今天小編分享的科學經驗：什麼？！地球自轉變慢了，5 年後一分鍾只有 59 秒？，歡迎閱讀。
近日，有媒體報道稱：5 年後即 2029 年，1 分鍾或只有 59 秒。
這一說法來自美國加州大學聖地亞哥分校科學家的一項研究，該研究被發表在《自然》雜志上。
科學家發現，由于全球氣候變暖，南北極冰蓋正在大規模融化，改變了地球的形狀，導致地球自轉減速比之前更快。這一變化可能在五年内引發全球計時危機，比如計算機通訊和電信網絡造成大規模中斷。
圖片來源：網站截圖
事實上，這樣的表述并不準确，正确的表述應該為：2029 年，某一個 1 分鍾可能縮短為 59 秒，并且冰蓋融化延後了這一天的到來。
這到底是怎麼回事呢？為什麼 1 分鍾還會減少成 59 秒呢？時間難道不是固定不變的嗎？這又會對我們的生活產生哪些影響？
我們的計時系統
盡管時間似乎是均勻流逝的，但實際上我們已經調整了幾十年——每隔幾年插入一個閏秒。為了更好地理解這個問題，首先需要了解下我們的計時系統。
為确定時間，我們現在常見的時間系統包括三種，分别是：
以地球自轉周期為基準的世界時（Universal Time，UT1）
以地球繞太陽公轉周期為基準的歷書時（Ephemeris Time，ET）
以原子内部電子能級躍遷發射的電磁振蕩頻率為基準的原子時（International Atomic Time，法語：Temps Atomique International, TAI）
世界時（UT1）是通過将地球自轉一周的時間記為一天來确定的時間标準。它基于地球相對于平太陽的角度變化來劃分時間刻度。世界時在航海和導航領網域，以及天體測量和天文大地測量領網域中，起到了重要作用。
然而，由于地球自轉的速度并不是恒定的，世界時的穩定性不足，難以完全滿足現代科學研究和技術應用對極高精度時間的需求，比如天文觀測和全球導航衛星系統（GNSS）。
為了滿足更高精度的實際需要，科學家們引入了原子時。具體來說，原子時是通過原子鍾來實現的，而原子鍾利用的是原子内部電磁振蕩的周期來計時，這種振蕩周期非常穩定。
因此，原子時具有極高的準确度和穩定度，能夠提供極其精準的時間标準，從而被廣泛應用于科學研究、導航系統、通信網絡等領網域。
铯原子鍾 圖片來源：維基百科
1967 年，第十三屆國際計量代表大會決定将秒的定義從天文秒改為原子秒，将铯 -133 原子無幹擾的基态超精細能級躍遷對應輻射的 9192631770 個周期所持續的時間定為 1 秒，也就是說，将铯 -133 原子發出的輻射振動 9192631770 次所持續的時間定為 1 秒，稱作國際部門制秒。
這一決定标志着原子時的正式确立，并為後續的時間計量系統的發展奠定了基礎。
值得一提的是，為了實現我們國家标準時間的自主校準，中國科學院國家授時中心以張首剛研究員為代表的科學家們長期扎根西部，甘于寂寞，突破瓶頸十餘年，成功研制高穩定連續運行冷原子铯噴泉基準鍾，把我國标準時間與國際标準時間的偏差從 100 納秒減小到 5 納秒内。
在中國科學院國家授時中心空間锶原子光鍾實驗室，測量儀器顯示相關實驗信号。新華社記者 張博文攝
一分鍾為什麼會變成 59 秒？
以地球自轉為參考的世界時，一直是國際标準時間產生的重要參數之一。一天被分為 24 小時，1 小時 60 分鍾，一分鍾 60 秒，世界時刻反映了地球相對于宇宙背景的轉動角度，這是很重要的。
而采用原子時是一種非常準确、不變的時間定義方法，但它也帶來了一個令人不安的後果：原子時與地球自轉定義的世界時不太匹配。
原子時與世界時之間的差異。圖片來源：文獻 [ 1 ]
幾個世紀以來，時間測量的穩定度不斷提高，使我們能夠看到地球的自轉速度并不恒定，這就會使原子時和世界時之間產生差異。
為了兼顧這兩種需要，便引入了協調世界時（Coordinated Universal Time, UTC）系統。當國際原子時與世界時的時刻相差達到 0.9 秒時，就需要對協調世界時（UTC）進行調整，即增加或減少 1 秒，以盡量接近世界時，這就是所謂的閏秒（負閏秒，最後一分鍾為 59 秒；正閏秒，最後一分鍾為 61 秒）。這種添加閏秒的世界時就是協調世界時，也稱世界标準時間，是目前使用最廣泛的時間系統。
自 1972 年 UTC 正式使用至今以來，地球自轉一直處于不斷減慢的趨勢，協調世界時已經添加了 27 個閏秒，均為正閏秒。然而，自 2020 年年中以來，地球自轉速率呈現加快趨勢。
因此科學家估計，在 2029 年，人類可能就需要首次減少 1 秒為 " 負閏秒 "，對應的 1 分鍾只有 59 秒，來保持原子鍾時間與地球自轉周期的同步。
地球自轉速度為何不恒定？
在千年的時間尺度上，地球自轉速度的變化受三個地球物理過程的影響。
