在科学的天文时系统中,由于地球围绕太阳每天要移动一个角度,所以地球上一点两次看到太阳的时间间隔与地球自转一周的时间有一定的差别,故又严格地把地球上一点两次看到太阳的时间间隔称作一个“太阳日”;
因为地球自转、公转很多因素,每一个太阳日的时长都存在着微小差别,故把实际观测到的一个太阳日称为“真太阳日”,长期观测真太阳日时长的平均值称为“平太阳日”。
把平太阳日的1/24定义为“平太阳时”,一个平太阳时的1/3600定义为“平太阳秒”。如此定义的时间,就基本摆脱了地球自转快慢的影响。
但随着长期的天文观测,这些“平太阳”日、时、分、秒还是会有变化的。这些飘忽不定的细微变化,仍然不能给予我们判断地球自转快慢的标准。
直到1958年,也就是国际地球物理年(International Geophysical Year)期间,国际天文学联合会决定定义了“历书时”,以1900年1月0日12时整太阳回归年(通俗地说就是那一个固定的地球公转形成的年份)的1/31,556,925.9747定义为1“历书时秒”,把86400历书时秒定义为“历书时日”。
这一次定义的时间就固定了下来,不再随地球、天体的运动、观测变化,而判断地球自转快慢便也有了标准与基础。
历书时的定义,从理论逻辑上确立了判断地球自转快慢的根据,不过从实际操作上还是与天文观测有所纠缠。随着科学技术的发展,特别是原子(核)物理科学技术的发展,人类发现、掌握了越来越精确的原子核外电子跃迁辐射电磁波的稳定周期规律性。
1967年,第十三届国际计量大会定义了“原子时”:以铯原子Cs133基态两个超精细能级在海平面上零磁场下跃迁辐射震荡9192631770周所持续的时间为1秒。
这一新的定义彻底脱离了天文观测,时间的快慢与地球自转的快慢从概念到实际测定都再无关系,为判断地球自转快慢提供了从物理逻辑、实际效果到直接感觉,都客观独立的标准。
02地球的公转自转有弹性因此存在闰秒与跳秒
有了历书时、原子时这样的固定时间间隔定义,我们就可以准确客观、胸有成竹地判别地球自转的快慢了——即一天时间的长短,当然,也可以判断地球公转的快慢——即一年时间的长短。
不过,从基本概念上说,“某一年的时间少了一秒”并不能直接等价于地球自转变快了,因为这里有两种可能,或者更准确地说,是一种必然的可能——我们从历书时和原子时的定义可以看到,它们对于秒的定义都没有以保证与天文年的整数关系为基础,那么一年下来,即便地球自转、公转都完全像原子物理中能级跃迁一样稳定准确,由于每年只能取秒的整数,正如地球公转一周时间(年)不是自转一周(日)的整数倍、数年累积下来必然形成“闰年、闰月”一样,也必然产生更精细地“闰日、闰时……”。
这也是中文“闰”字的含义。从这一原意和历法道理来说,闰年、闰月只有增加“月”、“日”而没有减少的,精细到“秒”也应如此。
当然,地球公转、自转都并非严格稳定不变的。在时间的长河与宇宙的空间中,它受到各种内部、外部因素的影响,跟原子核辐射比起来,真就是有张有弛。
而当这些旋转快慢积累到一定程度,为了使计时年的起始时刻与天文(观测)年的起始时刻相差不多于1秒,也必须在前述历法与时间定义引起的闰秒之外另行再加减“秒”。
这个计时操作在英语使用的单词为“Leap”,意思是“跳跃”,计时科技中原本常将其译为“跳秒”,应该说这个翻译比较贴合原意。
不过或许由于形成的概念更加倾向于跳过、减少一秒的情况,而且在英语里对应闰年、闰月用的都是这个单词,现在多将其译称为“闰秒”。
闰秒或者跳秒一般都安排在季末进行,优先选择年末(12月31日)或者年中(6月30日)月末结束时进行。其中又分正闰秒/正跳秒与负闰秒/负跳秒两种情况,如下图所示。
通常情况下,前一日的23:59:59的结束时刻23:59:60即24:00:00就是次日的0:00:00;而在加闰秒/正跳秒过程中,月末的23:59:59结束时刻24:00:00并不是次月首日的开始时刻,而是延续1秒至23:59:60之后才是24:00:00,即0:00:00,这才是新的一日开始时刻;
反之在减闰秒/负跳秒过程中,月末23:59:58结束时刻23:59:59就是次月首日的0:00:00,即缺少了23:59:59~60这1秒,即直接在23:59:58秒结束后变成0:00:00。
03地球转快或转慢都会在人类计时工作中留下印记
秒定义脱离对地球自转的依赖距今已经有半个多世纪的时间了。为了兼顾独立稳定的物理定义与实际生活生产活动,计时工作一直都包含原子时和天文/世界时。作为国际统一的标准时间的协调世界时(UTC),就是原子时和世界时结合的产物。
这几十年来,国际计时机构一共实行了二十多次闰秒操作,确保我们所使用的的时间与地球自转速度相匹配,具体如下表。
这二十多次皆为“正”闰秒操作,就是增加一秒。可见地球自转这么多年的大趋势,总的来说还是变慢的。至于本庚子年的突然变快会不会继续下去、会不会造成“负”闰秒,还需要继续进行观测。
目前国际计时机构表示2021年6月底之前还不会进行闰秒操作,未来的地球自转是变快还是变慢,我们只有耐心地拭目以待了。
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原文链接:科普中国