你有没有想过,我们每天说的"一天24小时",其实并不总是等于86400秒?
闰年你肯定熟悉——每四年二月多出一天,因为地球绕太阳一圈大约是365又四分之一天。如果不补上这一天,春分秋分、夏至冬至这些标记季节开始的节点就会慢慢往后漂,季节和日期就对不上了。
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闰秒的逻辑和闰年很像,只不过它对齐的不是地球公转,而是地球自转。
但这件事,可能很快就要画上句号了。
一天曾经就是地球转一圈
几千年来,"一天"的定义非常朴素:地球完整自转一圈,就是一天。
问题是,地球的自转并不完全均匀。为了让计时更精确,现代计时系统已经不再拿地球自转当基准了。这个切换,制造了一个矛盾:过去定义的一秒,和今天定义的一秒,不是同一个东西。
时间一长,现代时间系统就会和地球的实际运动差上几秒。为了解决这个问题,计时人员用上了"闰秒"——就像闰年让日历和地球公转保持对齐一样,闰秒让我们的计时和地球自转保持对齐。
不过到了2026年10月,一个负责计时管理的国际组织可能会改变添加闰秒的策略。
作为一名空间科学家,我知道测量时间对物理研究有多根本。物理学家测量的精度,正是随着我们测量时间的方式一起进步的。
秒是怎么被"切"出来的
人类用来测量时间的系统,在过去几个世纪里一直在演化。
24小时制的源头可以追溯到公元前两千纪,古埃及人把白天和夜晚各分成12份。由于一年中昼夜长短会变,每一份"白天小时"和"夜晚小时"的长度其实也不一样。
公元前二世纪,希腊天文学家喜帕恰斯采用了一套24等分小时的系统来做天文计算。
把一小时分成60分钟、一分钟分成60秒,根源同样在天文学。60进制可以追溯到美索不达米亚的苏美尔和巴比伦文明。60这个数字特别方便,因为它能被均匀地分成更小的部分。
公元150年前后,希腊天文学家托勒密在测量行星运动时采用了60进制。他把每个角度单位分成60份,再把每一份分成60个更小的份。在拉丁语里,这两级后来被称为partes minutae primae,即"第一小份",以及partes minutae secundae,即"第二小份"。这套系统最终演化出了"分钟"和"秒"这两个词。
几个世纪后,随着机械钟越来越精确,这些天文学上的细分方式也被用到了计时上。按照托勒密及其后继者设计的体系,一个平太阳日被分成24小时,乘以每小时60分钟,再乘以每分钟60秒,得到86400秒。
但真正把时间测到"秒"这个精度,要等到1657年惠更斯发明摆钟。在摆钟里,一个悬挂的重物以稳定的速率来回摆动。只要把地球引力的差异考虑进去,所有长度相同的摆,完成一次摆动的时间都一样。这提供了一种标准化的时间测量方式。
从摆钟到铯原子
沿着摆钟的思路,科学家又花了三个世纪,开发出能精确、标准化测量时间的系统,让全世界的钟都能显示同一个时间。在这个过程中,"秒"的定义改了好几次。最终,答案落在了铯原子上。
1967年,国际计量大会——一个制定测量标准的政府间组织,如今有100多个成员国——采用了一个基于铯-133原子的新定义。
铯-133原子的行为就像一台极其精确的钟。当原子在两个特定能态之间切换时,会产生辐射,这种辐射像摆一样振荡,速率异常稳定。科学家把1秒定义为这种振荡正好发生9192631770次。
协调世界时(UTC)就是基于使用铯-133的原子钟。这样一来,基于地球自转的时间尺度UT1,就可能相对UTC发生漂移。
这种偏差既反映了地球自转速度的短期不规则,也反映了一个非常缓慢的长期趋势:地球自转在变慢,主要原因是月球引力对地球海洋的拉扯。
86400个原子秒和地球自转一天之间的差距,不到4毫秒。这个数字看起来很小,但一年累积下来,就能攒到相当可观的一小部分秒。
自1972年以来,计时人员已经向UTC添加了27个正闰秒,间隔非常不规律。他们的目标是把UTC和UT1之间的偏差控制在0.9秒以内。最后一次添加闰秒是在2016年底。
闰秒为什么让电脑头疼
每隔一段时间就给时钟加一秒,会干扰高精度的计算机系统。很多计算机操作系统默认一天就是86400秒,时间应当以可预测、单调递增的方式前进。而添加闰秒同时打破了这两个假设。在添加闰秒的那一天,时钟会在指定时刻跳变一秒,这一天就变成了86401秒。
2012年6月30日添加闰秒后,Reddit就经历了一次宕机。Linux内核和一些基于Java的应用等其他系统也受到了影响。
正因为有这类事件,包括谷歌和Meta在内的许多知名科技公司采用了"抹平"(smearing)的做法:把多出来的这一秒在一段较长时间里逐渐分摊掉,而不是一次性插入一秒的跳变。
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