首先，海水和海底之間的摩擦會逐漸消耗地球自轉的動能，從而減緩地球的自轉速度，這就是所謂的潮汐效應。
其次，由于冰期後回彈，地球形狀會發生變化，變得更為扁平，使地球的慣性矩發生變化，降低了其自轉速度。這類似于滑冰運動員在旋轉時将手臂向身體兩側平伸以減速旋轉的原理。
最後，地球内部的一些過程，即地核和其外層（地幔、地殼）之間的相互作用和相互影響，例如地磁場變化和地幔對流，也會導致地球自轉速度產生變化。
根據美國國家航空航天局（NASA）和國際地球自轉和參考系統服務（IERS）的數據，地球的自轉速度确實在緩慢減慢。研究表明，地球自轉周期每個世紀增加大約 1.8 毫秒。雖然這個變化看似微小，但在長時間尺度上，其累積效應卻非常顯著。
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例如，古代天文學家記錄的日食時間與我們今天計算的時間存在顯著差異。2500 年前（大約春秋戰國時期）觀測到的日食時間與現代時鍾相比，時鍾誤差約為 4 小時。
原本，科學家預計由于這些地球物理過程的作用，地球自轉速度的減緩将使得首個 " 負閏秒 " 在 2026 年到來。
然而，衛星測量數據顯示，從 1986 年開始，随着全球氣候變暖加劇，格陵蘭和南極的冰蓋正在加速融化。這一現象導致海平面加速上升，進一步減緩了地球自轉速度。由于冰蓋融化和海平面上升的雙重效應，地球的慣性矩增加，自轉速度變得更慢，從而推遲了負閏秒的到來。
極地冰層融化并向赤道移動，減緩了地球的自轉速度。圖片來源：文獻 [ 3 ]
閏秒會帶來什麼影響？
閏秒通常在世界協調時（UTC）6 月 30 日或 12 月 31 日的 23:59:60 實施。閏秒的調整對日常生活的直接影響較小，人們往往感受不到閏秒所帶來的變化。
但對依賴精确時間同步的技術系統和應用領網域，如計算機、金融、航空航天等領網域，閏秒卻有重要影響。
例如，閏秒的加入或删除需要全球同步，對計算機系統的時間管理提出了挑戰。
2012 年，多個大型網站就因為時間同步錯誤，導致伺服器崩潰，出現了短暫的服務中斷。2015 年，閏秒再度來臨時，工程師們修復了部分 2012 年出現的問題，但發現了新的問題。又如，每次閏秒調整，GNSS 系統需要更新時間數據，以保證授時精度。如果未能及時調整，可能導致導航電文的不準确。
與傳統的增加一秒的閏秒不同，史無前例的負閏秒将會給許多依賴精确時間同步的系統帶來新的挑戰和不确定性。計算機和網絡系統、金融系統等等往往已經設計好如何處理增加的正閏秒，但對如何處理減少的負閏秒則可能缺乏足夠的準備。科學家們正在呼籲各界共同努力，為負閏秒的實施做好充分準備，以确保全球技術系統的穩定和安全。
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盡管閏秒的初衷是保持 UTC 與地球自轉時間 UT1 同步，但閏秒的調整，特别是潛在的負閏秒，正不斷增加時間同步系統的復雜性。有人提議實施幅度更大的校正，如閏分、閏時，以将調整時間延長至百年、千年；也有人建議停止校正，同時公布世界時和國際原子時之間不斷增長的時刻差。
2022 年第 27 屆國際計量大會決定，最遲不晚于 2035 年廢除閏秒，改為閏分，即允許國際原子時與世界時的時刻相差在 1 分鍾以内。并要求各方協商提出一個可以将 " 協調世界時 " 持續至少百年的新方案。
随着科技的發展，新的時間同步技術會不斷湧現，例如更精準的光鍾和更加智能的網絡時間協定，都可能為解決閏秒問題提供新的途徑。
參考文獻
[ 1 ] Tavella, Patrizia, and Jerry X. Mitrovica. "Melting ice solves leap-second problem — for now." ( 2024 ) .
[ 2 ] Agnew, Duncan Carr. "A global timekeeping problem postponed by global warming." Nature 628.8007 ( 2024 ) : 333-336.
[ 3 ] Gibney, Elizabeth. "Climate change has slowed Earth ’ s rotation — and could affect how we keep time." Nature 628.8007 ( 2024 ) : 243-244.
策劃制作
作者丨 Denovo 物理化學專業博士生
審核丨尹東山 中國科學院國家授時中心 副研究員
策劃丨王夢如
責編丨王夢如
審校丨徐來 林林
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