2021是地球转得最快的一年,这让科学家们很头大

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根据 Time and Date 网站的数据,由于地球自转速度变快,2021 年的平均单日时长实际上比标准的 24 小时少了 0.18 毫秒。而预测显示,2022 年的平均单日时长减少幅度更大,为 0.23 毫秒,未来的日子要过得更快了。弥补这些“损失”的时间,对科学家来说可能是个重大的挑战。

是不是老感觉一天时间不够用?事实证明,你可能是对的。与半个世纪前相比,地球自转的速度变快了,这导致我们现在的日子要比以前短了那么一点点。尽管差异微乎其微,但却让物理学家、计算机程序员、甚至股票经纪人头疼不已。

地球为何自转
我们的太阳系形成于约 45 亿年前。当时,一片致密的星际尘埃和气体云原地坍缩,开始自转。由于角动量的作用,我们的地球如今在自转中仍保留有最初这一运动开始的痕迹——“自转物体倾向于继续自转,直到外力迫使它停下来。”英国国家物理实验室(National Physical Laboratory, UK)的彼得·惠博利(Peter Whibberley)如此解释道。

角动量让地球持续自转了数十亿年,我们如今才能经历日与夜。但是,地球自转速度并不总是保持不变的。

几千万年前,地球绕行太阳一周的同时,能够完成 420 圈自转。通过检验珊瑚化石的生长线,我们能找到证据,证明过往的地球上每一年都被比现在要多的天数塞满了。随着岁月流逝,尽管白天越来越长(部分原因是月亮牵引地球潮汐,让地球自转速度变慢了一些),但人类观察到,地球自转满一圈的时间稳定维持在 24 小时左右。也就是说,地球绕太阳公转一周,能够完成的自转圈数是 365 圈。

随着科学家对地球自转的观测和对时间的追踪越来越精准,他们意识到,地球完整自转一圈的时长存在波动。

追踪时间的新方式
20 世纪 50 年代,科学家研发出了原子钟,根据铯原子的电子从高能激发态落回至基态来计算时间。这种原子行为永恒不变,产生了原子钟周期。因此,原子钟不像传统时钟那样受温度变化等外部因素的影响。

尽管如此,多年之后科学家还是发现了问题:无懈可击超稳定的原子钟与这个世界上的其他时钟产生了轻微的偏移。

“随着时间流逝,原子钟显示的时间和天文学测量的时间逐渐拉开差距,后者根据地球、月球和恒星的位置测量所得。”美国国家标准技术研究所(National Institute of Standards and Technology)的物理学家犹大·莱文(Judah Levine)说。基本上,原子钟记录的一年要比根据地球运动算出的一年快一些。“为了避免两者之间的差距过大,1972 年,科学家决定定期给原子钟增加闰秒。”莱文补充道。

闰秒的作用类似于每四年一次的闰二月,因为地球绕太阳公转一圈实际上需要 365.25 天。但是,不同于以每四年一次的固定频率出现的 2 月 29 号,闰秒周期无法预测。

国际地球自转和参考系服务(International Earth Rotation and Reference Systems Service)正在密切关注地球的自转速度。他们通过向卫星发送激光束,并结合其他技术手段对此进行测量。当地球的自转运动比原子钟同步测量的时间慢一秒时,全球科学家会在 6 月 30 日或者 12 月 31 日晚上 11:59:59 协同操作,让原子钟停一秒,好让天文钟赶上这一秒。这就是闰秒。

意外变化
科学家第一次加闰秒是在 1972 年,自此,这成为了一个每隔几年就会出现的操作。这无法被规律性地添加,因为地球自转并不稳定,时而加速,时而减速,打破了这颗星球几百万年来逐渐减速的趋势。
地球自转速度相当复杂。地球表面的空气会在地球自转时受到摩擦和山脉的作用,与地球之间产生转动力矩,形成大气角动量从而带来影响。此外,自转还会受海洋和月球的影响。莱文解释道,“你无法准确预测遥远的未来会怎样。”

但过去十多年,地球自转减速的步调也减速了,2016 年后科学家们就再也没加过一次闰秒。而现在,地球自转比 50 年前更快了,科学家却不确定其中原因。

“我们没有预测到不需要闰秒的情况。”莱文说,“事实上,我们原本假设的是地球自转持续减速,我们需要继续添加闰秒。所以,(地球自转变快)这样的结果我们也很震惊。”

闰秒惹的祸
科学家们即将采取的行动,取决于地球自转加速会有多快,这一趋势又会持续多久。“有人担心,如果地球自转进一步加速,那就可能需要添加所谓的负闰秒。” 惠博利说,“换言之,不是给原子钟添加一秒让地球赶上,而是必须在原子尺度上减去一秒,反过来跟上地球的速度。”

但是,负闰秒会给科学家带来全新的挑战。“先前从未有过负闰秒的事情,人们担心要如何处理从前从未经过负闰秒操作测试的软件。”

无论是常规的加闰秒还是负闰秒,这些小改动都可能给从电信到导航系统的产业界制造大麻烦。因为面对闰秒对时间的干扰,计算机还没做好处理的准备。

“时间的连续性是互联网的重要支柱。”莱文说。如果无法实现稳定连续的信息传输,网络世界将分崩离析。重复一秒,或者跳过一秒,都会搅乱整个系统,让本来稳定的信息流出现缺口。对金融产业来说,闰秒也会带来挑战,因为每一次交易都有自己的时间印戳,如果 23:59:59 秒重复一遍,可能会出问题。

一些企业已自行想出解决闰秒的方案,例如谷歌的闰秒涂抹程序(Google smear)。他们不是让原子钟停下一秒让地球赶上,而是在闰秒日,让每一秒稍微延长一点。“凡事都有解决方法。”莱文说,“但如何定义时间,目前并无国际统一标准。”

作为工具
然而,从宏观角度来看,我们谈到的时间其实非常短,每几年才会调整一秒。你已经经历过很多次闰秒,甚至可能从未注意过。如果我们将时间视作衡量我们身边世界中所见之事的工具,例如从一天过渡到另一天,那么,过日子就得跟着地球自转走,而不是原子钟内的电子,无论后者多么精确。

莱文自己认为闰秒可能没那么麻烦:“我的个人观点是治疗要比疾病本身更糟糕。”如果我们不再根据闰秒调整原子钟,那么过上一百年,地球自转时间与原子钟记录的“真实”时间也只相差一分钟。

尽管如此,他承认时间只不过是根据人类意图构建出来的概念,试图让我们在大千世界中的经历变得有意义。“而且你也知道,中午 12 点就是太阳在头顶的时候。所以,尽管你不会经常细想,但这确实和天文时间有关。”闰秒极其渺小,以近乎看不见的方式保持着这种联系长久不断。

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