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2017年1月1日稱得上是個(gè)具有特殊意義的新年。對(duì)于采用東八區(qū)作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)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(shí)施過27次閏秒，在漫長歲月流轉(zhuǎn)中，這些憑空增長（或減少）的“額外時(shí)間”到底有何實(shí)際意義？

01 “閏秒”是怎么產(chǎn)生的？

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

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

恒星時(shí)雖然與地球自轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)，符合以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，但因不便觀測(cè)不能滿足日常生活和應(yīng)用需要。人們習(xí)慣上看太陽東升西落確定時(shí)間，但地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道是橢圓形，所以真太陽周日視運(yùn)動(dòng)速度不均勻。為了得到以真太陽周日視運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)而又克服其不均勻性的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)，人們引入假想?yún)⒖键c(diǎn)---平太陽。它在天赤道上做勻速運(yùn)動(dòng)，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(shí)開始的格林尼治平太陽時(shí)，稱為世界時(shí)（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(shí)間并不相同。以觀測(cè)者所在地子午線為基準(zhǔn)測(cè)出的時(shí)間稱為地方平太陽時(shí)，同一時(shí)刻（瞬間），地球上不同經(jīng)度觀測(cè)者測(cè)出的地方平太陽時(shí)不同。導(dǎo)致各地時(shí)間沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，為了使用方便，19世紀(jì)中葉，歐美一些國家開始采用全國統(tǒng)一的時(shí)間，多以本國首都或重要商埠的子午線為標(biāo)準(zhǔn)。但隨著鐵路長途運(yùn)輸和遠(yuǎn)洋航海的發(fā)展，人們活動(dòng)范圍大大擴(kuò)張，國際交往時(shí)采用各自地方時(shí)間依然存在混亂。19世紀(jì)70年代，有人提出了全世界統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)劃分時(shí)區(qū)的建議，實(shí)行分區(qū)計(jì)時(shí)。1884年10月13日在華盛頓召開的國際子午線會(huì)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(biāo)準(zhǔn)“時(shí)區(qū)”的起點(diǎn)，稱為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)。世界時(shí)區(qū)的劃分既是科學(xué)研究的需求，更是世界經(jīng)濟(jì)與政治發(fā)展的需求。

20世紀(jì)60年代以前，世界時(shí)作為基本時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)被廣泛使用，在這一計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)下的“1天”和“1秒”有著嚴(yán)格的換算標(biāo)準(zhǔn)：1平太陽日等于24平太陽時(shí)，等于86400平太陽秒。

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，人們對(duì)時(shí)間的測(cè)量精度越來越高，科學(xué)家一直在探索新的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)，以原子振蕩周期確定的原子時(shí)應(yīng)運(yùn)而生。

1967年10月，在印度新德里召開的第十三屆國際計(jì)量大會(huì)正式把由銫原子鐘確定的原子時(shí)定義為國際時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。新秒長規(guī)定為：位于海平面上的銫133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間在零磁場(chǎng)中躍遷振蕩9192631770個(gè)周期所持續(xù)的時(shí)間為一個(gè)原子時(shí)秒，更大的時(shí)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(tái)原子鐘聯(lián)合，產(chǎn)生了國際原子時(shí)（TAI）。

原子時(shí)由原子鐘生成，秒長十分穩(wěn)定，能夠滿足對(duì)時(shí)間間隔均勻性要求很高的場(chǎng)合，但它的時(shí)刻沒有具體的物理內(nèi)涵。世界時(shí)的時(shí)刻對(duì)應(yīng)于太陽在天空中的特定位置，反映地球在空間旋轉(zhuǎn)時(shí)地軸方位的變化。不僅與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)，而且在大地測(cè)量、天文導(dǎo)航和宇宙飛行體的跟蹤測(cè)量等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。但由于地球自轉(zhuǎn)速率并非十分均勻，世界時(shí)的秒長會(huì)有微小的變化，每天的快慢差值可以達(dá)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(diào)世界時(shí)（UTC）”制度來進(jìn)行協(xié)調(diào)。每當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)變化引起的時(shí)間誤差積累到與原子鐘接近一秒時(shí)，就要人為地把時(shí)鐘增加或減少一秒，從而使UTC與世界時(shí)重新協(xié)調(diào)一致。

