嘀嗒闰秒何来处

2012年6月30日，全世界的时钟都将增加一个闰秒，届时在我国将出现罕见的7时59分60秒。这“多出来”的一秒，引起了新闻媒体的广泛关注。闰秒是怎么一回事？增加的这一秒与我们的生活有什么关系，又将影响到哪些方面呢？

从历史上说，“秒”的概念与地球运动周期的时标密切相关，因此它来源于天文学的概念。在原子秒出现以前，总是先定义时标再定义秒；而原子秒的初始定义本身是与天文历书时标有关的，但它先定义原子秒，再定义原子时，并与世界时相协调。闰秒是原子时和世界时相协调的结果。为了了解什么是协调世界时和闰秒，必须先了解天文时和原子时是什么。

世界时的平太阳日及平太阳秒

1820年，法国正式提出秒长的定义：全年中所有真太阳日（太阳连续两次上中天的时间间隔，它并不总是相等）的和，除以365后，就得到一个平均太阳日，通常称为“平太阳日”，把它等分为86400份，每份即为一秒。1886年，在巴黎召开的国际会议上同意用美国科学家纽康的研究结果定义平太阳日，那么它的1/86400就是1平太阳时秒。之后，又规定在英国格林尼治天文台本初子午线（零经度子午线）测得并由平子夜起算的平太阳时叫做“世界时”，记为UT（Universal Time）。

1960年以前，时间单位的秒长一直使用平太阳时秒长。把直接测定的世界时记为UT0。只要知道某一个观测点的精确经度值，就可把直接测得的地方平时换算成世界时。19世纪末20世纪初，天文观测发现并证实了地球自转轴的指向会随时间有微小的变化。自转轴的摆动又使地球表面的地极有相应的移动，天文上称为“极移”。它会造成地球任何地点的经、纬度值发生变动。这样就会造成不同点的观测者观测得到的地方平时归算为世界时（标准时），结果会有差异。加上极移改正后的世界时称为UT1。

1891年，美国天文学家S.C.Chandler指出：极移主要包括两个周期部分，即约14个月的周期摆动，和周年、半年、半月等周期变化。后来还发现一些随机性的变化，如海啸、飓风、地震等的影响。综合以上因素引起的极移变化范围小于±0.4角秒。20世纪初，又发现地球自转速率的不均匀性，这是天文测量上的重大发现之一。至今，地球自转速率的变化机理并未十分清楚，并很难用一个数学模型来精确表达。由于日、地、月互相吸引，潮汐摩擦等引起的这种长期变化导致在一世纪中平均日长约增加1.6毫秒。季节性变化的改正加上UT1称为UT2。

一年中季节性日常变化的平均值约±1毫秒，并且还有随机的不规则变化。从1820年到1960年采用的时间标准是世界时UT，其稳定度可达10—7。

历书时及历书秒

以地球绕太阳公转为基础的研究结果产生了历书时（ET）和历书时秒。

在1956年国际计量委员会（CIPM）给出历书时秒的定义：1900年初，太阳几何平黄经等于279°41′48″，04的瞬间为历书时1900年1月0日12h.0正。历元1900年1月0日历书时12h.0正瞬间的回归年长度的1/31556925.9747为一个历书时秒。这样定义的时间测量系统被称为历书时，简称为ET（Ephemeris Time），其准确度达10—9。1960年，国际计量大会（CGPM）采纳了这一定义，并决定从1960年起使用历书时，直到1967年。

原子时和原子秒

对于如何利用原子跃迁现象实现对频率的精细控制，科学家们及各方面工程技术人员付出了艰辛努力。1936年美国人拉比（I·Rabi）在提出原子束谐振理论的基础上进行多次相关实验后，发明了利用原子跃迂实现频率控制的新技术。他因此荣获1944年度诺贝尔物理学奖。美国标准局在1948年研制成功第一台氨分子钟。1955年，英国国家物理实验室研制成功第一台铯束原子频率标准钟，开创了实用原子钟的新时代。在第一台原子钟研制成功后，美国海军天文台的W·Markowitz等人用历书时秒测定铯束振荡器的频率值。根据1955年至1958年问的测量结果得到，在1个历书时秒长的间隔期间，铯束振荡器的频率值为9192631770±20赫兹。

