近日，有媒體報(bào)道稱(chēng)：5年后即2029年，1分鐘或只有59秒。
這一說(shuō)法來(lái)自美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校科學(xué)家的一項(xiàng)研究，該研究被發(fā)表在《自然》雜志上。
科學(xué)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(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)減速比之前更快。這一變化可能在五年內(nèi)引發(fā)全球計(jì)時(shí)危機(jī)，比如計(jì)算機(jī)通訊和電信網(wǎng)絡(luò)造成大規(guī)模中斷。
事實(shí)上，這樣的表述并不準(zhǔn)確，正確的表述應(yīng)該為：2029年，某一個(gè)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(lái)。
這到底是怎么回事呢？為什么1分鐘還會(huì)減少成59秒呢？時(shí)間難道不是固定不變的嗎？這又會(huì)對(duì)我們的生活產(chǎn)生哪些影響？
我們的計(jì)時(shí)系統(tǒng)
盡管時(shí)間似乎是均勻流逝的，但實(shí)際上我們已經(jīng)調(diào)整了幾十年——每隔幾年插入一個(gè)閏秒。為了更好地理解這個(gè)問(wèn)題，首先需要了解下我們的計(jì)時(shí)系統(tǒng)。
為確定時(shí)間，我們現(xiàn)在常見(jiàn)的時(shí)間系統(tǒng)包括三種，分別是：
以地球自轉(zhuǎn)周期為基準(zhǔn)的世界時(shí)（Universal Time，UT1）以地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)周期為基準(zhǔn)的歷書(shū)時(shí)（Ephemeris Time，ET）以原子內(nèi)部電子能級(jí)躍遷發(fā)射的電磁振蕩頻率為基準(zhǔn)的原子時(shí)（International Atomic Time，法語(yǔ)：Temps Atomique International, TAI）
世界時(shí)（UT1）是通過(guò)將地球自轉(zhuǎn)一周的時(shí)間記為一天來(lái)確定的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。它基于地球相對(duì)于平太陽(yáng)的角度變化來(lái)劃分時(shí)間刻度。世界時(shí)在航海和導(dǎo)航領(lǐng)域，以及天體測(cè)量和天文大地測(cè)量領(lǐng)域中，起到了重要作用。
然而，由于地球自轉(zhuǎn)的速度并不是恒定的，世界時(shí)的穩(wěn)定性不足，難以完全滿(mǎn)足現(xiàn)代科學(xué)研究和技術(shù)應(yīng)用對(duì)極高精度時(shí)間的需求，比如天文觀測(cè)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）。
為了滿(mǎn)足更高精度的實(shí)際需要，科學(xué)家們引入了原子時(shí)。具體來(lái)說(shuō)，原子時(shí)是通過(guò)原子鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而原子鐘利用的是原子內(nèi)部電磁振蕩的周期來(lái)計(jì)時(shí)，這種振蕩周期非常穩(wěn)定。
因此，原子時(shí)具有極高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，能夠提供極其精準(zhǔn)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，從而被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、導(dǎo)航系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。
銫原子鐘 圖片來(lái)源：維基百科
在中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心空間鍶原子光鐘實(shí)驗(yàn)室，測(cè)量?jī)x器顯示相關(guān)實(shí)驗(yàn)信號(hào)。新華社記者 張博文攝
967年，第十三屆國(guó)際計(jì)量代表大會(huì)決定將秒的定義從天文秒改為原子秒，將銫-133原子無(wú)干擾的基態(tài)超精細(xì)能級(jí)躍遷對(duì)應(yīng)輻射的9192631770個(gè)周期所持續(xù)的時(shí)間定為1秒，也就是說(shuō)，將銫-133原子發(fā)出的輻射振動(dòng)9192631770次所持續(xù)的時(shí)間定為1秒，稱(chēng)作國(guó)際單位制秒。
