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2017年1月1日稱得上是個具有特殊意義的新年。對于采用東八區(qū)作為標準時間的中國，我們迎來了“7:59:60”的奇妙現(xiàn)象。這“滴答”聲中多出的一秒，就是閏秒。截至目前，全球已實施過27次閏秒，在漫長歲月流轉中，這些憑空增長（或減少）的“額外時間”到底有何實際意義？

01 “閏秒”是怎么產(chǎn)生的？

目前科學上有兩種時間計量系統(tǒng)：基于地球自轉的天文測量而得出的“世界時”和以原子振蕩周期確定的“原子時”。簡單來說，閏秒是協(xié)調世界時與原子時之間差異的人為產(chǎn)物。

世界時是以地球自轉為基準得到的時間尺度。人們?yōu)榱藴y定地球自轉，在天球上選取了兩個基本參考點，分別是春分點和平太陽位置，以此確定的時間分別稱為恒星時和平太陽時。

恒星時雖然與地球自轉角度對應，符合以地球自轉為基礎的時間計量標準要求，但因不便觀測不能滿足日常生活和應用需要。人們習慣上看太陽東升西落確定時間，但地球繞太陽公轉的軌道是橢圓形，所以真太陽周日視運動速度不均勻。為了得到以真太陽周日視運動為基礎而又克服其不均勻性的時間計量系統(tǒng)，人們引入假想?yún)⒖键c---平太陽。它在天赤道上做勻速運動，其速度與真太陽的平均速度一致。以平太陽日子夜作為0時開始的格林尼治平太陽時，稱為世界時（Universal Time,UT）。

由于地球是球體，世界各地人們看到日出或正午太陽的時間并不相同。以觀測者所在地子午線為基準測出的時間稱為地方平太陽時，同一時刻（瞬間），地球上不同經(jīng)度觀測者測出的地方平太陽時不同。導致各地時間沒有統(tǒng)一的標準，為了使用方便，19世紀中葉，歐美一些國家開始采用全國統(tǒng)一的時間，多以本國首都或重要商埠的子午線為標準。但隨著鐵路長途運輸和遠洋航海的發(fā)展，人們活動范圍大大擴張，國際交往時采用各自地方時間依然存在混亂。19世紀70年代，有人提出了全世界統(tǒng)一標準劃分時區(qū)的建議，實行分區(qū)計時。1884年10月13日在華盛頓召開的國際子午線會議決定，以經(jīng)過英國倫敦東南格林尼治的經(jīng)線為本初子午線作為世界標準“時區(qū)”的起點，稱為標準時。世界時區(qū)的劃分既是科學研究的需求，更是世界經(jīng)濟與政治發(fā)展的需求。

20世紀60年代以前，世界時作為基本時間計量系統(tǒng)被廣泛使用，在這一計時標準下的“1天”和“1秒”有著嚴格的換算標準：1平太陽日等于24平太陽時，等于86400平太陽秒。

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，人們對時間的測量精度越來越高，科學家一直在探索新的時間頻率標準，以原子振蕩周期確定的原子時應運而生。

1967年10月，在印度新德里召開的第十三屆國際計量大會正式把由銫原子鐘確定的原子時定義為國際時間標準。新秒長規(guī)定為：位于海平面上的銫133原子基態(tài)的兩個超精細能級間在零磁場中躍遷振蕩9192631770個周期所持續(xù)的時間為一個原子時秒，更大的時間單位由秒累加得到。有了秒長定義后，將分布全球各國符合秒長定義的多臺原子鐘聯(lián)合，產(chǎn)生了國際原子時（TAI）。

原子時由原子鐘生成，秒長十分穩(wěn)定，能夠滿足對時間間隔均勻性要求很高的場合，但它的時刻沒有具體的物理內涵。世界時的時刻對應于太陽在天空中的特定位置，反映地球在空間旋轉時地軸方位的變化。不僅與人們日常生活密切相關，而且在大地測量、天文導航和宇宙飛行體的跟蹤測量等科學技術領域中具有實際應用價值。但由于地球自轉速率并非十分均勻，世界時的秒長會有微小的變化，每天的快慢差值可以達到千分之幾秒。

為了解決這一矛盾，國際上決定采用一種“協(xié)調世界時（UTC）”制度來進行協(xié)調。每當?shù)厍蜃赞D變化引起的時間誤差積累到與原子鐘接近一秒時，就要人為地把時鐘增加或減少一秒，從而使UTC與世界時重新協(xié)調一致。