協(xié)調(diào)世界時(shí)的秒長采用原子時(shí)，時(shí)刻與世界時(shí)的偏差保持在±0.9秒之內(nèi)，當(dāng)超過0.9秒時(shí)，對(duì)協(xié)調(diào)世界時(shí)實(shí)施1秒的調(diào)整，這一秒的調(diào)整稱為閏秒。

02 閏秒對(duì)我上班打卡有啥影響？

閏秒的實(shí)施與地球自轉(zhuǎn)周期關(guān)聯(lián)，地球自轉(zhuǎn)變慢，則可能發(fā)生正閏秒，變快則可能發(fā)生負(fù)閏秒。實(shí)施正閏秒時(shí)，將出現(xiàn)23：59：60，負(fù)閏秒時(shí)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(nèi)部結(jié)構(gòu)導(dǎo)致目前地球自轉(zhuǎn)趨勢(shì)是越來越慢，相當(dāng)于世界時(shí)秒長比原子時(shí)秒長更長了，所以目前已實(shí)施的27次閏秒都是正閏秒。因此如果當(dāng)正閏秒發(fā)生時(shí)，準(zhǔn)時(shí)打卡，將顯示提前一秒到公司，若負(fù)閏秒發(fā)生時(shí)，將顯示遲到一秒。

可能大家會(huì)好奇，閏秒發(fā)生時(shí)，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(jì)時(shí)原理有關(guān)。大多數(shù)人使用的手表都屬于電子手表、石英手表或機(jī)械手表類，計(jì)時(shí)原理是通過手表內(nèi)置振蕩器產(chǎn)生均勻的秒長，然后積累秒長實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)，手表出廠時(shí)已經(jīng)被工人將手表的起始時(shí)間與國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間在時(shí)刻上對(duì)齊，人們使用一段時(shí)間后，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)手表與國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間有數(shù)秒甚至幾分鐘的偏差，這是因?yàn)槭直砝锏恼袷幤髦芷诓粔驕?zhǔn)確導(dǎo)致，重新調(diào)整對(duì)齊時(shí)刻即可。因此普通手表的時(shí)刻是人為調(diào)整對(duì)齊的，如果閏秒發(fā)生時(shí)，沒有人為進(jìn)行時(shí)刻對(duì)齊操作，那么手表指針將不會(huì)有任何變化，因振蕩器周期不夠準(zhǔn)確，即使閏秒發(fā)生時(shí)不調(diào)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(shí)時(shí)或定期接收無線電信號(hào)的電波手表，將自動(dòng)通過無線電波與國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間對(duì)齊，當(dāng)閏秒發(fā)生時(shí)，將出現(xiàn)跳秒。

03 誰在需要越來越準(zhǔn)的鐘？

隨著人們活動(dòng)范圍的增加，對(duì)導(dǎo)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(nèi)，從早期的方向判斷到現(xiàn)在的全球衛(wèi)星導(dǎo)航都高度依賴于更加精確的時(shí)間。在通信方面，時(shí)間同步是通信系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，時(shí)間同步網(wǎng)的同步性能是影響高帶寬、低時(shí)延通信的關(guān)鍵保障，也需要高精度的原子鐘和時(shí)間同步技術(shù)作為支撐。

此外，超精密的原子鐘可以幫助科學(xué)家們探測(cè)暗物質(zhì)、測(cè)量引力波，并以前所未有的精度確定地球重力場(chǎng)的確切形狀。

隨著原子鐘技術(shù)的發(fā)展，作為秒長定義的銫原子鐘的頻率準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度性能已經(jīng)落后于微波鐘、光鐘等一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)，制約了更穩(wěn)定秒長的獲得。秒長定義更新的呼聲日益強(qiáng)烈，光鐘很有可能成為秒長定義的“后浪”取代銫原子鐘。針對(duì)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(jié)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(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙的長征五號(hào)B遙四運(yùn)載火箭，在我國文昌航天發(fā)射場(chǎng)點(diǎn)火發(fā)射。夢(mèng)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(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平，還是世界首個(gè)將光鐘搬上太空的國家，中國空間站上運(yùn)行著世界上首臺(tái)鍶原子光鐘。目前在建全球最長里程、最高精度的光纖時(shí)頻傳遞網(wǎng)絡(luò)也將在基于光頻躍遷的秒重新定義中做出中國貢獻(xiàn)。

專家：劉婭 中國科學(xué)院國家授時(shí)中心 研究員

出品：科普中國

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