這一決定標(biāo)志著原子時(shí)的正式確立，并為后續(xù)的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
值得一提的是，為了實(shí)現(xiàn)我們國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的自主校準(zhǔn)，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心以張首剛研究員為代表的科學(xué)家們長(zhǎng)期扎根西部，甘于寂寞，攻關(guān)十余年，成功研制高穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行冷原子銫噴泉基準(zhǔn)鐘，把我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的偏差從100納秒減小到5納秒內(nèi)。
一分鐘為什么會(huì)變成59秒？
以地球自轉(zhuǎn)為參考的世界時(shí)，一直是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生的重要參數(shù)之一。一天被分為24小時(shí)，1小時(shí)60分鐘，一分鐘60秒，世界時(shí)刻反映了地球相對(duì)于宇宙背景的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，這是很重要的。
而采用原子時(shí)是一種非常準(zhǔn)確、不變的時(shí)間定義方法，但它也帶來(lái)了一個(gè)令人不安的后果：原子時(shí)與地球自轉(zhuǎn)定義的世界時(shí)不太匹配。
原子時(shí)與世界時(shí)之間的差異。圖片來(lái)源：文獻(xiàn)[1]
幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，時(shí)間測(cè)量的穩(wěn)定度不斷提高，使我們能夠看到地球的自轉(zhuǎn)速度并不恒定，這就會(huì)使原子時(shí)和世界時(shí)之間產(chǎn)生差異。
為了兼顧這兩種需要，便引入了協(xié)調(diào)世界時(shí)（Coordinated Universal Time, UTC）系統(tǒng)。當(dāng)國(guó)際原子時(shí)與世界時(shí)的時(shí)刻相差達(dá)到0.9秒時(shí)，就需要對(duì)協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）進(jìn)行調(diào)整，即增加或減少1秒，以盡量接近世界時(shí)，這就是所謂的閏秒（負(fù)閏秒，后一分鐘為59秒；正閏秒，后一分鐘為61秒）。這種添加閏秒的世界時(shí)就是協(xié)調(diào)世界時(shí)，也稱(chēng)世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，是目前使用廣泛的時(shí)間系統(tǒng)。
自1972年UTC正式使用至今以來(lái)，地球自轉(zhuǎn)一直處于不斷減慢的趨勢(shì)，協(xié)調(diào)世界時(shí)已經(jīng)添加了27個(gè)閏秒，均為正閏秒。然而，自2020年年中以來(lái)，地球自轉(zhuǎn)速率呈現(xiàn)加快趨勢(shì)。
因此科學(xué)家估計(jì)，在2029年，人類(lèi)可能就需要首次減少1秒為“負(fù)閏秒”，對(duì)應(yīng)的1分鐘只有59秒，來(lái)保持原子鐘時(shí)間與地球自轉(zhuǎn)周期的同步。
地球自轉(zhuǎn)速度為何不恒定？
在千年的時(shí)間尺度上，地球自轉(zhuǎn)速度的變化受三個(gè)地球物理過(guò)程的影響。
首先，海水和海底之間的摩擦?xí)饾u消耗地球自轉(zhuǎn)的動(dòng)能，從而減緩地球的自轉(zhuǎn)速度，這就是所謂的潮汐效應(yīng)。
其次，由于冰期后回彈，地球形狀會(huì)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(zhuǎn)速度。這類(lèi)似于滑冰運(yùn)動(dòng)員在旋轉(zhuǎn)時(shí)將手臂向身體兩側(cè)平伸以減速旋轉(zhuǎn)的原理。
后，地球內(nèi)部的一些過(guò)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(chǎng)變化和地幔對(duì)流，也會(huì)導(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)速度產(chǎn)生變化。
根據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）和國(guó)際地球自轉(zhuǎn)和參考系統(tǒng)服務(wù)（IERS）的數(shù)據(jù)，地球的自轉(zhuǎn)速度確實(shí)在緩慢減慢。研究表明，地球自轉(zhuǎn)周期每個(gè)世紀(jì)增加大約1.8毫秒。雖然這個(gè)變化看似微小，但在長(zhǎng)時(shí)間尺度上，其累積效應(yīng)卻非常顯著。