于是，在1967年10月举行的第十三届国际计量大会（CGPM）上通过了原子时秒长的定义：“位于海平面上的铯133原子基态的两个超精细能级问在零磁场中跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间为一个原子时秒。”

原子时秒的定义标志着时间标准计量学史上一次重大变革的开端和取得的巨大成就。在定义原子时（AT，Atomic Time）的同时，规定世界时1958年1月1日0时的瞬间为原子时的时刻历元。即在那一瞬间原子时和世界时的时刻相差为0。此后便由原子钟独立运行积累原子时。

当时，虽然这样做在理论上是可行的，但操作起来在技术上十分困难。所以当时原子时并未调整到同世界时完全一致，结果发现两者相差0.0039秒。这一差值只能作为历史事实被保留下来。中国科学院国家授时中心的地方原子时达到的指标是：频率准确度约为5×10—13，频率稳定度优于10—13。本地协调世界时与国际协调世界时之间的偏差已控制在±50纳秒以内，达到了国际先进水平。

国际原子时和协调世界时

为了把各地方实验室的地方原子时的标准时间统一起来，获取一个具有权威性的，比任何一个地方原子时更加准确、稳定的时间基准，1971年10月CGPM大会通过了建立国际原子时的决议：国际原子时（TAI）是由设在法国巴黎的国际时间局（BIH）负责的，根据各地方实验室按照国际单位制系统时间单位秒的定义运行的原子钟数据进行综合，经一定程序、算法处理后建立的国际原子时尺度，并于1973年开始工作。但国际原子时（TAI）不是实时原子时（又称纸面时间）。目前，全球30多个国家和地区的60多个实验室约300多台原子钟参加国际原子时的国际合作。近年来，国际原子时的准确度和稳定度进入了1×10—14量级。

闰秒

从1972年起，计时规则中又有了“闰秒”的规定。闰秒的目的是为了协调原子时（AT）同世界时（UT）之间的关系。协调世界时（UTC）实际上是由原子钟产生的时间尺度（闰秒除外）。我们知道，原子时是由原子钟提供的，它的秒长十分均匀，但它的时刻没有实际的物理意义；而世界时恰好相反，它的秒长不固定，均匀性差，但它的时刻对应于太阳在天空中的特定位置，反映地球在旋转时地轴方位的变化，这不仅同人类的日常活动密切相关，而且在地面、空间定位测量，航天器和舰船的导航等方面具有重要的实用价值。因为，在导航定位、天文大地测量和深空探测等领域，仍需要知道任一瞬间地球自转轴在空间的角位置，即世界时时刻。地球上的人类根本就离不开与天文、航天、航海等密切相关的世界时。

所以，必须在世界时和原子时之间寻找一种协调办法：既保持原子时尺度高度均匀、准确的优势，又能反映地球自转的变化。这种时号以原子时的定义为基础，在时刻上尽量靠近世界时。这就是说，“地球钟”不能随便拨动，只好拨动原子钟，让它主动接近“地球钟”。协调世界时实际上是原子时秒长与世界时时刻相互协调的产物。当协调世界时和世界时的偏离超过0.7秒的规定值时（1994年以后是大于0.9秒），可采用加减“闰秒”的方法来修正偏离值。

协调世界时的具体协调办法分两个发展时期。第一时期为1961年～1971年。协调世界时以两种改正量为基础。这两种改正量都是依据需要由国际时间局经协调后的，其要点是：（1）对钟的基本速率实行调偏。调偏值至少一年中不变。（2）引进0.1秒的时间阶跃。规定需要时在每月的第一天0时，世界时可对钟进行时刻阶跃调整，阶跃值为0.1秒，以使原子时和世界时的差值不超过0.1秒。第二时期，国际无线电咨询委员会（CCIR）在1971年又决定新的实施细则，规定从世界时1972年1月0日0时起，采用新的协调世界时尺度和闰秒方法。要点是：（1）相对于原子时，协调世界时的基本速率不再调偏，即后者的秒长与前者的秒长一致。（2）当原子时与世界时的时刻差达到0.7秒时，可以对协调世界时的时号发授时刻实施一个整秒的阶跃。阶跃的这一秒称为“闰秒”（地球自转速率变化是闰秒的原因）。凡增加一秒（即推迟一秒）称为正闰秒；减少一秒（即提前一秒）称为负闰秒。（3）规定实施闰秒时间在12月31日和6月30日世界协调时的最后一秒上进行。CCIR于1994年通过协调世界时修订方案：（1）协调世界时时刻与世界时的时刻保持在0.9秒以内；（2）3月31日和9月30日最后一秒作为闰秒的候选日期。

