２００８年為何多出一秒

孫正凡

如果聚會(huì)時(shí)你出題考考朋友：一天有多少個(gè)小時(shí)?很多人會(huì)不假思索地回答，當(dāng)然是24小時(shí)。不過更精確的回答是：“眼下，我們的地球平均每天是24，0000003小時(shí)，并且每天略有變化。”或許你會(huì)說，這又有什么意義呢?這個(gè)新年，你就會(huì)注意到它的影響。

倫敦所在的“零時(shí)區(qū)”國家的人過新年守歲時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，他們的時(shí)間在2008年即將結(jié)束時(shí)居然會(huì)多出來一秒。這就是國際統(tǒng)一安排的“跳秒”，也叫做“閏秒”。仿佛跟西半球的人開了個(gè)玩笑，很多人恨不得早點(diǎn)過去的金融危機(jī)和經(jīng)濟(jì)衰退、失業(yè)充斥的2008年，竟然會(huì)以這樣戲劇化的方式結(jié)束。

還好，對(duì)于使用“北京時(shí)間”的我們來說，倫敦時(shí)間新舊文替時(shí)已經(jīng)是2009年元旦，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這天的7點(diǎn)59分59秒之后，多了一個(gè)59分60秒，然后才會(huì)跳到8點(diǎn)整。

這是怎么回事?是不是全世界的計(jì)時(shí)儀器出了什么問題?別擔(dān)心，這只是一種科學(xué)上的安排。

時(shí)間的由來

小小的地球在宇宙中不停旋轉(zhuǎn)，我們就生活在這個(gè)藍(lán)色星球上，仰觀星移斗轉(zhuǎn)，日升月落，根據(jù)太陽的升起與落下來安排自己的生活，并把一天劃分為24小時(shí)。根據(jù)地球自轉(zhuǎn)確定的時(shí)間稱為“世界時(shí)”(universaltime)，它是基于天文觀測(cè)確定的。“秒”的現(xiàn)代定義起源于1820年，即每天有86400秒。1960年以前，世界時(shí)是基本的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)。計(jì)算和發(fā)布時(shí)間信號(hào)稱為守時(shí)和授時(shí)。

但是后來人們發(fā)現(xiàn)，地球自轉(zhuǎn)速度并不均勻，而是一個(gè)忽快忽慢的不穩(wěn)定系統(tǒng)，因而世界時(shí)每天有數(shù)毫秒(千分之一秒)的誤差——而且，地球自轉(zhuǎn)還在變慢。上世紀(jì)70年代開始采用了更為精確的原子鐘來進(jìn)行守時(shí)，規(guī)定以銫元素的一種同位索(Cs133)基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷9192631770個(gè)周期所持續(xù)的時(shí)間為1秒，它等于1820年時(shí)一秒的平均長度。

“原子時(shí)之所以更精準(zhǔn)，是由于原子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)受外界的影響更小，一個(gè)振動(dòng)著的原子系統(tǒng)不會(huì)因外界條件的變化而改變它的振動(dòng)頻率。”中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所院士王育竹說。原子鐘的發(fā)明，使得天文臺(tái)的守時(shí)誤差達(dá)到30萬年不超過一秒。而守時(shí)授時(shí)工作起源于天文臺(tái)，這也就是為什么瑞士名牌機(jī)械手表都要力爭(zhēng)得到瑞士天文臺(tái)認(rèn)證的原因。

但是應(yīng)用原子鐘守時(shí)也產(chǎn)生了一個(gè)問題，那就是它的時(shí)間事實(shí)上跟地球自轉(zhuǎn)沒有關(guān)系，只是按照它自己高達(dá)萬億分之一的精度在走。如果仍然按照一天24小時(shí)、一小時(shí)3600秒來計(jì)算，原子時(shí)與世界時(shí)之間則存在著不小的誤差，大約每兩年就會(huì)差1秒，為了兩個(gè)不同的時(shí)間系統(tǒng)盡量保持一致，在誤差較大的時(shí)候，就要調(diào)整民用時(shí)間，以適應(yīng)地球自轉(zhuǎn)的變化，這就產(chǎn)生了我們所使用的時(shí)間，稱為協(xié)調(diào)世界時(shí)(coordinatedUniversalTime，UTC)，也就是平時(shí)所說的“格林尼治標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間”。

地球自轉(zhuǎn)在變慢

當(dāng)你在海邊觀看潮起潮落，甚至是壯觀的錢塘大潮時(shí)，你是否會(huì)想到“跳秒”有可能是它引起的?