例如，古代天文學(xué)家記錄的日食時(shí)間與我們今天計(jì)算的時(shí)間存在顯著差異。2500年前（大約春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期）觀測(cè)到的日食時(shí)間與現(xiàn)代時(shí)鐘相比，時(shí)鐘誤差約為4小時(shí)。
原本，科學(xué)家預(yù)計(jì)由于這些地球物理過(guò)程的作用，地球自轉(zhuǎn)速度的減緩將使得首個(gè)“負(fù)閏秒”在2026年到來(lái)。
然而，衛(wèi)星測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，從1986年開(kāi)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(dǎo)致海平面加速上升，進(jìn)一步減緩了地球自轉(zhuǎn)速度。由于冰蓋融化和海平面上升的雙重效應(yīng)，地球的慣性矩增加，自轉(zhuǎn)速度變得更慢，從而推遲了負(fù)閏秒的到來(lái)。
極地冰層融化并向赤道移動(dòng)，減緩了地球的自轉(zhuǎn)速度。圖片來(lái)源：文獻(xiàn)[3]
閏秒會(huì)帶來(lái)什么影響？
閏秒通常在世界協(xié)調(diào)時(shí)（UTC）6月30日或12月31日的23:59:60實(shí)施。閏秒的調(diào)整對(duì)日常生活的直接影響較小，人們往往感受不到閏秒所帶來(lái)的變化。
但對(duì)依賴(lài)精確時(shí)間同步的技術(shù)系統(tǒng)和應(yīng)用領(lǐng)域，如計(jì)算機(jī)、金融、航空航天等領(lǐng)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(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的時(shí)間管理提出了挑戰(zhàn)。
2012年，多個(gè)大型網(wǎng)站就因?yàn)闀r(shí)間同步錯(cuò)誤，導(dǎo)致服務(wù)器崩潰，出現(xiàn)了短暫的服務(wù)中斷。2015年，閏秒再度來(lái)臨時(shí)，工程師們修復(fù)了部分2012年出現(xiàn)的問(wèn)題，但發(fā)現(xiàn)了新的問(wèn)題。又如，每次閏秒調(diào)整，GNSS系統(tǒng)需要更新時(shí)間數(shù)據(jù)，以保證授時(shí)精度。如果未能及時(shí)調(diào)整，可能導(dǎo)致導(dǎo)航電文的不準(zhǔn)確。
與傳統(tǒng)的增加一秒的閏秒不同，史無(wú)前例的負(fù)閏秒將會(huì)給許多依賴(lài)精確時(shí)間同步的系統(tǒng)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)和不確定性。計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、金融系統(tǒng)等等往往已經(jīng)設(shè)計(jì)好如何處理增加的正閏秒，但對(duì)如何處理減少的負(fù)閏秒則可能缺乏足夠的準(zhǔn)備?？茖W(xué)家們正在呼吁各界共同努力，為負(fù)閏秒的實(shí)施做好充分準(zhǔn)備，以確保全球技術(shù)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(zhuǎn)時(shí)間UT1同步，但閏秒的調(diào)整，特別是潛在的負(fù)閏秒，正不斷增加時(shí)間同步系統(tǒng)的復(fù)雜性。有人提議實(shí)施幅度更大的校正，如閏分、閏時(shí)，以將調(diào)整時(shí)間延長(zhǎng)至百年、千年；也有人建議停止校正，同時(shí)公布世界時(shí)和國(guó)際原子時(shí)之間不斷增長(zhǎng)的時(shí)刻差。
2022年第27屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)決定，遲不晚于2035年廢除閏秒，改為閏分，即允許國(guó)際原子時(shí)與世界時(shí)的時(shí)刻相差在1分鐘以?xún)?nèi)。并要求各方協(xié)商提出一個(gè)可以將“協(xié)調(diào)世界時(shí)”持續(xù)至少百年的新方案。
隨著科技的發(fā)展，新的時(shí)間同步技術(shù)會(huì)不斷涌現(xiàn)，例如更精準(zhǔn)的光鐘和更加智能的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議，都可能為解決閏秒問(wèn)題提供新的途徑。
參考文獻(xiàn)
[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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