2020年开始时间少了一秒 所以地球自转变快了?真相来了
科學觀測發(fā)現(xiàn)從2020年的6月21日起,地球自轉一天的時間開始減少,比24小時要少了1.11毫秒。其中,7月19日的減幅最大,比24小時少了1.46毫秒;到了年底,減少趨勢還在繼續(xù)。對此,來自各方的議論認為,或許這種減少會不斷累計達到1秒左右。這代表地球越轉越快,日子越過越短。
2020,歲在庚子;一場大疫,席卷全球。不好的年景,大家都不約而同地期盼著時間快點過去。也是巧了,科學觀測發(fā)現(xiàn)從2020年的6月21日起,地球自轉一天的時間開始減少,比24小時要少了1.11……毫秒。
其中,7月19日的減幅最大,比24小時少了1.46毫秒;到了年底,減少趨勢還在繼續(xù)。對此,來自各方的議論認為,或許這種減少會不斷累計達到1秒左右。
與過去半個多世紀多次調頻和27次增加1秒所展現(xiàn)的地球自轉變慢相比,這一次地球自轉的“提速”,似乎也有一點天隨人愿的意思,只不過這個提速的幅度非常小。
(說明:1967年至1972年,由于地球自轉變化造成的日長變化通過調整UTC頻率方式實現(xiàn),1972年之后采用增加或減少整秒(正閏秒或負閏秒)方式進行處理)。
那么地球自轉快慢跟時間的長短有什么聯(lián)系?地球會不會越轉越快?日子會不會越過越短?萬一地球自轉達到一定程度,會對我們的生活產(chǎn)生什么影響……一些早就存在的問題,又迴繞在一些即便經(jīng)歷過風雨疫情、仍然仰望星空的人們的腦海中。
時間被定義的歷史是始于并逐漸脫離天文觀測的過程
深究我們所說的“時間”概念的含義,其實經(jīng)歷了形成、定義、演變的歷史。對于遠古的人類或者至今的動物們,時間就是日出日落,地球怎么轉都是一天,也分不出快慢來。
人類文明出現(xiàn)之后,有了文字和概念,時間“定義”里最早的單位“天/日、day”,自然就以地球的自轉為基礎,而當時還沒有其它時間標準來判斷地球自轉的快慢。
隨著文明的發(fā)展,人們對一天進行4、12、24、1440、86400種種等分,產(chǎn)生了時辰、小時、時刻、分、秒等概念,這些概念都是基于地球自轉形成的晝夜循環(huán),而一年也計數(shù)為整數(shù)的“天”,自然不會存在地球自轉也就是“天”與時間快慢的問題。
隨著科技文明的發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn)了其它重復性好的自然周期現(xiàn)象,掌握了越來越細密的計測技術,通過例如單擺、天文觀測等,終于發(fā)現(xiàn)、發(fā)展形成了時間與恒星重復不完全一致的認識。
但在現(xiàn)代科學形成的相當一段時間內,時間定義的標準還是以天文觀測為基準的,即以一“日”為基準,等分以后得到時、分、秒等單位。只不過對一“日”進行了進一步的抽象定義,這樣定義的時間系統(tǒng)稱為“天文時(間)系統(tǒng)”。
在科學的天文時系統(tǒng)中,由于地球圍繞太陽每天要移動一個角度,所以地球上一點兩次看到太陽的時間間隔與地球自轉一周的時間有一定的差別,故又嚴格地把地球上一點兩次看到太陽的時間間隔稱作一個“太陽日”;
因為地球自轉、公轉很多因素,每一個太陽日的時長都存在著微小差別,故把實際觀測到的一個太陽日稱為“真太陽日”,長期觀測真太陽日時長的平均值稱為“平太陽日”。
把平太陽日的1/24定義為“平太陽時”,一個平太陽時的1/3600定義為“平太陽秒”。如此定義的時間,就基本擺脫了地球自轉快慢的影響。
但隨著長期的天文觀測,這些“平太陽”日、時、分、秒還是會有變化的。這些飄忽不定的細微變化,仍然不能給予我們判斷地球自轉快慢的標準。
直到1958年,也就是國際地球物理年(International Geophysical Year)期間,國際天文學聯(lián)合會決定定義了“歷書時”,以1900年1月0日12時整太陽回歸年(通俗地說就是那一個固定的地球公轉形成的年份)的1/31,556,925.9747定義為1“歷書時秒”,把86400歷書時秒定義為“歷書時日”。
這一次定義的時間就固定了下來,不再隨地球、天體的運動、觀測變化,而判斷地球自轉快慢便也有了標準與基礎。
