你是否觉得一天的时间总是不够用?事实证明,你可能说得对。地球的旋转速度比过去半个世纪以来更快,导致我们的白天变得稍微短一些。虽然这个差异微乎其微,但对于物理学家、计算机程序员甚至股票经纪人来说,已经成为一个大麻烦。
我们的太阳系大约在45亿年前形成,当时一团密集的星际尘埃和气体在自身的引力作用下坍缩并开始旋转。正是由于角动量的存在,地球的当前旋转保留了这种原始运动的痕迹。英国国家物理实验室的高级研究科学家彼得·惠伯利解释说,角动量本质上是“旋转物体继续旋转的倾向,直到有东西主动试图停止它”。
由于这种角动量,地球已经旋转了数十亿年,我们体验到了昼夜交替。但地球的旋转速度并不总是相同。
数亿年前,地球在绕太阳公转的时间内大约进行了420次旋转;通过检查化石珊瑚的生长线,我们可以看到每一年都充满了额外的日子。尽管随着时间的推移,白天逐渐变长(部分原因是月球对地球海洋的引力使我们稍微减速),但在我们人类的观察下,地球的自转速度一直保持在约24小时,这相当于每绕太阳一周约365次旋转。
然而,随着科学家们在观察地球的旋转和记录时间方面的进步,他们意识到我们在完成一次完整旋转时经历了微小的波动。
在20世纪50年代,科学家们开发了基于铯原子中电子从高能激发态回落到正常态的原理的原子钟。由于原子钟的周期是由这种不变的原子行为生成的,因此它们不会像传统钟表那样受到温度变化等外部因素的影响。
然而,多年来,科学家们发现了一个问题:这些无可争议的稳定原子钟的时间与世界其他地方的时间略有偏差。
国家标准与技术研究所的物理学家朱达·莱文表示:“随着时间的推移,原子钟的时间与天文学测量的时间之间逐渐出现了偏差,即通过地球、月球和星星的位置来测量的时间。”简单来说,原子钟记录的一年比根据地球运动计算的同一年要快一些。为了防止这种偏差过大,1972年决定定期向原子钟添加闰秒。
闰秒的工作方式有点像我们每四年在二月末增加的闰日,以弥补地球绕太阳公转实际上需要约365.25天的事实。但与每四年稳步增加的闰年不同,闰秒是不可预测的。
国际地球自转与参考系统服务机构通过向卫星发送激光束来测量地球的旋转速度,并使用其他技术进行监测。当地球运动记录的时间接近与原子钟的时间相差一秒时,全球的科学家们会协调在6月30日或12月31日的晚上11:59:59停止原子钟整整一秒,以便天文钟赶上。就这样,闰秒就被添加了。
自1972年首次添加闰秒以来,科学家们每隔几年就会添加一次闰秒。由于地球的旋转是不规则的,伴随着间歇性的加速和减速,导致数百万年来的逐渐减速被打断。
莱文表示:“地球的旋转速率是一个复杂的过程。这与地球与大气之间的角动量交换、海洋的影响以及月球的影响有关。你无法预测未来会发生什么。”
但在过去十年左右,地球的旋转减速已经……好吧,减缓了。自2016年以来没有添加过闰秒,而我们的星球目前旋转速度比过去半个世纪以来更快。科学家们不确定原因。
莱文表示:“这种不需要闰秒的现象并没有被预测到。实际上,假设是地球会继续减速,闰秒会继续被需要。因此,这一现象非常令人惊讶。”
根据地球旋转速度的加快程度以及这一趋势持续的时间,科学家们可能需要采取行动。“目前有一个担忧,如果地球的旋转速率进一步增加,我们可能需要进行所谓的负闰秒,”惠伯利说。“换句话说,不是插入一个额外的秒让地球赶上,而是必须从原子时间尺度中去掉一秒,以使其与地球的状态保持一致。”
但负闰秒将给科学家们带来一整套新的挑战。“之前从未出现过负闰秒,担心的是必须处理这一情况的软件从未经过实际测试。”惠伯利补充道。
无论是常规的闰秒还是负闰秒,这些微小的变化实际上给电信、导航系统等多个行业带来了巨大的麻烦。这是因为闰秒以一种计算机无法处理的方式干扰时间。
莱文表示:“互联网的主要支柱是时间是连续的。”当信息没有稳定、连续的流动时,事情就会崩溃。重复一秒或跳过一秒会干扰整个系统,并可能导致数据流中的间隙。闰秒还给金融行业带来了挑战,因为每笔交易都必须有自己独特的时间戳——当23:59:59这一秒重复时,这可能会成为问题。
一些公司寻求自己的闰秒解决方案,比如谷歌的模糊处理。在闰秒日,谷歌使每一秒变得稍微长一点,而不是停止时钟让地球赶上原子时间。“这是一种方法,”莱文说,“但这与国际时间定义的标准不一致。”
从整体上看,我们讨论的实际上是非常微小的时间量——每隔几年仅一秒。你经历过许多闰秒,可能甚至没有意识到。如果我们将时间视为一种工具,以衡量我们周围世界中看到的事物,比如从一天过渡到下一天,那么可以说遵循地球运动所设定的时间而不是原子钟中电子的时间是有道理的——无论它们多么精确。
莱文表示,他认为闰秒可能不值得它们造成的麻烦:“我个人的看法是,治疗比疾病更糟。”如果我们停止调整时钟以考虑闰秒,可能需要一个世纪才能使原子钟记录的“真实”时间偏离一分钟。
尽管如此,他承认,虽然时间确实只是一个构造,是人类试图理解我们在这个奇怪宇宙中经历的事物,但“也确实有一个想法,即在中午12点,太阳在头顶。因此,尽管你不常考虑,但你确实与天文时间有联系。”闰秒只是保持这种联系的一种微小、几乎不可见的方式。