24小时天文课

00:00 61秒的一分钟 你还记得自己在2016年12月31日23点59分的时候做了什么吗？很可能是慌忙地从睡梦中醒来，急切等待着进入2017年的倒数计时。 十，九，八，七，六，五，四，三，二，一，零……新年快乐！和其他千百万人一样，你飞快地在手机上敲击打字，向朋友们发送新年的祝福。然而，这一年来得有些早。准确地说，是早了1秒钟。实际上，2016年的*后一分钟藏着一个陷阱。它的特别之处在于这一分钟比平常的时间多出1秒—不是60秒，而是61秒。正确的新年倒计时方法应该是数两遍“零”。 是什么神秘的原因让这一分钟比其他时间更长，变得如此与众不同？又是谁决定在这一年的*后一分钟加上额外的1秒？ 是几个在巴黎工作的人，确切地说是在巴黎的国际地球自转和参考系服务处（IERS）工作的人。这几个人肩负重任，确保我们的手表和时钟保持准确，免于在分秒间产生偏差。他们的工作内容就是：一旦国际地球自转和参考系服务处决定增加1秒钟，他们就会在12月31日或者6月30日的23：59：59后将时间计数为23：59：60，在此之后时钟才会显示为00：00：00。 时间就是这样在不经意间增加了1秒钟。这让我想起一部由非洲童话改编的动画片—《叽里咕噜历险记》，其中的片头歌曲中有一句歌词：叽里咕噜并不高，胆子可不小。我们所说的这一闰秒就可以叫作“叽里咕噜的一秒”—自1972年以来，已经出现了27个这样的闰秒——以此校正标准时间。正因如此，太阳才能在正午时分升到天空顶端。如果没有闰秒，太阳总有一天会在我们手表指针还在半夜时就升上天空：积少成多，分秒相加就会造成巨大的差异。 要理解闰秒的产生就必须知道时间是如何测量的。时间是一个永恒的问题。从实际的角度看，我们并不需要知道什么是时间，重要的是知道几点几分。对于人类而言，不论一件事是否有历史意义，记录时间都是非常重要的。记录时间可以让人们创造一段完整的历史，使人彼此相见，避免因为迟到而错过见面，还能测量或比较每段时间的长短，或者庆祝新年的到来。不论是对我们的文化还是历史，对个人、群体或是整个人类，时间的记录都必不可少。 测量时间需要以*精确的方式将每分每秒尽可能划分到*小单位。周而复始的自然现象构成了时间的**层划分，*简单的例子就是地球自转，它的时长是通过太阳从同一方向连续升起的周期测量得出的。地球自转这个现象能够帮助我们定义一天有24个小时，每个小时有60分钟（parsminutaprima），意为“每小份的**个”。 每分钟还会被划分成60等份，每份1秒钟（parssecundaminuta），意为“每小份的第二个”。“分钟”和“秒”这两个词在中世纪拉丁语中就已出现。1天也被定义为86400秒（一天有24小时，1小时有60分，1分有60秒，即60×60×24＝86400），这是基本的时间单位，这个时间单位将全部的秒数相加，以秒来衡量时间。这种方法是通过一个振荡器和用于计数振荡次数的设备实现的。 比如，一个基本的振荡器由摆垂构成，这个摆垂围绕一个指定的位置摆动。把一个小小的钢球或者铜球系在1米长的绳子一端，然后将它放在初始位置后松手，摆垂就会开始运动，每次摆动的时间是1秒，这不是非常奇妙吗？ 从摆垂开始运动起，只要计数小球摆动的次数就可以知道时间过去了多久。次数多少取决于连接小球的绳子长短。实际上它的长度不是1米而是993.93毫米，而且测量地点必须在巴黎，此时小球在24小时内摆动86400次。如果是在赤道，小球摆动一次的时间要比在巴黎摆动一次的时间长0.0015秒，在24小时内只能摆动86271次，这是因为地球在赤道对摆垂的引力更小，完成一次摆动需要的时间更长。