究竟如何给一年增加一个闰秒?

让您新年夜变得更长一点的精妙系统
Djim Loic

2016年将会有额外的一秒,人们对此并不高兴。您的电脑也不高兴。今年的(或者,如果您在东半球大部分地区,是明年的)额外一秒可能对您几乎没有影响,除非您算上关于这一糟糕年份要延长一秒的没完没了的笑话。您可能根本不会注意到它的发生,更不用说意识到它是如何发生的了。但不知何故,世界上每台电脑和手机都会知道要给时钟增加整整一秒。这可能会变得有点复杂。

世界通过多种方式追踪时间,其中许多方式对大多数人来说完全不相关。计算机同步的总体标准称为协调世界时。它的缩写(令人困惑地)是UTC,它并没有真正代表任何东西。这是美国和法国之间妥协的结果,他们分别想将其称为CUT和TUC,以便缩写在各自的语言中有意义。取而代之的是,我们有了UTC。这似乎是某种隐喻。

总之,全球联网的计算机通过一种称为网络时间协议(NTP)的流程同步到UTC。基本上,放置在全球战略点的超精密原子钟组维持着我们能保持的最精确的时间。这些参考时钟每秒钟告诉一组计算机现在的时间,以维持参考时间。周期性地,另一组计算机询问参考计算机现在的时间。这些计算机将时间告诉下一组计算机,依此类推,直到正确的时间在整个互联网上传播。它们还可以互相检查,使系统尽可能快,从而使每台计算机都同步。您的计算机正在通过这个网络时间协议定期检查UTC,即使您没有注意到。

UTC本身自1960年1月1日起就已经以某种形式存在,并且已经为提高精度进行了多次调整。1972年加入了闰秒,让世界各地的计算机程序员后来非常懊恼。

我们在某些年份增加额外的时间,以使我们的时钟与太阳时精确对齐。由于地球的自转速度正在减慢,我们不得不不断地添加秒。由于地球减速的速度并非正好是每年一秒,所以我们不会每年或甚至以固定的间隔(就像我们处理闰年一样)添加闰秒。每当“有关当局”认为UTC与太阳时之间的差异可能超过0.9秒时,我们就会添加闰秒。“有关当局”更(或可能更不)常见的名称是国际地球自转和参考系统服务局(IERS)。IERS迄今为止已经添加了26个闰秒,不包括今年的这一个,这是一个通过相当古老过时的系统进行的。

在每次闰秒发生前六个月,IERS会发布一份名为“Bulletin C”的公报,表明计划添加闰秒。该公报通过无线电波、GPS信号甚至电话调制解调器进行广播,告知每个计时系统当年将会有额外的一秒。操作原子钟的实验室必须手动调整它们,但世界上几乎所有的计算机都只是从网络时间协议下载一个文件。该文件包含指示计算机在晚上11:59:59添加另一秒的指令。

IERS Bulletin C
今年的Bulletin C 作者摄自IERS网站截图

在某些年份添加秒而其他年份不添加,对人类来说不是问题,但对计算机来说是。闰年可以提前编程到计时系统中。但闰秒不能。这意味着IERS必须能够告知世界上每一台计算机在某一天添加一个额外的一秒。这与计算机计时的方式不符。计算机被编程为知道一分钟有60秒,您无法说服它们否则。您不能在2016年12月31日晚上11:59:59之后突然创造第二个60秒。然而,我们仍在坚持。

2012年夏天的闰秒导致了几台大型服务器因时钟不匹配而宕机。2009年也发生了类似的问题。时钟不匹配发生的原因是网络时间协议没有好的方法来理解包含61秒的分钟。目前的主要修复方法是暂停计时器,这样12月31日的最后一秒实际上会持续两秒。这种变通方法可以防止计算机需要将自身时间倒退一秒,这很有帮助,因为计算机将时间理解为以恒定速率向前移动。其他一些系统则简单地重复12月31日的最后几秒。但两种系统都不是最佳的。

更好的系统可能是谷歌今年公开实施的系统。他们称之为“平滑”。而不是在晚上11:59:59突然添加一秒,他们将额外的秒“平滑”分布在多个小时上。他们的网络时间协议将在闰秒之前的10小时和之后的10小时内以0.0014%的速度运行。这是一个如此微小的变化,几乎察觉不到,并且使计算机的调整更容易。

如果您在美国,今年新年夜,您的计算机将基于美国海军天文台华盛顿特区总钟站进行更新。那里的原子钟组维持着精确的时间,并通过互联网上的网络时间协议发送出去。有趣的是,它也通过电话系统发送。演员弗雷德·考文顿(Fred Covington)的老式声音,您可能从未听说过,他会在一秒钟滴答的背景音中播报时间。只需致电+1 (202) 762-1401。您会感觉非常过时,但您将掌握最新信息。

 

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Sara Chodosh

撰稿人

Sara Chodosh 在《Popular Science》杂志工作了 5 年多,她从编辑助理一路晋升为科学副编辑。在此期间,她逐渐接管了已停刊的杂志的“图表”板块。她对图表的喜爱最终促使她成为《纽约时报》的图形编辑。


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