”,自然就以地球的自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ),而當(dāng)時(shí)還沒(méi)有其它時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷地球自轉(zhuǎn)的快慢。
隨著文明的發(fā)展,人們對(duì)一天進(jìn)行4、12、24、1440、86400種種等分,產(chǎn)生了時(shí)辰、小時(shí)、時(shí)刻、分、秒等概念,這些概念都是基于地球自轉(zhuǎn)形成的晝夜循環(huán),而一年也計(jì)數(shù)為整數(shù)的“天”,自然不會(huì)存在地球自轉(zhuǎn)也就是“天”與時(shí)間快慢的問(wèn)題。
圖蟲(chóng)創(chuàng)意
隨著科技文明的發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn)了其它重復(fù)性好的自然周期現(xiàn)象,掌握了越來(lái)越細(xì)密的計(jì)測(cè)技術(shù),通過(guò)例如單擺、天文觀測(cè)等,終于發(fā)現(xiàn)、發(fā)展形成了時(shí)間與恒星重復(fù)不完全一致的認(rèn)識(shí)。但在現(xiàn)代科學(xué)形成的相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi),時(shí)間定義的標(biāo)準(zhǔn)還是以天文觀測(cè)為基準(zhǔn)的,即以一“日”為基準(zhǔn),等分以后得到時(shí)、分、秒等單位。只不過(guò)對(duì)一“日”進(jìn)行了進(jìn)一步的抽象定義,這樣定義的時(shí)間系統(tǒng)稱(chēng)為“天文時(shí)(間)系統(tǒng)”。
在科學(xué)的天文時(shí)系統(tǒng)中,由于地球圍繞太陽(yáng)每天要移動(dòng)一個(gè)角度,所以地球上一點(diǎn)兩次看到太陽(yáng)的時(shí)間間隔與地球自轉(zhuǎn)一周的時(shí)間有一定的差別,故又嚴(yán)格地把地球上一點(diǎn)兩次看到太陽(yáng)的時(shí)間間隔稱(chēng)作一個(gè)“太陽(yáng)日”;因?yàn)榈厍蜃赞D(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)很多因素,每一個(gè)太陽(yáng)日的時(shí)長(zhǎng)都存在著微小差別,故把實(shí)際觀測(cè)到的一個(gè)太陽(yáng)日稱(chēng)為“真太陽(yáng)日”,長(zhǎng)期觀測(cè)真太陽(yáng)日時(shí)長(zhǎng)的平均值稱(chēng)為“平太陽(yáng)日”。把平太陽(yáng)日的1/24定義為“平太陽(yáng)時(shí)”,一個(gè)平太陽(yáng)時(shí)的1/3600定義為“平太陽(yáng)秒”。如此定義的時(shí)間,就基本擺脫了地球自轉(zhuǎn)快慢的影響。
圖蟲(chóng)創(chuàng)意
但隨著長(zhǎng)期的天文觀測(cè),這些“平太陽(yáng)”日、時(shí)、分、秒還是會(huì)有變化的。這些飄忽不定的細(xì)微變化,仍然不能給予我們判斷地球自轉(zhuǎn)快慢的標(biāo)準(zhǔn)。直到1958年,也就是國(guó)際地球物理年(International Geophysical Year)期間,國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)決定定義了“歷書(shū)時(shí)”,以1900年1月0日12時(shí)整太陽(yáng)回歸年(通俗地說(shuō)就是那一個(gè)固定的地球公轉(zhuǎn)形成的年份)的1/31,556,925.9747定義為1“歷書(shū)時(shí)秒”,把86400歷書(shū)時(shí)秒定義為“歷書(shū)時(shí)日”。這一次定義的時(shí)間就固定了下來(lái),不再隨地球、天體的運(yùn)動(dòng)、觀測(cè)變化,而判斷地球自轉(zhuǎn)快慢便也有了標(biāo)準(zhǔn)與基礎(chǔ)。
圖蟲(chóng)創(chuàng)意
歷書(shū)時(shí)的定義,從理論邏輯上確立了判斷地球自轉(zhuǎn)快慢的根據(jù),不過(guò)從實(shí)際操作上還是與天文觀測(cè)有所糾纏。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,特別是原子(核)物理科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人類(lèi)發(fā)現(xiàn)、掌握了越來(lái)越精確的原子核外電子躍遷輻射電磁波的穩(wěn)定周期規(guī)律性。1967年,第十三屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)定義了“原子時(shí)”:以銫原子Cs133基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)在海平面上零磁場(chǎng)下躍遷輻射震蕩9192631770周所持續(xù)的時(shí)間為1秒。這一新的定義徹底脫離了天文觀測(cè),時(shí)間的快慢與地球自轉(zhuǎn)的快慢從概念到實(shí)際測(cè)定都再無(wú)關(guān)系,為判斷地球自轉(zhuǎn)快慢提供了從物理邏輯、實(shí)際效果到直接感覺(jué),都客觀獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)。
02
地球的公轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)有彈性