为了使小球完成86400次摆动，我们需要将绳子的长度减少3毫米。 这种方法简单而且十分精确，能够同时定义以秒计算的时间单位和长度单位，这里所说的长度单位就是小球每摆动1秒所对应的绳子的长度。早在1670年，巴黎天文台杰出的天文学家阿比·皮卡德（abbéPicard）就曾提出这一方法。直到1672年，在前往卡宴1的一次天文探测中，人们才发现这一现象，小锤在赤道摆动1秒所对应的绳子长度需要减少3毫米。这一发现否定了此前“绳摆长短标准具有普适性”的观点。 在之后的一个世纪，为了更接近于摆垂每秒运动的长度，人们在1799年采用了新的长度单位—米，即1米等于通过巴黎的地球子午线的1/40000000。换句话说，我们取1/4巴黎子午线的长度，也就是这条经线上赤道到极点的距离，把这一长度分成1000万等份，每份就是1米，而且这1米非常接近摆垂每秒运动对应的长度。这也是地球周长非常接近于4000万米的原因。 1秒、2秒、3秒……为了测量连续时间内的摆动次数，摆垂必须是一个非常精密的系统。尽管如此，我们还是无法计数低于几分之一秒的时间。因此，为了提高时间测量的精度，就需要装配一个更快的振荡器，使它可以在1秒内摆动更多次，这和用刻度尺测量长度是同样的道理。刻度尺通常会精确到毫米，如果需要读到1/10毫米，就需要借助于游标卡尺。我们会发现，一旦需要更精确的刻度，测量的难度就会增加。此外，将1秒钟具体化的关键因素—摆垂长度，也会由于温度和压强的条件而产生变化。因此这并不是一个非常可靠的设备，所以这也是17世纪末和18世纪初的时钟需要经常（一般是每两天）校准的原因。然而到了20世纪初，一个新的问题出现了，地球的转速毋庸置疑地越来越慢，而自转愈加缓慢的直接后果就是一天的时间逐渐变长。此外，地球自转放缓并不明显，但会随着时间的增加逐渐显露出来。因此，从1680—1880年，一天增加了0.0034秒（3.4毫秒），所以我们不能将一天视为86400秒，否则1860年的1秒就会比1680年的1秒更长。这也是在1956年人们对秒做出新定义的原因。 为此，人们使用了另一种周期性的天文现象：地球围绕太阳的运动，换言之就是一年。年的种类有很多，这里选择的是回归年。如果不事先说明的话，这个定义可能会让部分读者感到些许困惑。在他们眼中，还有另一个更长但并不难理解的解释。我们可以关注这四个时间段的平均值：相邻的两个春分日之间的天数（365.242374…天），相邻的两个夏至日之间的天数（365.241626…天），相邻的两个秋分日之间的天数（365.242018…天），相邻的两个冬至日之间的天数（365.242740…天），计算这四个时间段的平均值，就可以得到回归年，约365.242189…天。这个平均值从2000年1月1日起生效，随着时间的增长以0.5秒每世纪的速度减少。 尽管如此，这也比说“回归年即平太阳1从春分点出发，做360°运动所需的时间”要更容易理解。1900年1月1日起算的回归年共365.242198…天，即31556925.9747秒（略高于3100万秒）。因此人们将1900年的1秒定义为1个回归年等分为31556925.9747份的时间。与摆垂借助地球自转的原理测量秒一样，这种新的秒数计算基于地球公转，在实践中进行测量也十分困难。 从这个角度讲，我们有两种时间的范畴。一种和地球自转有关，1884年以来被称为格林尼治标准时间（GMT）；另一种和地球轨道运动有关，被称作历书时（ET），然而历书时的1秒钟相对更短。