潮汐摩擦是引起地球自轉(zhuǎn)速度變化的主要因素。中科院國家天文臺(tái)從事地球長期自轉(zhuǎn)變化研究的學(xué)者韓延本介紹說，自20世紀(jì)以來由于天文觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)地球自轉(zhuǎn)是不均勻的。通過對(duì)古代日月食資料和古代珊瑚化石的分析研究，大約在6億年前，地球上一年大約有424天，在4億年前大約是400天，表明地球自轉(zhuǎn)要比現(xiàn)在快得多。

如果可以把地球放在x光機(jī)下，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，看似堅(jiān)實(shí)的地球并不完美，而是有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。地理學(xué)家經(jīng)常把地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)比喻為雞蛋，地殼相當(dāng)于蛋殼，地幔相當(dāng)于蛋白，地核則相當(dāng)于蛋黃。地殼是不均勻的，山脈之下的地殼平均厚度達(dá)到32公里，海洋之下的地殼則只有5～10公里，而且地幔物質(zhì)分布也是不均勻的，不同位置的成分、密度都存在很大差別。

這個(gè)“壞雞蛋”旋轉(zhuǎn)起來自然沒有那么完美。除了潮汐摩擦原因之外，地球半徑可能存在的變化，地核和地幔之間的相互作用，地球表面物質(zhì)分布的變化，以及地球與太陽和其他行星之間的相互作用也會(huì)引起地球自轉(zhuǎn)長期變化。

與1820年相比，現(xiàn)在一天的長度已經(jīng)延長了25毫秒，并且還在以每百年1.7毫秒的速度增加，如此累積的效果，就需要用“跳秒”來調(diào)節(jié)，以便讓手表上的時(shí)間與地球自轉(zhuǎn)保持一致。

“跳秒”與否誰來安排

負(fù)責(zé)“掌管”全球時(shí)間安排的機(jī)構(gòu)是設(shè)在法國巴黎天文臺(tái)的“國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織”(IERS)，這次“跳秒”公告就是由這個(gè)組織的“地球定向中心”主任丹尼爾·甘比斯于2008年7月4日簽署并公布的。根據(jù)約定，當(dāng)協(xié)調(diào)世界時(shí)和原子時(shí)之間相差接近0.6秒時(shí)，IERS就要判斷這個(gè)差別會(huì)如何發(fā)展，是否會(huì)超過0.9秒。如果超過，就啟動(dòng)閏秒程序，在當(dāng)年的6月底或12月底把協(xié)調(diào)世界時(shí)撥隉(正閏秒)或者撥快(負(fù)閏秒)1秒鐘，使協(xié)調(diào)世界時(shí)與原子時(shí)之間差別盡量小。自1972年以來，已經(jīng)實(shí)施了24次跳秒，并且都是正閏秒。

負(fù)責(zé)北京時(shí)間的守時(shí)和授時(shí)的機(jī)構(gòu)是坐落在陜西的國家授時(shí)中心(原陜西天文臺(tái))，每天中央電視臺(tái)和廣播電臺(tái)發(fā)布的時(shí)間信號(hào)都是從這里發(fā)出。國家授時(shí)中心科技處的竇忠介紹說，當(dāng)國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織向全世界發(fā)布閏秒公告之后，國家授時(shí)中心再通過《時(shí)間頻率公告》向國內(nèi)各時(shí)間用戶發(fā)布閏秒的公告。跳秒的時(shí)間則與國際保持一致，因?yàn)槲覀兲幵跁r(shí)區(qū)的東八區(qū)，也就是在2009年元旦早晨的8點(diǎn)實(shí)施跳秒。

