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2017年1月1日称得上是个具有特殊意义的新年。对于采用东八区作为标准时间的中国，我们迎来了“7:59:60”的奇妙现象。这“滴答”声中多出的一秒，就是闰秒。截至目前，全球已实施过27次闰秒，在漫长岁月流转中，这些凭空增长（或减少）的“额外时间”到底有何实际意义？

01 “闰秒”是怎么产生的？

目前科学上有两种时间计量系统：基于地球自转的天文测量而得出的“世界时”和以原子振荡周期确定的“原子时”。简单来说，闰秒是协调世界时与原子时之间差异的人为产物。

世界时是以地球自转为基准得到的时间尺度。人们为了测定地球自转，在天球上选取了两个基本参考点，分别是春分点和平太阳位置，以此确定的时间分别称为恒星时和平太阳时。

恒星时虽然与地球自转角度对应，符合以地球自转为基础的时间计量标准要求，但因不便观测不能满足日常生活和应用需要。人们习惯上看太阳东升西落确定时间，但地球绕太阳公转的轨道是椭圆形，所以真太阳周日视运动速度不均匀。为了得到以真太阳周日视运动为基础而又克服其不均匀性的时间计量系统，人们引入假想参考点---平太阳。它在天赤道上做匀速运动，其速度与真太阳的平均速度一致。以平太阳日子夜作为0时开始的格林尼治平太阳时，称为世界时（Universal Time,UT）。

由于地球是球体，世界各地人们看到日出或正午太阳的时间并不相同。以观测者所在地子午线为基准测出的时间称为地方平太阳时，同一时刻（瞬间），地球上不同经度观测者测出的地方平太阳时不同。导致各地时间没有统一的标准，为了使用方便，19世纪中叶，欧美一些国家开始采用全国统一的时间，多以本国首都或重要商埠的子午线为标准。但随着铁路长途运输和远洋航海的发展，人们活动范围大大扩张，国际交往时采用各自地方时间依然存在混乱。19世纪70年代，有人提出了全世界统一标准划分时区的建议，实行分区计时。1884年10月13日在华盛顿召开的国际子午线会议决定，以经过英国伦敦东南格林尼治的经线为本初子午线作为世界标准“时区”的起点，称为标准时。世界时区的划分既是科学研究的需求，更是世界经济与政治发展的需求。

20世纪60年代以前，世界时作为基本时间计量系统被广泛使用，在这一计时标准下的“1天”和“1秒”有着严格的换算标准：1平太阳日等于24平太阳时，等于86400平太阳秒。

随着现代科技的飞速发展，人们对时间的测量精度越来越高，科学家一直在探索新的时间频率标准，以原子振荡周期确定的原子时应运而生。

1967年10月，在印度新德里召开的第十三届国际计量大会正式把由铯原子钟确定的原子时定义为国际时间标准。新秒长规定为：位于海平面上的铯133原子基态的两个超精细能级间在零磁场中跃迁振荡9192631770个周期所持续的时间为一个原子时秒，更大的时间单位由秒累加得到。有了秒长定义后，将分布全球各国符合秒长定义的多台原子钟联合，产生了国际原子时（TAI）。

原子时由原子钟生成，秒长十分稳定，能够满足对时间间隔均匀性要求很高的场合，但它的时刻没有具体的物理内涵。世界时的时刻对应于太阳在天空中的特定位置，反映地球在空间旋转时地轴方位的变化。不仅与人们日常生活密切相关，而且在大地测量、天文导航和宇宙飞行体的跟踪测量等科学技术领域中具有实际应用价值。但由于地球自转速率并非十分均匀，世界时的秒长会有微小的变化，每天的快慢差值可以达到千分之几秒。

为了解决这一矛盾，国际上决定采用一种“协调世界时（UTC）”制度来进行协调。每当地球自转变化引起的时间误差积累到与原子钟接近一秒时，就要人为地把时钟增加或减少一秒，从而使UTC与世界时重新协调一致。

协调世界时的秒长采用原子时，时刻与世界时的偏差保持在±0.9秒之内，当超过0.9秒时，对协调世界时实施1秒的调整，这一秒的调整称为闰秒。

02 闰秒对我上班打卡有啥影响？

闰秒的实施与地球自转周期关联，地球自转变慢，则可能发生正闰秒，变快则可能发生负闰秒。实施正闰秒时，将出现23：59：60，负闰秒时23：59：58的下一秒为0：0：0，即跳过23：59：59这一秒。

由于潮汐和地球内部结构导致目前地球自转趋势是越来越慢，相当于世界时秒长比原子时秒长更长了，所以目前已实施的27次闰秒都是正闰秒。因此如果当正闰秒发生时，准时打卡，将显示提前一秒到公司，若负闰秒发生时，将显示迟到一秒。

可能大家会好奇，闰秒发生时，自己的手表指针为什么没有看到任何变化呢？

原因与我们手表的计时原理有关。大多数人使用的手表都属于电子手表、石英手表或机械手表类，计时原理是通过手表内置振荡器产生均匀的秒长，然后积累秒长实现计时，手表出厂时已经被工人将手表的起始时间与国家标准时间在时刻上对齐，人们使用一段时间后，可能会发现手表与国家标准时间有数秒甚至几分钟的偏差，这是因为手表里的振荡器周期不够准确导致，重新调整对齐时刻即可。因此普通手表的时刻是人为调整对齐的，如果闰秒发生时，没有人为进行时刻对齐操作，那么手表指针将不会有任何变化，因振荡器周期不够准确，即使闰秒发生时不调整，1秒的闰秒可能淹没在误差中而难以被人发觉。还有一种手表是能实时或定期接收无线电信号的电波手表，将自动通过无线电波与国家标准时间对齐，当闰秒发生时，将出现跳秒。

03 谁在需要越来越准的钟？

随着人们活动范围的增加，对导航的需求越来越多、精度越来越高，无人驾驶汽车甚至需要能精确定位到米以内，从早期的方向判断到现在的全球卫星导航都高度依赖于更加精确的时间。在通信方面，时间同步是通信系统正常工作的基础，时间同步网的同步性能是影响高带宽、低时延通信的关键保障，也需要高精度的原子钟和时间同步技术作为支撑。

此外，超精密的原子钟可以帮助科学家们探测暗物质、测量引力波，并以前所未有的精度确定地球重力场的确切形状。

随着原子钟技术的发展，作为秒长定义的铯原子钟的频率准确度、稳定度性能已经落后于微波钟、光钟等一到两个数量级，制约了更稳定秒长的获得。秒长定义更新的呼声日益强烈，光钟很有可能成为秒长定义的“后浪”取代铯原子钟。针对秒长定义是使用某种元素的光钟还是多类型组合的讨论尚未有结论，为此我国提前布局了多类型光钟的研究，包括如镱原子光晶格钟、钙离子光钟、锶原子光晶格钟、铝离子光钟、镱离子光钟、汞原子光晶格钟、汞离子光钟等。

10月31日，搭载空间站梦天实验舱的长征五号B遥四运载火箭，在我国文昌航天发射场点火发射。梦天舱载有世界上第一套由冷原子锶光钟等组成的空间冷原子钟。

图片来源：新华社（郭中正 摄）

目前，我国的光钟研究在多领域已经达到了世界领先水平，还是世界首个将光钟搬上太空的国家，中国空间站上运行着世界上首台锶原子光钟。目前在建全球最长里程、最高精度的光纤时频传递网络也将在基于光频跃迁的秒重新定义中做出中国贡献。

专家：刘娅 中国科学院国家授时中心 研究员

出品：科普中国

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