时间不必精确——原因如下

最近决定取消闰秒的决定,应该不会对您的倒计时或时间测量产生太大影响。
Gold clock with blue arms for minutes and seconds
从 2035 年开始,我们将在新年倒计时中去掉一秒。Hector Achautla

官方宣布:闰秒的时代即将结束

到 2035 年,世界各地的计算机将少一个因人为时间而产生故障的原因。学童们在记忆日历时,将少一个令人困惑的计算。

我们的日子在不断变化:地球自转的微小差异会在几个月或几年内累积。为了弥补这一点,世界时间主管部门会不时地插入额外的秒来使这一天恢复正常。自 1972 年该系统引入以来,我们已经经历了 27 次这样的闰秒

但闰秒一直代表着更深层次的差异。我们对“一天”的定义基于 地球自转的速度;然而,我们定义“秒”——对科学家、计算机等而言,实际的基本时间单位——是借助原子来完成的。这是一个明确的差距,使得天文学和原子物理学相互对立。

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上个月,全球标准时间的守护者们 选择了原子物理学而非天文学——专家认为,这没关系。

“我们永远不会放弃时间测量由地球自转来调节的理念。[但] 事实是我们不希望它严格由地球自转来调节,”国际度量衡局 (BIPM) 的一位计时员 Patrizia Tavella 说。BIPM 是一个多国政府机构,它负责将各国的官方时钟统一起来。

一天是一个相当奇怪的时间单位。我们通常认为它是一个地球绕其轴线自转一周所需的时间:一个来自天文学的数字。问题是,世界上最基本的时间单位不是一天,而是秒,而秒是由更微小的事物测量的:铯-133 原子,这是第 55 种元素的同位素。

当铯-133 的原子核经历微小的能量变化时,它会释放出具有非常可预测时序的光子。自 1967 年以来,原子钟 已经精确计算出每一秒有 9,192,631,770 个这样的时间单位。因此,就计量学家(研究测量本身的人)而言,一天就是 86,400 个这样的秒。

然而,一天并不总是恰好等于 86,400 秒,因为 地球的自转并不恒定

细微的运动,如月球的潮汐力或随着地球内部熔岩的搅动而变化的行星质量分布,都会影响地球的自转。一些科学家甚至认为,气候变暖可能导致加热的空气和融化的水靠近两极,这可能会 加速自转。无论原因如何,这会导致一年中日长出现毫秒级的差异,对于今天超精确的时间测量者来说是不可接受的。这就是他们试图进行调整的原因。

负责设定全球时间标准的科学非营利组织“国际地球自转和空间系统服务局”(IERS) 会 定期公布统计数据,说明差异的大小,以方便世界各地的计时员。在十二月份的大部分时间里,地球自转与原子钟测量的一天相比,偏差在 15 到 20 毫秒之间。

科学家认为,需要大约一个世纪才能使这种差异累积到一分钟。需要大约五千年才能累积到一小时。

每当这种差距过大时,IERS 就会发布闰秒的指令。每年一月和七月,该组织会公布一项决定,说明 是否需要闰秒。如果需要,世界各地的计时员会在 6 月 30 日或 12 月 31 日的最后一分钟增加一个第 61 秒,具体取决于哪个日期先到。但今年 11 月,BIPM 裁定,到 2035 年,世界时钟的管理者将放弃闰秒,转而采取一种尚未确定的方法。

这意味着伦敦格林威治皇家天文台——格林威治标准时间 (GMT) 及其现代继承者协调世界时 (UTC) 的基准——将与其曾经定义的日期脱节。业余天文学家也可能会抱怨,因为没有闰秒,在夜空中观测恒星可能会变得不那么可预测

但对于大多数人来说,闰秒是一个微不足道的现象——特别是与长途旅行者面临的时区迷宫,或者生活在遵守 夏令时或夏令时间 的国家的居民必须每年两次适应的时间变化相比。

另一方面,增加微妙的一秒来使一天完美对齐是有代价的:技术故障和程序员的噩梦,他们已经不得不处理各国五花八门的计时方式。“闰秒的取消将通过消除偶尔调整的需要,使事情变得更容易,但日常用户不会注意到这种差异,”美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的一位计时员 Judah Levine 说。NIST 是负责制定国家官方时钟的美国政府机构。

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新计划规定,BIPM 及相关机构将于 2026 年再次会晤,确定在时间守护者需要采取行动之前,可以允许这种差异增长多少。“我们将不得不提出新的容差,可以是分钟、小时或无限,”Tavella 说。他们还将提议多久(或他们的继任者)会修改一次数字。

这不是一个需要立即做出的决定。“可能没有必要”调和原子时间与天文时间,”NIST 的一位计时员 Elizabeth Donley 说。“需要为天文学和导航了解时间的用户群体,已经可以查阅差异信息了。”

我们目前无法预测地球自转的变数,但科学家认为,需要大约一个世纪才能使这种差异累积到一分钟。“几乎没有人会注意到,”Donley 说。需要大约五千年才能累积到一小时。

换句话说,我们可以把这个计算时间的难题留给我们的孙子孙女或曾孙子曾孙女去解决。“也许将来,我们会对地球运动有更深入的了解,”Tavella 说,“也许,还会提出另一个更好的解决方案。”

 

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Rahul Rao

特约撰稿人,科学

Rahul Rao 自2021年初以来一直是《科学美国人》的实习生和特约科学作家。他报道物理学、太空、技术以及它们之间的交叉领域以及其他一切。


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