流言揭秘:閏秒並不是真的憑空多出了一秒

2021-01-20 材料科學與工程


北京時間7月1日7:59:59秒之後，並不是8:00:00，而是7:59:60。這多出的一秒，就是最近炒的很熱的閏秒了。不過時間並不會憑空多出一秒，所謂的閏秒，只是不同時間標準相互協調的產物。


　　一天到底有多長並不確定


　　自古以來，人類的生活規律都是「日出而作日落而息」，地球自轉一周就是一天——24個小時。這就是世界時（UT）的原始定義。把這24個小時繼續拆分，就會得到1分鐘和1秒鐘的長度。但實際上，地球的自轉周期並不是一成不變的。短期內，地球自轉速度變快或變慢並不一定（這也是為什麼只能提前6個月再確定是否有閏秒），但從長遠來看，地球的自傳速度是在不斷變慢的，原因來自地球和月亮構成的地月系統：地月之間的潮汐力會造成潮汐加速現象。簡單來說，由於月亮在順行軌道上運行，會逐漸退行和遠離地球。這一結果導致月球的角動量增加，而地月系統由於角動量守恆，地球的自傳速度便會減慢。

月球對藍色的潮汐隆起施加淨力矩，造成地球自轉速度減慢。


　　我們對時間精度的要求越來越高


　　從人類感官的角度來講，以地球自轉為衡量標準的世界時當然更加適用，但自從人類進入資訊時代開始，一切都變得不一樣了。全球定位系統、金融交易系統、空中交通管制系統、電子通信及航天等領域都對時間的精準程度要求非常高。匯率的變化以毫秒為單位，火箭也會因為提前發射一秒而進入錯誤軌道。為此，人類迫切需要一種更精準的時間計量方式。


　　1967年，國際計量大會（CIPM）定義秒為銫133原子（Cs133）基態的兩個超精細能級之間躍遷所對應輻射的9,192,631,770個周期所持續的時間，國際原子時（TAI）誕生。在此基礎上，將秒疊加再得到分、時、日、月、年等更大的時間單位。這是目前為止最精確的時間測量方式，因為銫原子鐘的誤差為1,400,000年1秒，基本上可以忽略不計。


銫原子束管。 圖片來源：Time Service Department of the Navy


　　讓人眼花繚亂的時間標準


　　不同的需求對應不同的測量標準，目前人類已經有了太多標準用于衡量時間：


　　世界時（UT）：世界時以午夜為0時開始計數，基於精確測量的地球自轉周期。

　　國際原子時（TAI）：以一臺原子鐘作為時標，無視任何地球運動。

　　除了以上兩種最常見的時間衡量標準之外，還有地球時（TDT）、質心力學時（TDB）、質心坐標時（TCB）及地心坐標時（TCG）等等。


　　說了這麼久，「閏秒」怎麼還沒有出現？


　　閏秒的概念來自協調世界時（UTC），顧名思義，是世界時和國際原子時相協調的產物。以原子時為標準，一天就是86400秒，但實際上由於地球自轉速度在緩慢下降，從1820年開始，世界時的一天如果用原子時來衡量，平均有86400.002秒。這千分之二秒的誤差看似微不足道，但日積月累差異會越來越大。5億年前，一天還只有22個小時。科學家估計，數千年後，世界時與原子時相差會達到12小時，那時我們會在午夜看到太陽。因此，當原子時與世界時的誤差相差即將達到一秒時，就會引入閏秒進行調整。


閏秒實行年份表


　　閏秒：網際網路的痛


　　你知道短短的一秒鐘，網際網路能產生多少信息嗎？200+的Reddit投票、1000+的Instagram新照片、4000+的新推文、5000+的Tumblr新消息、10000+的Skype電話呼叫、20000+的Dropbox新文件上傳、40000+的Google搜索次數、60000+的YouTube視頻點擊量、80000+的Facebook點讚……你可以來這個網站直觀感受下。


　　這一切和整個網際網路1秒鐘產生的信息相比，還僅僅是九牛一毛。如此龐大的信息量，讓計算機系統停頓1秒或增加1秒絕不是那麼容易的。根據The Verge的報導，在2012年調整閏秒時，Reddit、Mozilla、Yelp、LinkedIn等多家網站就都遭遇了技術問題。而今年，The Verge再次提出這一問題，認為閏秒的調整對網際網路是非常大的挑戰。報導中還提到，2012的閏秒調整Google之所以沒有中招，是因為提前做好了充分的準備，將這多出的1秒拆分成了1000毫秒，利用一天的時間逐漸「不知不覺」地加入系統當中。


　　信息化的人類社會已經離不開網際網路，每一次閏秒調整都會給網絡帶來不小挑戰，因此取消閏秒、直接使用原子時的呼聲也一直不斷——就算正午看月亮、子時見陽光又有什麼不可以呢？反正我向來都只是低頭看手機而已。


本文來源：蝌蚪五線譜

今日編輯：九雅

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