協(xié)調世界時的秒長采用原子時，時刻與世界時的偏差保持在±0.9秒之內，當超過0.9秒時，對協(xié)調世界時實施1秒的調整，這一秒的調整稱為閏秒。

02 閏秒對我上班打卡有啥影響？

閏秒的實施與地球自轉周期關聯(lián)，地球自轉變慢，則可能發(fā)生正閏秒，變快則可能發(fā)生負閏秒。實施正閏秒時，將出現(xiàn)23：59：60，負閏秒時23：59：58的下一秒為0：0：0，即跳過23：59：59這一秒。

由于潮汐和地球內部結構導致目前地球自轉趨勢是越來越慢，相當于世界時秒長比原子時秒長更長了，所以目前已實施的27次閏秒都是正閏秒。因此如果當正閏秒發(fā)生時，準時打卡，將顯示提前一秒到公司，若負閏秒發(fā)生時，將顯示遲到一秒。

可能大家會好奇，閏秒發(fā)生時，自己的手表指針為什么沒有看到任何變化呢？

原因與我們手表的計時原理有關。大多數(shù)人使用的手表都屬于電子手表、石英手表或機械手表類，計時原理是通過手表內置振蕩器產(chǎn)生均勻的秒長，然后積累秒長實現(xiàn)計時，手表出廠時已經(jīng)被工人將手表的起始時間與國家標準時間在時刻上對齊，人們使用一段時間后，可能會發(fā)現(xiàn)手表與國家標準時間有數(shù)秒甚至幾分鐘的偏差，這是因為手表里的振蕩器周期不夠準確導致，重新調整對齊時刻即可。因此普通手表的時刻是人為調整對齊的，如果閏秒發(fā)生時，沒有人為進行時刻對齊操作，那么手表指針將不會有任何變化，因振蕩器周期不夠準確，即使閏秒發(fā)生時不調整，1秒的閏秒可能淹沒在誤差中而難以被人發(fā)覺。還有一種手表是能實時或定期接收無線電信號的電波手表，將自動通過無線電波與國家標準時間對齊，當閏秒發(fā)生時，將出現(xiàn)跳秒。

03 誰在需要越來越準的鐘？

隨著人們活動范圍的增加，對導航的需求越來越多、精度越來越高，無人駕駛汽車甚至需要能精確定位到米以內，從早期的方向判斷到現(xiàn)在的全球衛(wèi)星導航都高度依賴于更加精確的時間。在通信方面，時間同步是通信系統(tǒng)正常工作的基礎，時間同步網(wǎng)的同步性能是影響高帶寬、低時延通信的關鍵保障，也需要高精度的原子鐘和時間同步技術作為支撐。

此外，超精密的原子鐘可以幫助科學家們探測暗物質、測量引力波，并以前所未有的精度確定地球重力場的確切形狀。

隨著原子鐘技術的發(fā)展，作為秒長定義的銫原子鐘的頻率準確度、穩(wěn)定度性能已經(jīng)落后于微波鐘、光鐘等一到兩個數(shù)量級，制約了更穩(wěn)定秒長的獲得。秒長定義更新的呼聲日益強烈，光鐘很有可能成為秒長定義的“后浪”取代銫原子鐘。針對秒長定義是使用某種元素的光鐘還是多類型組合的討論尚未有結論，為此我國提前布局了多類型光鐘的研究，包括如鐿原子光晶格鐘、鈣離子光鐘、鍶原子光晶格鐘、鋁離子光鐘、鐿離子光鐘、汞原子光晶格鐘、汞離子光鐘等。

10月31日，搭載空間站夢天實驗艙的長征五號B遙四運載火箭，在我國文昌航天發(fā)射場點火發(fā)射。夢天艙載有世界上第一套由冷原子鍶光鐘等組成的空間冷原子鐘。

圖片來源：新華社（郭中正 攝）

目前，我國的光鐘研究在多領域已經(jīng)達到了世界領先水平，還是世界首個將光鐘搬上太空的國家，中國空間站上運行著世界上首臺鍶原子光鐘。目前在建全球最長里程、最高精度的光纖時頻傳遞網(wǎng)絡也將在基于光頻躍遷的秒重新定義中做出中國貢獻。

專家：劉婭 中國科學院國家授時中心 研究員

出品：科普中國

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