孫正凡

如果聚會時你出題考考朋友：一天有多少個小時?很多人會不假思索地回答，當然是24小時。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，并且每天略有變化?！被蛟S你會說，這又有什么意義呢?這個新年，你就會注意到它的影響。

倫敦所在的“零時區(qū)”國家的人過新年守歲時會發(fā)現(xiàn)，他們的時間在2008年即將結束時居然會多出來一秒。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玩笑，很多人恨不得早點過去的金融危機和經濟衰退、失業(yè)充斥的2008年，竟然會以這樣戲劇化的方式結束。

還好，對于使用“北京時間”的我們來說，倫敦時間新舊文替時已經是2009年元旦，你會發(fā)現(xiàn)這天的7點59分59秒之后，多了一個59分60秒，然后才會跳到8點整。

這是怎么回事?是不是全世界的計時儀器出了什么問題?別擔心，這只是一種科學上的安排。

時間的由來

小小的地球在宇宙中不停旋轉，我們就生活在這個藍色星球上，仰觀星移斗轉，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。根據(jù)地球自轉確定的時間稱為“世界時”(universaltime)，它是基于天文觀測確定的?！懊搿钡默F(xiàn)代定義起源于1820年，即每天有86400秒。1960年以前，世界時是基本的時間計量系統(tǒng)。計算和發(fā)布時間信號稱為守時和授時。

但是后來人們發(fā)現(xiàn)，地球自轉速度并不均勻，而是一個忽快忽慢的不穩(wěn)定系統(tǒng)，因而世界時每天有數(shù)毫秒(千分之一秒)的誤差——而且，地球自轉還在變慢。上世紀70年代開始采用了更為精確的原子鐘來進行守時，規(guī)定以銫元素的一種同位索(Cs133)基態(tài)的兩個超精細能級之間躍遷9192631770個周期所持續(xù)的時間為1秒，它等于1820年時一秒的平均長度。

“原子時之所以更精準，是由于原子內部的運動受外界的影響更小，一個振動著的原子系統(tǒng)不會因外界條件的變化而改變它的振動頻率?！敝袊茖W院上海光學精密機械研究所院士王育竹說。原子鐘的發(fā)明，使得天文臺的守時誤差達到30萬年不超過一秒。而守時授時工作起源于天文臺，這也就是為什么瑞士名牌機械手表都要力爭得到瑞士天文臺認證的原因。

但是應用原子鐘守時也產生了一個問題，那就是它的時間事實上跟地球自轉沒有關系，只是按照它自己高達萬億分之一的精度在走。如果仍然按照一天24小時、一小時3600秒來計算，原子時與世界時之間則存在著不小的誤差，大約每兩年就會差1秒，為了兩個不同的時間系統(tǒng)盡量保持一致，在誤差較大的時候，就要調整民用時間，以適應地球自轉的變化，這就產生了我們所使用的時間，稱為協(xié)調世界時(coordinatedUniversalTime，UTC)，也就是平時所說的“格林尼治標準時間”。

地球自轉在變慢

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

潮汐摩擦是引起地球自轉速度變化的主要因素。中科院國家天文臺從事地球長期自轉變化研究的學者韓延本介紹說，自20世紀以來由于天文觀測技術的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)地球自轉是不均勻的。通過對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，表明地球自轉要比現(xiàn)在快得多。

如果可以把地球放在x光機下，我們會發(fā)現(xiàn)，看似堅實的地球并不完美，而是有著復雜的結構。地理學家經常把地球內部結構比喻為雞蛋，地殼相當于蛋殼，地幔相當于蛋白，地核則相當于蛋黃。地殼是不均勻的，山脈之下的地殼平均厚度達到32公里，海洋之下的地殼則只有5～10公里，而且地幔物質分布也是不均勻的，不同位置的成分、密度都存在很大差別。

這個“壞雞蛋”旋轉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引起地球自轉長期變化。

與1820年相比，現(xiàn)在一天的長度已經延長了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”來調節(jié)，以便讓手表上的時間與地球自轉保持一致。

“跳秒”與否誰來安排

負責“掌管”全球時間安排的機構是設在法國巴黎天文臺的“國際地球自轉服務組織”(IERS)，這次“跳秒”公告就是由這個組織的“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，當協(xié)調世界時和原子時之間相差接近0.6秒時，IERS就要判斷這個差別會如何發(fā)展，是否會超過0.9秒。如果超過，就啟動閏秒程序，在當年的6月底或12月底把協(xié)調世界時撥隉(正閏秒)或者撥快(負閏秒)1秒鐘，使協(xié)調世界時與原子時之間差別盡量小。自1972年以來，已經實施了24次跳秒，并且都是正閏秒。

負責北京時間的守時和授時的機構是坐落在陜西的國家授時中心(原陜西天文臺)，每天中央電視臺和廣播電臺發(fā)布的時間信號都是從這里發(fā)出。國家授時中心科技處的竇忠介紹說，當國際地球自轉服務組織向全世界發(fā)布閏秒公告之后，國家授時中心再通過《時間頻率公告》向國內各時間用戶發(fā)布閏秒的公告。跳秒的時間則與國際保持一致，因為我們處在時區(qū)的東八區(qū)，也就是在2009年元旦早晨的8點實施跳秒。

具體跳秒的過程是這樣實施的：國家授時中心在時間基準中通過事先設置好的程序在正確的時間插入1秒，同時，長波授時臺、短波授時臺、低頻時碼合的時間信號發(fā)播控制系統(tǒng)中都會插入這1秒，接收時間信號的用戶通過終端可以即時接收到閏秒信息，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間，拿著兩塊表的人不知道時間?！苯裉煳覀儽仨毷褂猛瑯拥臅r間標準才能保證信息的通暢和行動一致，否則就會出現(xiàn)麻煩。

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

如今的“地球村”，全球互聯(lián)網、金融等行業(yè)已經融為一體，要求時間上的高度一致，如果某個國家拒絕跳秒，就會形成時間上的誤差，對于高精度系統(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”。而對于日常生活來說，匯率變動的時間單位介于秒和毫秒之間，證券交易中的1秒鐘誤差，也會影響交易的正常進行。

地球經常隨意打哈欠

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

原來除了長期的自轉變慢趨勢之外，地球自轉還存在時快時慢的不規(guī)則變化。在天文觀測中已經發(fā)現(xiàn)，地球自轉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?shù)囊恢滦裕赡芘c全球大氣環(huán)流有關。30年代還證實，地球自轉還具有季節(jié)性的變化，春天地球自轉變慢，秋天加快。

影響地球自轉變化的因素是多種多樣的，有很多還沒有完全弄清楚，有待進一步的深入研究。比如地球變暖導致的氣候模式的改變、兩極冰蓋融化等因素會在多大程度上影響地球自轉，進而影響我們的時間調整，還不得而知。

2009年元旦早晨7點59分59秒，記得把你的手表撥慢一秒鐘。這一個小小的動作或許能夠提醒你，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去探索。