从上述规定可知，协调世界时有两个特征：秒长与原子时秒长一样；时刻与世界时相差小于1秒。这样，即满足了对秒长频率高准确、稳定的需求，又兼顾了对世界时时刻误差小于1秒的一般要求。根据国际规定，各地方实验室产生的本地协调世界时用UTC（K）表示，K为实验室缩写符号，它们各自独立运行。本地协调世界时需要由授时台发播，提供给各应用部门使用。因此，各地方的本地协调世界时必须有实时钟（一般最少有三台原子钟守时）。国际电联要求各实验室的本地协调世界时与国际时间局相差0.1微秒以内。这样，能保证世界各地的本地协调世界时能提供同步精度小于0.1微秒的授时服务。中国科学院国家授时中心的本地协调世界时与协调世界时的偏差已控制在±50纳秒以内。

协调世界时的闰秒实施日期由国际时间局决定，并提前至少8周公布。然而在另一方面，闰秒这种方法也是有缺点的，它有时会彻底搅乱计时服务系统的连续工作。所以，目前全球要求取消闰秒的呼声也时有所闻。

闰秒的广泛影响

自1971年首次增加闰秒以来，协调世界时已经增加了24个闰秒。一秒钟的时间，看似短暂，为什么授时工作者要和它锱铢必较呢？事实上，从1958年“原子时”诞生至今，它和世界时之间已累计差了30多秒，也就是说，地球自转已经慢了半分钟左右。长此以往，5000年后，两者之间将相差超过1小时。在协调世界时中增加一秒，虽然对于人们的日常活动影响不大，但却绝非毫无意义。

在天文学的高精度观测实验中，在守时方面要求很高的准确度和稳定度，以进行天体角度、距离、速度和时间的高精度测量，如甚长基线干涉仪、深空探测的高精度跟踪导航定位系统、引力波监测及毫秒脉冲星脉冲到达时间的测量等等。其中在毫秒脉冲星的观测中，3纳秒的时间误差就将导致近1米的距离测量误差。这就对原子频标的准确度和稳定度提出10—15量级的苛刻要求。但目前只有优质铯喷泉和氢脉泽才能达到这样的精度。

为了实现对导弹、航天器的精确测量和控制，对时间系统的同步精度要求愈来愈高。对于导弹发射、航天活动来说，准确的发射时刻（零时刻发射）十分重要。一秒钟的时间，航天器、导弹等的飞行距离可达7千米以上。航天试验、测量中所有重要事件的发生时刻都离不开高精度时间同步系统，如射前、射后时间，火箭发动机的点火、关机时间，多级火箭的分离时间，入轨时间及航天器回收制动火箭点火时间等等，都需要对时间统一系统提供准确的时刻标志。

对导弹、航天器的飞行控制也需要精密的时刻。轨道控制、返回卫星的返回控制和星上有效载荷的控制、地球同步卫星的变轨控制、定点姿态保持控制等，都需要地面控制系统根据时间统一系统提供的时刻，由遥控系统实施对飞行器的控制。

在卫星导航、通信、电力运输甚至财务资金转账等这些与人们的日常生活息息相关的领域，在如今都需要精确同步的时间系统。时间上的分秒之差，有可能会在这些领域中造成“失之毫厘，谬以千里”的巨大差错！ 2012年6月30日，我国将再次与世界同步，增加一个闰秒，届时将出现7时59分60秒。这一秒的增加，与我们的生活并非毫无联系。而在高科技领域，其影响就更加不可忽略了。