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2017年1月1日稱得上是個(ge) 具有特殊意義(yi) 的新年。對於(yu) 采用東(dong) 八區作為(wei) 標準時間的中國，我們(men) 迎來了“7:59:60”的奇妙現象。這“滴答”聲中多出的一秒，就是閏秒。截至目前，全球已實施過27次閏秒，在漫長歲月流轉中，這些憑空增長（或減少）的“額外時間”到底有何實際意義(yi) ？

01 “閏秒”是怎麽(me) 產(chan) 生的？

目前科學上有兩(liang) 種時間計量係統：基於(yu) 地球自轉的天文測量而得出的“世界時”和以原子振蕩周期確定的“原子時”。簡單來說，閏秒是協調世界時與(yu) 原子時之間差異的人為(wei) 產(chan) 物。

世界時是以地球自轉為(wei) 基準得到的時間尺度。人們(men) 為(wei) 了測定地球自轉，在天球上選取了兩(liang) 個(ge) 基本參考點，分別是春分點和平太陽位置，以此確定的時間分別稱為(wei) 恒星時和平太陽時。

恒星時雖然與(yu) 地球自轉角度對應，符合以地球自轉為(wei) 基礎的時間計量標準要求，但因不便觀測不能滿足日常生活和應用需要。人們(men) 習(xi) 慣上看太陽東(dong) 升西落確定時間，但地球繞太陽公轉的軌道是橢圓形，所以真太陽周日視運動速度不均勻。為(wei) 了得到以真太陽周日視運動為(wei) 基礎而又克服其不均勻性的時間計量係統，人們(men) 引入假想參考點---平太陽。它在天赤道上做勻速運動，其速度與(yu) 真太陽的平均速度一致。以平太陽日子夜作為(wei) 0時開始的格林尼治平太陽時，稱為(wei) 世界時（Universal Time,UT）。

由於(yu) 地球是球體(ti) ，世界各地人們(men) 看到日出或正午太陽的時間並不相同。以觀測者所在地子午線為(wei) 基準測出的時間稱為(wei) 地方平太陽時，同一時刻（瞬間），地球上不同經度觀測者測出的地方平太陽時不同。導致各地時間沒有統一的標準，為(wei) 了使用方便，19世紀中葉，歐美一些國家開始采用全國統一的時間，多以本國首都或重要商埠的子午線為(wei) 標準。但隨著鐵路長途運輸和遠洋航海的發展，人們(men) 活動範圍大大擴張，國際交往時采用各自地方時間依然存在混亂(luan) 。19世紀70年代，有人提出了全世界統一標準劃分時區的建議，實行分區計時。1884年10月13日在華盛頓召開的國際子午線會(hui) 議決(jue) 定，以經過英國倫(lun) 敦東(dong) 南格林尼治的經線為(wei) 本初子午線作為(wei) 世界標準“時區”的起點，稱為(wei) 標準時。世界時區的劃分既是科學研究的需求，更是世界經濟與(yu) 政治發展的需求。

20世紀60年代以前，世界時作為(wei) 基本時間計量係統被廣泛使用，在這一計時標準下的“1天”和“1秒”有著嚴(yan) 格的換算標準：1平太陽日等於(yu) 24平太陽時，等於(yu) 86400平太陽秒。

隨著現代科技的飛速發展，人們(men) 對時間的測量精度越來越高，科學家一直在探索新的時間頻率標準，以原子振蕩周期確定的原子時應運而生。

1967年10月，在印度新德裏召開的第十三屆國際計量大會(hui) 正式把由銫原子鍾確定的原子時定義(yi) 為(wei) 國際時間標準。新秒長規定為(wei) ：位於(yu) 海平麵上的銫133原子基態的兩(liang) 個(ge) 超精細能級間在零磁場中躍遷振蕩9192631770個(ge) 周期所持續的時間為(wei) 一個(ge) 原子時秒，更大的時間單位由秒累加得到。有了秒長定義(yi) 後，將分布全球各國符合秒長定義(yi) 的多台原子鍾聯合，產(chan) 生了國際原子時（TAI）。

原子時由原子鍾生成，秒長十分穩定，能夠滿足對時間間隔均勻性要求很高的場合，但它的時刻沒有具體(ti) 的物理內(nei) 涵。世界時的時刻對應於(yu) 太陽在天空中的特定位置，反映地球在空間旋轉時地軸方位的變化。不僅(jin) 與(yu) 人們(men) 日常生活密切相關(guan) ，而且在大地測量、天文導航和宇宙飛行體(ti) 的跟蹤測量等科學技術領域中具有實際應用價(jia) 值。但由於(yu) 地球自轉速率並非十分均勻，世界時的秒長會(hui) 有微小的變化，每天的快慢差值可以達到千分之幾秒。

