5年后或出現(xiàn)1分鐘只有59秒？閏秒會帶來什么影響？

2024-06-26 22:33:30

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供稿：網(wǎng)友

近日，有媒體報道稱：5年后即2029年，1分鐘或只有59秒。

這一說法來自美國加州大學圣地亞哥分校科學家的一項研究，該研究被發(fā)表在《自然》雜志上。

科學家發(fā)現(xiàn)，由于全球氣候變暖，南北極冰蓋正在大規(guī)模融化，改變了地球的形狀，導致地球自轉減速比之前更快。這一變化可能在五年內引發(fā)全球計時危機，比如計算機通訊和電信網(wǎng)絡造成大規(guī)模中斷。

事實上，這樣的表述并不準確，正確的表述應該為：2029年，某一個1分鐘可能縮短為59秒，并且冰蓋融化延后了這一天的到來。

這到底是怎么回事呢？為什么1分鐘還會減少成59秒呢？時間難道不是固定不變的嗎？這又會對我們的生活產(chǎn)生哪些影響？

我們的計時系統(tǒng)

盡管時間似乎是均勻流逝的，但實際上我們已經(jīng)調整了幾十年——每隔幾年插入一個閏秒。為了更好地理解這個問題，首先需要了解下我們的計時系統(tǒng)。

為確定時間，我們現(xiàn)在常見的時間系統(tǒng)包括三種，分別是：

以地球自轉周期為基準的世界時（Universal Time，UT1）

以地球繞太陽公轉周期為基準的歷書時（Ephemeris Time，ET）

以原子內部電子能級躍遷發(fā)射的電磁振蕩頻率為基準的原子時（International Atomic Time，法語：Temps Atomique International, TAI）

世界時（UT1）是通過將地球自轉一周的時間記為一天來確定的時間標準。它基于地球相對于平太陽的角度變化來劃分時間刻度。世界時在航海和導航領域，以及天體測量和天文大地測量領域中，起到了重要作用。

然而，由于地球自轉的速度并不是恒定的，世界時的穩(wěn)定性不足，難以完全滿足現(xiàn)代科學研究和技術應用對極高精度時間的需求，比如天文觀測和全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）。

為了滿足更高精度的實際需要，科學家們引入了原子時。具體來說，原子時是通過原子鐘來實現(xiàn)的，而原子鐘利用的是原子內部電磁振蕩的周期來計時，這種振蕩周期非常穩(wěn)定。

因此，原子時具有極高的準確度和穩(wěn)定度，能夠提供極其精準的時間標準，從而被廣泛應用于科學研究、導航系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡等領域。

1967年，第十三屆國際計量大會決定將秒的定義從天文秒改為原子秒，將銫-133原子無干擾的基態(tài)超精細能級躍遷對應輻射的9192631770個周期所持續(xù)的時間定為1秒，也就是說，將銫-133原子發(fā)出的輻射振動9192631770次所持續(xù)的時間定為1秒，稱作國際單位制秒。

這一決定標志著原子時的正式確立，并為后續(xù)的時間計量系統(tǒng)的發(fā)展奠定了基礎。

值得一提的是，為了實現(xiàn)我們國家標準時間的自主校準，中國科學院國家授時中心以張首剛研究員為代表的科學家們長期扎根西部，甘于寂寞，攻關十余年，成功研制高穩(wěn)定連續(xù)運行冷原子銫噴泉基準鐘，把我國標準時間與國際標準時間的偏差從100納秒減小到5納秒內。

一分鐘為什么會變成59秒？

以地球自轉為參考的世界時，一直是國際標準時間產(chǎn)生的重要參數(shù)之一。一天被分為24小時，1小時60分鐘，一分鐘60秒，世界時刻反映了地球相對于宇宙背景的轉動角度，這是很重要的。

而采用原子時是一種非常準確、不變的時間定義方法，但它也帶來了一個令人不安的后果：原子時與地球自轉定義的世界時不太匹配。

幾個世紀以來，時間測量的穩(wěn)定度不斷提高，使我們能夠看到地球的自轉速度并不恒定，這就會使原子時和世界時之間產(chǎn)生差異。

為了兼顧這兩種需要，便引入了協(xié)調世界時（Coordinated Universal Time, UTC）系統(tǒng)。當國際原子時與世界時的時刻相差達到0.9秒時，就需要對協(xié)調世界時（UTC）進行調整，即增加或減少1秒，以盡量接近世界時，這就是所謂的閏秒（負閏秒，最后一分鐘為59秒；正閏秒，最后一分鐘為61秒）。這種添加閏秒的世界時就是協(xié)調世界時，也稱世界標準時間，是目前使用最廣泛的時間系統(tǒng)。

自1972年UTC正式使用至今以來，地球自轉一直處于不斷減慢的趨勢，協(xié)調世界時已經(jīng)添加了27個閏秒，均為正閏秒。然而，自2020年年中以來，地球自轉速率呈現(xiàn)加快趨勢。