实际上，大约从20世纪50年代初，英国和美国的实验室已经*早启用了原子钟，这一举动如同在时间领域投下一枚“原子弹”。当时的天文学家尚且是时间的主宰者，定义秒的工作原本由他们负责。*终，天文学家还是在物理学家和原子面前低下了头。 你是否记得前文提到，测量时间需要一个振荡器。振荡器速度越快，测量的精准度就越高。我们通过计数每秒振荡的次数来判断振荡器的频率，单位为赫兹。摆垂每秒钟摆动一次，其频率为1赫兹。不过这些还不够，还需要始终确保振荡器在相同时间内的频率保持高度一致，不会随着时间变化发生改变，其中存在一个问题：摆垂频率会因为温度不同而产生轻微的变化。 直到1918年，新的振荡器才出现，这就是石英振荡器。它的频率非常稳定，而且可以通过适宜的切割方式调节振荡频率。通常情况下石英振荡器每秒振荡32768次，即32768赫兹。这个频率可以借助二分频电路实现15次二分频，以此获得每秒1次的脉冲。尽管如此，石英振荡器在稳定性上仍然有一些小问题，但误差比摆垂要小得多。摆垂在24小时后就会有1秒的偏差，而石英振荡器 产生同样的误差需要1000年。为了尽可能保持频率精确，我们就需要对振荡器进行实时控制。比较振荡器的频率和摆垂的频率就可以知道原子钟的优势所在。原子钟的频率可以通过原子核内部电子的振动频率测得，它利用的是铯133原子，振动频率接近于100亿次每秒，并且永不改变，具有很高的准确性。正因为可以通过原子来控制振荡器的频率，所以原子钟在准确性上达到了史无前例的高度。从1967年起，这样的精确度就已经达到3万年才出现1秒的偏差。到了今天，出现这一偏差的时间已经延长到300万年。因此，在1967年，“秒”又有了新的定义。但是，新的秒数即原子秒，需要从1900年1月1日起与历书秒对应，而历书秒的概念来源于1820年提出的平太阳，这样就导致不同的时间范畴之间还是有差异。 原子秒又带来了一个新的时间范畴：国际原子时（TAI），这个概念在1971年被采纳为标准。原子秒如今被定义为“铯133原子在基态1下发生9192631700次能级跃迁2所用的时间”。简单来说，铯原子振动90亿次左右的时间就是1秒。 今天的秒更适合用来定义物理单位，从1983年开始秒被用来定义长度单位—米。这正是三个世纪前皮卡德想做的事情，用摆垂测得的秒来定义米。现在的米是指光在真空中1/299792458秒通过的距离。每个时间范畴都需要确立一个基准，因此，人们规定国际原子时间与世界时（基于地球自转并被命名为UT）于1958年1月1日0时0分取相同值。 我们已经谈到了三个时间范畴：世界时，历书时和国际原子时。这已经包含很多内容了。这里顺便提出，需要注意国际原子时间的缩写为TAI而不是IAT1，因为是法国负责维护这一时间范畴的数据，更准确地说是国际计量局（BIPM）负责。历书时和国际原子时完全一致，二者关系早已众所周知，今天的历书时是由国际原子时加上32.184秒得来的。不要费力去理解为什么在这两个时间范畴之间有32秒的差异，事实就是这样。这也说明一旦你用国际原子时记录一件事情发生的时间，那么对应的历书时［我们今天也叫地球时（TT）］就需要加上32秒。 相反，世界时和国际原子时并不是一回事。由于世界时和地球自转有关，而地球自转的速度越来越慢，但国际原子时的运转速率几乎保持不变，所以二者的差异也逐渐增加。然而，人们的生活却受到自然周期的影响—比如昼夜交替。我们的手表依据的不是国际原子时，而是一种本身和地球自转有关的周期。怎样才能找到一个既遵循无形抽象的国际原子时，又符合世界时的时间呢？ 再创造一个新的时间范畴，就是第四种了！