具體跳秒的過程是這樣實(shí)施的：國家授時(shí)中心在時(shí)間基準(zhǔn)中通過事先設(shè)置好的程序在正確的時(shí)間插入1秒，同時(shí)，長波授時(shí)臺(tái)、短波授時(shí)臺(tái)、低頻時(shí)碼合的時(shí)間信號(hào)發(fā)播控制系統(tǒng)中都會(huì)插入這1秒，接收時(shí)間信號(hào)的用戶通過終端可以即時(shí)接收到閏秒信息，使系統(tǒng)保持同步。

不能忽視的1秒鐘

西方諺語說：“拿著一塊表的人知道時(shí)間，拿著兩塊表的人不知道時(shí)間。”今天我們必須使用同樣的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)才能保證信息的通暢和行動(dòng)一致，否則就會(huì)出現(xiàn)麻煩。

今天的原子時(shí)和世界時(shí)之間的差別已經(jīng)累積達(dá)34秒，也就是自1820年以來，地球自轉(zhuǎn)已經(jīng)變慢了半分多鐘。在專業(yè)天文觀測(cè)看來，這是相當(dāng)顯著的效應(yīng)。安排“跳秒”之后，你手腕上的手表和電腦上的時(shí)鐘都是與腳下的大地、天上的恒星旋轉(zhuǎn)保持一致的。

如今的“地球村”，全球互聯(lián)網(wǎng)、金融等行業(yè)已經(jīng)融為一體，要求時(shí)間上的高度一致，如果某個(gè)國家拒絕跳秒，就會(huì)形成時(shí)間上的誤差，對(duì)于高精度系統(tǒng)來說就無法跟其他國家相銜接，航天、電子通信、電力、金融、交通等行業(yè)都可能出現(xiàn)“卡殼”。而對(duì)于日常生活來說，匯率變動(dòng)的時(shí)間單位介于秒和毫秒之間，證券交易中的1秒鐘誤差，也會(huì)影響交易的正常進(jìn)行。

地球經(jīng)常隨意打哈欠

細(xì)心的人會(huì)發(fā)現(xiàn)，自1972年到1999年，一共實(shí)施了22次跳秒，幾乎每年一次。而1999年之后只有2005年和2008年底實(shí)施跳秒，韓延本研究員介紹說，這是因?yàn)樽赞D(zhuǎn)在上世紀(jì)80年代后期至90年代中期是相對(duì)減慢的，后來相對(duì)加快，從前幾年起又相對(duì)減慢。地球的行為竟然如此隨意?

原來除了長期的自轉(zhuǎn)變慢趨勢(shì)之外，地球自轉(zhuǎn)還存在時(shí)快時(shí)慢的不規(guī)則變化。在天文觀測(cè)中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，地球自轉(zhuǎn)變化的模式有十年到幾十年，以及2～7年的不同周期，后者的模式與厄爾尼諾事件期間赤道東太平洋海水溫度的異常變化具有相當(dāng)?shù)囊恢滦裕赡芘c全球大氣環(huán)流有關(guān)。30年代還證實(shí)，地球自轉(zhuǎn)還具有季節(jié)性的變化，春天地球自轉(zhuǎn)變慢，秋天加快。

影響地球自轉(zhuǎn)變化的因素是多種多樣的，有很多還沒有完全弄清楚，有待進(jìn)一步的深入研究。比如地球變暖導(dǎo)致的氣候模式的改變、兩極冰蓋融化等因素會(huì)在多大程度上影響地球自轉(zhuǎn)，進(jìn)而影響我們的時(shí)間調(diào)整，還不得而知。

2009年元旦早晨7點(diǎn)59分59秒，記得把你的手表撥慢一秒鐘。這一個(gè)小小的動(dòng)作或許能夠提醒你，在廣袤的宇宙中，我們僅僅居住在一顆小小的星球上，還有很多的未知空間期待我們?nèi)ヌ剿鳌?/p>