因此科學家估計，在2029年，人類可能就需要首次減少1秒為“負閏秒”，對應的1分鐘只有59秒，來保持原子鐘時間與地球自轉周期的同步。

地球自轉速度為何不恒定？

在千年的時間尺度上，地球自轉速度的變化受三個地球物理過程的影響。

首先，海水和海底之間的摩擦會逐漸消耗地球自轉的動能，從而減緩地球的自轉速度，這就是所謂的潮汐效應。

其次，由于冰期后回彈，地球形狀會發(fā)生變化，變得更為扁平，使地球的慣性矩發(fā)生變化，降低了其自轉速度。這類似于滑冰運動員在旋轉時將手臂向身體兩側平伸以減速旋轉的原理。

最后，地球內部的一些過程，即地核和其外層（地幔、地殼）之間的相互作用和相互影響，例如地磁場變化和地幔對流，也會導致地球自轉速度產(chǎn)生變化。

根據(jù)美國國家航空航天局（NASA）和國際地球自轉和參考系統(tǒng)服務（IERS）的數(shù)據(jù)，地球的自轉速度確實在緩慢減慢。研究表明，地球自轉周期每個世紀增加大約1.8毫秒。雖然這個變化看似微小，但在長時間尺度上，其累積效應卻非常顯著。

例如，古代天文學家記錄的日食時間與我們今天計算的時間存在顯著差異。2500年前（大約春秋戰(zhàn)國時期）觀測到的日食時間與現(xiàn)代時鐘相比，時鐘誤差約為4小時。

原本，科學家預計由于這些地球物理過程的作用，地球自轉速度的減緩將使得首個“負閏秒”在2026年到來。

然而，衛(wèi)星測量數(shù)據(jù)顯示，從1986年開始，隨著全球氣候變暖加劇，格陵蘭和南極的冰蓋正在加速融化。這一現(xiàn)象導致海平面加速上升，進一步減緩了地球自轉速度。由于冰蓋融化和海平面上升的雙重效應，地球的慣性矩增加，自轉速度變得更慢，從而推遲了負閏秒的到來。

閏秒會帶來什么影響？

閏秒通常在世界協(xié)調時（UTC）6月30日或12月31日的23:59:60實施。閏秒的調整對日常生活的直接影響較小，人們往往感受不到閏秒所帶來的變化。

但對依賴精確時間同步的技術系統(tǒng)和應用領域，如計算機、金融、航空航天等領域，閏秒?yún)s有重要影響。

例如，閏秒的加入或刪除需要全球同步，對計算機系統(tǒng)的時間管理提出了挑戰(zhàn)。

2012年，多個大型網(wǎng)站就因為時間同步錯誤，導致服務器崩潰，出現(xiàn)了短暫的服務中斷。2015年，閏秒再度來臨時，工程師們修復了部分2012年出現(xiàn)的問題，但發(fā)現(xiàn)了新的問題。又如，每次閏秒調整，GNSS系統(tǒng)需要更新時間數(shù)據(jù)，以保證授時精度。如果未能及時調整，可能導致導航電文的不準確。

與傳統(tǒng)的增加一秒的閏秒不同，史無前例的負閏秒將會給許多依賴精確時間同步的系統(tǒng)帶來新的挑戰(zhàn)和不確定性。計算機和網(wǎng)絡系統(tǒng)、金融系統(tǒng)等等往往已經(jīng)設計好如何處理增加的正閏秒，但對如何處理減少的負閏秒則可能缺乏足夠的準備。科學家們正在呼吁各界共同努力，為負閏秒的實施做好充分準備，以確保全球技術系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全。

盡管閏秒的初衷是保持UTC與地球自轉時間UT1同步，但閏秒的調整，特別是潛在的負閏秒，正不斷增加時間同步系統(tǒng)的復雜性。有人提議實施幅度更大的校正，如閏分、閏時，以將調整時間延長至百年、千年；也有人建議停止校正，同時公布世界時和國際原子時之間不斷增長的時刻差。

2022年第27屆國際計量大會決定，最遲不晚于2035年廢除閏秒，改為閏分，即允許國際原子時與世界時的時刻相差在1分鐘以內。并要求各方協(xié)商提出一個可以將“協(xié)調世界時”持續(xù)至少百年的新方案。

隨著科技的發(fā)展，新的時間同步技術會不斷涌現(xiàn)，例如更精準的光鐘和更加智能的網(wǎng)絡時間協(xié)議，都可能為解決閏秒問題提供新的途徑。

參考文獻

[1] Tavella, Patrizia, and Jerry X. Mitrovica. "Melting ice solves leap-second problem—for now." (2024).

[2]Agnew, Duncan Carr. "A global timekeeping problem postponed by global warming." Nature 628.8007 (2024): 333-336.

[3] Gibney, Elizabeth. "Climate change has slowed Earth’s rotation—and could affect how we keep time." Nature 628.8007 (2024): 243-244.

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