因此存在閏秒與跳秒
有了歷書(shū)時(shí)、原子時(shí)這樣的固定時(shí)間間隔定義,我們就可以準(zhǔn)確客觀、胸有成竹地判別地球自轉(zhuǎn)的快慢了——即一天時(shí)間的長(zhǎng)短,當(dāng)然,也可以判斷地球公轉(zhuǎn)的快慢——即一年時(shí)間的長(zhǎng)短。
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不過(guò),從基本概念上說(shuō),“某一年的時(shí)間少了一秒”并不能直接等價(jià)于地球自轉(zhuǎn)變快了,因?yàn)檫@里有兩種可能,或者更準(zhǔn)確地說(shuō),是一種必然的可能——我們從歷書(shū)時(shí)和原子時(shí)的定義可以看到,它們對(duì)于秒的定義都沒(méi)有以保證與天文年的整數(shù)關(guān)系為基礎(chǔ),那么一年下來(lái),即便地球自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)都完全像原子物理中能級(jí)躍遷一樣穩(wěn)定準(zhǔn)確,由于每年只能取秒的整數(shù),正如地球公轉(zhuǎn)一周時(shí)間(年)不是自轉(zhuǎn)一周(日)的整數(shù)倍、數(shù)年累積下來(lái)必然形成“閏年、閏月”一樣,也必然產(chǎn)生更精細(xì)地“閏日、閏時(shí)……”。這也是中文“閏”字的含義。從這一原意和歷法道理來(lái)說(shuō),閏年、閏月只有增加“月”、“日”而沒(méi)有減少的,精細(xì)到“秒”也應(yīng)如此。
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當(dāng)然,地球公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)都并非嚴(yán)格穩(wěn)定不變的。在時(shí)間的長(zhǎng)河與宇宙的空間中,它受到各種內(nèi)部、外部因素的影響,跟原子核輻射比起來(lái),真就是有張有弛。而當(dāng)這些旋轉(zhuǎn)快慢積累到一定程度,為了使計(jì)時(shí)年的起始時(shí)刻與天文(觀測(cè))年的起始時(shí)刻相差不多于1秒,也必須在前述歷法與時(shí)間定義引起的閏秒之外另行再加減“秒”。這個(gè)計(jì)時(shí)操作在英語(yǔ)使用的單詞為“Leap”,意思是“跳躍”,計(jì)時(shí)科技中原本常將其譯為“跳秒”,應(yīng)該說(shuō)這個(gè)翻譯比較貼合原意。不過(guò)或許由于形成的概念更加傾向于跳過(guò)、減少一秒的情況,而且在英語(yǔ)里對(duì)應(yīng)閏年、閏月用的都是這個(gè)單詞,現(xiàn)在多將其譯稱(chēng)為“閏秒”。
閏秒或者跳秒一般都安排在季末進(jìn)行,優(yōu)先選擇年末(12月31日)或者年中(6月30日)月末結(jié)束時(shí)進(jìn)行。其中又分正閏秒/正跳秒與負(fù)閏秒/負(fù)跳秒兩種情況,如下圖所示。
通常情況下,前一日的23:59:59的結(jié)束時(shí)刻23:59:60即24:00:00就是次日的0:00:00;而在加閏秒/正跳秒過(guò)程中,月末的23:59:59結(jié)束時(shí)刻24:00:00并不是次月首日的開(kāi)始時(shí)刻,而是延續(xù)1秒至23:59:60之后才是24:00:00,即0:00:00,這才是新的一日開(kāi)始時(shí)刻;反之在減閏秒/負(fù)跳秒過(guò)程中,月末23:59:58結(jié)束時(shí)刻23:59:59就是次月首日的0:00:00,即缺少了23:59:59~60這1秒,即直接在23:59:58秒結(jié)束后變成0:00:00。
03
地球轉(zhuǎn)快或轉(zhuǎn)慢
都會(huì)在人類(lèi)計(jì)時(shí)工作中留下印記
秒定義脫離對(duì)地球自轉(zhuǎn)的依賴距今已經(jīng)有半個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間了。為了兼顧獨(dú)立穩(wěn)定的物理定義與實(shí)際生活生產(chǎn)活動(dòng),計(jì)時(shí)工作一直都包含原子時(shí)和天文/世界時(shí)。作為國(guó)際統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC),就是原子時(shí)和世界時(shí)結(jié)合的產(chǎn)物。
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這幾十年來(lái),國(guó)際計(jì)時(shí)機(jī)構(gòu)一共實(shí)行了二十多次閏秒操作,確保我們所使用的的時(shí)間與地球自轉(zhuǎn)速度相匹配,具體如下表。這二十多次皆為“正”閏秒操作,就是增加一秒??梢?jiàn)地球自轉(zhuǎn)這么多年的大趨勢(shì),總的來(lái)說(shuō)還是變慢的。至于本庚子年的突然變快會(huì)不會(huì)繼續(xù)下去、會(huì)不會(huì)造成“負(fù)”閏秒,還需要繼續(xù)進(jìn)行觀測(cè)。目前國(guó)際計(jì)時(shí)機(jī)構(gòu)表示2021年6月底之前還不會(huì)進(jìn)行閏秒操作,未來(lái)的地球自轉(zhuǎn)是變快還是變慢,我們只有耐心地拭目以待了。
(內(nèi)容整理自“科普中國(guó)”、“科學(xué)辟謠平臺(tái)”)看了這篇文章后大家心里的疑惑是不是迎刃而解了呢?希望對(duì)你們有幫助。
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