為(wei) 了解決(jue) 這一矛盾，國際上決(jue) 定采用一種“協調世界時（UTC）”製度來進行協調。每當地球自轉變化引起的時間誤差積累到與(yu) 原子鍾接近一秒時，就要人為(wei) 地把時鍾增加或減少一秒，從(cong) 而使UTC與(yu) 世界時重新協調一致。

協調世界時的秒長采用原子時，時刻與(yu) 世界時的偏差保持在±0.9秒之內(nei) ，當超過0.9秒時，對協調世界時實施1秒的調整，這一秒的調整稱為(wei) 閏秒。

02 閏秒對我上班打卡有啥影響？

閏秒的實施與(yu) 地球自轉周期關(guan) 聯，地球自轉變慢，則可能發生正閏秒，變快則可能發生負閏秒。實施正閏秒時，將出現23：59：60，負閏秒時23：59：58的下一秒為(wei) 0：0：0，即跳過23：59：59這一秒。

由於(yu) 潮汐和地球內(nei) 部結構導致目前地球自轉趨勢是越來越慢，相當於(yu) 世界時秒長比原子時秒長更長了，所以目前已實施的27次閏秒都是正閏秒。因此如果當正閏秒發生時，準時打卡，將顯示提前一秒到公司，若負閏秒發生時，將顯示遲到一秒。

可能大家會(hui) 好奇，閏秒發生時，自己的手表指針為(wei) 什麽(me) 沒有看到任何變化呢？

原因與(yu) 我們(men) 手表的計時原理有關(guan) 。大多數人使用的手表都屬於(yu) 電子手表、石英手表或機械手表類，計時原理是通過手表內(nei) 置振蕩器產(chan) 生均勻的秒長，然後積累秒長實現計時，手表出廠時已經被工人將手表的起始時間與(yu) 國家標準時間在時刻上對齊，人們(men) 使用一段時間後，可能會(hui) 發現手表與(yu) 國家標準時間有數秒甚至幾分鍾的偏差，這是因為(wei) 手表裏的振蕩器周期不夠準確導致，重新調整對齊時刻即可。因此普通手表的時刻是人為(wei) 調整對齊的，如果閏秒發生時，沒有人為(wei) 進行時刻對齊操作，那麽(me) 手表指針將不會(hui) 有任何變化，因振蕩器周期不夠準確，即使閏秒發生時不調整，1秒的閏秒可能淹沒在誤差中而難以被人發覺。還有一種手表是能實時或定期接收無線電信號的電波手表，將自動通過無線電波與(yu) 國家標準時間對齊，當閏秒發生時，將出現跳秒。

03 誰在需要越來越準的鍾？

隨著人們(men) 活動範圍的增加，對導航的需求越來越多、精度越來越高，無人駕駛汽車甚至需要能精確定位到米以內(nei) ，從(cong) 早期的方向判斷到現在的全球衛星導航都高度依賴於(yu) 更加精確的時間。在通信方麵，時間同步是通信係統正常工作的基礎，時間同步網的同步性能是影響高帶寬、低時延通信的關(guan) 鍵保障，也需要高精度的原子鍾和時間同步技術作為(wei) 支撐。

此外，超精密的原子鍾可以幫助科學家們(men) 探測暗物質、測量引力波，並以前所未有的精度確定地球重力場的確切形狀。

隨著原子鍾技術的發展，作為(wei) 秒長定義(yi) 的銫原子鍾的頻率準確度、穩定度性能已經落後於(yu) 微波鍾、光鍾等一到兩(liang) 個(ge) 數量級，製約了更穩定秒長的獲得。秒長定義(yi) 更新的呼聲日益強烈，光鍾很有可能成為(wei) 秒長定義(yi) 的“後浪”取代銫原子鍾。針對秒長定義(yi) 是使用某種元素的光鍾還是多類型組合的討論尚未有結論，為(wei) 此我國提前布局了多類型光鍾的研究，包括如鐿原子光晶格鍾、鈣離子光鍾、鍶原子光晶格鍾、鋁離子光鍾、鐿離子光鍾、汞原子光晶格鍾、汞離子光鍾等。

10月31日，搭載空間站夢天實驗艙的長征五號B遙四運載火箭，在我國文昌航天發射場點火發射。夢天艙載有世界上第一套由冷原子鍶光鍾等組成的空間冷原子鍾。

圖片來源：新華社（郭中正 攝）

目前，我國的光鍾研究在多領域已經達到了世界領先水平，還是世界首個(ge) 將光鍾搬上太空的國家，中國空間站上運行著世界上首台鍶原子光鍾。目前在建全球最長裏程、最高精度的光纖時頻傳(chuan) 遞網絡也將在基於(yu) 光頻躍遷的秒重新定義(yi) 中做出中國貢獻。

專(zhuan) 家：劉婭 中國科學院國家授時中心 研究員

出品：科普中國

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