歷書時的定義,從理論邏輯上確立了判斷地球自轉快慢的根據(jù),不過從實際操作上還是與天文觀測有所糾纏。隨著科學技術的發(fā)展,特別是原子(核)物理科學技術的發(fā)展,人類發(fā)現(xiàn)、掌握了越來越精確的原子核外電子躍遷輻射電磁波的穩(wěn)定周期規(guī)律性。
1967年,第十三屆國際計量大會定義了“原子時”:以銫原子Cs133基態(tài)兩個超精細能級在海平面上零磁場下躍遷輻射震蕩9192631770周所持續(xù)的時間為1秒。
這一新的定義徹底脫離了天文觀測,時間的快慢與地球自轉的快慢從概念到實際測定都再無關系,為判斷地球自轉快慢提供了從物理邏輯、實際效果到直接感覺,都客觀獨立的標準。
地球的公轉自轉有彈性因此存在閏秒與跳秒
有了歷書時、原子時這樣的固定時間間隔定義,我們就可以準確客觀、胸有成竹地判別地球自轉的快慢了——即一天時間的長短,當然,也可以判斷地球公轉的快慢——即一年時間的長短。
不過,從基本概念上說,“某一年的時間少了一秒”并不能直接等價于地球自轉變快了,因為這里有兩種可能,或者更準確地說,是一種必然的可能——我們從歷書時和原子時的定義可以看到,它們對于秒的定義都沒有以保證與天文年的整數(shù)關系為基礎,那么一年下來,即便地球自轉、公轉都完全像原子物理中能級躍遷一樣穩(wěn)定準確,由于每年只能取秒的整數(shù),正如地球公轉一周時間(年)不是自轉一周(日)的整數(shù)倍、數(shù)年累積下來必然形成“閏年、閏月”一樣,也必然產(chǎn)生更精細地“閏日、閏時……”。
這也是中文“閏”字的含義。從這一原意和歷法道理來說,閏年、閏月只有增加“月”、“日”而沒有減少的,精細到“秒”也應如此。
當然,地球公轉、自轉都并非嚴格穩(wěn)定不變的。在時間的長河與宇宙的空間中,它受到各種內部、外部因素的影響,跟原子核輻射比起來,真就是有張有弛。
而當這些旋轉快慢積累到一定程度,為了使計時年的起始時刻與天文(觀測)年的起始時刻相差不多于1秒,也必須在前述歷法與時間定義引起的閏秒之外另行再加減“秒”。
這個計時操作在英語使用的單詞為“Leap”,意思是“跳躍”,計時科技中原本常將其譯為“跳秒”,應該說這個翻譯比較貼合原意。
不過或許由于形成的概念更加傾向于跳過、減少一秒的情況,而且在英語里對應閏年、閏月用的都是這個單詞,現(xiàn)在多將其譯稱為“閏秒”。
閏秒或者跳秒一般都安排在季末進行,優(yōu)先選擇年末(12月31日)或者年中(6月30日)月末結束時進行。其中又分正閏秒/正跳秒與負閏秒/負跳秒兩種情況,如下圖所示。
通常情況下,前一日的23:59:59的結束時刻23:59:60即24:00:00就是次日的0:00:00;而在加閏秒/正跳秒過程中,月末的23:59:59結束時刻24:00:00并不是次月首日的開始時刻,而是延續(xù)1秒至23:59:60之后才是24:00:00,即0:00:00,這才是新的一日開始時刻;
反之在減閏秒/負跳秒過程中,月末23:59:58結束時刻23:59:59就是次月首日的0:00:00,即缺少了23:59:59~60這1秒,即直接在23:59:58秒結束后變成0:00:00。
地球轉快或轉慢都會在人類計時工作中留下印記
秒定義脫離對地球自轉的依賴距今已經(jīng)有半個多世紀的時間了。為了兼顧獨立穩(wěn)定的物理定義與實際生活生產(chǎn)活動,計時工作一直都包含原子時和天文/世界時。作為國際統(tǒng)一的標準時間的協(xié)調世界時(UTC),就是原子時和世界時結合的產(chǎn)物。
這幾十年來,國際計時機構一共實行了二十多次閏秒操作,確保我們所使用的的時間與地球自轉速度相匹配,具體如下表。
這二十多次皆為“正”閏秒操作,就是增加一秒??梢姷厍蜃赞D這么多年的大趨勢,總的來說還是變慢的。至于本庚子年的突然變快會不會繼續(xù)下去、會不會造成“負”閏秒,還需要繼續(xù)進行觀測。
目前國際計時機構表示2021年6月底之前還不會進行閏秒操作,未來的地球自轉是變快還是變慢,我們只有耐心地拭目以待了。
總結
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