这个新的时间叫作“协调世界时”（UTC），这一概念在1965年被正式引用。协调世界时和国际原子时之间有一定秒数的差异，二者的差值始终低于0.9秒，闰秒就是这样出现的，这一时间系统从1972年1月1日起生效。协调世界时就是我们手表或电脑上的时间（几乎完全相同，但后文会继续讨论），我们的生活受到它的影响。 国际原子时的标准非常精确并且稳定。协调世界时既可以和地球自转保持同步，又能够以近似0.9秒的差异和国际原子时保持内部一致性。因此协调世界时和国际原子时只有微小的差异，这种差异就是闰秒，也就是前文所说的“叽里咕噜秒”，我们在考虑地球自转变缓时就需要将这种差异计算在内。一旦协调世界时（接近于国际原子时的范畴）和世界时（与地球自转有关的范畴）的差值超过 0.9秒，我们就需要给6月或12月*后一天的*后一秒再加一秒。这样看来，协调世界时似乎更应该叫“调解世界时”，因为这个时间范畴独有的功能就是调解两种完全不同且差异日渐增大的时间，甚至是让它们和解。或者说，这是让天文学家和物理学家和解，让古老和现代的时间掌控者和解。 地球自转正以一定的速度减缓，以至于每个世纪以每天1.7毫秒的速度缓慢地增加。 怎样把增加的秒数计入时间里呢？要得到这一结果，我们就需要给出必要的天数，以便把1秒钟精确地加在某一天的时间里。很简单，0.0017秒的另一个相对概念就是588天（计算一下，588×0.0017大约就是1秒！），也就是近20个月。我们把时间再推进一个世纪，现在是公元2100年，地球仍然保持着相同速度的减缓运动，一天的时间比1900年增加了0.0034秒。换言之，0.0034秒累计为1秒需要294天，所以我们大约需要每10个月增加1秒。到了公元2400年，这个频率就将变成大约每4个月增加1秒。在588个世纪后，每一天会比前一天增加1秒，即每天的时间将为86401秒，每天都会增加一个闰秒！不过地球自转的减缓速度并不固定，因此我们无法预料增加闰秒的具体日期。 我们知道闰秒增加的频率会越来越高，这也是它会长期存在的原因之一。2003年在都灵举办的国际电信联盟（ITU）大会上，人们**次提出了闰秒的问题。正是这微不足道的闰秒导致与协调世界时同步的电脑出现系统错误，而闰秒的规律也难以捉摸，因此反对它的呼声越来越高。2015年举办的国际电信联盟大会做出了决议，结果是暂时不做结论，并决定将闰秒去留的时间推迟到2023年。 毋庸置疑，一定会有人问道，这样精确测量时间的好处何在。因为有了原子钟，时间可以精确到1/1000000000秒，这使得秒成为所有时间单位中定义*精确的单位。因此，人们尝试将其他基本单位与这一时间单位联系起来。我们以长度单位—米为例，今天它的概念仍然和铯原子通过光速的振荡频率有关。因此从1983年以来，米的概念就被定义为“光在真空中1/299792458秒通过的距离”。你会从中发现，光的速度直接被定义为每秒299792458米，这样一来就不涉及测量的问题，至少不会再触及米或秒的定义，除非米或者秒的定义再次被改变。 实际上，在如今的社会中，日益发达的国家经济的确需要这样的精确度。当你使用智能手机查询自己在地球上的位置或者选择路线时，你需要连接到卫星网络（通常是GPS）。这些卫星网络利用GPS系统时间的精确性，可以将你的坐标定位在只有几米的误差范围内。时间的精确性对所有需要具备良好同步性的系统来说同样至关重要，比如金融市场、航空、铁路运输、电子通信和无线电脉冲定位……现代社会是一个具有同时性的社会，精确的时间已经变成这个社会的基本要求，而其中永恒的主题就是“实时”的知识和信息。